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金属橡胶表面沉积镍基纳米TiN复合镀层的研究

放大字体  缩小字体发布日期:2012-04-14  浏览次数:641

 付海龙,戴光,邹龙庆,夏法锋

(东北石油大学机械科学与工程学院,大庆163318)

[摘 要]采用超声-电沉积的方法,在金属橡胶上制备镍基纳米TiN复合镀层。利用平磨机、扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)研究复合镀液中TiN粒子的悬浮量、电流密度以及超声波功率等参数对镍基纳米TiN复合镀层耐磨性能的影响规律,并对金属橡胶和复合镀层进行成分分析。结果表明:复合镀液中TiN粒子的悬浮量、阴极电流密度和超声功率对复合镀层的耐磨性能影响较大,在金属橡胶表面制备镍基纳米TiN复合镀层较佳的工艺条件为:镀液温度45℃,pH=5,TiN粒子悬浮量6 g/L,电流密度7 A/dm2,超声波功率250 W。在金属橡胶表面沉积镍基纳米TiN复合镀层后,Cr元素的质量分数由17.24%减少至10.21%,Ni元素的质量分数由7.13%增加至17.87%,Ti元素的质量分数也达到9.44%。

[关键词]金属橡胶;复合镀层;耐磨性能

[中图分类号]TG153.2     [文献标识码]A     [文章编号]1001-3660(2011)01-0090-03

20世纪60年代,原苏联为了解决空间飞行器上的减振、过滤以及密封等问题,成功研制出金属橡胶[1-5]。金属橡胶是一种弹性多孔状金属橡胶材料,由金属丝原料经冷冲压工艺制造而成。它不仅具有金属材料的机械性能,还具有橡胶的弹性和多孔金属的孔隙特性。金属橡胶作为航天飞行器的减振隔振材料,特别适合高温、低温、大温差和腐蚀等工况条件下的阻尼减振、节流以及密封等应用[6-10]。

目前,金属橡胶的研究处于初始阶段,这不仅表现在金属橡胶的制造工艺技术不完善,而且还反映在金属橡胶的理论研究不够成熟[11-13]。金属橡胶在使用过程中,其耐磨性能较差,需要定期检查或更换。而纳米复合镀层具有优良的耐磨性能、耐腐蚀性能以及耐高温等特点,受到广泛的研究和关注[14-16]。若在金属橡胶表面沉积纳米复合镀层,可改善金属橡胶的耐磨性能。为此,笔者采用超声-电沉积的方法,在金属橡胶表面沉积镍基纳米TiN复合镀层。

1 实验

1.1 试验材料及工艺

阴极试样基体为金属橡胶(0Cr18Ni9Ti),其尺寸为30 mm×20 mm×8 mm。阳极为电解镍板,纯度大于99.9%。纳米TiN粉体平均粒径为50 nm。复合镀液组成及工艺条件如下:NiSO4·6H2O 300 g/L,NiCl2·H2O 50 g/L,H3BO330 g/L,纳米TiN 2~10g/L,超声波功率0~400 W,电流密度2~8 A/dm2,复合镀液温度40~60℃,pH值4~5.5。

1.2 制备过程

1)用适量的蒸馏水将纳米TiN粉体与表面活性剂混合;2)施加双向超声波对纳米TiN粉体进行分散,超声功率250 W,分散时间20 min;3)将纳米TiN悬浮液与基础镀液混合,制得复合镀液;4)对复合镀液再施加双向超声波,超声功率200 W,分散时间8 min;5)按照工艺参数,在金属橡胶试样上制得镍基纳米TiN复合镀层。

1.3 测试

1)利用HITACHI-S3400N型扫描电镜观察试样的表面形貌,并利用能谱仪对其组分进行分析。

2)采用PM-1型平磨机,载荷为1 000 g,经500次平磨,利用BS210S型电子分析天平测量试样磨损量,以其作为耐磨性能的考核指标。

2 结果与分析

2.1 TiN悬浮量对复合镀层耐磨性能的影响

图1是复合镀液中TiN粒子的悬浮量对镍基纳米TiN复合镀层磨损量的影响规律。复合镀层的制备工艺为:镀液温度45℃,pH=5,超声波功率250W,电流密度7 A/dm2。

