吳 迪，陳 良，姜?jiǎng)P鑫

（長(zhǎng)春師范大學(xué)工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130032)

鈦合金Ni-P-PTFE-SiC復(fù)合鍍工藝研究

吳 迪，陳 良，姜?jiǎng)P鑫

（長(zhǎng)春師范大學(xué)工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130032)

在傳統(tǒng)鍍液中添加軟質(zhì)微粒PTFE和硬質(zhì)微粒SiC，使兩種微粒充分混合分散在鍍液中，施鍍時(shí)發(fā)生Ni-P-PTFESiC共沉積，在鈦合金表面形成Ni-P-PTFE-SiC四元復(fù)合鍍層。并與Ni-P鍍層、Ni-P-PTFE復(fù)合鍍層、Ni-P-SiC復(fù)合鍍層進(jìn)行了比對(duì)，分析了復(fù)合鍍層微觀形貌的變化情況及PTFE微粒和SiC微粒的加入對(duì)其摩擦磨損性能的影響。結(jié)果表明，Ni-PPTFE-SiC復(fù)合鍍層具有較高的硬度和良好的耐磨減摩性能。

鈦合金；Ni-P-PTFE-SiC復(fù)合鍍層；硬度；耐磨

1 前言

鈦合金具有良好的耐蝕性、比強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，已成為航空、航天及能源化工等國(guó)防和民用工業(yè)部門的重要結(jié)構(gòu)材料。但鈦合金耐磨性能差，表面易擦傷和咬死，使鈦及其合金的應(yīng)用受到了限制[1-2]。在鈦合金表面進(jìn)行適宜的化學(xué)鍍處理后可改善其使用性能，擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域。但鈦合金屬于難鍍金屬，其表面處于鈍化狀態(tài)，施鍍后基體和鍍層間結(jié)合力的強(qiáng)弱取決于前處理工藝條件。

化學(xué)鍍Ni-P鍍層具有優(yōu)異的耐蝕性、耐磨性、可焊性以及良好的結(jié)合強(qiáng)度[3-4]，為了進(jìn)一步提高Ni-P鍍層的耐磨減摩性能，可在傳統(tǒng)的鍍液中加入潤(rùn)滑粒子和高硬度粒子，如PTFE、MoS2或石墨等與Ni-P鍍層共沉積，從而產(chǎn)生良好的自潤(rùn)滑效果，其中PTFE因具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性及比其他聚合物具有更低的摩擦系數(shù)而受到重視，所制備的復(fù)合鍍層已成功地應(yīng)用于許多行業(yè)[5-7]。而SiC（硬質(zhì)顆粒）的加入則可提高材料表面的硬度，從而提高其耐磨性能。

本試驗(yàn)以TC4鈦合金為基體，在其表面進(jìn)行化學(xué)復(fù)合鍍Ni-P-PTFE-SiC工藝研究，獲得具有自潤(rùn)滑性能的耐磨復(fù)合鍍層，使TC4鈦合金的摩擦系數(shù)降低，耐磨性能提高，從而延長(zhǎng)鈦合金的使用壽命，拓展其應(yīng)用領(lǐng)域。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料與工藝流程

試樣采用TC4（Ti6Al4V）鈦合金，尺寸為40mm×20mm×1mm，SiC顆粒（粒徑為2～4μm），PTFE乳液（粒徑為0.01～0.1μm）。

工藝流程：打磨→除油→超聲清洗→酸洗活化→閃鍍底層鎳→化學(xué)復(fù)合鍍（Ni-P-PTFE-SiC）

活化：進(jìn)一步除去鈦合金表面的鈍化層（氧化膜），使鈦合金表面形成一層氫化鈦的膜，起到保護(hù)活性鈦并利于其他金屬的沉積的作用。

閃鍍底層鎳：增強(qiáng)鈦合金基體與鍍層間的結(jié)合強(qiáng)度，使鈦合金能順利進(jìn)行后續(xù)化學(xué)鍍復(fù)合鍍工藝。因鈦合金屬于難鍍金屬，預(yù)鍍一層鎳后有利于進(jìn)行后續(xù)的化學(xué)復(fù)合鍍工藝[8]。

2.2 鍍液組成與工藝條件

表1 鍍液組成及工藝條件

PTFE是一種化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定且摩擦系數(shù)很低的一種固體潤(rùn)滑劑，將PTFE與Ni-P鍍層相結(jié)合，可得到具有自潤(rùn)滑效果的Ni-P-PTFE復(fù)合鍍層，使零件表面的摩擦系數(shù)大大降低。SiC是一種硬度高、耐磨性好的非金屬材料，這種物質(zhì)與Ni-P鍍層相結(jié)合，可制備出具有耐磨性能的Ni-P-SiC復(fù)合鍍層，延長(zhǎng)了零件的使用壽命。

