電流密度對Ni-W合金鍍層摩擦磨損性能的影響

（遼寧石油化工大學 機械工程學院 石油化工過程腐蝕與防護技術中心，遼寧 撫順113001）

0 前言

在傳統機械加工行業中，為了獲得高硬度、高耐磨性的鍍層，通常使用含六價鉻的鍍液。但鍍鉻過程中排放的廢水、廢氣、廢渣中含有有毒的六價鉻，對環境造成巨大的危害[1]。Ni-W合金鍍層作為代鉻鍍層越來越受到人們的關注[2-4]。本文采用脈沖電沉積方法在45#鋼表面制備了Ni-W合金鍍層，并研究了電流密度對鍍層摩擦磨損性能的影響。

1 實驗

1.1 脈沖電沉積Ni-W合金鍍層

采用厚度為10 mm的45#鋼作為基體材料。前處理工藝流程為：基體的工作面積為10 mm×10 mm，非工作部位用硅膠封樣。

參考文獻[5]后，確定鍍液組成為：NiSO4·6 H2O 26.3 g/L，Na2WO4·6H2O 98.7 g/L，Na3C6H5O7·2 H2O 85.0 g/L，NH4Cl26.7 g/L，NaBr 20.4 g/L。

采用MD-30A型多功能脈沖電鍍電源恒電位儀作為電源，陰極為20R，陽極為石墨。以NiSO4·6H2O和Na2WO4·6H2O為主鹽，以 NH4Cl和Na3C6H5O7·2H2O為配位劑，用NaBr增強溶液的導電性。用稀H2SO4或氨水調節鍍液的pH值。各條件下的沉積時間均設定為60 min。電鍍過程中，用CIJ-60型智能磁力攪拌器攪拌鍍液。實驗所用試劑均為分析純。采用高精度天平稱取試劑，用去離子水配制溶液，并用磁力攪拌使之充分溶解。溶液配制好后，靜置24 h，待用。

1.2 測試方法

在MM-W1 B型摩擦磨損試驗機上進行銷盤式摩擦磨損試驗。上試樣為高速鋼，下試樣為Ni-W合金鍍層。室溫下干摩擦載荷為10 N，潤滑摩擦載荷為50 N，潤滑油選用60號機油，試驗時間為2 h。

2 結果與討論

2.1 工藝參數的設定

設定鍍液溫度為65℃，鍍液pH值為6.5。pH值過小，析氫反應劇烈，鍍層容易產生裂紋；pH值過大，試樣邊緣易“燒焦”。最佳的峰值電流密度為10～15 A/dm2。當峰值電流密度低于10 A/dm2時，鍍層較薄且不利于W的沉積；當峰值電流密度高于15 A/dm2時，析氫反應劇烈，鍍層出現微小裂紋。占空比為50%，使高電位維持在半個周期。脈沖頻率設定為5000 Hz。當脈沖頻率較小時，電極表面的金屬消耗得不到補充，放電離子在電極表面的濃度低，以至于還原的離子少，鍍層不易增厚；當脈沖頻率大于5000 Hz時，大部分能量都消耗在充放電上，有效脈沖電流變小，鍍層難以增厚。

2.2 鍍層的干摩擦磨損性能

圖1為干摩擦條件下Ni-W合金鍍層與基體的摩擦因數隨時間的變化曲線，載荷為10 N，轉速為150 r/min。由圖1可知：在摩擦的初始階段，每個試樣的摩擦因數都迅速上升。這主要是因為試樣表面微突起所引起的整體宏觀應力場變成了分散應力場。隨著摩擦過程的進行，摩擦接觸面上的微突起發生塑性變形，試樣表面逐漸變得光滑，摩擦因數趨于穩定。由于拋光作用，基體表面光滑，摩擦因數較?。?.11）。電流密度較小的Ni-W合金鍍層表面光滑，摩擦因數較小。當電流密度增至15 A/dm2時，由于析氫作用加劇，導致鍍層表面粗糙，摩擦因數達到0.26。

圖1 干摩擦條件下摩擦因數隨時間的變化曲線

圖2為干摩擦2 h后Ni-W合金鍍層與基體的磨損量。由圖2可知：基體的磨損量為8.4 mg；而電流密度為15 A/dm2時制備的Ni-W合金鍍層的磨損量為1.2 mg，與基體的磨損量相比減小了85.7%。這說明Ni-W合金鍍層具有較高的抗塑性變形能力，能夠提高基體的摩擦磨損性能。

2.3 鍍層的油潤滑摩擦磨損性能

圖2 干摩擦2 h后的磨損量

圖3為油潤滑摩擦條件下Ni-W合金鍍層與基體的摩擦因數隨時間的變化曲線，載荷為50 N，轉速為150 r/min。由圖3可知：Ni-W合金鍍層的摩擦因數均小于基體的摩擦因數，說明Ni-W合金鍍層的潤滑性能比基體的潤滑性能好。其中，當電流密度為5 A/dm2時制備的Ni-W合金鍍層的摩擦因數最低（為0.12）。這是由于Ni-W合金鍍層具有較大的內應力，當電流密度過大時鍍層存在微小裂紋。這些裂紋可以起到儲存潤滑油的效果，大大減小了摩擦因數。

圖3 油潤滑摩擦條件下摩擦因數隨時間的變化曲線

圖4為油潤滑摩擦2 h后Ni-W合金鍍層與基體的磨損量。由圖4可知：基體的磨損量為33.4 mg，并且在實驗運行1.5 h后摩擦因數突然增大，產生“膠合”；而電流密度為15 A/dm2時制備的Ni-W合金鍍層的磨損量為2.8 mg，與基體的磨損量相比減小了91.6%。這說明在油潤滑條件下Ni-W合金鍍層具有優異的摩擦磨損性能。

圖4 油潤滑摩擦2 h后的磨損量

3 結論

（1）Ni-W合金鍍層具有較好的摩擦磨損性能。在干摩擦條件下，隨著電流密度的增大，析氫變得嚴重，鍍層的摩擦因數逐漸增大，但磨損量逐漸下降，磨損較基體減少了85.7%。

（2）在油潤滑摩擦條件下，Ni-W合金鍍層的摩擦因數隨電流密度的增大變化平穩，磨損量逐漸降低，磨損較基體減少了91.6%。