易超，黃巍，靳廣虎，黃梁，宋宜強(qiáng)

Ni-PTFE復(fù)合鍍層的制備及其摩擦學(xué)性能研究

易超，黃巍，靳廣虎*，黃梁，宋宜強(qiáng)

（南京航空航天大學(xué)直升機(jī)傳動(dòng)技術(shù)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210016）

采用復(fù)合共沉積方法，研制了基于紫銅基體的Ni-PTFE（鎳-聚四氟乙烯）復(fù)合鍍層。在鍍液中PTFE的分散性研究的基礎(chǔ)上，考慮PTFE懸浮量對復(fù)合鍍層的影響，開展了對單一Ni鍍層以及Ni-PTFE復(fù)合鍍層摩擦學(xué)性能研究。研究結(jié)果表明：相對Ni鍍層而言，Ni-PTFE復(fù)合鍍層具有很好的減摩效果。Ni鍍層的摩擦系數(shù)為0.7，Ni-PTFE復(fù)合鍍層的摩擦系數(shù)為0.22，僅為鎳鍍層的32%左右；此外，Ni-PTFE復(fù)合鍍層的磨損小，耐磨性能優(yōu)異。其中，添加（20 mL/L）PTFE的復(fù)合鍍層綜合性能最優(yōu)。

復(fù)合共沉積；Ni-PTFE復(fù)合鍍層；減摩性；耐磨性

摩擦磨損與腐蝕是金屬材料表面破壞的兩種最主要的形式之一。與發(fā)達(dá)國家相比，我國金屬材料及其零部件的摩擦磨損與腐蝕損壞情況十分嚴(yán)重，在金屬材料的防護(hù)與應(yīng)用性研究方面仍存在相當(dāng)大的差距。因此，研究如何提高金屬材料防腐蝕性能和摩擦磨損性能等表面處理新技術(shù)對于機(jī)器設(shè)備壽命的延長、工作的穩(wěn)定性、以及綜合性能的提高具有深遠(yuǎn)的意義。

表面處理技術(shù)不僅廣泛應(yīng)用于重要零件的防腐蝕和裝飾上，在重要零件的修復(fù)上也得到了廣泛應(yīng)用，如用于汽車的汽缸、軸類件、泵類、飛輪機(jī)葉片、火箭推進(jìn)器管道、飛機(jī)壓縮機(jī)葉片的修復(fù)等［1］。電鍍是一種重要的表面處理技術(shù)，廣泛應(yīng)用于航空、航天、船舶等工業(yè)領(lǐng)域中［2］。復(fù)合共沉積是在原電鍍液的基礎(chǔ)上加入不溶性固體粒子，沉積過程中可以嵌入到鍍層中，從而獲得具有較強(qiáng)的耐蝕性、耐磨性及低摩擦系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)的復(fù)合鍍層［3］。PTFE（聚四氟乙烯）具有超低摩擦系數(shù)、抗黏附性、疏水性、耐溫性和耐蝕性等［4］。使用復(fù)合共沉積的方法將PTFE微粒加入鍍鎳液中可獲得Ni-PTFE復(fù)合鍍層，這種鍍層材料具有低摩擦系數(shù)、耐腐蝕、耐磨損、抗黏附、抗咬合等優(yōu)良的性能［5］。

Chanqi等［6］研究了稀有元素鈰（Ce）對化學(xué)鍍Ni-P-PTFE復(fù)合鍍層防腐性能的影響，研究表明，鈰溶度在一定范圍內(nèi)可以提高PTFE含量從而降低腐蝕速率增強(qiáng)復(fù)合鍍層耐腐蝕性能；Huang等［7］開展了Ni-PTFE復(fù)合涂層生物防污方面的研究，研究結(jié)果表明，Ni-PTFE復(fù)合涂層可以通過減少生物膜形成從而改善食品安全提高食品流水線的安全性；Tan等［8-9］開展了高溫環(huán)境下對復(fù)合共沉積制備的Ni-PTFE納米復(fù)合涂層的水潤濕性的研究，結(jié)果表明，在高達(dá)400 ℃時(shí)仍然保持超疏水性；Karaguiozova等［10］開展了基于化學(xué)鍍Ni-P鍍層和Ni-P-PTFE復(fù)合鍍層的研究，并考慮了溫度、pH等對PTFE摻入量的影響，并測量了不同鍍層的顯微硬度、耐磨性能和動(dòng)摩擦系數(shù)。

