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如何学好化学镀ni-w-p-纳米金刚石摩擦磨损性能研究的化学论文

2018-12-11 15:15:49来源:组稿人论文网作者:婷婷

  1 绪论

  随着时代的进步,工业技术的发展也越来越迅速,伴随着工业技术的发展环境的污染也越来越严重,21世纪人们对环境的意识越来越重视。工业技术的日益发展同时也要求着人们对工业设备的需求也越来越严格,要求工业设备的精度也越来越高。人们在对提高零件的可靠性和延长零件的寿命方面,做了一系列的研究和探索,在一定程度上促进了表面工程学科的发展。化学镀在工业设备中的应用越来越广泛,无论是在电子工业还是汽车行业以及其他更多行业,化学镀的市场价值越来越高。化学镀表面处理技术的应用在工业设备方面有着重要的作用,但是化学镀的发展还不够完善,降低污染、延长镀件的使用寿命都是我们必须要完成的一项长期的任务。所以我们要着重改善材料的表面性能,因为改善材料的表面性能一方面可以延长零件材料的使用寿命,另一方面还可以减少环境的污染。化学镀最突出的优点是高耐腐蚀性、高耐磨性以及高均匀,俗称三高。化学镀所获得的镀层,由于其本身的优异性能,化学镀被广泛使用。化学镀因为其本身工艺操作比较简单、镀层性能优异、节约能源以及材料等优点,近些年来被大量应用到汽车零部件、石油机械、煤矿设备、航天航空以及电子产品等多个工业部门。就目前而言工业设备中主要采用的是二元的化学镀Ni-P,其化学镀镀层的耐磨性能和耐腐蚀性能比较高、镀层厚度均匀而且外观良好、可焊性能较好。伴随着工业技术的日益发展趋势,简单的Ni-P二元合金镀层已经不能满足人们对工业材料表面性能日益增加的需求,人们的要求越来越高。所以人们开始着手研究将第三种甚至是第四种元素加入Ni-P二元化学镀体系中。加入W元素的原因是因为W本身具有熔点高、化学性质稳定等优点,所以将W加入Ni-P二元化学镀体系当中,得到Ni-W-P三元化学镀层,使得Ni-W-P三元化学镀层具有比Ni-P二元化学镀层更加优良的热稳定性、耐磨性和耐腐蚀性,Ni-W-P三元化学镀的合金镀层耐腐蚀性能比较优异,Ni-W-P三元化学镀的操作简单、成本低。在Ni-W-P三元化学镀的基础上加上纳米金刚石性能更加优异,纳米金刚石能有效提高镀层的硬度和耐磨性。

  1.1 化学镀的原理

  化学镀也称为无电解镀或自催化镀,化学镀简单来说就是一种不需要外加电源,不通电,通过溶液中适量的还原剂使金属离子在镀件表面,再通过一系列自催化作用来进行还原,进而实现金属沉积的过程。化学镀过程的实质通俗的来讲就是一种定向的氧化还原反应,它是有电子转移、无外电源的化学沉积过程。

  化学镀的过程有三种方式:置换沉积、接触沉积和还原沉积。一般我们所说的化学镀就是指这种还原沉积化学镀,它只能在具有催化活性的金属表面上发生。假如欲沉积金属(如镍、铜等)本身就是反应的催化剂,那么该化学镀就可以被称作为自催化化学镀,这种化学镀可以得到所需要的镀层厚度。如果在基体金属表面上的沉积金属本身不可以作为反应的催化剂,一旦基体金属表面被欲沉积金属覆盖,那么还原沉积反应就会马上停止,所以获得的镀层厚度是有限的,我们最常用到的化学沉积就是还原沉积。

  1.2 化学镀与电镀相比的优势

  与电镀相比,化学镀具有以下优势:

  (1)化学镀实现了非导体材料表面的金属化,使用范围比较广泛;

  (2)化学镀的设备比较简单,灵活度更大,不需要使用外加电源,化学镀过程比较简单;

  (3)化学镀得到的镀层厚度均匀性较好,不受待镀零件的表面形状影响,一般在施镀后不需要再进行再次加工;

  (4)镀层孔隙率较低(即致密性较好),具备了更加优良的耐腐蚀性能力;

  (5)某些镀层呈现出一些特殊的物理化学以及力学性能;

