纳米电刷镀（共7篇）
纳米电刷镀 篇1
真空环境下润滑的要求是非常严格的, 目前, 软金属金、银、铅、锌、铟等作为固体润滑剂被广泛应用于高真空环境中, 其复合薄膜可明显改善基体合金在真空条件下的摩擦学性能。软金属铟长期以来并未受到人们特殊的重视, 一直被视为“实验室里的金属”[1]。但随着人们对铟的不断认识与研究, 目前铟在信息、宇航、能源、军事工业及航天产品和太阳能电池的制造等方面, 起着很重要的作用[2]。
轴承的表面一旦镀上含铟的薄层, 如铜铟镀层、铅银铟镀层、锌铟镀层等之后, 其使用年限将比普通镀层的轴承延长5倍之多;银铅铟合金可用于航空工业高速航空发动机轴承;铟镉铋合金则可用作为原子能工业上的中子吸收材料;铟锡合金可用于真空密封材料、低熔点合金接点材料等。
许多含铟同时还含有银、镉、铋等的合金还可用于航天器登陆舱, 着陆时不脆化、不开裂[3]。为进一步研究铟在多种环境下的减摩润滑性能, 利用纳米电刷镀技术在淬火后45钢基体上制备 (n-Al2O3/Ni) /In复合涂层, 并考察其干摩擦条件下大气、真空、真空原子氧辐照及真空紫外线辐照四种环境下的摩擦磨损性能。
1 实验方法
基体材料为45钢, 淬火后硬度为55HRC, 表面经磨削后粗糙度为0.8μm。首先采用纳米电刷镀技术在45钢表面制备了 (n-Al2O3/Ni) 涂层作为工作层, 工作层硬度为62HRC。然后在该工作层上制备In涂层。制备工艺如下[4]:
前期处理※电净※强活化 (2号) ※弱活化 (3号) ※镀特殊镍打底层※刷镀 (n-Al2O3/Ni) 工作层, 沉积厚度为50μm※重复强活化和弱活化※刷镀碱性铟:先无电擦拭5~10s, +3V起镀, 刷镀2~3min慢慢上升至+4~12V, 以镀层不发黑为宜, 刷镀至所需厚度。
利用扫描电子显微镜和能谱仪观察和分析了In涂层在大气、真空、原子氧辐照、紫外线辐照后的表面及磨痕形貌及元素组成。
利用真空摩擦磨损试验机分别完成了干摩擦条件下大气、真空、原子氧辐照及紫外线辐照四种环境下的摩擦磨损性能测试。上试样为淬火9Cr18钢珠, 直径为3mm, 硬度为770HV。下试样为镀有 (n-Al2O3/Ni/In) 涂层的45钢圆盘, 直径为45mm, 厚度为8mm。试验时上试样固定, 下试样圆盘旋转。试验条件:大气环境室温21℃, 相对湿度14%, 转速100r/min, 载荷为3N, 摩擦实验600s, 真空度为3.6×10-5Pa, 原子氧辐照5h, 紫外线辐照10h, 氧气流量为2.4×10-5m3/min, 原子氧束流密度3×1015 atom/cm2, 紫外线光子能量高于376.6kJ/mol。
2 实验结果与分析
2.1 镀层In的组织结构与表面形貌分析
宏观上看, 刷镀In涂层呈银白色, 色泽光亮, 镀层较软, 用指甲可划痕。图1为In镀层在大气、真空、原子氧辐照5h及紫外线辐照10h后的SEM照片。由图1 (a) 大气环境中照片可见, In镀层的表面形貌呈典型的细小菜花头状, 一个菜花头即为一个单元, 每个单元由多个细小的部分组成。镀层表面形貌均匀致密, 晶粒细小, 无明显裂纹与空洞。图1 (b) , (c) , (d) 分别是In涂层在真空, 原子氧辐照5h, 紫外线辐照10h后的微观形貌照片, 涂层在这三种环境下有着相似的形貌:涂层表面随机地分布着大小不一的“针孔”。个别试样表面一些相对较大的“针孔”内还存在颗粒状物质, 这可能与刷镀层在这高真空条件下放气有着密切关系[5]。
分析认为, 因工艺特点所致, 刷镀过程中, 晶粒呈柱状, 且氢的析出速度快、数量多, 在镀层上形成针孔, 快速形成的柱状晶体无法堵住针孔, 在针孔内的H2, H2O和NH3等分子在较大电流密度和较高温度下以气态急剧析出不易封合, 随后形成孔隙[6]。电刷镀层孔隙较多, 孔径较小, 呈区域性分布。镍基镀层的孔隙多为贯通性的, 即由基体金属表层直接贯通到镀层表面, 随着镀层厚度增加, 孔隙率不会明显降低, 较大的内应力也是导致孔隙的原因之一。
在基体上刷镀 (n-Al2O3/Ni) 工作层时, 该复合镀层中含有大量的气体及孔隙, 工作层上刷镀In涂层, 虽相对比较致密, 但仍含有气体及微小孔隙, 这种情况, 在真空度为3.6×10-5Pa这样的高真空状态下, 会加剧工作层及In镀层中残留气体的析出, 铟镀层很软, 随着真空度越来越高, 析出的气体增多, 孔隙也会越来越大, 当相邻的小孔隙慢慢增大到一定程度会合并成为一个大的空洞, 那么这些孔隙之间的镀层部分就成为了这些空洞中的颗粒状物质。
2.2 摩擦因数分析
图2为In镀层在大气、真空、原子氧辐照及紫外线辐照四种环境中的摩擦因数随时间变化曲线。从图2中可以看出, 大气环境中的摩擦因数相对较高, 在0.4左右, 其他三种环境中的摩擦因数差别不大, 基本维持在0.28~0.30左右。摩擦曲线不平滑, 摩擦试验过程中, 试样运转不平稳, 噪音较大。In从常温到其熔点 (156.61℃) 之间与空气中的氧作用缓慢, 可在表面形成极薄的氧化膜, 在大气环境中的摩擦实验, 氧化膜破坏的同时暴露出的In新鲜表面又与大气中的氧作用, 生成新的氧化膜, 所以, 大气环境中的摩擦因数相对较高。而其他三种环境摩擦实验都在高真空下进行, 镀层表面的氧化膜破坏之后, 软金属In很快转移到对磨面上, 形成持续发挥作用的润滑涂层, 所以由图2可看出, 在真空, 真空原子氧辐照, 真空紫外线辐照环境中的初始摩擦系数都很高, 很短时间后因转移膜的形成, 摩擦系数就降低至0.28左右。
2.3 磨痕形貌分析
图3为In镀层在大气, 真空, 原子氧辐照, 紫外线辐照后的磨痕照片。In金属很软, 所以从宏观上看, 有明显宽而深的磨痕产生, 磨损量较大。由图中磨痕形貌可知, 主要发生的是黏着磨损和微犁沟。从图3 (a) 可见, 大气环境磨损较为严重, 微犁沟明显, 而其他三种环境黏着比较明显。从图3 (d) 可看出, 镀层已经呈现出明显的材料转移, 部分镀层已磨穿, 暴露出基体。
2.4 表面能谱分析
图4至图7为In镀层在大气环境、高真空环境、原子氧和紫外辐照后的表面形貌照片和同视场能谱。由图4可以看出, 刷镀In涂层由粒径5μm左右的颗粒相互嵌套堆叠而成, 表面比较光滑均匀, 组织结构致密, 区域能谱显示, 金属In含量在97.31% (质量分数, 下同) 左右, 其余为铁元素。基体元素Fe的出现, 可说明刷镀层由于工艺特点限制, 不可避免地有孔隙存在。
