Ni-P-MoS2复合镀层的摩擦学行为

D0I:10.13374/j.issnl001-053x.1995.02.009 第17卷第2期 北京科技大学学报 Vol.17 No.2 1995年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.1995 Ni-P-MoS,复合镀层的摩擦学行为 谭志豪”余基来)余梦生)张新) 1)北京科技大学机械工程学院，北京1000832)宝山钢铁总厂3)北京科技大学理化系 摘要研究了以Ni-P为基质，MoS,为分散剂的Ni-P-MoS,自润滑复合镀层的摩擦学 行为.研究结果表明，Ni-P-MoS,复合镀层有较优异的减摩性能，MoS,颗粒的含量及镀 时对其诚摩性有很大的影响，镀层经过400℃的热处理后，减摩性略有下降，但其抗胶合 能力和寿命有很大提高· 关键词寿命/Ni一P-MoS,镀层，诚摩性，抗胶合能力 中图分类号TH117.1,TG111.5 Tribological Behavoir of Ni-P-MoS,Composite Coatings Tan Zhihao Yu Jilai2 Yu Mengsheng)Zhang Xin 1)College of Mechanical Engineering,USTB,Beijing 100083,PRC 2)Baoshan Iron and Steel Works 3)Department of Physical Chemistry,USTB ABSTRACT The tribological behavior of self-lubricating composite coatings of Ni-P-MoS:with Ni-P as matrix and MoS,as the dispersing agent is investigated. The results show that composite coatings of Ni-P-MoS:have excellent antifriction and antiscuffing properties.The partical concentration of MoS2 and electroplating time have a great effect on its antifriction property.After heat treatment at 400 c and one hour the antifriction property of the composite coating decrease slightly,but its antiscuffing capacity and service life increase greatly. KEY WORDS service life Ni-P-MoS,coatings,antifriction,antiscuffing capacity MoS,是具有良好高温润滑性能的固体润滑剂，但如何获得并保持1层稳定的润滑 膜，是人们普遍关注的问题，将MoS2掺在润滑油或润滑脂中或用树脂粘结，均受油脂 或树脂本身耐热性能的限制，用电泳法获得的MoS,膜，强度不高，寿命不长·用离子 溅射法得到的膜，厚度很薄，寿命也短，且费用很高，文献[]曾制得以N为基质、 MoS,为分散剂的Ni-MoS,复合电镀膜，它既保持镍镀层的特性，又具有低的摩擦系 数，但缺少对其寿命与抗胶合能力的报导， 作者利用Ni一P合金在磷含量为9.3%~15.7%时是非晶态结构、有很高的耐蚀性， 1994-03-09收稿第一作者男58岁副教授