  (6)化学镀特别适合于形状比较复杂及不规则表面的施镀。

  1.3 Ni-W-P三元化学镀的研究进展

  Ni-W-P三元化学镀合金发展越来越迅速,人们对Ni-W-P三元化学镀合金的需求也越来越高。化学镀Ni-W-P三元合金镀层的硬度、耐磨性、耐腐蚀性都比Ni-P二元合金镀层优良,所以Ni-W-P三元合金镀层在工业设备中越来越广泛,同时人们对Ni-W-P三元化学镀合金的研究也越来越深切,简单的Ni-W-P三元化学镀合金已不能满足人们的某些需求。

  李莎、郭荣新等人通过在不同温度下对制备的Ni-W-P三元合金镀层进行退火处理,研究出了退火对化学镀Ni-W-P三元合金晶化以及耐腐蚀性的影响,得出了镀态镀层晶格应变比较大,随着退火温度的升高呈减小趋势;当热处理晶化后,镀层的耐腐蚀性增大。

  王天旭、蒙继光、胡永俊研究了热处理对铝合金化学镀Ni-W-P三元合金镀层的组织以及性能的影响,得出了在不同的温度下加热,Ni-W-P三元合金镀层的硬度变化是先升后降的,在400℃达到峰值后然后下降;在热处理条件下Ni-W-P三元合金镀层和基体之间的扩散主要是镍原子往铝基体中的扩散,镍-铝合金层主要包括NiAl3相。

  姚志燕、徐宏达等人以镀速以及耐蚀性作为判断依据,通过正交试验得到了较为优异的Ni-W-P三元合金镀层工艺,并且研究了高温处理对Ni-W-P三元合金镀层的耐蚀性的影响。结果表明:经过高温处理后的镀层与基体金属间发生了元素扩散,而且在镀层的表面生成了致密的氧化膜,提升了镀层的耐蚀性。

  宗云、郭荣新等人通过扫描电镜和能谱等分析方法研究出了不同镀液组对化学沉积Ni-W-P三元合金镀层组织以及性能的影响,得到了镀液组分是决定Ni-W-P三元合金镀层结构组织的核心因素。当镀液中的钨含量增加,次磷酸钠含量减少时,镀层结构将发生非晶态转变为混晶态再转变为纳米晶态的演变,随之相应的硬度也会发生变化。

  1.4 本课题研究的目的及方案

  1.4.1 本课题研究的目的

  化学镀的应用范围越来越广泛,在某些特殊领域中对材料的耐腐蚀性、耐磨性以及耐热性的要求也越来越高,从Ni-P二元化学镀发展到Ni-W-P三元化学镀,我们也可以看出化学镀的发展是比较迅速的,但是随着工业技术的发展,简单的Ni-W-P三元化学镀很难满足人们的某些需求了,所以对Ni-W-P三元化学镀的深入研究是必不可少的,也是迫在眉睫的,在Ni-W-P三元化学镀的基础上加入新元素的研究也是研究的主要内容,本次课题就是研究在Ni-W-P中加入纳米金刚石所形成的复合镀层的性能,比较Ni-W-P三元化学镀与Ni-W-P-纳米金刚石复合镀层的摩擦磨损性能的研究。

  1.4.2 本课题研究的方案

  本次试验通过镀层试验、硬度测试、摩擦磨损试验以及能谱分析对Ni-W-P三元化学镀与Ni-W-P-纳米金刚石的性能进行对比分析。

  2 试验材料与方法

  2.1试验材料与设备

  本次试验的基体材料选用的是Q235碳钢,试样规格是40×25×1.5mm。

  化学镀设备用到的仪器有:DZKW-D-2型电热恒温水浴炉、BT-B电子分析天平(可以方便快捷地测出所用到的化学药品的重量,精度为0.01g)、500ml、250ml、50ml不等的烧杯、玻璃棒、PHB系列笔型PH计、注射器、游标卡尺等。

  测试性能试验用到的试验设备有:温度阻炉、抛光机、MMH-2000数字式显微硬度仪器、 LeicaDMi8金相显微镜、Quanta 200环境扫描电镜、OXFORD IE250能谱仪、MS-T3000型摩擦磨损试验仪、电子天平(用来测量镀件的磨损前后重量,精度为0.0001g)。