图5为真空环境中In镀层表面区域能谱, In元素含量96.98%, 其余为铁元素含量。相比大气环境, 镀层经历高真空环境后, 由于压力差的存在, 镀层内部残留的气体顺着空隙放出, 在气流的冲击下, 涂层表面明显出现很多的微孔, 镀层表面光洁度明显降低, 在镀层表面的局部区域甚至出现了将近10μm的空洞, 空洞内还残留有白色颗粒状物质。分析认为, 在经历高速抽气达到高真空过程中, 涂层内部的残留气体争先恐后的由微孔放出, 个别区域因残留气体较多, 不断冲刷微孔, 导致空隙越来越大, 而相邻空隙之间的实体间隔越来越狭窄, 最终镀层局部区域塌陷, 而“间隔”便掉入大的空洞中。
图6为In镀层经历原子氧辐照后的表面形貌和区域能谱。资料表明, 原子氧撞击材料表面会发生一系列物理-化学过程, 在原子氧“掏蚀”和溅射作用下, 大部分材料会产生严重质损和性能衰退[7]。但与图5对比发现, 镀层经历原子氧辐照后, 表面颜色变得暗淡, 成分分析表明O元素含量0.35%, 说明镀层经历原子氧辐照后, 表面形成了氧化膜, 但氧化效应不是很严重。这与大多数金属与原子氧相互作用后生成氧化物并随即脱落, 露出的新鲜表面则又将被原子氧继续剥蚀, 结果造成较严重的质损不同[8,9]。说明In具有较强的抵抗原子氧侵蚀的能力。
图7为紫外线辐照10h后In镀层表面区域能谱, 含In元素97.79%, Fe元素2.21%。与图4和图5比较可知, 无论是元素成分和镀层表面形貌变化都不大。研究表明, 紫外线辐射会对有机高分子材料的影响较为明显[10]。再通过摩擦因数看, 镀层的润滑性能也基本没发生改变, 所以可以认为紫外线辐照对铟镀层化学成分、结构和润滑性能都基本没有影响。
3 结论
(1) 高真空环境对刷镀In层的表面致密度、粗糙度和摩擦学性能都有较大的影响。
(2) 电刷镀In因固有的抗氧化性能, 受原子氧的影响较小。
(3) 电刷镀In涂层内部主要是以键能较大的金属键结合, 光子能量对In涂层性能影响较小。
(4) 利用纳米电刷镀技术制备的In润滑涂层在高真空环境中, 因放气造成致密度和表面光洁度变差, 但与45钢相比, 其仍具一定的减摩润滑性能。因此, 只要通过适当的工艺手段, 提高In镀层的成形质量, 电刷镀软金属In镀层在未来空间器械和装备上有较好的应用前景。
参考文献
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纳米电刷镀 篇2
磨损和腐蚀是工业生产中普遍存在的现象,带来了巨大的资源浪费[1]。随着现代化工业的迅速发展,要求产品能在高参数(如高温、高压、高速)和恶劣的工况条件下长期稳定运转。因此,改善工件表面的耐磨损性能及抗腐蚀能力,将在提高机械设备的可靠性以及延长使用寿命等方面发挥很大的作用,更重要的是能够节省大量的资源和能源。而不溶性固体微粒在复合刷镀层中具有的强化作用,可以使刷镀层具有很好的耐磨、耐蚀等特性[1,2,3]。
近年来,复合镀层引起了各国研究者的广泛关注,并进行了大量的研究[3,4,5,6,7,8]。但还有许多课题,如复合镀机理等还需深入探讨,颗粒在镀层中的行为与作用机制、纳米微粒在镀液及镀层中的均匀分散、扩大功能梯度材料复合电镀的范围等方面,有待于进一步研究。
本工作在电刷镀镍磷镀液中加入纳米WC微粒(沈阳金属研究所配制),应用电刷镀技术制备含有纳米WC微粒的Ni基复合镀层,研究了镀液中纳米WC含量与镀层中纳米WC含量的关系及镀层中纳米WC含量对镀层性能的影响。
1 试 验
1.1 仪器与设备
电刷镀电源、磁力搅拌器、HX-1显微硬度计、铂电极、饱和甘汞电极、CHI604C电化学分析仪、X射线衍射仪、HITACHI S3400扫描电子显微镜。
1.2 镀液组成及工艺流程
前处理溶液及工艺流程:电净→水洗→活化1→水洗→活化2→水洗→底镍→水洗→Ni-P/纳米WC电刷镀复合镀。
Ni-P/纳米WC电刷镀镀液组成:250 g/L硫酸镍、50 g/L次亚磷酸钠、36 g/L柠檬酸及柠檬酸钠(配合剂)、WC纳米粉。
分别以含0,5,10,15,20,25,30 g/L纳米粉WC的电刷镀镀液刷镀7种试样。
1.3 性能测试
以试样为工作电极,辅助电极为铂电极,饱和甘汞电极为参比电极,用CHI604C电化学分析仪测定镀液中纳米WC含量不同时镀层在1mol/L H2SO4溶液,1 mol/L HCl溶液及3% NaCl溶液中的动态极化曲线,进而探讨Ni-P/纳米WC电刷镀复合镀层的耐蚀性。用显微硬度计测定不同纳米WC含量对镀层硬度的影响,用S3400扫描电子显微镜观察镀层的晶态结构和形貌,通过X射线衍射法考察纳米WC加入后对镀层结构的影响。
2 结果与讨论
2.1 镀液中纳米WC微粒含量与沉积速度的关系
刷镀时间均为20 min,改变纳米WC粉体的含量,在10 V施镀电压下镀液中纳米WC粉体的含量与沉积速度的关系见图1。从图中可知,当纳米WC粉加入到镀液中后,出现了镀层沉积速度较未加纳米WC粉时下降的现象。这可能是由于电刷镀镀层的晶簇较大,晶间存在空隙,而纳米粉的体积较小,容易填充到晶间的空隙中,同时纳米WC粉的表面会吸附一些Ni2+,导致镀液中的Ni2+不能有效地沉积,影响了镀层的沉积速度;再者,纳米粒子很容易团聚,不导电的纳米WC粉也会对镍离子的沉积产生位阻效应。所以,镀层沉积速度随纳米WC粉在镀液中含量的增加而下降。
2.2 表面形貌观察及能谱分析
电刷镀Ni-P镀层与Ni-P/纳米WC复合镀层的表面SEM形貌见图2。
从图中可见,镀层表面呈典型菜花头状的晶簇,对比可知,在相同的工艺条件下电刷镀Ni-P镀层表面的晶簇比较粗大,尺寸也不均匀,而在镀液中加入纳米WC粉体后可使镀层表面随镀液中纳米WC含量的增加变得更细小、均匀。当镀液中纳米WC的含量达 30 g/L时,镀层出现明显的微裂纹,在摩擦过程中镀层会发生崩裂,使镀层的耐磨损性能下降。
镀层能谱分析见图3。从图中可知,复合镀层中有纳米WC的存在,由面扫描能谱得镀液含0, 5,15,25 g/L纳米WC时复合镀层中W的原子分数分别为0.19%,0.25%,0.50%,0.60%。可见,镀层中WC纳米粉体含量随镀液中纳米WC粉体含量的增加而增加。
2.3 X射线衍射测试
Ni-P镀层和Ni-P/纳米WC复合镀层的XRD图谱见图4。
从图中可知,由于沉积层含有晶态的纳米WC颗粒使纳米复合镀层的衍射峰主峰更加突出,但与Ni-P镀层形状大体相同,仍为馒头峰,说明纳米复合镀层与Ni-P镀层一样为非晶态。
2.4 耐蚀性能分析