鑒于Ni-PTFE鍍層的優(yōu)異性能，本文采用復(fù)合共沉積電鍍技術(shù)，研制了基于紫銅基上的Ni-PTFE鍍層，探索了PTFE懸浮量對復(fù)合鍍層的影響，開展了復(fù)合鍍層的摩擦系數(shù)和耐磨性能分析，為航空花鍵等零部件的表面抗摩擦磨損性能提供理論支持和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1　實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)使用500 mL燒杯為電鍍槽，陰、陽極材料分別使用厚度為3 mm直徑為30 mm紫銅片和30 mm×30 mm×2 mm鎳片，極板間距為30 mm。電源采用WYJ22直流穩(wěn)壓電源；轉(zhuǎn)速由85-2A型恒溫磁力攪拌器控制。

1.2　鍍液組成及工藝參數(shù)

鍍液組成：六水合硫酸鎳200 g/L、六水合氯化鎳45 g/L、硼酸40 g/L、十二烷基硫酸鈉0.5 g/L、1，4丁炔二醇0.4 g/L、糖精鈉1 g/L（為了減少影響因素，所使用試劑均為分析純，并使用去離子水配制鍍液）； PTFE乳液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)60％）含量10～30 mL/L（乳液使用硼酸充分酸化，以獲得穩(wěn)定懸浮的PTFE）；陽離子表面活性劑適量。

根據(jù)前期的預(yù)實(shí)驗(yàn)使用如下的工藝參數(shù)：陰極電流密度為1 A/dm2，pH 4.5～5.5，鍍液溫度室溫18～25 ℃，攪拌速度450 r/min，沉積時(shí)間120 min。為使PTFE微粒均勻充分的分散于電鍍液中，電鍍前采用超聲波分散30 min，再攪拌1 h。

電鍍前預(yù)處理：粗砂紙打磨→細(xì)砂紙打磨→拋光機(jī)拋光3 min→蒸餾水超聲清洗3 min→丙酮超聲清洗2 min去油→用30 ℃體積分?jǐn)?shù)為10% 的稀鹽酸酸洗活化→95%酒精超聲清洗2 min→吹干備用。

1.3　復(fù)合鍍層的檢測

采用型號為VHX-600數(shù)碼顯微鏡觀察純Ni鍍層，以及添加三種不同PTFE含量的復(fù)合鍍層的表面形貌；采用掃描電子顯微鏡及能譜分析儀測量Ni/PTFE復(fù)合鍍的PTFE顆粒分布情況及含量；采用顯微硬度計(jì)測定鍍層的顯微硬度；采用自制的銷盤摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)（如圖1所示）測試其摩擦系數(shù)與耐磨性能。

采用銷盤摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)開展鍍層的摩擦系數(shù)測試，上試樣為4.9 mm 的GCr15鋼球；下試樣為制備的Ni、Ni-PTFE復(fù)合鍍層及PTFE板；施加載荷為2 N；轉(zhuǎn)速為100 r/min；旋轉(zhuǎn)半徑為10 mm；實(shí)驗(yàn)時(shí)間為30 min。鍍層的磨損試驗(yàn)條件為：上試樣為4.9 mm 的 GCr15 鋼球；下試樣為制備Ni、Ni-PTFE復(fù)合鍍層及PTFE板；施加載荷分別為2 N，4 N，6 N；轉(zhuǎn)速為100 r/min，旋轉(zhuǎn)半徑為10 mm；實(shí)驗(yàn)時(shí)間為30 min。采用Nano-map 500 Ls 型非接觸式三維輪廓儀測得磨痕寬度和深度。

