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MoS2濃度對復合鍍層摩擦學的影響范文

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MoS2濃度對復合鍍層摩擦學的影響

摘要:采用脈沖電沉積技術在45#鋼基體上制備Ni-mos2復合鍍層。研究了MoS2的質量濃度對鍍層形貌及結構的影響,并探討了MoS2的質量濃度和載荷對鍍層摩擦學性能的影響機制。結果表明:加入MoS2微粒后得到的鍍層與基體結合較好,鍍層厚度隨MoS2的質量濃度的增加而增大。當MoS2的質量濃度為4g/L時,鍍層厚度約為100μm,顯微硬度約為6070MPa。隨著MoS2的質量濃度的增加,鍍層的摩擦因數降低,而磨損率升高。當MoS2的質量濃度為4g/L時,鍍層的摩擦因數約為0.25,磨損率約為3.5×10-3mm3/(N•m)。

關鍵詞:脈沖電沉積;復合鍍層;表面形貌;摩擦磨損 

前言

利用脈沖電沉積技術將固體潤滑劑與鎳、鈷、鉻等硬質金屬共沉積得到的復合鍍層,具有較高的硬度和優良的耐磨性,在摩擦過程中起到抗磨及潤滑作用[1-3]。本文采用脈沖電沉積技術在45#鋼基體表面制備Ni-MoS2復合鍍層。研究了MoS2的質量濃度對鍍層形貌及結構的影響,并探討了MoS2的質量濃度和載荷對鍍層摩擦學性能的影響機制。

1實驗

1.1基體預處理基體材料選用

調質的45#鋼,線切割成直徑45mm、長4mm的圓盤狀試樣。選取圓形面作為施鍍面,先用金相砂紙打磨至表面粗糙度約為0.03μm,然后用除油溶液(NaOH50g/L,Na2CO360~80g/L)在50°C下除油20~30min,再用無水乙醇沖洗脫脂,水洗后采用質量分數為5%的鹽酸活化20~30s。

1.2鍍液組成及工藝條件

采用SMC-30S型雙脈沖電源。鍍液組成及工藝條件為:NiSO4•6H2O150g/L,NiCl2•6H2O30g/L,H3BO325g/L,Na2SO412.5g/L,十六烷基溴化銨0.5g/L,MoS2微粒(平均粒徑為1~3μm)2~4g/L,pH值4~6,電流密度1.5~3.0A/dm2,攪拌速率200~400r/min,溫度40~60°C,時間5h。1.3性能測試采用CamscanMX2600型掃描電子顯微鏡觀察鍍層的形貌,并分析其成分。采用D/Max-rA型X射線衍射儀對鍍層進行物相分析。采用HVS-1000型顯微硬度計測定鍍層的顯微硬度,載荷為100g,保持時間為10s。采用WTM-2E型可控氣氛微型摩擦磨損試驗儀測試鍍層的摩擦學性能,對磨件為球徑4mm的Si3N4球頭,載荷為50~100g,摩擦半徑為20mm,轉速為50~500r/min。采用Axiover40MAT型金相顯微鏡觀察鍍層的磨損形貌,并探討其磨損機制。

2結果與討論

2.1形貌

圖1為不同MoS2的質量濃度下所得Ni-MoS;復合鍍層的表面形貌。由圖1可知:Ni-MoS2復合鍍層表面凹凸不平,存在孔洞結構。隨著MoS2的質量濃度的增加,鍍層表面的晶粒度增大。由于MoS2的導電性良好,Ni2+能同時沉積在基體和MoS2微粒表面,使MoS2微粒頂端比其他部位電阻小而產生尖端效應,導致Ni-MoS2復合鍍層出現樹枝狀結晶[4-5],并因微粒“搭橋”而形成孔洞結構。圖2為不同MoS2的質量濃度下所得Ni-MoS2復合鍍層的截面形貌。由圖2可知:Ni-MoS2復合鍍層與基體結合較好,但表面不夠光滑。隨著MoS2的質量濃度的增加,鍍層的厚度增大。當MoS2的質量濃度為2g/L時,鍍層厚度約為5μm;當MoS2的質量濃度為3g/L時,鍍層厚度約為25μm;當MoS2的質量濃度為4g/L時,鍍層厚度可達80~100μm。