不同含量纳米WC粉施镀所得镀样品制成面积为1 cm2的试样,以该试样作为工作电极,测定镀液中纳米WC含量不同时镀层在1 mol/L H2SO4,1 mol/L HCl溶液及3% NaCl溶液中的动态极化曲线,结果见表1。
从表1可见,Ni-P/纳米WC电刷镀复合镀层在3% NaCl溶液、1 mol/L HCl溶液和1 mol/L H2SO4 3种溶液中的腐蚀电流密度无明显变化,且与Ni-P电刷镀镀层的腐蚀电流密度在同一数量级,说明Ni-P/纳米WC电刷镀复合镀层耐腐蚀性能与原Ni-P镀层相当。
2.5 显微硬度及耐磨性能测试
2.5.1 显微硬度
不同含量纳米WC粉所获复合镀层显微硬度的平均值见表2。从表中可知,随镀液中纳米WC含量的增加,电刷镀复合镀层的硬度随之增加。这是因为WC是硬质合金具有较高的硬度和耐磨性。同时扫描电镜观察也显示纳米粉体使复合镀层的晶簇被细化,这可能是由于电沉积过程中,纳米粉体提供了较多的晶核,有效地细化了晶粒,并且弥散分布在晶粒和晶界周围,与基质金属紧密结合,起到了第二相质点强化和钉扎的作用;同时纳米颗粒的加入,阻碍了镀层中位错的移动,从而强化了镀层。
2.5.2 耐磨性能
利用往复式磨损试验的方法,载荷为98 N,行程25 m,使试样与150号砂纸对磨,根据磨痕来考察镀层的耐磨性能,结果见图5。
从图中可见,由于镀层中纳米WC粉体含量随镀液中WC纳米粉体含量的增加而增加,其耐磨性能也随之加强。耐磨性的提高是由于添加纳米粉体的复合镀层组织更加细小致密,同时复合镀层具有高硬度的WC硬质点,与镍基相结合良好所致。
3 结 论
(1)所获Ni-P/纳米WC电刷镀复合镀层在3% NaCl、1 mol/L HCl和1 mol/L H2SO4的腐蚀介质中的耐腐蚀性能与原电刷镀Ni-P镀层相当。
(2)当镀液含25 g/L纳米WC时,电刷镀复合镀层的显微硬度为918 HV。
(3)所获Ni-P/纳米WC电刷镀复合镀层的耐磨性优于电刷镀Ni-P镀层。
参考文献
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液压控制阀的电刷镀修复 篇3
虽然引起液压阀失效的原因很多, 但阀体与阀杆的磨损使两者间隙变大, 是液压阀损坏的主要原因。以MDY200型打包机上的电液换向阀为例说明修复工艺:
一、拆检
液压阀属于精密零件, 拆检时不得损坏或丢失, 一定要仔细分析被拆检部件的工作原理, 确定其拆装顺序, 并做好各零件装配标记, 零件要装入专用盒子, 妥善保管。
二、除油
液压件属于精密零件, 不可高温除油, 可先用清洗剂清洗, 再用化学方法反复除油。
三、零件的检验与修复
测量阀体孔和阀杆的配合间隙, 测阀体的孔径为Φ51mm, 阀杆外径为Φ51mm, 阀杆与阀体的配合间隙严重超差, 达到了0.08~0.18mm, 且圆柱度公差在0.0l~0.02mm。针对这种情况可采取的修复工艺为:
1、研磨阀孔
(1) 研具的选择
研磨是修理精密液压元件的最常用方法。主要是恢复孔的几何与形位尺寸, 消除孔的锥度和椭圆度。研磨时采用灰口铸铁材料HT200制成研磨工具, 研磨棒的结构如图1所示。
为了能对寸外径尺寸进行调整和储存磨料, 在研具表面上开有四个沟槽, 其中一个是切通的, 研具内孔制成l:20或1:30的度。它就是依靠该锥孔与相配锥形芯轴的松紧来调整研具与工件孔的间隙, 当锥形芯轴位置偏向研具内孔小头时, 研具外径尺寸被涨大, 研具与被研阀孔间隙变小;当锥形芯轴移向研具内孔大头位置时, 由于研具切通槽产生的弹性小, 从而使研具与被研阀孔间的间隙增大。
为了在研磨时能够很好的导向, 研具深入阀孔的工作长度约为工件长度的3/4。研具圆柱面的尺寸比被研孔通常小0.03~0.05mm, 以容纳研磨剂、料。
(2) 研磨
选择220号的研磨膏, 用煤油稀释后, 涂于研磨棒上;研磨棒加固于车床上, 以每分钟200转速度转动, 手持阀体, 在研磨棒上进行直线往复运动和转动。并且适当的调头再研磨, 研磨时要防止阀体因自重作用形成椭圆孔。研磨后的阀孔, 孔径为Φ51.2mm。其内孔各段圆柱面的圆度和圆柱度均不得超过0.005mm。各段圆柱面同轴度误差不超过0.001mm, 内孔表面粗糙度不差于Ra0.8mm。
2、阀杆的修理
(1) 在外圆磨床上精磨阀杆, 消除几何误差, 以保证阀杆的圆柱度在0.005mm以内, 为刷镀做准备。
(2) 除油
由于阀杆上的配合面上开有平衡槽, 因此对刷镀要求较高, 否则容易出现刷镀层“起皮”, 结合强度不高的现象。刷镀中关键是注意刷镀工作层之前的阀杆表面处理, 不能让沟槽的油或其他杂质在刷镀时进入到刷镀工作面上或粘在镀笔上影响表面质量。
(3) 刷镀阀杆, 刷镀工艺如下:
(1) 刷镀前准备与预处理
该阀杆的材质为35Cr Mo钢, 可按中碳合金钢电净和活化工艺进行表面处理。先用2号活化液活化, 然后用3号活化液在15~18V电压下活化, 至表面出现均匀的银灰色。
用刷镀特殊镍镀层作为底层。刷镀时, 先在不通电情况下, 用刷镀笔沾特殊镍溶液擦拭待镀表面, 历时3~5s, 再在15V工作电压下, 镀笔以10m/min的速度相对镀件运动, 刷镀2um厚度。
(3) 刷镀工作层, 根据工作条件可选用快速镍或致密快速镍单一的镀层作为工作层。将阀杆的直径刷到Φ51.3mm左右。
(4) 阀杆的磨削
在外圆磨床上精磨阀杆, 使阀杆与阀孔的配合间隙达到0.015mm。
四、阀的装配试验
按照拆时的相反顺序将阀组装, 装配时, 应注意以下几点:
1、用煤油、轻柴油或汽油清洗全部阀件。
要将研磨时的涂敷磨料清除干净, 尤其是阀体沉割槽以及阀体、阀孔有关通道内应仔细检查, 不能残留。对于毛刺、切屑及其他污物, 当然要同时清洗。零件用空气吹干, 擦干时, 注意不要让擦布上的纤维及污垢粘附在零件上。
2、检查阀杆与阀孔的配合间隙, 若
使用单位无测量仪器、量具时, 在阀杆上涂抹一层薄薄的清洁机油后, 将其细心的放入阀孔内, 在阀孔全长范围内, 应能够灵活而不松动的移动, 阀杆旋转一定角度后也能保证上述状态, 没有“打咯”阻滞现象, 即可认为合格。
3、将清洁的煤油注入孔中, 检查阀体、阀盖与电磁铁壳体的接触面间必须密封, 不允许泄漏。
装机试验, 打包机工作良好, 电液换向阀经用户使用, 其寿命达到新阀的水平。由于液压元件属于精密零部件, 其购买费用相当高, 而刷镀的费用通常只有购买相应零件的1/10左右, 可见其经济效益十分明显。
参考文献
[1]刘延俊:《液压系统使用与维修》.北京:化学工业出版社, 2006.[1]刘延俊:《液压系统使用与维修》.北京:化学工业出版社, 2006.