第 ，卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 “ 上 班 一 一 复合镀层 的摩擦学行为 谭 志 豪 ’ 余基来 余 梦生 ’ 张 新 北 京 科 技 大 学 机 械 工 程 学 院 北 京 宝 山 钢 铁 总 厂 北 京 科 技 大 学 理 化 系 摘 要 研 究 了 以 一 为 基 质 ， 为 分 散 剂 的 一 一 自润 滑 复 合 镀 层 的 摩 擦 学 行 为 研 究 结 果 表 明 ， 一 一 复 合 镀 层 有 较 优 异 的减 摩 性 能 ， 颗 粒 的 含 量 及 镀 时 对其 减 摩 性 有 很 大 的 影 响 镀 层 经 过 ℃ 的 热 处 理 后 ， 减 摩 性 略 有 下 降 ， 但 其 抗 胶 合 能力 和 寿命 有 很大 提 高 关 键 词 寿 命 一 一 镀 层 ， 减 摩 性 ， 抗 胶 合 能 力 中图 分 类号 ， 一 一 一 ’ 材 砚 ， ， ， ， 一 一 一 一 一 一 ℃ ， 一 一 ， ， 是 具 有 良好 高 温 润 滑 性 能 的 固 体 润 滑 剂 ， 但 如 何 获 得 并 保 持 层 稳 定 的 润 滑 膜 ， 是 人 们普遍 关 注 的 问题 将 掺 在 润 滑 油 或 润 滑 脂 中或 用 树 脂 粘 结 ， 均 受 油 脂 或树 脂 本 身 耐 热 性 能 的 限 制 用 电泳 法 获 得 的 膜 ， 强 度 不 高 ， 寿 命 不 长 用 离 子 溅 射 法 得 到 的 膜 ， 厚 度 很 薄 ， 寿 命 也 短 ， 且 费 用 很 高 文 献 〔 曾 制 得 以 为 基 质 、 为分 散 剂 的 一 复 合 电 镀 膜 ， 它 既 保 持 镍 镀 层 的 特 性 ， 又 具 有 低 的 摩 擦 系 数 ， 但 缺 少 对其 寿 命 与抗 胶 合 能 力 的 报 导 作 者 利 用 一 合 金 在 磷 含 量 为 一 时 是 非 晶态结构 ， 有 很 高 的 耐 蚀 性 ， 一 一 收 稿 第 一 作 者 男 岁 副 教 授 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1995．02．009

·140 北京科技大学学报 1995年No.2 经过400℃的热处理，将它转变为晶态结构，硬度可达1000HV的特点，用它作为 基质，再以MoS,为分散相，采用复合电镀的方法I2),得到Ni-P-MoS,复合镀层. 针对镀液配方与工艺参数对减摩性能影响的大量试验研究结果，筛选出最佳配方和工 艺参数，获得了减摩性、寿命和抗胶合能力均满意的润滑膜， 1配方、工艺参数与实验设备 (1)镀液组成 主盐是NiSO4·6H,O,240~260g/1,提供镍离子；还原剂是NaH,P04,14g/1,提 供磷元素；阳极活化剂是NiC2·6H,O,40~S0g/1,提供氯离子；缓冲剂是HBO, 40g/1,稳定镀液的pH值；分散剂是MoS,9.7%,粒径3μm,纯度98.7%，经酸碱处 理与水洗烘干，以增强其在镀液中的润湿性；阳离子型表面活性剂适量，因MoS,是非 良导体，用以提高MoS2颗粒有效正电荷密度，使其共析量增加. (2)最佳工艺条件 温度：55~65℃；pH值：1.5；电流密度：5A/dm;搅拌速度：120r/min;搅拌 方式：间歇搅拌，搅拌l0min,静止15min. (3)试件 上、下试件均用45号钢调质处理·下试件的一部分经打磨、酸洗活化与水洗后， 在圆周上镀以Ni-P-MoS,膜，部分试件不镀. (4)电极 阳极：镍板，纯度9999%.阴极：下试件. (5)实验仪器与设备 DHZ-1电化学综合测试仪，SERIES-60000X-Y记录仪，DD-3型电镀参数测 试仪，S-250MK2型扫描电镜，X射线衍射仪，HX-1显微硬度计，赫尔槽，五阶梯 槽，电解槽，AMSLER型M-200磨损试验机等， (6)摩擦试验 载荷196N,压强93.1N/cm,下试件转速200r/min,不加润滑剂· 2试验结果与分析 (1)表面活性剂影响镀液中MoS,颗粒分布的均匀性、镀层中MoS,颗粒的含量 及基质与MoS2的结合力·实验表明：采用阳离子型表面活性剂，可使镀层中含有较 多的MoS,颗粒，且分布均匀，与基质结合良好，采用阴离子型表面活性剂，可使MoS2 与基质结合良好，但镀层中MoS,含量明显比阳离子型的少，采用阳离子型加非离子型 的表面活性剂，虽然可使MoS,颗粒含量较多，但镀层发脆，且结合性能较差· (2)镀层中MoS,颗粒的含量随镀液中MoS2颗粒浓度的增加而逐渐增加，如图1所示· (3)镀层的显微硬度随镀层中MoS,颗粒含量的增加而下降，如图2所示， (4)镀层的摩擦系数随镀层中MoS,颗粒含量的增加而下降，如图3所示·这是由于 镀层中MoS,含量增加，在摩擦过程中，MoS,向对偶面转移的量也加大，从而形成连续的