  2.2 镀液的配制及施镀

  本次试验用到的镀液是在Ni-P二元化学镀的基础上加以制备出的,制备出较为优良的Ni-W-P三元化学镀的镀液以及Ni-W-P-纳米金刚石复合镀层的镀液。本次试验的施镀配方是:硫酸镍20g/L、柠檬酸钠35g/L、次亚磷酸钠25g/L、醋酸钠20g/L、钨酸钠55g/L、硫脲6.365ml/L、纳米金刚石10g/L。施镀过程中pH值保持在8.5,施镀时间为3.5h。

  镀液中加入的镀液成分每一份都有着必不可少的作用,硫酸镍是作为主盐,柠檬酸钠是作为络合剂,次亚磷酸钠是作为还原剂,硫脲是作为稳定剂,醋酸钠是作为缓冲剂,下面一一说明各成分作用:

  主盐

  主盐的作用就是供给给金属离子沉积,主盐最常用到的有硫酸镍、醋酸镍、氯化镍,本次试验我们采用的就是硫酸镍。

  络合剂

  络合剂的作用除了能控制镍离子的浓度以外,它还能抑制亚磷酸镍的沉积,能够在一定作用下提高镀液的稳定性,而且还可以延长镀液的使用寿命。

  络合剂选择的不同对镀件镀层的沉积速度、耐磨性、耐腐蚀性、表面形状等均有一定的影响,因此我们在选择络合剂的时候,一定要选择不仅可以使镀件镀液的沉积速度快的,而且还要使镀件镀液的稳定性要好,保证它的使用寿命较长,以及镀件镀层的质量要好。本次试验中用到的络合剂是柠檬酸钠。

  还原剂

  本次试验中我们用到的还原剂是次亚磷酸钠。选用次亚磷酸钠作为还原剂的原因,是因为其本身能够分解产生出磷原子进入镀液镀层中,能够以镍磷化合物的形式存在于镀液镀层中,同时其中有一部分被氧化为亚磷酸钠。亚磷酸盐是一种非常有害的反应产物,在一定程度上,它会与镀液中的镍离子形成溶解度很小的亚磷酸镍沉淀,会造成镀液镀层表面粗糙不光滑,甚至可能会使镀液分解老化进而失效。

  稳定剂

  稳定剂的作用简单来说就是使镀件在施镀过程中保持稳定,但是我们要注意的是,稳定剂不能使用过量,过量后轻可能只降低镀件镀液的速度,重则不再起镀化作用。常用的稳定剂主要有硫的无机物或有机物,如硫酸盐、硫氰酸盐、硫脲及其衍生物等[15],本次试验中用到的稳定剂就是硫脲。

  缓冲剂

  化学镀液中需要用到的一个必不可少的试剂就是缓冲剂,因为在施镀的过程中要保持镀液的pH值的稳定,而缓冲剂的主要作用就是保持镀液的中性[16]。镀液中加入了缓冲剂就是为了防止在施镀过程中的化学沉积过程。但是缓冲剂的浓度的多少也会影响镀液的沉积过程,所以在试验过程中我们要用氨水来对镀液进行调和。一般常用的缓冲剂就是醋酸钠、硼砂、焦磷酸,本次试验我们用到的缓冲剂就是醋酸钠。

  镀液配制的前提首先要将所需要用到的烧杯用蒸馏水进行彻底清洗晾干,然后用电子天平称量所需用到的化学药品。

  镀液的配制过程:

  (1)首先取20g/L的硫酸镍放入烧杯中,在烧杯中加入适量的蒸馏水,编为1号溶液,然后用磁力搅拌器搅拌至药品完全溶解;

  取35g/L的柠檬酸放入烧杯中,在烧杯中加入适量的蒸馏水,编为2号溶液,然后用磁力搅拌器搅拌至药品完全溶解;

  取25g/L的次亚磷酸钠放入烧杯中,在烧杯中加入适量的蒸馏水,编为3号溶液,然后用磁力搅拌器搅拌至药品完全溶解;

  取20g/L的醋酸钠放入烧杯中,在烧杯中加入适量的蒸馏水,编为4号溶液,然后用磁力搅拌器搅拌至药品完全溶解;

  将1号溶液倒入500ml的烧杯中,在磁力搅拌器的作用下依次将2号、3号、4号溶液加入到1号溶液中混合均匀,此时要注意依次倒入溶液的顺序;

  最后加入一定的蒸馏水到一定量,用氨水调节pH值至8.5。

  镀件的施镀首先要对镀件进行镀前预处理:预磨试样→镀件化学除油、除污→蒸馏水清洗→稀硫酸稀释3~5min→蒸馏水再次清洗→晾干。

  化学镀过程:

  首先将电热恒温水浴炉加热到一定温度85℃,确保镀液pH值为8.5;

  将镀件完全浸入到镀液中,并将镀件用支架支于烧杯上方,此时开始进行化学镀施镀计时;

  化学镀施镀过程中会发生一定的化学反应,pH值会随之变化,所以在施镀过程中要随时注意加入适当的蒸馏水和氨水来控制pH值保持在8.5;

  经过3.5h后,将镀液中的镀件取出,先用蒸馏水将镀件冲洗干净,然后将镀件用吹风机吹干;

  将其中的1、3块镀件放在400℃的温度阻炉中进行1h的热处理备用。

  2.3 化学镀镀层的性能检测

  2.3.1硬度检测

  对镀件进行硬度检测是金属镀层的一个重要的性能,本次试验采用硬度检测就是为了验证对不同含量、不同条件下的镀层进行比较。本次试验采用的是维氏硬度来检测,使用MMH-2000数字式的显微硬度计进行测量。

  硬度检测的前提是保证镀件的洁净,以及保证试验工作台面的干净,调整试验所需要的载荷。

  硬度检测的试验步骤:

  首先将4块镀件在抛光机上进行一一抛光,抛光过程中一定要小心,不宜磨损过多,在打硬度过程中可以随时进行再次抛光;

  打开显微硬度计,载荷选择25g,加载时间默认10~15s,将镀件放在工作台面上,在显微镜下选择合适的位置;

  在镀件表面找到不同的三个位置,进行3次打点,并一一记录;

  打点过程中要保证测量压痕对角线长度的误差要符合要求,尽可能保证误差越小越好;

  将3次硬度记录求平均值,将平均值作为镀层硬度;

  将剩下的镀件一一按上述试验进行硬度检测;

  镀件硬度测试结束,关闭仪器,清理工作台面。

  根据MMH-2000数字式显微硬度计得到的镀层硬度如下表所示:

  表1 Ni-W-P与Ni-W-P-纳米金刚石退火前后的硬度

  试样第一次(HV)第二次(HV)第三次

  (HV)平均硬度(HV)Ni-W-P镀态700665682682Ni-W-P-纳米金刚石镀态719748738735Ni-W-P退火态1066108310831077Ni-W-P-纳米金刚石退火态11191157115711442.3.2磨损宽度测量

  通过测量镀件的磨损宽度和深度可以有效的比较出镀件的摩擦磨损性能,本次试验采用的就是通过对镀件进行磨损宽度测量来进行比较镀件的磨损性能。

  进行磨损宽度试验的前提是保证镀件的洁净以及保证试验工作台面的干净。

  磨损宽度试验的步骤:

  (1)打开金相显微镜,将镀件放在工作台上,进行角度调试;

  (2)从磨损内侧查找磨损宽度,选择尽可能较大的宽度进行拍照保存,多拍

  一些图片;

  (3)将拍照保存下来的图片进行宽度测量,并记录下来;

  (4)取多次测量数据的平均值作为最终磨损宽度值;

  (5)剩下的镀件一一按照上述试验进行试验;

  (6)计算出数据,将电脑和仪器关闭,清理工作台面。

  2.3.3扫描电镜试验

  扫描电镜(SEM)它是一种介于透射电镜和光学电镜的微观观察方法,它有

  着较高的放大倍数以及视野较大。

  扫面电镜试验的步骤:

  (1)首先将镀件切割成所需要的试件大小,保证镀件表面的洁净;

  (2)打开电脑将镀件放在工作台面上;

  (3)将镀件放好后,开始抽真空,调整镀件的各项参数;

  (4)选择不同的倍数,对镀件开始拍照;

  (5)进行能谱分析;

  (6)将试验数据记录及仪器使用记录;

  (7)将数据拷贝出,关闭仪器,清理工作台面。

  扫描电镜得到的镀层形貌图,如下图所示:

  图1 化学镀镍钨磷纳米金刚石形貌图

  纳米金刚石在镀层中的分布情况,如图2所示:

  图2 纳米金刚石在镀层中分布示意图

  根据扫描电镜和能谱分析得到各元素所占百分比如下表所示:

  表2 Ni-W-P-纳米金刚石各元素所占百分比

  元素重量原子百分比百分比C K12.5140.17P K5.837.26Ni K79.2852.07W M2.370.50总量100.00100.002.4 摩擦磨损试验