由图1可知,镍基纳米TiN复合镀层的磨损量随着复合镀液中TiN粒子悬浮量的增加,先减少后增加,当TiN粒子的悬浮量为6 g/L时,镍基纳米TiN复合镀层的磨损量最小。这说明TiN粒子悬浮量对镍基纳米TiN复合镀层耐磨性能有较大的影响。当镀液中TiN粒子悬浮量从2 g/L增加到6 g/L时,由于镀液中TiN粒子悬浮量的增加,使得沉积到镍基纳米TiN复合镀层中的TiN粒子含量增加,又因为TiN粒子本身具有较高的硬度,可明显改善镀层的耐磨性能。因此,镍基纳米TiN复合镀层的磨损量逐渐减小。当镀液中TiN粒子悬浮量从6 g/L增加到10 g/L时,镀液中TiN粒子悬浮量的增加,使得镀液黏度增大,不利于TiN粒子在电场力作用下向阴极运动。因此,随着TiN粒子悬浮量的增加,镀层中TiN粒子的含量有所减少,故镍基纳米TiN复合镀层的磨损量有所增加。

2.2 电流密度对复合镀层耐磨性能的影响

在其它条件不变的情况下(镀液温度45℃,pH=5,超声波功率250 W,TiN粒子的悬浮量6 g/L),单独改变电流密度,电流密度对镍基纳米TiN复合镀层磨损量的影响规律如图2所示。

由图2可知,镍基纳米TiN复合镀层的磨损量随着电流密度的增加先减少后增加。当电流密度为7A/dm2时,镍基纳米TiN复合镀层的磨损量最小,最小值为1.3 mg。这是因为,当电流密度从2 A/dm2增大到7 A/dm2时,随着电流密度的增加,作用在阳极和阴极之间的电场力也随之增加,有利于镍金属离子和TiN粒子的共沉积,因而镍基纳米TiN复合镀层中TiN粒子的含量增加,使得复合镀层的耐磨性能增强,即镀层的磨损量减少。若阴极电流密度继续增大,常常会出现镀层被烧焦现象。因为,这时整个电极过程的速度被反应物向电极表面的扩散控制着,使得阴极附近金属离子严重缺乏,造成氢气析出,导至阴极附近的pH值升高,溶液中的金属离子生成一些金属氢氧化物或盐,它们以胶体状态吸附在电极表面上,并夹杂在镀层中形成黑色的海绵状沉积层。因此,TiN粒子向阴极的沉积受到严重影响,使得镍基纳米TiN复合镀层中TiN粒子的含量降低,故复合镀层的磨损量又会增加。

2.3 超声波功率对复合镀层耐磨性能的影响

图3为超声波功率与镍基纳米TiN复合镀层磨损量之间的关系。复合镀层的制备工艺为:镀液温度45℃,pH=5,TiN粒子悬浮量6 g/L,电流密度7 A/dm2

由图3可知,复合镀层中TiN含量随着超声波功率的增大而增加,磨损量逐渐减少。这是因为随着超声波功率的增大,使得超声波对复合镀液的搅拌作用增强,从而降低了浓差极化,使TiN粒子的沉积速度得到提高,进而使镀层中TiN含量增大。然而,当超声波功率大于250 W时,复合镀层中纳米TiN的含量却随着超声波功率的增加而减少,使得复合镀层的磨损量增加。这是因为超声波功率过大时,超声波的空化作用严重影响了TiN粒子向阴极表面的定向沉积,从而导致复合镀层中TiN粒子含量的减少,故复合镀层的磨损量增加。

2.4 表面形貌及组分分析

图4和图5分别为金属橡胶和沉积镍基纳米TiN复合镀层的金属橡胶表面形貌照片和能谱图。由图4和图5可知,利用超声-电沉积的方法,可以在金属橡胶表面沉积镍基纳米TiN复合镀层。对图4金属橡胶样品进行能谱分析可知,Cr元素的质量分数为17.24%,Ni元素的质量分数7.13%,Ti元素含量较低。而在沉积镍基纳米TiN复合镀层的样品表面,Cr元素的质量分数减少到10.21%,Ni元素的质量分数却增加至17.87%,Ti元素的质量分数也达到9.44%。

3·结论

1)采用超声-电沉积方法可以在金属橡胶表面制备出镍基纳米TiN复合镀层。复合镀液中TiN粒子的悬浮量、阴极电流密度和超声功率对复合镀层的耐磨性能影响较大。

2)在金属橡胶表面制备镍基纳米TiN复合镀层较佳的工艺条件为:镀液温度45℃,pH=5,TiN粒子悬浮量6 g/L,电流密度7 A/dm2,超声波功率250 W。

3)在金属橡胶表面沉积镍基纳米TiN复合镀层后,Cr元素的质量分数由17.24%减少至10.21%,Ni元素的质量分数由7.13%增加至17.87%,Ti元素的质量分数也达到9.44%。

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