· 北 京 科 技 大 学 学 报 年 经 过 ℃ 的 热处 理 ， 将 它 转 变 为 晶 态 结 构 ， 硬 度 可 达 的 特 点 ， 用 它 作 为 基 质 ， 再 以 为 分 散 相 ， 采 用 复 合 电 镀 的 方 法 〔 ， 得 到 一 一 复 合 镀 层 针 对镀 液 配 方 与 工 艺 参 数 对 减 摩 性 能 影 响 的 大 量 试 验 研 究 结 果 ， 筛 选 出 最 佳 配 方 和 工 艺 参数 ， 获 得 了 减 摩 性 、 寿 命 和 抗 胶 合 能 力 均 满 意 的 润 滑 膜 配 方 、 工 艺 参数 与 实验设 备 镀 液 组 成 主 盐 是 · ， 一 ， 提 供 镍 离 子 还 原 剂 是 ， ， 提 供 磷 元 素 阳 极 活 化 剂 是 · ， 一 ， 提 供 氯 离 子 缓 冲 剂 是 ， ， 稳 定 镀液 的 值 分 散 剂 是 ， ， 粒 径 拜 ， 纯 度 ， 经 酸碱处 理 与水 洗 烘 干 ， 以 增 强 其 在 镀 液 中 的 润 湿 性 阳 离 子 型 表 面 活 性 剂 适 量 ， 因 是 非 良导 体 ， 用 以 提 高 颗 粒 有 效 正 电荷 密 度 ， 使 其 共 析 量 增 加 最 佳 工 艺 条 件 温 度 一 ℃ 值 电 流 密 度 搅 拌 速 度 而 搅 拌 方 式 间 歇 搅 拌 ， 搅 拌 ， 静 止 巧 而 试 件 上 、 下 试 件 均 用 号 钢 调 质 处 理 下 试 件 的 一 部 分 经 打 磨 、 酸 洗 活 化 与 水 洗 后 ， 在 圆 周 上 镀 以 一 一 。 膜 ， 部 分 试 件 不 镀 电极 阳极 镍 板 ， 纯 度 阴极 下 试 件 实 验 仪 器 与 设 备 一 电化 学 综 合 测 试 仪 ， 一 一 记 录 仪 ， 一 型 电 镀 参 数 测 试 仪 ， 一 型 扫 描 电 镜 ， 射 线 衍 射 仪 ， 一 显 微 硬 度 计 ， 赫 尔 槽 ， 五 阶 梯 槽 ， 电解 槽 ， 型 一 磨 损 试 验 机 等 摩 擦 试 验 载 荷 ， 压 强 ， 下 试 件 转 速 ， 不 加 润 滑 剂 试验 结 果 与分析 表 面 活 性 剂 影 响 镀 液 中 颗 粒 分 布 的 均 匀 性 、 镀 层 中 颗 粒 的 含 量 及 基 质 与 的 结 合 力 实 验 表 明 采 用 阳 离 子 型 表 面 活 性 剂 ， 可 使 镀 层 中 含 有 较 多 的 颗 粒 ， 且 分 布 均 匀 ， 与 基 质 结 合 良好 采 用 阴 离 子 型 表 面 活 性 剂 ， 可使 与 基 质 结 合 良好 ， 但 镀 层 中 含 量 明显 比 阳 离 子 型 的 少 采 用 阳 离 子 型 加 非 离 子 型 的表 面 活 性 剂 ， 虽 然 可 使 颗 粒 含 量 较 多 ， 但 镀 层 发 脆 ， 且 结 合 性 能 较 差 镀层 中 颗粒 的含 量 随镀 液 中 颗 粒浓 度 的增 加 而 逐渐增 加 ， 如 图 所示 镀 层 的 显 微 硬 度 随 镀 层 中 。 颗 粒 含 量 的增 加 而 下 降 ， 如 图 所 示 镀 层 的 摩 擦 系 数 随 镀 层 中 。 颗 粒 含 量 的 增 加 而 下 降 ， 如 图 所示 这 是 由于 镀层 中 含量 增 加 ， 在 摩 擦过 程 中 ， 向对偶 面转 移 的量 也 加 大 ， 从而 形 成 连 续 的