圖1　摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)示意圖

2　結(jié)果與分析

2.1　表面形貌

不含PTFE的普通鎳鍍層和含PTFE（含量10 mL/L～30 mL/L依次增加）的復(fù)合鍍層表面形貌分別如圖2（a）～（d）所示。由圖可見，不含PTFE鍍層的形貌平整光滑，PTFE含量不同的鍍層表面形貌有所不同。其中PTFE含量為10 mL/L的鍍層含量較低；PTFE含量為20 mL/L的鍍層PTFE分布均勻且致密，且團(tuán)聚現(xiàn)象較輕；PTFE含量為30 mL/L的鍍層團(tuán)聚現(xiàn)象較為嚴(yán)重，在表面覆蓋了一層極薄的PTFE膜?？梢姡琍TFE顆粒含量差異會(huì)改變鎳沉積方式，使得表面形貌照片有所不同。

圖2　不同PTFE添加量制備鍍層的表面形貌

2.2　斷面形貌及鍍層厚度

采用數(shù)碼顯微鏡觀測鍍層斷面形貌及鍍層厚度，將斷面放大2000倍，其中Ni鍍層和PTFE添加量為20 mL/L的復(fù)合鍍層的斷面形貌如圖3。斷面形貌圖表明：鍍層內(nèi)鑲嵌有大量PTFE顆粒；表層有未被完全嵌入的PTFE，增加了表面粗糙度；PTFE的加入增加了鍍層厚度。鍍層厚度與PTFE添加量關(guān)系曲線如圖4所示。

圖3　鍍層斷面形貌

圖4　鍍層厚度與PTFE添加量關(guān)系曲線

2.3　掃描電鏡與能譜分析

采用掃描電鏡，將Ni-PTFE復(fù)合鍍層放大50000倍，獲得了PTFE添加量分別為10 mL/L、20 mL/L和30 mL/L的Ni-PTFE復(fù)合鍍層掃描電鏡圖，如圖5所示。掃描電鏡圖表明：Ni-PTFE復(fù)合鍍層均勻且致密地分布著一些小黑點(diǎn)，且被亮色組織包圍著。根據(jù) Wang［11］的分析，由于PTFE微粒的絕緣性，以及未進(jìn)行噴金處理，因此小黑點(diǎn)（即不導(dǎo)電點(diǎn)）所對應(yīng)的是復(fù)合鍍層中的PTFE微粒，亮色的組織所對應(yīng)的是導(dǎo)電性優(yōu)良的基質(zhì)金屬Ni。這表明PTFE微粒的確均勻地分布于復(fù)合鍍層中。由圖5可知，PTFE添加量為10 mL/L獲得鍍層黑點(diǎn)含量較少且分布不均勻；20 mL/L獲得鍍層分布均勻，黑點(diǎn)含量較多且更加細(xì)膩，團(tuán)聚現(xiàn)象不明顯；30 mL/L的黑點(diǎn)含量雖然有所增加，但出現(xiàn)了較明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象。

圖5　不同PTFE添加量下復(fù)合鍍層掃描電鏡

從圖6添加量為10 mL/L的復(fù)合鍍層能譜分析圖發(fā)現(xiàn)，PTFE微粒的確被鑲嵌到鍍層中，因?yàn)榭梢杂^察到明顯的C、F元素峰，且強(qiáng)度很大；此外，在EDS能譜分析圖還存在一個(gè)S元素峰，由于PTFE的疏水性，在電鍍的過程中為保證其分散性，在電鍍液中需要添加表面活性劑，其中添加了FC-134（CF3（CF2）7SO2NHCH2CH2N+（CH3）3I-）陽離子表面活性劑，其中含有S元素。在電鍍的過程中，PTFE微粒表面會(huì)依附一層FC-134，在重力和電場的作用下，遷移到陰極鍍層表面，在PTFE微粒鑲嵌至鍍層的過程中，會(huì)有部分FC-134未從微粒中脫落從而鑲嵌到鍍層中，因此在鍍層中檢測到S元素，且含量極低，并不影響鍍層性能［12］。