  2.4.1 试验方案

  本次试验是在MS-T3000型摩擦磨损试验仪进行的,试验样品有Ni-W-P三元化学镀镀层以及Ni-W-P-纳米金刚石复合镀层。

  分别在以下条件下进行试验,如表3所示:

  表3 镀层摩擦磨损试验条件

  载荷(g)200400旋转半径(mm)468转速(r/min)200265298滑动速度(m/min)510152.4.2 试验过程

  摩擦磨损试验的步骤:

  (1)首先保证工作台面的洁净,打开摩擦磨损试验仪器;

  (2)将试验镀件用电子天平进行称重,镀件磨损前重量记录在表格;

  (3)将镀件擦拭干净,再将镀件放到摩擦磨损试验仪的载台上用专用夹具固定,调整磨球的旋转半径到所需要的旋转半径;

  (4)将所有固定螺母拧紧,并一一进行检查,在镀件上做上标记,方便下次固定;

  (5)打开电脑上的试验软件,进行试验参数设置,然后进行摩擦力调零,调零后点击开始,试验结束取下镀件样品,再次用电子天平称量,磨损后称重记录在表格;

  (6)重复上述试验步骤,分别将4块镀件的正反面一一进行试验;

  (7)将数据拷贝出来,关闭仪器,清理工作台面。

  3 试验结果与分析

  3.1 Ni-W-P-纳米金刚石的摩擦磨损性能

  根据摩擦磨损试验得到的镀态Ni-W-P三元化学镀与Ni-W-P-纳米金刚石复合镀层在不同载荷和滑动速度下的磨损率,如表4、表5所示:

  表4 镀态下Ni-W-P三元化学镀的磨损率

  载荷(g)

  磨损率*10-6(g/m)

  滑动速度(m/min)510152001.595.3110.354004.785.3112.74表5 镀态下Ni-W-P-纳米金刚石复合镀层的磨损率

  载荷(g)

  磨损率*10-6(g/m)

  滑动速度(m/min)510152001.592.123.984001.591.067.96

  由表4、表5数据得到的镀态Ni-W-P三元化学镀与Ni-W-P-纳米金刚石复合镀层在不同滑动速度下磨损率的变化曲线,如图3所示:

  g/m

  *10-6

  图3 镀态Ni-W-P与Ni-W-P-纳米金刚石的磨损率折线图

  由图3可以看出,在镀态下,当载荷为200g时,Ni-W-P三元化学镀镀层的磨损率在滑动速度5~15m/min之间是逐渐上升的;Ni-W-P-纳米金刚石复合镀层的磨损率在滑动速度5~15m/min之间也是逐渐上升的;Ni-W-P三元化学镀镀层的磨损率较Ni-W-P-纳米金刚石复合镀层的磨损率上升速度较快。在镀态下,当载荷为400g时,Ni-W-P三元化学镀镀层的磨损率在滑动速度5~15m/min之间是逐渐上升的,其中在滑动速度5~10m/min之间的上升速度较慢,在滑动速度10~15m/min之间的上升速度较快;Ni-W-P-纳米金刚石复合镀层的磨损率在滑动速度5~10m/min之间是逐渐下降的,在滑动速度10~15m/min之间是逐渐上升的。试样镀件为Ni-W-P三元化学镀时,在滑动速度5~15m/min之间,载荷为400g的磨损率大于载荷为200g的磨损率;试样镀件为Ni-W-P-纳米金刚石时,在滑动速度10~15m/min之间,载荷为400g的磨损率大于载荷为200g的磨损率。

  根据摩擦磨损试验得到的镀态Ni-W-P三元化学镀与Ni-W-P-纳米金刚石复合镀层在不同载荷和滑动速度下的摩擦系数,如表6、表7所示:

  表6 镀态下Ni-W-P三元化学镀的摩擦系数

  载荷(g)

  摩擦系数

  滑动速度(m/min)510152000.46920.39340.41534000.48220.44400.3783表7 镀态下Ni-W-P-纳米金刚石复合镀层的摩擦系数

  载荷(g)

  摩擦系数

  滑动速度(m/min)510152000.28080.39030.30444000.29700.25630.4638

  由表6、表7数据得到的镀态Ni-W-P三元化学镀与Ni-W-P-纳米金刚石复合镀层在不同滑动速度下摩擦系数的变化曲线,如图4所示:

  图4 镀态Ni-W-P与Ni-W-P-纳米金刚石的摩擦系数折线图

  由图4可以看出,在镀态下,当载荷为200g时,Ni-W-P三元化学镀镀层的摩擦系数在滑动速度5~10m/min之间是逐渐下降的,在滑动速度10~15m/min之间是逐渐上升的;Ni-W-P-纳米金刚石复合镀层的摩擦系数在滑动速度5~10m/min之间是逐渐上升的,在滑动速度10~15m/min之间是逐渐下降的。在镀态下,当载荷为400g时,Ni-W-P三元化学镀镀层的摩擦系数在滑动速度5~15m/min之间是逐渐下降的;Ni-W-P-纳米金刚石复合镀层的摩擦系数在滑动速度5~10m/min之间是逐渐下降的,在滑动速度10~15m/min之间逐渐上升。试样镀件为Ni-W-P三元化学镀时,在滑动速度5~10m/min之间,载荷为200g的摩擦系数较载荷为400g的摩擦系数下降速度较快;试样镀件为Ni-W-P-纳米金刚石时,在滑动速度5~10m/min之间与10~15m/min之间各有一个重合点。

  根据摩擦磨损试验得到的退火态Ni-W-P三元化学镀与Ni-W-P-纳米金刚石复合镀层在不同载荷和滑动速度下的磨损率,如表8、表9所示:

  表8 退火态下Ni-W-P三元化学镀的磨损率

  载荷(g)

  磨损率*10-6(g/m)

  滑动速度(m/min)510152001.592.121.594001.594.254.78表9 退火态下Ni-W-P-纳米金刚石复合镀层的磨损率

  载荷(g)

  磨损率*10-6(g/m)

  滑动速度(m/min)510152001.591.060.804003.181.061.59

  由表8、表9数据得到的退火态Ni-W-P三元化学镀与Ni-W-P-纳米金刚石复合镀层在不同滑动速度下磨损率的变化曲线,如图5所示:

  g/m

  *10-6

  图5 退火态Ni-W-P与Ni-W-P-纳米金刚石的磨损率折线图

  由图5可以看出,在退火态下,当载荷为200g时,Ni-W-P三元化学镀镀层的磨损率在滑动速度5~10m/min之间是逐渐上升的,在滑动速度10~15m/min之间是逐渐下降的;Ni-W-P-纳米金刚石复合镀层的磨损率在滑动速度5~15m/min之间是 逐渐下降的;其中在滑动速度10~15m/min之间,Ni-W-P三元化学镀镀层的磨损率较Ni-W-P-纳米金刚石复合镀层的磨损率下降速度快。在退火态下,当载荷为400g时,Ni-W-P三元化学镀镀层的磨损率在滑动速度5~15m/min之间是逐渐上升的,其中在滑动速度5~10m/min之间上升速度较快,在滑动速度10~15m/min之间上升速度较慢;Ni-W-P-纳米金刚石复合镀层的磨损率在滑动速度5~10m/min之间是逐渐下降的,在滑动速度10~15m/min之间是逐渐上升的。试样镀件为Ni-W-P三元化学镀时,在滑动速度5~10m/min之间,载荷为400g的磨损率大于载荷为200g的磨损率;试样镀件为Ni-W-P-纳米金刚石时,在滑动时间5~10m/min之间,载荷为400g的磨损率也大于载荷为200g的磨损率。

  根据摩擦磨损试验得到的退火态Ni-W-P三元化学镀与Ni-W-P-纳米金刚石复合镀层在不同载荷和滑动速度下的摩擦系数,如表10、表11所示:

  表10 退火态下Ni-W-P三元化学镀的摩擦系数

  载荷(g)

  摩擦系数

  滑动速度(m/min)510152000.30320.35140.39374000.31480.37010.3273表11 退火态下Ni-W-P-纳米金刚石复合镀层的摩擦系数

  载荷(g)

  摩擦系数

  滑动速度(m/min)510152000.40130.39770.40894000.55250.47920.5427

  由表10、表11数据得到的退火态Ni-W-P三元化学镀与Ni-W-P-纳米金刚石复合镀层在不同滑动速度下摩擦系数的变化曲线,如图6所示:

  图6 退火态Ni-W-P与Ni-W-P-纳米金刚石的摩擦系数折线图

  由图6可以看出,在退火态下,当载荷为200g时,Ni-W-P三元化学镀镀层的摩擦系数在滑动速度5~15m/min之间是逐渐上升的;Ni-W-P-纳米金刚石复合镀层的摩擦系数在滑动速度5~10m/min之间是直线不变的,在滑动速度10~15m/min之间是缓慢上升的;在滑动速度10~15m/min之间,Ni-W-P三元化学镀镀层的摩擦系数上升速度较Ni-W-P-纳米金刚石复合镀层的摩擦系数的上升速度快。在退火态下,当载荷为400g时,Ni-W-P三元化学镀镀层的摩擦系数在滑动速度5~10m/min之间是逐渐上升的,在滑动速度10~15m/min之间是逐渐下降的;Ni-W-P-纳米金刚石复合镀层的摩擦系数在滑动速度5~10m/min之间是逐渐下降的,在滑动速度10~15m/min之间是逐渐上升的。试样镀件为Ni-W-P三元化学镀时,在滑动速度5~10m/min之间,载荷为200g与载荷为400g的摩擦系数上升速度相当;试样镀件为Ni-W-P-纳米金刚石,在载荷10~15m/min之间,载荷为400g的摩擦系数上升速度较载荷为200g的摩擦系数上升速度快。

  3.2 热处理对Ni-W-P-纳米金刚石摩擦磨损性能的影响

  由表4、表8得到的退火前后Ni-W-P三元化学镀在不同滑动速度下的磨损率变化曲线,如图7所示:

  *10-6

  g/m

  图7 退火态Ni-W-P与镀态Ni-W-P的磨损率折线图

  由图7可以看出,在退火态下,当载荷为200g时,Ni-W-P三元化学镀镀层的磨损率在滑动速度5~10m/min之间是缓慢上升的,在滑动速度10~15m/min之间是缓慢下降的;当载荷为400g时,Ni-W-P三元化学镀镀层的磨损率在滑动速度5~15m/min之间是逐渐上升的。在镀态下,当载荷为200g时,Ni-W-P三元化学镀镀层的磨损率在滑动速度5~15m/min之间是逐渐上升的;当载荷为400g时,Ni-W-P三元化学镀镀层的磨损率在滑动速度5~10m/min之间上升速度较慢,在滑动速度10~15m/min之间上升速度较快。当载荷为200g一定时,镀态Ni-W-P三元化学镀镀层的磨损率高于退火态Ni-W-P三元化学镀镀层的磨损率;当载荷为400g一定时,镀态Ni-W-P三元化学镀镀层的磨损率高于退火态Ni-W-P三元化学镀镀层的磨损率。

  由表6、表10得到的退火前后Ni-W-P三元化学镀在不同滑动速度下的摩擦系数变化曲线,如图8所示:

  图8 退火态Ni-W-P与镀态Ni-W-P的摩擦磨损折线图

  由图8可以看出,在退火态下,当载荷为200g时,Ni-W-P三元化学镀镀层的摩擦系数在滑动速度5~15m/min之间是逐渐上升的;当载荷为400g时,Ni-W-P三元化学镀镀层的摩擦系数在滑动速度5~10m/min之间是逐渐上升的,在滑动速度10~15m/min之间是逐渐下降的。在镀态下,当载荷为200g时,Ni-W-P三元化学镀镀层的摩擦系数在滑动速度5~10m/min之间是逐渐下降的,在滑动速度10~15m/min之间是缓慢上升的。当载荷为200g一定时,镀态Ni-W-P三元化学镀镀层的摩擦系数高于退火态Ni-W-P三元化学镀镀层的摩擦系数;当载荷为400g一定时,镀态Ni-W-P三元化学镀镀层的摩擦系数高于退火态Ni-W-P三元化学镀镀层的摩擦系数。

