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關 鍵 詞：金屬橡膠,復合鍍層,耐磨性能 作 者：付海龍,戴光,鄒龍慶,夏法鋒 內 容： (東北石油大學機械科學與工程學院,大慶163318) [摘 要]采用超聲-電沉積的方法,在金屬橡膠上制備鎳基納米TiN復合鍍層。利用平磨機、掃描電鏡(SEM)和能譜儀(EDS)研究復合鍍液中TiN粒子的懸浮量、電流密度以及超聲波功率等參數對鎳基納米TiN復合鍍層耐磨性能的影響規律,并對金屬橡膠和復合鍍層進行成分分析。結果表明:復合鍍液中TiN粒子的懸浮量、陰極電流密度和超聲功率對復合鍍層的耐磨性能影響較大,在金屬橡膠表面制備鎳基納米TiN復合鍍層較佳的工藝條件為:鍍液溫度45℃,pH=5,TiN粒子懸浮量6 g/L,電流密度7 A/dm2,超聲波功率250 W。在金屬橡膠表面沉積鎳基納米TiN復合鍍層后,Cr元素的質量分數由17.24%減少至10.21%,Ni元素的質量分數由7.13%增加至17.87%,Ti元素的質量分數也達到9.44%。 [關鍵詞]金屬橡膠;復合鍍層;耐磨性能 [中圖分類號]TG153.2 [文獻標識碼]A [文章編號]1001-3660(2011)01-0090-03 20世紀60年代,原蘇聯為了解決空間飛行器上的減振、過濾以及密封等問題,成功研制出金屬橡膠[1-5]。金屬橡膠是一種彈性多孔狀金屬橡膠材料,由金屬絲原料經冷沖壓工藝制造而成。它不僅具有金屬材料的機械性能,還具有橡膠的彈性和多孔金屬的孔隙特性。金屬橡膠作為航天飛行器的減振隔振材料,特別適合高溫、低溫、大溫差和腐蝕等工況條件下的阻尼減振、節流以及密封等應用[6-10]。 目前,金屬橡膠的研究處于初始階段,這不僅表現在金屬橡膠的制造工藝技術不完善,而且還反映在金屬橡膠的理論研究不夠成熟[11-13]。金屬橡膠在使用過程中,其耐磨性能較差,需要定期檢查或更換。而納米復合鍍層具有優良的耐磨性能、耐腐蝕性能以及耐高溫等特點,受到廣泛的研究和關注[14-16]。若在金屬橡膠表面沉積納米復合鍍層,可改善金屬橡膠的耐磨性能。為此,筆者采用超聲-電沉積的方法,在金屬橡膠表面沉積鎳基納米TiN復合鍍層。 1 實驗 1.1 試驗材料及工藝 陰極試樣基體為金屬橡膠(0Cr18Ni9Ti),其尺寸為30 mm×20 mm×8 mm。陽極為電解鎳板,純度大于99.9%。納米TiN粉體平均粒徑為50 nm。復合鍍液組成及工藝條件如下:NiSO4·6H2O 300 g/L,NiCl2·H2O 50 g/L,H3BO330 g/L,納米TiN 2~10g/L,超聲波功率0~400 W,電流密度2~8 A/dm2,復合鍍液溫度40~60℃,pH值4~5.5。 1.2 制備過程 1)用適量的蒸餾水將納米TiN粉體與表面活性劑混合;2)施加雙向超聲波對納米TiN粉體進行分散,超聲功率250 W,分散時間20 min;3)將納米TiN懸浮液與基礎鍍液混合,制得復合鍍液;4)對復合鍍液再施加雙向超聲波,超聲功率200 W,分散時間8 min;5)按照工藝參數,在金屬橡膠試樣上制得鎳基納米TiN復合鍍層。 1.3 測試 1)利用HITACHI-S3400N型掃描電鏡觀察試樣的表面形貌,并利用能譜儀對其組分進行分析。 2)采用PM-1型平磨機,載荷為1 000 g,經500次平磨,利用BS210S型電子分析天平測量試樣磨損量,以其作為耐磨性能的考核指標。 2 結果與分析 2.1 TiN懸浮量對復合鍍層耐磨性能的影響 圖1是復合鍍液中TiN粒子的懸浮量對鎳基納米TiN復合鍍層磨損量的影響規律。復合鍍層的制備工藝為:鍍液溫度45℃,pH=5,超聲波功率250W,電流密度7 A/dm2。 由圖1可知,鎳基納米TiN復合鍍層的磨損量隨著復合鍍液中TiN粒子懸浮量的增加,先減少后增加,當TiN粒子的懸浮量為6 g/L時,鎳基納米TiN復合鍍層的磨損量最小。這說明TiN粒子懸浮量對鎳基納米TiN復合鍍層耐磨性能有較大的影響。