Vol.17 No.2 谭志衰等：Ni-P-MoS,复合镀层的摩擦学行为 …141 转移膜，使摩擦系数降低；当镀液MoS,浓度超过9.7%时，镀层中MoS2颗粒增加不 明显，故摩擦系数下降缓慢·用扫描电镜可观察到对偶试件上附着MoS,的情况. (5)镀层的摩擦系数随负荷的增加而下降，如图4所示·其原因是：①负荷增加， MoS2被挤出的量增大；②负荷增大，摩擦热增高，由于MoS,的膨胀系数比基质大， 故被挤出的量增加；③温度升高，吸附在MoS,上的气体杂质脱吸，MoS,的润滑性能增强. 12.00 540 9.60 7.20 H 520 4.80 系 500 2.40 都 480L 0.00 0.00 2.20 4.40 6.608.80 11.00 0 4 8 12 16 20 镀层中MoS,含量/% 镀液中MoS,含量/g·11 图1镀层与镀液中MoS,含量的关系 图2镀层硬度与MoS,含量的关系 0.50 0.14 0.42 0.13 0.34 0.26 0.12 0 品 0.18 0.11 0.10 0.10 2.00 4.406.809.2011.60 14.00 180 504 828115214761800 镀层中MoS,含量/% 负荷/N 图3镀层的摩擦系数与MoS,含量的关系 图4镀层的摩擦系数与负荷的关系 (6)镀层的摩擦系数随镀时的延长而降低，如图5所示，其原因是镀时增加，镀层 增厚，镀层中MoS,颗粒含量增多，摩擦时MoS,转移膜的面积增大· (7)使用最佳配方与工艺获得的Ni-P-MoS2复合镀层的摩擦系数是0I2,最大抗 胶合载荷是1764N.相应的摩擦时间是7min.与45号钢的摩擦系数0.52，抗胶合载荷 196N,相应的摩擦时间3min相比、摩擦系数降低了4.26倍，抗胶合能力和寿命分别 提高了9.0和2.33倍. (8)Ni-P-MoS,镀层经过400℃，1h的热处理，其摩擦系数略有增加，这是 由于部分MoS,氧化为MoO,的缘故，但抗胶合能力提高到1960N,相应的摩擦时间提 高到l9min.其原因是：①热处理后，非晶态的Ni-P合金转变为晶态结构，形成过饱 和的镍固溶体，晶格畸变严重，并析出颗粒细小的N,P相，产生沉淀硬化效应，使其

、 谭 志 豪 等 一 一 复 合镀 层 的 摩 擦 学 行 为 · · 转 移 膜 ， 使 摩 擦 系 数 降 低 当镀 液 浓 度 超 过 时 ， 镀 层 中 颗 粒 增 加 不 明 显 ， 故 摩 擦 系 数 下 降 缓 慢 用 扫 描 电镜 可 观 察 到 对偶 试 件 上 附着 的 情 况 镀 层 的摩 擦 系 数 随 负 荷 的 增 加 而 下 降 ， 如 图 所 示 其 原 因 是 ① 负 荷 增 加 ， 被 挤 出 的量 增 大 ② 负 荷增 大 ， 摩 擦 热 增 高 由 于 的 膨 胀 系 数 比 基 质 大 ， 故被挤 出的量增 加 ⑨ 温度升高 吸附在 上 的气体杂质脱 吸 ， 的润 滑性 能增强 、 、 、 卜、 、 、 闷 、 娜噢侧围一 干 娜任噢名叫如芝岁︸时 。 镀 液 中 含 量 · 一 ’ 铰 层 中 含 量 图 镀 层 与 镀 液 中 含且 的 关 系 图 镀 层 硬 度 与 含， 的关 系 又 闪划一 一一了 、 味 银蜷城赞名溺噢 撅嶙城赞娜噢 住 图 ，兮 、 火阅 上 卜、 、 、 名 下一， 镀层 中 含 量 负 荷 镀 层 的摩擦 系 数 与 含 的 关 系 图 镀 层 的摩 擦 系数 与 负 荷 的 关 系 镀 层 的 摩 擦 系 数 随 镀 时 的 延 长 而 降 低 ， 如 图 所 示 其 原 因 是 镀 时 增 加 ， 镀 层 增 厚 ， 镀 层 中 颗 粒 含 量 增 多 ， 摩 擦 时 转 移 膜 的 面 积 增 大 使 用 最 佳 配 方 与 工 艺 获 得 的 一 一 复 合 镀 层 的 摩 擦 系 数 是 ， 最 大 抗 胶 合 载 荷 是 ， 相 应 的 摩 擦 时 间 是 与 号 钢 的 摩 擦 系 数 ， 抗 胶 合 载 荷 ， 相 应 的摩 擦 时 间 相 比 摩 擦 系 数 降 低 了 倍 ， 抗 胶 合 能 力 和 寿 命 分 别 提 高 了 和 倍 一 一 镀 层 经 过 ℃ ， 的 热 处 理 ， 其 摩 擦 系 数 略 有 增 加 ， 这 是 由于 部 分 氧 化 为 的 缘 故 但 抗 胶 合 能 力 提 高 到 ， 相 应 的 摩 擦 时 间提 高 到 而 其 原 因 是 ① 热处 理 后 ， 非 晶 态 的 一 合 金 转 变 为 晶 态 结 构 ， 形 成 过 饱 和 的镍 固溶 体 ， 晶格 畸 变 严 重 ， 并 析 出 颗 粒 细 小 的 相 ， 产 生 沉 淀 硬 化 效 应 ， 使 其