纳米电刷镀 篇4
电刷镀技术是电镀技术的一种特殊形式, 是从槽镀技术上发展起来的一种新的电镀方法。电刷镀技术的原理从本质上来说与普通电镀相同, 也是电化学沉积过程, 符合金属电沉积的一般规律, 受法拉第电解定律及其它电化学规律支配。
电刷镀现已应用于国民经济的很多行业, 解决了许多重点工程中的维修难题。例如应用电刷镀技术修复了大量的机床导轨, 导轨的磨损和划伤是机床最常见的损伤, 修复后可重新使用, 节约了大量资金。随着电刷镀技术的广泛应用, 对电刷镀技术的基础理论也有了深入的研究。目前, 在镀液性能、镀层沉积机理、强化机理、镀层显微硬度、镀层应力和渗氢量以及镀层摩擦副的匹配选择、镀层结构方面都开展了研究工作, 提出了一些新见解, 有了新的发展。这些工作为进一步推广应用电刷镀技术提供了科学的依据。
本文通过在电镀液中加入碳化硅微粒, 测量未加碳化硅微粒及加入不同种碳化硅微粒后电刷镀镀层性能的变化, 研究碳化硅微粒的加入对电刷镀镀层的影响。
1 试验部分
1.1 试验基体材料及粉体材料
电镀基体为钢板, 粉体材料选择型号为:1:W14;2:F240;3:F1200;4:RS07。
1.2 试验设备
JLT100A电刷镀仪、OLYMPUS GX51显微镜、KQ—500E型超声波清洗器、TH320洛氏硬度仪、布氏硬度仪、显微硬度仪等。
1.3 电刷镀试样的前处理工艺
钢板用砂纸打磨, 去表皮脏物, 然后可用超声波清洗。
1.4 镀液的选取
取标准电镀液, 一号至五号。一号镀液 (电净) ;二号镀液 (活化一号) ;三号镀液 (活化二号) ;四号镀液 (过渡层电镀液, 也叫特殊镍镀液) ;五号镀液 (即是快速层, 也叫工作层电镀液) 。微粉颗粒就是加在五号电镀液中。
1.5 镍基纳米复合镀层的制备
第一步电净, 电极正接11V, 大约两分钟, 去除表面污物, 最终使铁板表面无水珠。
第二步活化, 电极反接11V, 大约四分钟, 使表面变黑, 说明有碳析出。
第三步活化, 电极反接13V, 大约分四钟, 使表面回复金属颜色即可, 但也不要过度活化。
第四步电镀, 电极正接, 大约2分钟, 电镀过渡层, 镀层不能太厚, 使铁板表面变颜色即可。否则极易起皮, 在试验中出现了这个现象。
第五步电极反接, 大约二十分钟, 可视情况而定。
2 试验结果讨论与分析
2.1 镀层沉积速度
由试验结果可知, F240碳化硅微粉型加入的电镀液, 所镀镀层质量最多, 远多于其他型号碳化硅微粉。其中, 微粉粒度最小的F1200型及较小的RS07型的镀层, 均出现起皮现象且所镀量均较少, 说明碳化硅微粉颗粒的粒度大小虽然与所形成的晶粒大小形貌有关, 但是对于电刷镀的可镀性, 碳化硅微粉的粒度大小只是其中一个影响因素。
2.2 镀层表面粗糙度
由试验结果可知, 电刷镀后与打磨处理后相比, 板材的粗糙度有更粗糙的趋势, 其中F240型所镀最多, 镀层最厚, 其表面粗糙度最大, 所加入的碳化硅微粉越细, 如F1200型 (试验样品中微粉平均粒度最小) , 虽然电刷镀镀层不容易电镀, 但是表面粗糙度与打磨的板材相比, 仍属于比较好, 相比于打磨后的板材表面, 粗糙程度有所减小。
2.3 镀层硬度
硬度试验中, 显微硬度和洛氏硬度效果较之于布氏硬度效果要更好。在测量显微硬度是注意测点的选取及刻度线相切时读取的准确性, 也可以多做几组。
通过试验结果可知, 加入碳化硅微粉后镀层硬度性能有了很大提升。但是, 并不是微粒越细, 所得镀层硬度越大, 尤其以显微硬度项最为明显。而且在试验过程中, F1200型和RS07型碳化硅微粉平均粒度最小, 但是电镀所得镀层薄, 能够电镀的时间最短, 容易起皮, 所以硬度并未遵从粒度越小镀层表面硬化度越大的一般规律, 硬度的维持需要一定的厚度, 因此可以推断其两型硬度出现异常, 应该与电镀复合镍少, 镀层厚度太薄有关。
3 结论
3.1 通过对各个表面质量镀层的测量, 加入碳化硅微粒的镀层, 在硬度等性能上有明显的提高。
表面粗糙度只在使用较小粒度的碳化硅微粉时, 工作层表面粗糙度变化不明显。并且, 其镀层厚度很薄, 所镀上的镍基镀层总量较少。
3.2 采用纳米复合电镀技术制备Ni-SiC纳米复合镀层。
研究表明, 镀液中纳米SiC的质量浓度为小于4g/L时, 所得到的纳米复合镀层均匀细致平滑, 表面光亮, 镀层的显微硬度远高于普通纯镍镀层的硬度。
摘要：纳米微粒加入镀液可提高镀层的性能, 用电刷镀方法制备了纳米SiC复合镀层, 测试了纳米SiC微粒添加量对复合镀层的硬度的影响, 探讨了纳米SiC微粒复合镀层的强化机制。结果表明, 采用电刷镀制备工艺, 能在一定程度上改善纳米微粒在镀液中的分散均匀性并能提高复合镀层性能。在Ni基镀液中适量添加纳米SiC微粒 (<4g/L) , 纳米SiC微粒在形成复合镀层时能起到硬质点的强化作用, 能使板材表面镀层硬度显著提高。
关键词：复合电刷镀,Ni基镀液,碳化硅微粉,硬度
参考文献
[1]张立德, 牟季美.纳米材料和纳米结构[M].北京:科学出版社, 2001:443-439.
[2]徐龙堂, 周美玲.含纳米粉镀液的电刷镀复合镀层试验研究[J].中国表面工程, 1999, 3.
[3]冯秋元, 李廷举, 金俊泽.影响微粒复合沉积的诸因素[J].材料保护, 2006 (9) :35-39.