當鍍液中TiN粒子懸浮量從2 g/L增加到6 g/L時,由于鍍液中TiN粒子懸浮量的增加,使得沉積到鎳基納米TiN復合鍍層中的TiN粒子含量增加,又因為TiN粒子本身具有較高的硬度,可明顯改善鍍層的耐磨性能。因此,鎳基納米TiN復合鍍層的磨損量逐漸減小。當鍍液中TiN粒子懸浮量從6 g/L增加到10 g/L時,鍍液中TiN粒子懸浮量的增加,使得鍍液黏度增大,不利于TiN粒子在電場力作用下向陰極運動。因此,隨著TiN粒子懸浮量的增加,鍍層中TiN粒子的含量有所減少,故鎳基納米TiN復合鍍層的磨損量有所增加。
2.2 電流密度對復合鍍層耐磨性能的影響 在其它條件不變的情況下(鍍液溫度45℃,pH=5,超聲波功率250 W,TiN粒子的懸浮量6 g/L),單獨改變電流密度,電流密度對鎳基納米TiN復合鍍層磨損量的影響規律如圖2所示。
由圖2可知,鎳基納米TiN復合鍍層的磨損量隨著電流密度的增加先減少后增加。當電流密度為7A/dm2時,鎳基納米TiN復合鍍層的磨損量最小,最小值為1.3 mg。這是因為,當電流密度從2 A/dm2增大到7 A/dm2時,隨著電流密度的增加,作用在陽極和陰極之間的電場力也隨之增加,有利于鎳金屬離子和TiN粒子的共沉積,因而鎳基納米TiN復合鍍層中TiN粒子的含量增加,使得復合鍍層的耐磨性能增強,即鍍層的磨損量減少。若陰極電流密度繼續增大,常常會出現鍍層被燒焦現象。因為,這時整個電極過程的速度被反應物向電極表面的擴散控制著,使得陰極附近金屬離子嚴重缺乏,造成氫氣析出,導至陰極附近的pH值升高,溶液中的金屬離子生成一些金屬氫氧化物或鹽,它們以膠體狀態吸附在電極表面上,并夾雜在鍍層中形成黑色的海綿狀沉積層。因此,TiN粒子向陰極的沉積受到嚴重影響,使得鎳基納米TiN復合鍍層中TiN粒子的含量降低,故復合鍍層的磨損量又會增加。 2.3 超聲波功率對復合鍍層耐磨性能的影響 圖3為超聲波功率與鎳基納米TiN復合鍍層磨損量之間的關系。復合鍍層的制備工藝為:鍍液溫度45℃,pH=5,TiN粒子懸浮量6 g/L,電流密度7 A/dm2。
由圖3可知,復合鍍層中TiN含量隨著超聲波功率的增大而增加,磨損量逐漸減少。這是因為隨著超聲波功率的增大,使得超聲波對復合鍍液的攪拌作用增強,從而降低了濃差極化,使TiN粒子的沉積速度得到提高,進而使鍍層中TiN含量增大。然而,當超聲波功率大于250 W時,復合鍍層中納米TiN的含量卻隨著超聲波功率的增加而減少,使得復合鍍層的磨損量增加。這是因為超聲波功率過大時,超聲波的空化作用嚴重影響了TiN粒子向陰極表面的定向沉積,從而導致復合鍍層中TiN粒子含量的減少,故復合鍍層的磨損量增加。 2.4 表面形貌及組分分析 圖4和圖5分別為金屬橡膠和沉積鎳基納米TiN復合鍍層的金屬橡膠表面形貌照片和能譜圖。由圖4和圖5可知,利用超聲-電沉積的方法,可以在金屬橡膠表面沉積鎳基納米TiN復合鍍層。對圖4金屬橡膠樣品進行能譜分析可知,Cr元素的質量分數為17.24%,Ni元素的質量分數7.13%,Ti元素含量較低。而在沉積鎳基納米TiN復合鍍層的樣品表面,Cr元素的質量分數減少到10.21%,Ni元素的質量分數卻增加至17.87%,Ti元素的質量分數也達到9.44%。
3·結論 1)采用超聲-電沉積方法可以在金屬橡膠表面制備出鎳基納米TiN復合鍍層。復合鍍液中TiN粒子的懸浮量、陰極電流密度和超聲功率對復合鍍層的耐磨性能影響較大。 2)在金屬橡膠表面制備鎳基納米TiN復合鍍層較佳的工藝條件為:鍍液溫度45℃,pH=5,TiN粒子懸浮量6 g/L,電流密度7 A/dm2,超聲波功率250 W。 3)在金屬橡膠表面沉積鎳基納米TiN復合鍍層后,Cr元素的質量分數由17.24%減少至10.21%,Ni元素的質量分數由7.13%增加至17.87%,Ti元素的質量分數也達到9.44%。 注：本站部分資料需要安裝PDF閱讀器才能查看，如果你不能瀏覽文章全文，請檢查你是否已安裝PDF閱讀器！ |