圖6　PTFE（10 mL/L）的復(fù)合鍍層能譜分析

圖7　不同PTFE溶度的復(fù)合鍍層C元素的面掃描分布圖

從圖7所示的 C元素面掃描分布圖可以看出，隨著電鍍液中PTFE含量的增加，C元素分布得更密集，因此Ni-PTFE復(fù)合鍍層中PTFE微粒含量增加。當(dāng)PTFE添加量為20 mL/L時(shí)，C元素相對分布的更均勻，不存在明顯團(tuán)聚現(xiàn)象。從C元素與Ni元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)占比可知隨著電鍍液PTFE含量的提高，復(fù)合鍍層中PTFE含量先急速增加，隨后趨于平緩穩(wěn)定。鍍層顆粒含量隨添加PTFE的變化趨勢如圖8。

2.4　鎳鍍層的顯微硬度和表面粗糙度

表1列出了不同鍍層的顯微硬度及其表面粗糙度的測試結(jié)果，分析表中數(shù)據(jù)可知PTFE的加入會(huì)使鍍層的硬度有所下降，這主要是因?yàn)镻TFE質(zhì)軟，鍍層鎳多晶的承載會(huì)減小PTFE承載不足導(dǎo)致鍍層的硬度降低，且隨著PTFE含量的提高，硬度會(huì)顯著降低，硬度隨顆粒含量變化趨勢如圖9。與純鎳鍍層相比PTFE微粒的加入會(huì)顯著增加表面粗糙度，但隨著PTFE含量的提高，表面粗糙度反而逐漸降低，原因可能是PTFE濃度增加促進(jìn)了結(jié)晶形核，增加了形核率，從而提高復(fù)合鍍層平整度［13］，與PTFE的團(tuán)聚作用共同造成PTFE濃度增加表面粗糙度降低，在一定的范圍內(nèi)隨著PTFE含量的提高團(tuán)聚作用會(huì)明顯增強(qiáng)在其表面形成PTFE薄膜。

圖8　顆粒含量隨PTFE添加量的變化趨勢

表1顯微硬度與表面粗糙度

Tab.1　Microhardness and surface roughness

圖9　硬度隨顆粒含量變化趨勢

2.5　復(fù)合鍍層的摩擦系數(shù)與磨損情況

應(yīng)用圖1所示的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，開展了幾種材料的摩擦磨損性能測試實(shí)驗(yàn)，其摩擦系數(shù)曲線如圖10所示。摩擦系數(shù)結(jié)果表明，Ni鍍層的摩擦系數(shù)達(dá)到了0.7以上；PTFE添加量為30 mL/L的復(fù)合鍍層摩擦系數(shù)平均值約為0.17，與PTFE板接近；PTFE添加量為20 mL/L的復(fù)合鍍層摩擦系數(shù)為0.22；而添加（10 mL/L）的復(fù)合鍍層由于PTFE含量較低且分布不均，因此摩擦系數(shù)波動(dòng)較大，平均值約為0.36。PTFE添加量為20 mL/L的復(fù)合鍍層其摩擦系數(shù)僅為鎳鍍層的32%，具有良好的減摩效果。PTFE復(fù)合量對摩擦系數(shù)的影響如圖11。