纳米电刷镀 篇5
1 电刷镀技术的原理
电刷镀技术是不需要镀槽的电化学镀覆技术,以专门研制的电刷镀溶液、各种形式的镀笔和阳极,以及专用的直流电源为工作条件。基本原理是将特殊配制的电介质刷镀液置于不溶性阳极与阴极(即零件表面)之间,工作时,工件接电源负极,镀笔接电源的正极,靠包裹着的浸满溶液的阳极在工件表面擦拭,溶液中的金属离子在零件表面与阳极相接触的各点上发生放电结晶,并随时间增长镀层逐渐加厚,最终在阴极表面发生电化学沉积而形成镀覆层,从而达到镀覆及修复的目的。
2 电刷镀技术的特点
1)设备简单,不需要镀槽,便于携带,适用于野外及现场修复。尤其是对于大型、精密设备的现场不解体修复更具有适用价值;2)工艺简单,操作灵活,不需要镀的部分不用很多的材料保护;3)操作过程中,阴极与阳极之间有相对的运动,故允许使用较高的电流密度;4)镀液中金属离子含量高,所以沉积速度快;5)溶液种类多,应用范围广;6)溶液性能稳定,使用时不需要化验和调整,无毒,对环境污染小;7)配有专用除油和除锈的电解溶液,所以表面预处理效果好,镀层质量高,结合强度高;8)配有不同型号的镀笔,对各种不同几何形状以及结构复杂的零部件都可修复;9)修复加工超差件及零件的表面磨损,恢复其尺寸精度和几何形状精度;修复零件表面的划伤、沟槽、凹坑、斑蚀;10)修复周期短,经济效益大。
3 电刷镀技术的应用范围
1)各种机械、起重运输设备因为磨损需要更换新的部件时,可采用电刷镀技术修复使之恢复到原有尺寸精度。2)新制产品零部件,因加工超差或达不到精度,可通过电刷镀技术修复而达到尺寸公差精度技术要求。3)产品零部件及机械设备磨损件在第一次修复使用后,到了一定的使用周期已磨损到极限,若具备修复价值,可以进行第二次修复。4)大型设备如滚筒、转子、轧机、切削机、传动轴、曲轴、油缸、柱塞、机体、导杆等局部磨损、擦伤、凹坑、腐蚀点等的修复都可以现场修复,从而减少大量的人力物力浪费,缩短维修工期。5)部分产品需要强化硬度,改善耐磨或防腐能力可通过电刷镀技术予以解决。本技术专业修复各类轴颈、轴承孔、电机盖、各种油缸、活塞杆、变速箱、电机转子轴、造纸、印刷等行业,修复时间短,最大修复尺寸(厚度)达0.8 mm～10 mm。6)改善轴承和配合面的过盈及配合性能。如增加过盈量、增加配合的耐磨性及防腐性。
4 电刷镀技术在工程机械修复中的应用
4.1 推土机发动机修复中的应用
1)在发动机连杆轴承座修复中的应用。对于本单位的推土机(D155A)由于使用时间较长,因此该机的发动机连杆轴承座磨损严重,局部存在偏差过大现象。平时进行发动机的大修时,我们只是简单进行了垫薄铜皮的做法来对偏差大的地方进行处理,但该方法在使用过程中对尺寸的补差不均匀,容易造成连杆轴承与曲轴之间的间隙不均匀和不合理,即使对连杆轴承进行研磨,装配出的间隙也是存在不均匀现象,局部间隙达0.30 mm～0.50 mm以上(标准间隙为0.05 mm～0.13 mm),并且存在有椭圆度,使得该发动机在大修后使用周期较短,一般为1年,远小于正常使用周期,加大了维修成本和使用成本。后经研究决定采用电刷镀技术对该发动机的连杆轴承座进行修复,通过和专业人士的仔细研究,认为该工艺是可行的,在此基础上对该发动机的连杆轴承座进行了电刷镀修复,修复前轴承座局部磨损在0.5 mm以上,修复后该连杆轴承座的磨损量完全消失,恢复了原始尺寸和公差数据,轴承座的圆度也恢复到了原始尺寸和公差。修复工艺为:a.用有机溶剂丙酮脱脂;b.用电净液脱脂,连杆接负极,工作电压12 V～15 V,时间15 s～30 s,连杆轴承座表面水膜均匀摊开不呈珠状;c.以清水彻底冲洗;d.用铬活化液活化,连杆接正极,工作电压12 V～15 V,时间10 s～30 s,然后将电压降低到10 V～12 V,时间10 s～20 s,使工件表面呈银灰色;e.用特殊镍镀液(硫酸镍395 g/L～397 g/L,氯化钠14 g/L～16 g/L,乙酸68 g/L～70 g/L,盐酸20 g/L～28 g/L)镀底层,无电擦拭3 s～5 s,连杆接负极,工作电压18 V～20 V,闪镀3 s～5 s,然后工作电压降至15 V,阴阳极相对运动,速度10 m/min～15 m/min;f.用镍钨D镀液(硫酸镍395 g/L,钨酸钠23 g/L,硼酸31 g/L,柠檬酸42 g/L,硫酸钴2 g/L,无水硫酸钠6.5 g/L,硫酸镁2 g/L,硫酸锰2 g/L,冰醋酸20 mL/L,甲酸35 mL/L,氟化钠5 g/L,十二烷基硫酸钠0.001 g/L～0.01 g/L)镀工作层,工作电压10 V～15 V,阴阳极相对运动,速度6 m/min～20 m/min。镀层厚度直到规定尺寸。工作前,镀液温度应加热至30 ℃～50 ℃。通过电刷镀技术的修复应用,该发动机在大修时连杆和曲轴之间间隙在正常公差范围之内,磨合后投入使用,该推土机正常使用状况下发动机大修周期也恢复到了正常的大修周期,维修成本仅占大修成本的1.5%左右,并延长了整机的使用寿命。
2)在发动机曲轴轴承座磨损及变形修复中的应用。对于本单位的另一台推土机(D155A)由于使用过程中发生过翻车,使得该发动机曲轴最后一节部分存在有轻微弯曲变形,在对该发动机进行大修修复后,使用寿命也很短,在经过一段时间的使用后,由于磨损,该发动机最后的两道曲轴轴承座磨损严重,磨损量最大处接近1 mm,并且整体轴承座的直线度不能维持在允许范围之内。因此该机发动机在以往的大修时,我们也只是简单进行了垫薄铜皮的做法来对偏差大的地方进行处理,但该方法在使用过程中对尺寸的补差不均匀,造成曲轴轴承与曲轴之间的间隙不均匀和不合理,即使对轴承进行研磨,装配出的间隙也是存在不均匀现象,局部间隙达0.35 mm～0.8 mm以上(标准间隙为0.05 mm～0.13 mm),并且存在有椭圆度,曲轴轴承座整体弯曲度也没法调整,使得该发动机在大修后使用周期较短,一般为半年,远小于正常使用周期,加大了维修成本和使用成本。后经研究决定采用电刷镀技术对该发动机的曲轴轴承座进行修复,并同时对发动机缸体曲轴轴承座整体直线度进行修复,于是对该发动机缸体曲轴轴承座进行了电刷镀修复,修复前轴承座局部磨损在1 mm左右,修复后该曲轴轴承座的磨损量完全消失,恢复了原始尺寸和公差数据,轴承座的圆度也恢复到了原始尺寸和公差。在对轴承座整体进行电刷镀修复和研磨后,直线度也得到了恢复,通过电刷镀技术的修复应用,该发动机在大修时曲轴轴承和曲轴之间间隙控制到了正常公差范围之内,磨合后投入使用,使用正常,该推土机正常使用状况下发动机大修周期也得到了恢复,维修成本仅占大修成本的1.0%左右,并延长了整机的使用寿命。
4.2挖掘机液压系统修复中的应用
PC400液压挖掘机的液压系统在长时间使用中,使用不当,难免将尘埃、污物带入液压系统,使得该挖掘机的液压系统中的三联阀、四联阀阀体、阀芯磨损严重,造成间隙较大,封油不严,液压系统压力下降(额定压力为250 kg/cm2),使得该挖掘机的操作缓慢无力,更有些阀芯部分处出现毛刺现象,有时在操作过程中发生犯卡现象,严重影响该机械设备的性能,使得生产能力下降,效率降低。在对三联阀、四联阀阀体、阀芯进行电刷镀修复,并研磨后,阀体与阀芯之间的间隙得到了有效的恢复,液压系统的压力也得到了恢复,并且三联阀、四联阀阀体、阀芯修复后的耐磨性、硬度、表面粗糙度等都能达到原来的性能指标,该挖掘机的工作效率有了极大的提高,在节约维修成本的基础上极大地增加了企业的经济效益。
