(遼寧石油化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 石油化工過程腐蝕與防護(hù)技術(shù)中心,遼寧 撫順113001)
在傳統(tǒng)機(jī)械加工行業(yè)中,為了獲得高硬度、高耐磨性的鍍層,通常使用含六價鉻的鍍液。但鍍鉻過程中排放的廢水、廢氣、廢渣中含有有毒的六價鉻,對環(huán)境造成巨大的危害[1]。Ni-W合金鍍層作為代鉻鍍層越來越受到人們的關(guān)注[2-4]。本文采用脈沖電沉積方法在45#鋼表面制備了Ni-W合金鍍層,并研究了電流密度對鍍層摩擦磨損性能的影響。
采用厚度為10 mm的45#鋼作為基體材料。前處理工藝流程為:基體的工作面積為10 mm×10 mm,非工作部位用硅膠封樣。
參考文獻(xiàn)[5]后,確定鍍液組成為:NiSO4·6 H2O 26.3 g/L,Na2WO4·6H2O 98.7 g/L,Na3C6H5O7·2 H2O 85.0 g/L,NH4Cl26.7 g/L,NaBr 20.4 g/L。
采用MD-30A型多功能脈沖電鍍電源恒電位儀作為電源,陰極為20R,陽極為石墨。以NiSO4·6H2O和Na2WO4·6H2O為主鹽,以 NH4Cl和Na3C6H5O7·2H2O為配位劑,用NaBr增強(qiáng)溶液的導(dǎo)電性。用稀H2SO4或氨水調(diào)節(jié)鍍液的pH值。各條件下的沉積時間均設(shè)定為60 min。電鍍過程中,用CIJ-60型智能磁力攪拌器攪拌鍍液。實驗所用試劑均為分析純。采用高精度天平稱取試劑,用去離子水配制溶液,并用磁力攪拌使之充分溶解。溶液配制好后,靜置24 h,待用。
在MM-W1 B型摩擦磨損試驗機(jī)上進(jìn)行銷盤式摩擦磨損試驗。上試樣為高速鋼,下試樣為Ni-W合金鍍層。室溫下干摩擦載荷為10 N,潤滑摩擦載荷為50 N,潤滑油選用60號機(jī)油,試驗時間為2 h。
設(shè)定鍍液溫度為65℃,鍍液pH值為6.5。pH值過小,析氫反應(yīng)劇烈,鍍層容易產(chǎn)生裂紋;pH值過大,試樣邊緣易“燒焦”。最佳的峰值電流密度為10~15 A/dm2。當(dāng)峰值電流密度低于10 A/dm2時,鍍層較薄且不利于W的沉積;當(dāng)峰值電流密度高于15 A/dm2時,析氫反應(yīng)劇烈,鍍層出現(xiàn)微小裂紋。占空比為50%,使高電位維持在半個周期。脈沖頻率設(shè)定為5000 Hz。當(dāng)脈沖頻率較小時,電極表面的金屬消耗得不到補(bǔ)充,放電離子在電極表面的濃度低,以至于還原的離子少,鍍層不易增厚;當(dāng)脈沖頻率大于5000 Hz時,大部分能量都消耗在充放電上,有效脈沖電流變小,鍍層難以增厚。
圖1為干摩擦條件下Ni-W合金鍍層與基體的摩擦因數(shù)隨時間的變化曲線,載荷為10 N,轉(zhuǎn)速為150 r/min。由圖1可知:在摩擦的初始階段,每個試樣的摩擦因數(shù)都迅速上升。這主要是因為試樣表面微突起所引起的整體宏觀應(yīng)力場變成了分散應(yīng)力場。隨著摩擦過程的進(jìn)行,摩擦接觸面上的微突起發(fā)生塑性變形,試樣表面逐漸變得光滑,摩擦因數(shù)趨于穩(wěn)定。由于拋光作用,基體表面光滑,摩擦因數(shù)較?。?.11)。電流密度較小的Ni-W合金鍍層表面光滑,摩擦因數(shù)較小。當(dāng)電流密度增至15 A/dm2時,由于析氫作用加劇,導(dǎo)致鍍層表面粗糙,摩擦因數(shù)達(dá)到0.26。
圖1 干摩擦條件下摩擦因數(shù)隨時間的變化曲線
圖2為干摩擦2 h后Ni-W合金鍍層與基體的磨損量。由圖2可知:基體的磨損量為8.4 mg;而電流密度為15 A/dm2時制備的Ni-W合金鍍層的磨損量為1.2 mg,與基體的磨損量相比減小了85.7%。這說明Ni-W合金鍍層具有較高的抗塑性變形能力,能夠提高基體的摩擦磨損性能。
圖2 干摩擦2 h后的磨損量
圖3為油潤滑摩擦條件下Ni-W合金鍍層與基體的摩擦因數(shù)隨時間的變化曲線,載荷為50 N,轉(zhuǎn)速為150 r/min。由圖3可知:Ni-W合金鍍層的摩擦因數(shù)均小于基體的摩擦因數(shù),說明Ni-W合金鍍層的潤滑性能比基體的潤滑性能好。其中,當(dāng)電流密度為5 A/dm2時制備的Ni-W合金鍍層的摩擦因數(shù)最低(為0.12)。這是由于Ni-W合金鍍層具有較大的內(nèi)應(yīng)力,當(dāng)電流密度過大時鍍層存在微小裂紋。這些裂紋可以起到儲存潤滑油的效果,大大減小了摩擦因數(shù)。
圖3 油潤滑摩擦條件下摩擦因數(shù)隨時間的變化曲線
圖4為油潤滑摩擦2 h后Ni-W合金鍍層與基體的磨損量。由圖4可知:基體的磨損量為33.4 mg,并且在實驗運行1.5 h后摩擦因數(shù)突然增大,產(chǎn)生“膠合”;而電流密度為15 A/dm2時制備的Ni-W合金鍍層的磨損量為2.8 mg,與基體的磨損量相比減小了91.6%。這說明在油潤滑條件下Ni-W合金鍍層具有優(yōu)異的摩擦磨損性能。
圖4 油潤滑摩擦2 h后的磨損量
(1)Ni-W合金鍍層具有較好的摩擦磨損性能。在干摩擦條件下,隨著電流密度的增大,析氫變得嚴(yán)重,鍍層的摩擦因數(shù)逐漸增大,但磨損量逐漸下降,磨損較基體減少了85.7%。
(2)在油潤滑摩擦條件下,Ni-W合金鍍層的摩擦因數(shù)隨電流密度的增大變化平穩(wěn),磨損量逐漸降低,磨損較基體減少了91.6%。