圖10　摩擦系數(shù)曲線

圖11　PTFE復(fù)合量對摩擦系數(shù)的影響

采用銷盤摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，分別開展了載荷分別為2 N、4 N、6 N的鍍層摩擦磨損實(shí)驗(yàn)。其中載荷為6 N情況下的磨損表面形貌如圖12所示。測量結(jié)果表明，隨著顆粒含量的增加，復(fù)合鍍層的磨損寬度及深度都會(huì)隨之降低，即復(fù)合鍍層的耐磨性能隨之增強(qiáng)，但是，當(dāng)PTFE含量過高磨痕寬度和深度隨著硬度的降低而增加。純Ni鍍層與PTFE板分別由于摩擦系數(shù)大與硬度低的原因造成磨損較為劇烈，磨痕寬度和深度都很大。從PTFE添加量為20 mL/L的復(fù)合鍍層的磨損形貌可知，其磨痕寬度和深度都大幅降低，這可能是由于在其磨痕表面已經(jīng)形成并聚集有PTFE微粒，在滑動(dòng)摩擦的作用下，微粒均勻的平展開來，并形成了固體潤滑膜［14］。這會(huì)使得GCr15鋼球與復(fù)合鍍層中鎳的直接接觸減少，從而大大降低了磨粒磨損與粘著磨損。隨著施加載荷增加，鍍層的磨損加劇表現(xiàn)為磨損寬度和深度提高。其中，PTFE含量高的復(fù)合鍍層其磨損增加量要遠(yuǎn)低于PTFE含量低的復(fù)合鍍層，即PTFE含量高的復(fù)合鍍層在高載荷下表現(xiàn)出更好的耐磨性能［15］。同時(shí)，相當(dāng)于其他復(fù)合鍍層而言，PTFE添加量為20 mL/L的復(fù)合鍍層的磨痕寬度和深度更小，綜合其摩擦系數(shù)來看，該復(fù)合鍍層表現(xiàn)出了最優(yōu)的綜合性能。PTFE含量對磨損的影響如圖13所示。

圖12　6 N載荷下不同材料的磨損形貌

Fig 13Effects of PTFE content on wear of composite coating

3　結(jié)論

本文通過對Ni及不同PTFE添加量的復(fù)合鍍層開展了微觀形貌、硬度和摩擦磨損性能實(shí)驗(yàn)和測試，得到以下結(jié)論：

（1）PTFE的加入會(huì)降低鍍層的硬度同時(shí)表面粗糙度增加，但PTFE含量進(jìn)一步的增加，硬度快速降低，但表面粗糙度卻有所改善。

（2）三種不同添加量的復(fù)合鍍層中， PTFE的添加量為30 mL/L時(shí)，鍍層中PTFE的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為33.13%，復(fù)合鍍層的摩擦系數(shù)平均值為0.17，僅為純Ni鍍層的24%，表現(xiàn)出最佳的減摩效果。

（3）施加載荷的提高，復(fù)合鍍層的磨損會(huì)加劇。相對于其它復(fù)合鍍層，PTFE添加量20 mL/L的復(fù)合鍍層，其PTFE的質(zhì)量占比為31.16%，其磨痕寬度和深度更小，其摩擦系數(shù)平均值為0.22，摩擦學(xué)綜合性能最優(yōu)。

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Study on the Preparation and Tribological Properties of Ni-PTFE Composite Coating

YI Chao， HUANG Wei， JIN Guanghu*， HUANG Liang， SONG Yiqiang

（National Key Laboratory of Helicopter Transmission Technology，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 210016， China）

A composite co-deposition method was used to prepare a Ni-PTFE composite coating on the copper substrate. Based on the research on the dispersion of PTFE in the plating solution， the influence of PTFE suspension on the composite coating is considered. The tribological properties of single Ni coating and Ni-PTFE composite coating are studied. The results of the study are that the Ni-PTFE composite coating on the surface has a good anti-friction effect compared with the Ni coating. The coefficient of friction of the Ni coating is 0.7， and the coefficient of friction of the Ni/PTFE composite coating is 0.22， which is only about 32% of that of the pure nickel coating. At the same time， the wear is lighter， showing excellent wear resistance， the composite coating with （20 mL/L） PTFE has the best overall performance.

composite co-deposition； Ni-PTFE composite coating； anti-friction； abrasion resistance

TG174.4

A

10.3969/j.issn.1001-3849.2022.07.001

2021-06-17

2021-11-02

易超（1995-），男，碩士研究生，Email：1414038823@qq.com

靳廣虎，男，副教授，博士，研究方向?yàn)闄C(jī)械傳動(dòng)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、動(dòng)力學(xué)，Email：meeghjin@nuaa.edu.cn

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51975273）