通过以上的实例我们可以得出电刷镀技术在工程机械的修复中,可以较广泛的应用。并且电刷镀的设备比较简单,工艺灵活,携带方便,可以现场进行表面刷镀,修复周期短,经济效益大,修复费用一般只占工件成本的0.5%～2%,对于企业有着显著的经济效益和社会效益,值得我们推广。
参考文献
纳米电刷镀 篇6
超疏水表面具有自清洁[1]、防结霜[2]、减小与水流之间的摩擦阻力[3,4]、抑制表面腐蚀[5]等特点。由于钢铁材料是应用最广泛的工程材料,所以在钢基体上制备超疏水表面具有重要的意义。目前,已有一些在钢基体上制备超疏水表面的方法。张有法等[6]用喷丸-氟化的方法在不锈钢上制备了超疏水表面,与水滴的接触角达到了160°;Song等[7]通过改变固化温度在45钢表面制备了具有超疏水性的PEEK/ PTFE复合材料涂层,与水滴的接触角达到了161°;Sethi等[8]在钢表面制备了一层碳纳米管(CNT)网状结构,使钢表面具有了超疏水性,与水滴的接触角达到了167°;Satyaprasad等[9]使用等离子弧在不锈钢表面制备了纳米聚四氟乙烯超疏水涂层,与水滴的接触角达到了165°;Huang等[10]用纳米复合电沉积的方法在316L不锈钢上制备了超疏水表面,与水滴的接触角达到了174.9°。
上述方法中,有些方法工艺过程比较复杂,需要特殊的加工设备,加工成本比较高,加工时间长,有些方法加工出来的超疏水表面硬度低、耐磨性差。本文采用纳米颗粒复合电刷镀技术,在Q235钢表面制备出具有超疏水性能的n-SiO2/Ni电刷镀复合镀层,与水滴的接触角达到了169.8°,滚动角仅为2.3°,该方法不需要复杂的加工设备,制备过程简单,且加工出来的表面具有粗糙度小、硬度高等优点。
1 实验部分
1.1 实验试剂与实验装置
试件基体为Q235钢。快速镍镀液的成分为:NiSO4·6H2O(265g/L)、柠檬酸铵(55g/L)、醋酸铵(23g/L)、氨水(105g/L)、n-SiO2(适量)、有机添加剂(少量)。其中,n-SiO2颗粒的平均粒径约为20nm,比表面积(BET)为200m2/g。所用的化学试剂均为分析纯。
图1给出了电刷镀法制备超疏水表面的实验装置:工件固定在工件台上,电刷接直流电源的正极,工件接直流电源的负极,电刷上的脱脂棉与工件基体表面接触,直线电机带动电刷在工件表面上做往复运动,脱脂棉中的金属离子和纳米颗粒共同沉积到工件表面上,形成纳米复合电刷镀的镀层。喷嘴喷出的镀液可及时补充脱脂棉中损失的镀液。
1.2 实验过程与镀层的表征方法
将适量的n-SiO2和表面活性剂加入快速镍电刷镀溶液中,采用超声波振动和机械搅拌相结合的方法使n-SiO2均匀地悬浮在镀液中。镀液pH值控制在7.5左右(25℃)。刷镀前,先将基体用砂纸打磨,然后放入超声波清洗机中清洗。电刷镀复合镀层的制备过程为:电净-活化-镀底层-复合镀,反应在室温(25℃)下进行。刷镀完成后,先将试样放入超声波清洗机中清洗20s,再放入氟硅烷乙醇溶液中浸泡1h,最后放入100℃烘箱中烘干。
采用光学接触角测量仪(krüss, DSA100, 德国)检测去离子水在试样表面的静态接触角和滚动角(测量时水滴体积为5μL,取样品表面5个不同位置测量的接触角的平均值为测量结果);采用扫描电子显微镜(SEM, JSM-6360LV, 日本)分析试样表面和截面的结构形貌;采用能量色散X射线光谱仪(EDS)测量合镀层中n-SiO2的含量;采用数字显微硬度计(HXD-1000T/TM,中国)测量镀层表面的显微硬度(载荷为0.49N,加载时间为15s,取样品表面5个不同点测量的显微硬度的平均值为测量结果);采用3D表面轮廓仪(Talysurf CLI2000, 英国)测量镀层的表面粗糙度。
2 结果与讨论
2.1 镀层的表面形貌及形成超疏水性的原因
疏水性能主要由表面化学组成和表面微观结构两方面控制[11]。目前主要有两种构建超疏水表面的方法:①在低表面能材料表面上加工出微纳米双重粗糙结构;②先构造出微纳米双重粗糙结构,再修饰低表面能材料。由于金属材料的表面能较高,因此本文先采用复合电刷镀技术,在Q235钢表面制备具有微纳米双重粗糙结构的n-SiO2/Ni复合镀层,然后再用氟硅烷修饰镀层表面,从而获得超疏水性表面。
图2所示为刷镀电压为20V、刷镀时间为2min、电刷移动速度为8m/min时,n-SiO2/Ni电刷镀复合镀层的表面SEM形貌。从图2a可以看出,镀层表面由多个乳突状结构构成,乳突状结构的整体分布比较均匀,乳突状结构的直径为10μm左右。从图2b可以看出,相邻的乳突状结构之间有微米级的间隙。从图2c可以看出,每一个乳突状结构上均匀镶嵌了许多纳米级颗粒,这些纳米级颗粒中有单个n-SiO2颗粒,也有发生团聚的n-SiO2颗粒,粒径分布在10nm到100nm之间。从图2还可以看出,n-SiO2/Ni电刷镀复合镀层表面的乳突状结构和镶嵌在上面的纳米级颗粒共同构成了形成超疏水表面所需要的微纳米双重粗糙结构,该超疏水表面微观结构的简化模型如图3所示。
(a) (b) (c)
制备的表面具有较好超疏水性的主要原因是,水滴与镀层表面相接触时,镀层表面的微纳米结构中可储存大量空气,水滴只能一部分与粗糙结构的突起部分接触,一部分与粗糙结构上的空气垫接触。
根据Cassie方程[12]
cosθc=f(cosθe+1)-1 (1)
式中,θc为粗糙表面的表观接触角;θe为本征接触角;f为固液接触面上水滴与固体的实际接触面所占的面积分数。
可计算出水滴与固体实际接触的部分占固液界面的面积分数。光滑的镍表面氟化后与水滴的接触角约为115.1°。由θe=115.1°和θc=169.8°可得,f=0.027。
因此,当水滴静置在氟化后的n-SiO2/Ni电刷镀复合镀层上面时,水滴与固体的实际接触面占固液接触面的面积分数约为2.7%,水滴表面约有97.3%的面积是和粗糙结构上的空气垫接触的。由此可得,n-SiO2/Ni复合镀层表面的微纳米双重粗糙结构对表面的超疏水性起着关键作用。
2.2 刷镀电压对镀层质量的影响
图4给出了氟化后的n-SiO2/Ni电刷镀复合镀层的接触角和刷镀电压之间的关系。当电压在0~20V的范围内变化时,水滴在镀层上的接触角随着刷镀电压的增大而逐渐增大,在刷镀电压为0(点a)时接触角为114.2°,在刷镀电压为20V(点c)时接触角达到169.8°,滚动角为2.3°;当电压超过20V时,水滴在镀层上的接触角变化不大,为168°±2°。
