【doc】钛基化学镀耐磨涂层微动磨损性能研究

【doc】钛基化学镀耐磨涂层微动磨损性能研究 钛基化学镀耐磨涂层微动磨损性能研究 2010年第6期总第37卷 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 材料应用?73? 钛基化学镀耐磨涂层微动磨损性能研究 张祖军 (西南科技大学工程技术中心,四川绵阳621010) 摘要:以提高钛合金抗微动磨损性能为宗旨,研究了化学镀Ni.T1.B(NTB)三元合金及Ni—T1一B/BN,Ni.TI.B/SiC复合镀 层制备工艺,利用x射线衍射技术,扫描电镜及能谱分析等手段,分析了三种镀层的结构,观察了镀层表面形貌,利用 微动摩擦磨损试验机评价了化学镀处理对钛合金抗磨的影响,实验结果表明:该工艺得到的Ni.T1.B,Ni—T1.B/BN, Ni—T1一B/SiC多元复合镀层表面光亮,质感均匀,镀层结合力良好,经过相同次数微动磨损试验,Ni.T1.B镀层的耐磨性 能~hTA7及Ni—T1一B/BN,Ni.T1一B/SiC镀层好. 关键诃:微动磨损;钛合金;化学镀;Ni.T1一B 中图分类号:TG174.4,TG113文献标识码:A文章编号:1006—0316(2010)06—0073—03 Frettingwearbehaviorofwear-resistingelectrolessplatingbasedonTitaniumalloys ZHANGZu=iun (EngineeringTechnologyCenter,SouthwestUniversityofScienceandTechnology,Mianya ng621010,China) Abstract:ForimprovingthefrettingwearbehavioroftitaniumalloyTA7,Preparationhandicr aftofNi-T1一Bternaryalloy, Ni?T1一B/BN,Ni—T1一B/SiCcompositeplatingbyelectrolessplatingwasinvestigated.ByemployingXRD.SEMa ndEDAX analysismethods,thestructureandsurfacemorphologyofthreekindscladdingmaterialhave beenstudied.Theresultsshow that:thesurfacewiththemultivariantcompositecoatingwasbright,thesenseofqualitywasho mogeneous,Thecladding materialbondwasfine;Courseidenticalnumberoftimesfrettingweartest,thewearresistanc ewithelectrolessplatingNi—T1一B iSbetterthanTA7andNi?Tl—B/BN.Ni—T1一B/SiC. Keywords:frettingwear;Titaniumalloys;electrolessplating;Ni—T1一B 微动是指在机械振动,疲劳载荷,电磁振动或 热循环等交变载荷作用下,接触表面间发生的振幅 极小的相对运动(位移幅度一般为微米量级)【1]. 它往往因磨损造成构件咬合,松动,功率损失,噪 声增加形成污染源或加速疲劳裂纹萌生与扩展,使 构件疲劳寿命大大降低,故被称为—TA—I,"瘟疫"[2】. 目前国内所研究的抗微动磨损的表面改性技术 多以磁控溅射,激光硬化,电刷镀,热喷涂,化学 气相沉积,粘结固体润滑涂层为主【娟】,对化学液相 沉积涂层抗微动磨损性能研究较少;而国外在化学 液相沉积涂层微动磨损性能研究的时间较长,其中 以化学镀Ni.P/PTFE居多.