2.2物相和成分分析

圖3為MoS2的質量濃度為4g/L時所得Ni-MoS2復合鍍層的XRD圖。經查閱得知:圖中兩個強衍射峰分別為Ni(111)和Ni(220),說明鍍層中Ni的質量分數較高;其余兩個弱衍射峰為MoS2,說明鍍層中MoS2的質量分數較低。表1為MoS2的質量濃度為4g/L時所得Ni-MoS2復合鍍層的成分。由表1可知:Ni-MoS2復合鍍層與基體的分界面較清晰,隨著距表層深度的增大,鍍層中Ni和Mo的質量分數逐漸下降。在鍍層與基體的分界面位置,鍍層中Ni和Mo的質量分數趨近于零。鍍層中Ni的硬度和強度均比基體的大,與軟質MoS2共同作用,形成了硬基體與軟質點的配合,對固體潤滑劑起到了支撐作用。

2.3顯微硬度

圖4為不同MoS2的質量濃度下所得Ni-MoS2復合鍍層的顯微硬度。同一鍍層表面測量5個點,結果取平均值。由圖4可知:隨著MoS2的質量濃度的增加,Ni-MoS2復合鍍層的顯微硬度逐漸降低。

2.4摩擦學性能

2.4.1摩擦因數與磨損率圖5為不同MoS2的質量濃度下所得Ni-MoS;復合鍍層的摩擦因數隨時間的變化曲線。載荷為0.7N,滑動速率為0.4m/s,干摩擦。由圖5可知:當摩擦副經過前期的跑合階段后,MoS2的質量濃度為2g/L的復合鍍層的摩擦因數穩定在0.47左右,并且隨著MoS2的質量濃度的增加,鍍層的摩擦因數降低。當MoS2的質量濃度達到4g/L時,鍍層的摩擦因數降至0.10~0.20。但隨著摩擦時間的延長,潤滑膜發生轉移和脫落,摩擦因數呈上升趨勢。圖6為不同MoS2的質量濃度下所得Ni-MoS2復合鍍層的磨損率隨載荷的變化曲線。由圖6可知:隨著MoS2的質量濃度的增加,從基體表面脫落的鍍層增多,磨損率呈增大趨勢。2.4.2磨損形貌圖7為不同MoS2的質量濃度下所得Ni-MoS2復合鍍層的磨損形貌。載荷為0.7N,滑動速率為0.4m/s,干摩擦。由圖7可知:當MoS2的質量濃度較低時,雖然磨損率小,但磨損表面的犁溝較明顯,因而摩擦因數較大;隨著MoS2的質量濃度的增加,摩擦接觸面形成了硫化物潤滑膜,此潤滑膜在常溫下具有良好的穩定性及減摩性,在摩擦磨損后期由于溫度升高會形成金屬氧化物,聚集形成潤滑膜(即釉質層)[6],降低了磨痕深度,使摩擦接觸表面較光滑。

3結論

(1)Ni-MoS2復合鍍層的厚度隨MoS2的質量濃度的增加而增大,但顯微硬度反而下降。當MoS2的質量濃度為4g/L時,Ni-MoS2復合鍍層的厚度約為100μm,顯微硬度約為6070MPa。(2)Ni-MoS2復合鍍層的摩擦因數隨MoS2的質量濃度的增加而降低,而磨損率隨MoS2的質量濃度的增加而升高。當MoS2的質量濃度為4g/L時,摩擦因數約為0.25,磨損率約為3.5×10-3mm3/(N•m)。(3)Ni-MoS2復合鍍層中的MoS2在摩擦過程中形成硫化物潤滑膜,并隨著溫度升高形成金屬氧化物的釉質層,降低了磨痕深度,使摩擦接觸表面更加光滑。

作者:萬軼 李建亮 熊黨生 戴春濤 單位:三江學院

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