本試驗(yàn)在傳統(tǒng)鍍液中同時(shí)添加PTFE乳液和SiC微粒，在鈦合金表面形成Ni-P-PTFE-SiC四元復(fù)合鍍層，提高其耐磨性能。施鍍過程中PTFE微粒、SiC微粒與Ni-P合金發(fā)生共沉積現(xiàn)象，經(jīng)過吸附、鑲嵌、包埋三個(gè)階段，如圖1所示。

圖1 Ni-P-PTFE-SiC復(fù)合鍍層的剖面結(jié)構(gòu)

3 復(fù)合鍍層形貌與性能分析

3.1 鍍層的表面形貌

Ni-P合金鍍層表面呈銀灰色，有光澤；Ni-P-PTFE復(fù)合鍍層呈暗灰色，臘光表面；Ni-P-SiC復(fù)合鍍層呈深灰色，；Ni-PPTFE-SiC復(fù)合鍍層表面平整光滑，呈深灰色。

圖2為SEM下觀測(cè)到的四種鍍層的微觀形貌，（a）為Ni-P合金鍍層的微觀形貌，表面呈胞狀突起。（b）為Ni-PPTFE復(fù)合鍍層的微觀形貌，復(fù)合鍍層中PTFE以黑色顆粒狀分布在Ni-P合金鍍層的表面，顆粒分布均勻、連續(xù)。（c）為Ni-P-SiC復(fù)合鍍層的微觀形貌，其中SiC 以灰白色微粒形式存在。（d）為Ni-P-PTFE-SiC復(fù)合鍍層的微觀形貌，灰白色微粒（SiC）和黑色微粒（PTFE）同時(shí)存在，分布較連續(xù)、均勻。

圖2 四種鍍層的微觀形貌

3.2 鍍層的硬度分析

采用上海尚材試驗(yàn)機(jī)有限公司HR-150A型洛氏硬度計(jì)對(duì)試樣進(jìn)行硬度測(cè)試。在室溫下即熱處理之前，對(duì)各鍍層進(jìn)行硬度測(cè)試；然后分別進(jìn)行400℃下的熱處理，再測(cè)試各鍍層的硬度。硬度測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 不同鍍層的硬度值（HRC）

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，熱處理前，Ni-P-PTFE復(fù)合鍍層硬度最小，而Ni-P-SiC復(fù)合鍍層的硬度最大，Ni-P-PTFE-SiC復(fù)合鍍層的硬度介于Ni-P鍍層和Ni-P-SiC復(fù)合鍍層之間。熱處理后，鍍層硬度均有不同程度增加，其中Ni-P-SiC復(fù)合鍍層的硬度明顯提高，Ni-P-PTFE-SiC復(fù)合鍍層的硬度的升高也較為明顯。

3.3 鍍層的摩擦磨損性能

采用MM-W1A立式萬能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)。在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，分析Ni-P鍍層、Ni-P-PTFE復(fù)合鍍層、Ni-P-SiC復(fù)合鍍層和Ni-P-PTFE-SiC復(fù)合鍍層的摩擦系數(shù)隨摩擦?xí)r間的變化（見圖3）。

圖3 四種鍍層在磨損過程中的摩擦系數(shù)變化

圖3為Ni-P鍍層、Ni-P-PTFE復(fù)合鍍層、Ni-P-SiC復(fù)合鍍層和Ni-P-PTFE-SiC復(fù)合鍍層在50N、50r/min磨損條件，10min內(nèi)的摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化情況。Ni-P-SiC復(fù)合鍍層摩擦系數(shù)較高，大約在0.6和0.8之間，且摩擦曲線的波動(dòng)幅度大，說明磨損過程不平穩(wěn)，這是由于硬質(zhì)SiC微粒包埋和鑲嵌在復(fù)合鍍層中，Ni-P鍍層的摩擦系數(shù)大約在0.4左右，Ni-PPTFE復(fù)合鍍層摩擦系數(shù)下降至0.2，且摩擦系數(shù)變化幅度很小，摩擦過程非常平穩(wěn)，表明復(fù)合鍍層中的軟質(zhì)PTFE微粒起到了自潤(rùn)滑減摩作用，Ni-P-PTFE-SiC復(fù)合鍍層的摩擦系數(shù)約0.3，磨損過程較平穩(wěn)，復(fù)合鍍層中的軟質(zhì)PTFE微粒和硬質(zhì)SiC微粒分別起到了減摩和耐磨作用。