在美国,普拉特一惠特尼 公司研究了化学镀覆NTB合金对JT8D喷气发动机 的160多种零件进行表面强化处理,对抗擦伤和微 动磨损取得极好的使用效果.如主轴密封,原来仅 使用1000次战术周期磨损量达0.178IYIITI,就必须 拆卸重修,经镀覆NTB合金强化后,经4000次战术 周期其磨损量仅0.008mm,磨损显着降低[9~10】.由 此,美国在航空发动机零部件涂覆技术应用方面非 常成功,但对其关键技术非常保密. 本文从增加表面硬度,降低摩擦系数,提高耐 久力和结合强度角度出发,对比几种化学镀镀层抗 微动损伤能力,并通过对摩擦系数,磨痕面积和磨 痕表面行貌的分析,探讨了两种镀层的微动磨损机 理,为进一步的工业应用选择提供理论依据. 1试样制备及试验方法 1.1试样制备 试样采用材料为TA7的钛合金块20mlTlX10 收稿日期:2010—03—02 作者简介:张祖军(1975一),男,四川绵阳人,讲师,硕士研究生,主要研究方向为机械 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 与制造,表面工程. ? 74?工程材料应用2010年第6期总第37卷 mm×10mlYl,其前处理工艺如下:除油(丙酮)一 热水洗(约85?)一脱脂棉擦拭一浸蚀一流动冷 水洗一第一次浸锌一褪锌一第二次浸锌一流动冷水 洗一分别化学镀NiT1.B,Ni.T1.B/BN,NiTI.B/SiC 三种试样,镀层厚度均为28gm[?]. 1.2试验方法 在DATALAB—NENEDS20型液压式微动试 验机(法国)上进行.该试验机采用球/平面接触方 式,如图1所示. 试样表面研磨,抛光,清洗后固定在夹具中. 微动磨损试验在室温(15?5oC),湿度为50%? 10%RH,干摩擦条件下进行. 主要试验参数:往返运动位移幅值=20mm, 60mln,法向载荷=100N,频率厂=4Hz,最大循 环次数?=10000次. 用光学显微镜和激光共焦扫描显微镜(LCSM) 进行表面行貌观察和磨痕深度测量. 图1微动试验装置示意图 2结果与讨论 2.1镀层微观形貌 由图2(a)中可明显看出镀钛时的一个个晶包, 图2(b)中的大颗粒是镶嵌在镀层中的BN颗粒; 图2(C)中的发亮颗粒是镶嵌在镀层中的SiC颗粒. ?豳(a)Ni.T1.B(b)NiT1一B/BN(C)Ni.T1.B/SiC 图2化学镀层显微形貌(×200) 2.2摩擦因数 摩擦因数的变化不仅反映了摩擦表面上摩擦化 学特性的演变,同时也是材料磨损机理和过程的反 映.图3示出了Ni.T1.B,Ni—TI—B/BN,Ni.T1.B/SiC 镀层在法向载荷:100N,位移幅值=60gm时的 摩擦因数随循环次数变化曲线. cycles 试件.TA71-2.NiT1.B镀层2-2,Ni—TI.B/BN镀层 3-2.NiT1B/SiC镀层. 图3几种镀层摩擦因数变化曲线(=100N,A=60pan) 试验中的几种镀层在完全滑移区,摩擦因数随 循环次数的变化曲线均呈现四个阶段的特征:I跑 合阶段,接触表面膜去除,摩擦因数维持在较低值; ?摩擦因数上升阶段,第一,二体之间相互作用增 加,两接触表面膜(污染和吸附膜)逐渐去除,实 际接触面积增大,发生粘着,摩擦力迅速增加,摩 擦因数增大,同时伴随磨损产生磨粒,磨粒的犁沟 作用会使磨擦因数上升更快;HI摩擦因数下降阶段, 随着循环次数增加,磨屑剥落,第三体床形成,二 体接触逐渐变成三体接触,因第三体的保护作用, 粘着受抑制,摩擦因数下降;IV摩擦因数稳定阶段, 进入摩擦表面的磨屑连续不断地形成和排除,其成 分和接触表面随时间改变,形成和排除的磨屑达到 动态平衡,摩擦因数趋于平稳. 