·142 北京科技大学学报 1995年No.2 硬度大大提高·这一点可从X射线衍射分析结果看出·②基质中的MoS,形成转移 膜，避免基质与对偶件直接接触，各种镀层的摩擦系数如图6所示， 0.19 0.60 四45 0.17 0.50 题Ni-P(热处理前) 帐 献 0.15 0.40 聊Ni-P(热处理后) 0.30 B题Ni-P-MoS, 带 0.13 (热处理前) 解 0.20 Z☑Ni-P-MoS, 0.11L (热处理后) 2 0.10 镀时/h 各种镶层 图5镀层的摩擦系数与镀时的关系 图6各种镀层的摩擦系数 3结论 (1)Ni-P-MoS,复合镀层具有优异的减摩性及很高的抗胶合能力，对于45号 钢，摩擦系数由平均0.5降到0.1，抗胶合载荷由原来的196N提高到1764N,相应的 摩擦时间由原来的3min提高到7min. (2)经过热处理的Ni-P-MoS,镀层，其摩擦系数略有增加，提高到0.14，但其抗 胶合载荷提高到1960N,相应的摩擦时间为19min,比45号钢分别提高了10倍和6.3倍， (3)MoS,颗粒的浓度及镀时对镀层的减摩性有很大影响，摩擦系数随浓度及镀时 的增加而下降， (4)表面活性剂对镀层质量有很大影响，以采用阳离子型表面活性剂最为理想· 参考文献 1 Vest C E,Bazzarre D F.Co-Deposited Nickel-Molydbenum Disulfide.Metal Finishing, 1967,65(11):52~58 2表面处理工艺手册编委会.表面处理工艺手册.上海：上海科学技术出版社，1991.144~154 个个个T0"0:000u?±个个个·？：个个分：6个5。。tT个分常0个个个个5个个个个个个个个0个 (上接115页) 2 Smith E.The Effect of Crack Font Irregularity on the Fracture Toughness of Brittle Materials. Arch Mech.1986.38(1~2:185-190 3 Zhang Zongxian,Yu Yong.Zhao Qing.Influences of Loading Rates on the Fracture Toughness of Rock.In:Rossmanith H P eds.Fracture and Damage of Concrete and Rock.London: Chapman Hall,1993.418~425

北 京 科 技 大 学 学 报 硬 度 大 大 提 高 这 一 点 可 从 射 线 衍 射 分 析 结 果 看 出 ② 基 质 中 的 膜 ， 避 免 基 质 与 对 偶 件 直 接 接 触 各 种 镀 层 的摩 擦 系 数 如 图 所 示 年 。 形 成 转 移 一 ‘公】 贬翻 一 热 处 理 前 皿刃 一 热处理 后 渊噢名拼蛾翻嶙 绒姗粗噢场粼蜷 月门护 一 一 热处 理 前 一 一 热 处 理 后 住 镀时 各种 铰 层 图 镀层 的摩擦 系 数 与镀 时 的关 系 图 各 种镀层 的摩擦 系 数 结 论 一 一 复 合 镀 层 具 有 优 异 的 减 摩 性 及 很 高 的 抗 胶 合 能 力 对 于 号 钢 ， 摩 擦 系 数 由平 均 降到 ， 抗 胶 合 载 荷 由 原 来 的 提 高 到 ， 相 应 的 摩 擦 时 间 由原 来 的 提 高 到 经 过 热 处理 的 一 一 镀 层 ， 其 摩 擦 系 数 略 有 增 加 ， 提 高 到 ， 但 其 抗 胶合 载荷提 高到 ， 相 应 的摩擦 时 间为 ， 比 号 钢 分 别 提 高 了 倍 和 倍 颗 粒 的 浓 度 及 镀 时 对 镀 层 的减 摩 性 有 很 大 影 响 ， 摩 擦 系 数 随 浓 度 及 镀 时 的 增 加 而 下 降 表 面 活 性 剂 对 镀 层 质 量 有 很 大 影 响 ， 以 采 用 阳 离 子 型 表 面 活 性 剂 最 为理 想 参 考 文 献 ， ， 一 表 面 处 理 工 艺 手 册 编 委 会 一 一 ， 表 面 处 理 工 艺 手 册 上 海 上 海 科 学 技 术 出 版 社 ， 上 接 页 ， ， 一 一 ， ， ， 一