图5为n-SiO2/Ni电刷镀复合镀层的截面SEM图。从图5a可以看出,刷镀电压为20V时,镀层的平均厚度约为10μm,镀层表面呈现出明显的乳突状结构,镀层和基体结合比较紧密,镀层本身也比较致密。从图5b可以看出,刷镀电压为30V时,镀层的平均厚度约为10μm,镀层表面呈现出树枝状结构,镀层和基体结合比较紧密,但树枝状结构的镀层容易折断,镀层比较疏松,镀层生长不均匀。分析认为,刷镀电压选20V时,电流密度比较适中,电流在镀层表面分布比较均匀,镀层表面各部分沉积速度大致相同,镀层比较均匀;当刷镀电压为30V时,电流密度比较大,电流在镀层表面分布不均匀,镀层表面部分生长点的电沉积速度大于其他生长点,镀层呈现出树枝状结构,镀层不均匀。
(b)刷镀电压为30V
采用3D表面轮廓仪(Talysurf CLI2000, 英国)对镀层表面粗糙度进行了测量。结果表明:当刷镀电压为20V时,镀层表面粗糙度Ra=0.89μm;当刷镀电压为30V时,镀层表面粗糙度Ra=1.34μm。这进一步说明刷镀电压为20V时镀层表面比刷镀电压为30V时均匀,粗糙度值也要小一些。
以上分析说明,刷镀电压对接触角和镀层表面形貌有重要影响,刷镀电压的较佳值为20V。
2.3 刷镀时间对镀层质量的影响
图6给出了刷镀时间对接触角的影响规律。从图6可以看出,当刷镀时间在0~2min之间变化时,水滴在镀层上的接触角随刷镀时间的增加而迅速增大,在刷镀时间为2min时接触角达到169.8°,滚动角为2.3°;刷镀时间大于2min后,接触角几乎不再变化。
图7所示为不同刷镀时间下n-SiO2/Ni电刷镀复合镀层的表面SEM形貌。当刷镀时间为2min时,镀层表面出现许多直径为微米级的乳突状结构,水滴在镀层上的接触角达到169.8°;当刷镀时间为4min时,镀层表面仍然为许多微米级的乳突状结构,水滴在镀层上的接触角为167.9°。这说明当刷镀时间大于2min后,镀层表面的乳突状结构变化不大,镀层的疏水性能也比较稳定。
(b)刷镀时间为4min
2.4 电刷移动速度对镀层表面n-SiO2含量的影响
图8为n-SiO2/Ni电刷镀复合镀层表面能谱分析图,其分析方法是先由能谱图获得Si元素的含量,然后再换算出n-SiO2的含量。成分测试结果为:当电刷移动速度为8m/min时,n-SiO2/Ni电刷镀复合镀层中n-SiO2的含量(质量分数)约为0.84%;当电刷移动速度为12m/min时,n-SiO2/Ni电刷镀复合镀层中n-SiO2的含量(质量分数)约为0.76%。而n-SiO2颗粒在复合镀层中含量越多,复合镀层组织越均匀、细密[13]。
(b)电刷移动速度为12m/min
上述结果表明,镀层中纳米颗粒的含量与电刷移动速度有关。随着电刷运动速度的增加,镀层中n-SiO2的含量有所减小。这主要是因为电刷运动速度增加后,电刷上面的镀液和基体之间相对运动速度也会增加,镀液中n-SiO2颗粒在基体表面停留时间缩短,Ni在基体上沉积时更难把n-SiO2颗粒镶嵌在镀层中。但因为电刷移动速度太慢不利于散热,进而影响镀层质量,因此,电刷移动速度较佳值为8m/min。
2.5 镀层的显微硬度
采用数字显微硬度计分别测量了Q235基体、纯Ni镀层和n-SiO2/Ni电刷镀复合镀层的显微硬度。Q235基体的显微硬度较低,为HV157.6;刷镀纯Ni镀层的显微硬度比Q235基体硬度有较大提高,为HV415.3;刷镀n-SiO2/Ni复合镀层表面的显微硬度最高,达到HV562.2。n-SiO2/Ni电刷镀复合镀层的显微硬度较高的主要原因是纳米颗粒的加入会降低晶核生长的自由能,有利于晶核生长,提高晶核密度、细化晶粒,使复合镀层组织越均匀、细密。
3 结论
(1)刷镀电压是影响镀层表面形貌特征的主要因素。当刷镀电压在0~20V的范围内时,水滴在镀层上的接触角随着刷镀电压的增大而逐渐增大,当电压在20~30V的范围内时,水滴在镀层上的接触角随着刷镀电压的变化不大,但是电压的增大会使电流密度比较大,镀层生长不均匀,粗糙度增加,镀层质量有所下降。
(2)刷镀时间是影响镀层厚度的主要因素,刷镀时间对接触角也有一定影响。随着时间的增加,镀层的厚度逐渐增大,镀层的接触角先增大,然后基本保持不变。
(3)电刷移动速度是影响镀层中n-SiO2颗粒含量的主要因素。当电刷移动速度较大时,n-SiO2颗粒在复合镀层中的含量将减少,电刷移动速度较小时,电刷与基体之间散热较差,电刷移动速度较佳值为8m/min。
纳米电刷镀 篇7
MoS2是应用时间较长且应用较为广泛的固体润滑剂之一,对其摩擦学性能的研究也较为深入。因其出色的摩擦学性能,MoS2在空间机械润滑中也得到了广泛的应用[6]。到目前为止,已经开发出了很多制备MoS2薄膜的方法如射频溅射、脉冲直流溅射、磁控溅射、反应溅射、离子束辅助沉积、脉冲激光沉积、电沉积法等,此外还有黏结法制备MoS2涂层[7,8]。20世纪90年代以来MoS2薄膜的制备与应用已经进入产业化发展,在控制膜的结晶及晶粒取向从而获得较低摩擦因数方面取得了较大进展,但对改善薄膜的抗潮性、提高耐磨寿命进而全方位改善薄膜的摩擦学性能而言,复合薄膜技术显然具有诱人的发展前景[9]。
本工作采用复合电刷镀技术在GCr15基体上制备了添加纳米石墨颗粒的镍基MoS2-C复合电刷镀层,在多功能摩擦磨损试验机上考察了复合刷镀层的摩擦学性能,包括摩擦因数和磨损量随法向载荷以及滑动速率的变化规律和机理,为进一步完善MoS2薄膜的摩擦学性能提供了一定的参考。
1 实验
试样材料为ϕ50mm×8mm的GCr15圆盘,经过淬火并低温回火处理得到硬度为HRC58,表面抛光处理后的光洁度为Ra=0.3μm,刷镀后测得镀层表面粗糙度Ra=0.35μm。电刷镀电源采用模修刷镀两用电源,电源可在实验中实时显示所消耗电量,进而通过耗电量以及试样表面积计算镀层厚度(Q=δ×C×S×K,其中δ为镀层厚度;S为被镀面积;C为耗电系数;K为损耗系数)。镀液为快速镍添加30g/L二硫化钼和20g/L石墨颗粒,添加的二硫化钼粒度为50μm而石墨颗粒粒度为40nm,采用机械搅拌24h后超声震荡1h处理以解决纳米颗粒在镀液中的团聚现象。为控制镀液中的石墨含量,镀笔采用10mm×10mm×5mm的316L钢包裹医用脱脂棉及涤纶棉套制得。为保证镀层质量,实验采用自动刷镀小车横向匀速刷镀。在刷镀前,对试样依次进行电净、2号活化、3号活化以及特镍镀液打底(约为4μm)后刷镀实验所需复合镀层。
摩擦学实验采用装备再制造国防科技重点实验室自主研制的MSTS-1多功能空间摩擦磨损试验机,该试验机可在大气至1×10-5Pa的真空环境中稳定进行实验,采用“球-盘”接触方式,实验时ϕ9.525mm的GCr15钢球保持静止而试样在伺服电机带动下匀速转动。钢球硬度为HRC58,表面粗糙度Ra=0.32μm。试验机在软件、硬件配合下可对摩擦力、摩擦温度进行实时采集、显示以及处理,并可以实时显示摩擦力和摩擦因数曲线[10]。
实验测定摩擦学性能随载荷变化时,固定滑动速率分别为100,200,300r/min,载荷变化为12,15,18,21N。测定摩擦学性能随滑动速率变化时固定载荷分别为15,18,21N,滑动速率变化为100,200,300,400r/min。采用精度为10-5g的电子分析天平对实验前后的试样进行分析并计算磨损率,采用扫描电子显微镜对摩擦实验后的试样磨痕表面进行观察,所得实验数据均为3次实验结果的平均值。
2 结果与分析