表3為Ni-P鍍層、Ni-P-PTFE復(fù)合鍍層、Ni-P-SiC復(fù)合鍍層和Ni-P-PTFE-SiC復(fù)合鍍層在50N、50r/min磨損條件，10min內(nèi)的磨損量測(cè)試結(jié)果。其中Ni-P鍍層的磨損量最大為0.684 mg，復(fù)合鍍層的磨損量均低于Ni-P鍍層，說明Ni-PPTFE復(fù)合鍍層、Ni-P-SiC復(fù)合鍍層和Ni-P-PTFE-SiC復(fù)合鍍層均具有良好的減摩耐磨性能。其中Ni-P-PTFE-SiC復(fù)合鍍層的磨損量最小，僅為0.192mg，說明其具有更好的耐磨減摩性能，這是因?yàn)閺?fù)合鍍層中彌散分布的SiC微粒作為強(qiáng)化相提高了鍍層的抗塑性變形能力，同時(shí)復(fù)合鍍層中PTFE微粒起到了減摩潤(rùn)滑的作用，復(fù)合鍍膜中軟質(zhì)點(diǎn)的PTFE微粒在磨損過程中，能夠彌散在鍍膜整個(gè)表面形成薄薄的一層PTFE自潤(rùn)滑層，起減摩作用，進(jìn)一步提高了復(fù)合鍍層耐磨性[9-10]。

表3 四種鍍層在磨損試驗(yàn)過程中的磨損量

4 結(jié)論

1）經(jīng)過打磨、除油、超聲清洗、酸洗活化、閃鍍底層鎳等前處理工藝后進(jìn)行Ni-P-PTFE-SiC復(fù)合鍍工藝處理，在難鍍金屬TC4鈦合金表面成功制得具有耐磨減摩效果的Ni-PPTFE-SiC復(fù)合鍍層。鍍層表面平整光滑，呈暗灰色。

2）經(jīng)400℃熱處理后4種鍍層的硬度均有所提高。其中Ni-P-SiC鍍層的硬度達(dá)到69HRC，Ni-P-PTFE-SiC復(fù)合鍍層硬度為56HRC。

3）本實(shí)驗(yàn)條件下，Ni-P-PTFE-SiC復(fù)合鍍層的摩擦系數(shù)降至0.3左右，磨損量?jī)H為0.192mg，摩擦磨損過程較平穩(wěn)，說明Ni-P-PTFE-SiC復(fù)合鍍層具有良好的耐磨減摩性能。

[1] 屠振密，李寧，朱永明.鈦鈦合金表面處理技術(shù)和應(yīng)用[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2010.

[2] Kathy W.The Use of titanium for medical application in USA[J].Materials Science & Engineering A1996（213）：134-136.

[3] 胡文彬，劉 磊，仵亞婷，等.難鍍基材化學(xué)鍍鎳技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003：1-4.

[4] G.Straffelini，D.Colombo，A.Molinari.Surface durability of electroless Ni-P composite deposits[J].Wear，1999，236：179-188.

[5] Pietsch Karl-Heinz.Dispersion coatings with PTFE[J].Products Finishing，1999，63（2）：34-39.

[6] Ming Der Ger，K.H.Hou，L.M Wang，et al.The friction and wear of Ni-P-PTFE composite deposits under water lubrication[J].Materals Chemisty and Physics 2002（77）：755-764.

[7] 仵亞婷，劉磊，高加強(qiáng)，等.自潤(rùn)滑Ni-P-PTFE化學(xué)復(fù)合鍍工藝及鍍層性能[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，39（2）：206-210.

[8] 吳迪.鈦合金表面自潤(rùn)滑膜的制備及其摩擦磨損性能研究[D].沈陽：東北大學(xué)，2011：22.

[9] 吳迪.鈦合金表面自潤(rùn)滑膜的制備及其摩擦磨損性能研究[D].沈陽：東北大學(xué)，2011：33-34.

[10] Ming Der Ger，BingJoe Hwang.Effects of surfactants on codeposition of PTFE particles with electroless Ni-P Coating[J].Materials chemistry and Physics，2001，76（5）：38-45.

Study of Electroless Ni-P-PTFE-SiC Composite Coating on Titanium Alloy

Wu Di，Chen Liang，Jiang Kai-xin

PTFE particals and SiC particals were added in traditional electroless nickel plating bath，Ni-P-PTFE-SiC composite coating was formed on the titanium alloy substrate by making PTFE particals and SiC particals evenly distributed in the coating.Compared with Ni-P plating，Ni-P-PTFE composite coating and Ni-P-SiC composite coating，the microstructure，the friction and wear properties of Ni-P-PTFE-SiC composite coating were studied.Results showed that Ni-P-PTFE-SiC composite coating has good hardness and wear resistance.

titanium alloy；Ni-P-PTFE-SiC composite coating；hardness；wear resistance

TG457.19

A

1003–6490（2017）11–0144–02

2017–09–12

長(zhǎng)春師范大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目“鈦合金Ni–P–PTFE–SiC復(fù)合鍍工藝研究”（201610205124）

吳迪（1987—），女，吉林長(zhǎng)春人，講師，碩士，主要研究方向?yàn)榻饘俨牧媳砻嫣幚怼?/p>