可见,TA7,Ni.T1.B镀层,Ni.T1.B/BN镀层, NiT1.B/SiC镀层在微动初期(I),由于镀层表面 膜的存在,摩擦因数很低,Ni.TI.B镀层约为0.10, Ni.T1.B/BN镀层约为0.15,TA7约为O.42, Ni.T1一B/SiC镀层约为0.50.Ni.Tl—B镀层大约经过 200次循环以后,表面膜由于受到挤压和剪切作用 开始被破坏,摩擦因数增加(?),经过500次循 环后摩擦因数达到最大值0.40;Ni.T1.B/BN镀层镀 层大约经过30次循环以后摩擦因数增加,经过100 次循环后摩擦因数达到最大值0.40;TA7大约经过 100次循环以后摩擦因数增加,经过800次循环后 摩擦因数达到最大值0.65;Ni.T1,B/SiC镀层大约经 过30次循环以后摩擦因数增加,经过800次循环后 2010年第6期总第37卷工程材料应用?75? 摩擦因数达到最大值0.65.经过一个下降期(111) 后,由于磨屑(第三体)的产生和溢出基本动态平 衡,摩擦因数进入较为稳定阶段(1V),Ni.T1.B/BN 镀层的摩擦系数最低约为0.33,Ni—T1.B为0.37; TA7,Ni.T1.B/SiC试样的摩擦系数相近,约为0.65. 几种镀层对比可知,Ni—T1.B镀层较晚进入摩擦 的第?,?阶段,在微动磨损过程中,作为第三体 的Ni.TI.B/BN镀层中六方BN微粒具有类似石墨层 状结构,所以复合该微粒的Ni.T1.B/BN镀层具有自 润滑性能,使其摩擦因数比其它镀层低. 2-3微动磨损机制分析 从图4可看到完全滑移状态下几种镀层10000 次循环后的微动损伤形貌.几种镀层的磨损表面上 均出现滑动的痕迹,磨痕内布满犁沟,但因为各表 面层的硬度,表面状态不同,其犁削程度亦不同. (C)Ni.TI—B/BN(d)Ni.TI—B/SiC =100N,?=10,A=60岬 图4镀层表面磨痕LCSM形貌 由图4观察磨痕大小,Ni—TI.B镀层磨痕~LTA7, Ni.T1.B/BN镀层,Ni.T1.B/SiC镀层都小,并由该图 测得几种镀层的微动磨痕长,宽列于表1,通过磨 痕面积计算,其值与观察所得结果相符.Ni.T1.B镀 层的磨痕深度和面积比其它镀层小的原因在于Tl原 子与Ni原子,B原子协同作用,使其合金镀层既具有 自润滑性,又具有优于其它镀层的耐磨性fl. 对照图4和表1,可见摩擦因数与磨痕深度, 磨痕面积之间有很好的对应关系,即接触表面的摩 擦因数(或切向力与法向力之比)越高,磨损程度 越大,磨痕深度越深,磨痕面积越大. 3结论 (1)通过微动磨损试验,Ni.T1.B/BN镀层由于 硬度降低,比TA7磨痕面积大,磨痕深度深,但由 于自润滑性而摩擦因数较低;Ni—T1一B/SiC由于第三 体硬质粒子的影响,所以磨痕面积大,磨痕深度深, 摩擦因数高; 表1两种镀层磨痕尺寸对照表 CoatingLength/imaWidth/lxmArea4Mn2Maxdepth/gin 1280 800 1760 l376 1240158720018.3 1l8494720016.4 l856326656025.2 l472202547217.9 (2)Ni.T1.B镀层由于Ni,T1固体润滑金属的 作用,磨痕深度和面积较TA7及NiT1.B/BN, Ni.T1.B/SiC镀层要小,摩擦因数较低,具有优良的 抗微动磨损性能. 参考文献: 【1]周仲荣,朱曼吴.复合微动磨损[M].上海:上海交通大学出版社, 2004. [2】朱曼昊,罗唯力,周仲荣.表面工程技术抗微动损伤的研究现状[J]. 机械工程材料,2003,27(4):1—4. [3】徐桂珍,刘家浚,周仲荣.45钢E几种表面涂层的微动损伤行为和 机理研究[J].中国表面工程,1992,(2):1—5. [4】徐进,朱曼吴,周仲荣.电刷镀铅一镍复合镀层微动磨损性能研究 fJ].中国表面工程,2002,(1):29—32. [5】徐进,朱曼吴,周仲荣.聚四氟乙烯基粘结固体润滑涂层微动磨损 性能研究[J].中国机械工程,2003,14(2O):1786—1788. 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