  由表5、表9得到的退火前后Ni-W-P-纳米金刚石复合镀层在不同滑动速度下的磨损率变化曲线,如图9所示:

  g/m

  *10-6

  图9 退火态Ni-W-P-纳米金刚石与镀态Ni-W-P-纳米金刚石的磨损率折线图

  由图9可以看出,在退火态下,当载荷为200g时,Ni-W-P-纳米金刚石复合镀层的磨损率在滑动速度5~15m/min之间是逐渐下降的;当载荷为400g时,Ni-W-P-纳米金刚石复合镀层的磨损率在滑动速度5~10m/min之间是逐渐下降的,在滑动速度10~15m/min之间是逐渐上升的。在镀态下,当载荷为200g时,Ni-W-P-纳米金刚石复合镀层的磨损率在滑动速度5~15m/min之间是逐渐上升的;当载荷为400g时,Ni-W-P-纳米金刚石复合镀层的磨损率在滑动速度5~10m/min之间是逐渐下降的,在滑动速度10~15m/min之间是逐渐上升的。当载荷为200g一定时,镀态Ni-W-P-纳米金刚石复合镀层的磨损率高于退火态Ni-W-P-纳米金刚石复合镀层的磨损率;当载荷为400g一定时,在滑动速度5~10m/min之间,退火态Ni-W-P-纳米金刚石复合镀层的磨损率高于镀态Ni-W-P-纳米金刚石复合镀层的磨损率,在滑动速度10~15m/min之间,镀态Ni-W-P-纳米金刚石复合镀层的磨损率高于退火态Ni-W-P-纳米金刚石复合镀层的磨损率。

  由表7、表11得到的退火前后Ni-W-P-纳米金刚石复合镀层在不同滑动速度下的摩擦系数变化曲线,如图10所示:

  图10 退火态Ni-W-P-纳米金刚石与镀态Ni-W-P-纳米金刚石的摩擦系数折线图

  由图10可以看出,在退火态下,当载荷为200g时,Ni-W-P-纳米金刚石复合镀层的摩擦系数在滑动速度5~10m/min之间是直线不变的,在滑动速度10~15m/min之间是缓慢上升的;当载荷为400g时,Ni-W-P-纳米金刚石复合镀层的摩擦系数在滑动速度5~10m/min之间是逐渐下降的,在滑动速度10~15m/min之间是逐渐上升的。在镀态下,当载荷为200g时,Ni-W-P-纳米金刚石复合镀层的摩擦系数在滑动速度5~10m/min之间是逐渐上升的,在滑动速度10~15m/min之间是逐渐下降的,当载荷为400g时,Ni-W-P-纳米金刚石复合镀层的摩擦系数在滑动速度5~10m/min之间是逐渐下降的,在滑动速度10~15m/min之间是逐渐上升的。当载荷为200g一定时,退火态Ni-W-P-纳米金刚石复合镀层的摩擦系数高于镀态Ni-W-P-纳米金刚石复合镀层的摩擦系数;当载荷为400g一定时,退火态Ni-W-P-纳米金刚石复合镀层的摩擦系数高于镀态Ni-W-P-纳米金刚石复合镀层的摩擦系数。

  4 结论

  (1)镀态下Ni-W-P三元化学镀的磨损率高于Ni-W-P-纳米金刚石复合镀层的磨损率,Ni-W-P三元化学镀的摩擦系数高于Ni-W-P-纳米金刚石复合镀层的摩擦系数;退火态下Ni-W-P三元化学镀的磨损率高于Ni-W-P-纳米金刚石复合镀层的磨损率,Ni-W-P-纳米金刚石复合镀层的摩擦系数高于Ni-W-P三元化学镀的摩擦系数;

  (2)镀态下,Ni-W-P三元化学镀的磨损率随滑动速度的增大而上升,摩擦系数在载荷为200g时,随滑动速度的增大先下降后上升,在载荷为400g时,随滑动速度的增大而下降;退火态下,磨损率在载荷为200g时,随滑动速度的增大先上升后下降,在载荷为400g时,随滑动速度的增大而上升,摩擦系数在载荷为200g时,随滑动速度的增大而上升,在载荷为400g时,随滑动速度的增大先上升后下降;

  (3)镀态下Ni-W-P-纳米金刚石复合镀层的磨损率随滑动速度的增大而上升,摩擦系数在载荷为200g时,随滑动速度的增大先上升后下降,在载荷为400g时,随滑动速度的增大先下降后上升;退火态下,磨损率在载荷为200g时,随滑动速度的增大而下降,在载荷为400g时,随滑动速度的增大先下降后上升,摩擦系数在载荷为200g时,随滑动速度的增大缓慢上升,在载荷为400g时,随滑动速度的增大先下降后上升;

  (4)热处理后,Ni-W-P三元化学镀的磨损率下降了,摩擦系数也下降了;

  (5)热处理后,Ni-W-P-纳米金刚石复合镀层的磨损率下降了,摩擦系数升高了。

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