2.1 镀层表面与成分分析
图1为电刷镀层表面形貌对比照片,图1(a)为未添加纳米石墨颗粒的镀层表面,图1(b)为添加20g/L石墨颗粒镀层表面。镀层均呈现典型的“电刷镀菜花头”结构,且表面平整光滑,未发现明显气孔、结瘤以及局部组织粗大等情况。
图2为镀层的截面形貌,镀层沉积致密均匀,厚度平均为100μm,与通过实验消耗电量与试样面积计算得出镀层厚度相差不大。因电刷镀工艺保持了原始MoS2晶粒的片状结构,并且形成了与基面和镀层平行的择优取向进而保证了其优异的摩擦学性能。
由图1对比可知,添加纳米石墨颗粒的镀层呈现的“菜花头”组织较未添加石墨颗粒的组织均匀细小。进一步分析表明,添加的纳米颗粒在镀液中弥散分布并与基质金属紧密结合,细化了镀层的晶粒尺寸,改善了镀层的沉积效果。采用HV-1000数显显微硬度仪对镀层与基体的显微硬度进行分析,研究表明:纳米颗粒作为均匀形核的质点在镀液中弥散分布起到了弥散强化和细晶强化的作用,测得镀层硬度为HV433,与镍基镀层显微硬度HV410相比未得到明显的提高,这是因为镀层添加均为软质点,显微硬度变化并不明显,但软质点的加入使镀层的韧性得到了改善从而易于润滑转移膜的形成。
图3为镀层EDS能谱图,为控制镀层石墨含量,实验采用不含碳316L钢制作镀笔,并且在表面活化时选用3号活化液去除表面刻蚀炭黑,因此能谱所示碳含量为添加纳米石墨颗粒。在实验过程中,部分石
墨颗粒被氧化但未改变其层状结构,因此其润滑效果未受到严重破坏。图4为复合镀层X射线光电子能谱分析图,由图4可知元素Mo以及元素S呈化合态,Mo为+4价而S为-2价,因此分析可得镀层中添加MoS2除少部分潮解外其他大部分均以MoS2存在。
2.2 镀层摩擦学性能分析
图5为镀层与基体在相同参数条件下摩擦因数随时间的变化,固定滑动速率为100r/min,载荷为15N,试验机采样间隔为0.1s。图5(a)为复合镀层实验数据,在试验机启动瞬间钢球撞击摩擦力传感器导致试验机显示摩擦力过大,正常运转后恢复正常。摩擦因数在100s前呈现上升趋势,此时摩擦主要发生在镀层氧化膜表面因而摩擦因数较小。随后氧化膜去除摩擦
副接触面开始出现镀层转移膜,随着摩擦的加剧和转移膜的黏着转移,摩擦因数逐渐增大,当达到最大值时摩擦因数趋于稳定,且维持在0.05左右。摩擦实验呈现出明显的“启动—跑和—稳定磨损” 三个阶段。图5(b)为基体实验数据,可见没有润滑材料的基体在实验过程中摩擦磨损剧烈且摩擦因数上下波动幅度较大,并在实验过程中伴随剧烈刺耳噪音,摩擦因数迅速上升,仅在1100s时摩擦因数过大试验机报警,而复合镀层在1200s时摩擦因数依然维持稳定,在整个实验过程中试验机运行平稳未出现复杂噪音。
结合镀层磨痕形貌照片图6(a)可知,在1200s时复合镀层磨痕仅出现了轻微的磨损犁沟,镀层整体相对平滑完整。在同样的实验时间时,基体则磨损严重并已出现了表面材料的剥落以及材料局部堆积进而导致实验过程中摩擦因数波动较大(图6(b))。因此,综上所述复合电刷镀层摩擦因数低、摩擦磨损稳定、减摩效果明显。
图7为摩擦因数以及磨损率与法向载荷变化关系,实验滑动速率设定在100,200,300r/min,法向载荷为12,15,18,21N,实验时间为1200s。研究表明,当实验滑动速率设定为100r/min,法向载荷为12N时摩擦因数相对较高为0.075,随着载荷的增加复合镀层的摩擦因数逐渐降低,当载荷增大到21N时,镀层的摩擦因数达到0.06左右。研究认为随着载荷的增大和磨损的加剧,镀层材料的塑性流动性也相应增大,进而润滑转移膜量增多使摩擦副界面完全由转移膜包裹,同时由于载荷增大导致摩擦温度升高也相应地降低了镀层的黏着力,导致摩擦因数呈现下降的趋势,如图7(a)可知摩擦因数下降趋势逐渐变缓,并不能通过增大载荷而无限降低摩擦因数。当实验滑动速率设定为200,300r/min时所得实验结果均呈现同上趋势。即随着法向载荷的增加镀层摩擦因数相应降低。根据赫兹接触理论模型(undefined,S与α为材料相关系数,W为法向载荷,R为对磨钢球半径,E为摩擦副的等效弹性模量)可得,薄膜材料的摩擦因数主要与施加的载荷有关,随着载荷的增加薄膜材料的摩擦因数有所降低,这与所得实验结果相符[11]。
进一步分析表明,随着载荷的增大镀层表面的摩擦加剧,并且在镀层表面出现材料转移膜以及转移膜的去除。而当载荷继续增大时,较大的作用力使得镀层材料承受大的反复循环应力,镀层材料逐渐趋于疲劳状态,最终局部出现鳞片状剥落。如图7(b)所示,随着载荷的增大磨损率逐渐增大,当镀层处于剧烈磨损时,局部镀层磨穿使摩擦集中在试验机钢球与基体上使磨损率上升趋势变缓。结合镀层的磨痕形貌(图8)可知,在低载荷时仅出现轻微的划痕和犁沟,还未出现明显的材料转移(图8(a));当载荷增大时摩擦磨损加剧镀层出现了局部材料的转移和堆积,进一步观察镀层局部开始出现轻微裂纹(图8(b));镀层材料在大载荷的作用下开始出现大规模的材料转移以及镀层材料局部去除,镀层的微观裂纹逐渐扩散(图8(c));当载荷为21N时镀层出现了如图8(d)的鳞片状剥落。
图9为摩擦因数以及磨损率与滑动速率的变化关系。实验中固定载荷为15,18,21N,实验滑动速率依次为100,200,300r/min和400r/min。随着滑动速率的升高,摩擦界面温度升高进而降低了摩擦接触点间的黏着力,同时由于滑动速率增加使得摩擦界面间的峰峰接触时间减少进而镀层的摩擦因数逐渐降低。在滑动速率增至300r/min时摩擦因数逐渐趋于稳定(图9(a))。
当滑动速率逐渐增大时,磨损量并未出现明显的变化趋势,当滑动速率增至300r/min时磨损率下降,分析认为在高速磨损后期,磨损加剧使得镀层局部将要磨穿,此时磨损将要发生在试验机钢球与基体表面之间,磨损量增加开始变缓导致磨损率降低。而在滑动速率较小的时候,镀层处于稳定磨损阶段,稳定磨损量线性变化并没有导致磨损率发生明显变化(图9(b))。
图10为镀层表面磨痕形貌,当滑动速率较低时镀层为轻微磨损,镀层表面平整仅出现轻微划痕未出现明显的材料的堆积和转移(图10(a));随着摩擦的加剧镀层出现明显的材料转移如图10(b)所示;随着滑动速率的增加镀层表面的磨损量不断增加,当滑动速率增至300r/min时由于应变疲劳镀层出现了明显的材料去除和微裂纹的扩展(图10(c));此时继续增大滑动速率出现了较为明显的局部镀层剥落(图10(d));由EDS能谱分析可得,剧烈磨损导致的镀层剥落处镀层并没有磨穿,仍有相对较好的减磨效果,可见镀层与基体的结合强度较高可持续发挥润滑效果。
3 结论
(1)采用复合电刷镀技术制备了厚约100μm的MoS2-C复合镀层,镀层表面平整,组织均匀,晶粒细小,镀层与基体结合良好,复合镀层摩擦学性能优异。
(2)随着法向载荷的增加,镀层摩擦因数逐渐降低而磨损率随之增加。随着滑动速率的增加,镀层摩擦因数逐渐降低而磨损率变化并不明显。
(3)实验研究表明复合刷镀层摩擦磨损稳定,磨损主要为黏着磨损,镀层表面疲劳主要为擦伤和局部鳞片剥落。
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