戴媛靜 鄒 洋 張紫銅 李小磊,3

(1.清華大學(xué)摩擦學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100084；2.清華大學(xué)天津高端裝備研究院潤滑技術(shù)研究所 天津 300300；3.季華實(shí)驗(yàn)室 廣東佛山 528200)

軸承鋼是用于制造滾動(dòng)軸承的滾動(dòng)體、內(nèi)外套圈等的專用結(jié)構(gòu)鋼，通常在淬火狀態(tài)下使用。其中最具代表性的高碳鉻軸承鋼GCr15是世界上生產(chǎn)量最大的軸承鋼，多用于制造中小型軸承。隨著信息、微電子、航空航天、能源、化工等高新技術(shù)領(lǐng)域的飛速發(fā)展和交叉融合，大量新產(chǎn)品、新工藝、新材料不斷地涌現(xiàn)，極大推動(dòng)了工業(yè)技術(shù)的全面提升，同時(shí)也使得應(yīng)用廣泛的金屬材料面臨著新的要求和更苛刻的服役條件。如：軸承鋼應(yīng)用于汽車差速齒輪時(shí)，其噪聲較大，且使用中磨損較大導(dǎo)致服役周期較短；應(yīng)用于石油輸送管路時(shí)，鋼管尤其是閥門處會(huì)發(fā)生較嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象。由此，亟需尋找一種簡(jiǎn)單有效的金屬材料表面改性方法來提升軸承鋼的表面性能。

作為提高金屬材料表面性能的有效方法之一的化學(xué)鍍技術(shù)，具有工藝簡(jiǎn)單、易于控制、復(fù)合鍍層性能多樣等優(yōu)點(diǎn)得到國內(nèi)外學(xué)者越來越多的關(guān)注[1-5]。目前的化學(xué)鍍鎳是利用鎳鹽溶液在強(qiáng)還原劑次亞磷酸鈉的作用下，使鎳離子還原成金屬鎳，同時(shí)次亞磷酸鹽分解析出磷，因而在具有催化表面的鍍件上，獲得Ni-P合金鍍層[6-10]。Ni-P鍍層因其具有較好的耐磨性和耐腐蝕性得到了廣泛的應(yīng)用，但為了適應(yīng)更特殊的使用環(huán)境，要求鍍層具有除高耐磨性和耐腐蝕性以外的其他性質(zhì)，如減摩性、疏水性等等。通常選擇的方式是在化學(xué)鍍鎳溶液中加入固體顆粒，使固體顆粒在性能上與Ni-P鍍層形成互補(bǔ)，從而獲得性能更優(yōu)異的功能鍍層[11-15]。

PTFE顆粒是高惰性的聚合物，可以在-180～260 ℃的范圍內(nèi)長(zhǎng)期使用，其軟化點(diǎn)(325 ℃)較高，摩擦因數(shù)(0.05)是所有聚合物中最低者[16-19]，且具有極強(qiáng)的耐腐蝕性能，是一種很好的干摩擦潤滑劑。將PTFE作為功能相添加到Ni-P鍍層中，制備的Ni-P-PTFE復(fù)合鍍層兼具了化學(xué)鍍鎳及PTFE粒子兩者的優(yōu)點(diǎn)，具有耐腐蝕、耐磨損、自潤滑、摩擦因數(shù)低等綜合性能[20-22]。如：用具有自潤滑性能的Ni-P-PTFE化學(xué)復(fù)合鍍層鍍覆汽車差速齒輪，可減少噪聲，且將使用壽命從3萬周期提高到800萬周期；抽油桿上施鍍Ni-P-PTFE復(fù)合鍍層后其黏滯阻力比常規(guī)鍍Ni-P的抽油桿下降20%，從而延長(zhǎng)使用壽命；磁盤上的齒輪鍍Ni-P-PTFE復(fù)合鍍層，可避免因硬質(zhì)粒子污染而導(dǎo)致對(duì)磁盤的刮擦[23-24]。

目前文獻(xiàn)報(bào)道的復(fù)合鍍層中的PTFE顆粒平均粒徑一般為幾個(gè)微米[25-26]，而隨著納米技術(shù)的飛躍發(fā)展，將納米級(jí)固體顆粒引入到復(fù)合鍍層中已成為化學(xué)復(fù)合鍍發(fā)展的趨勢(shì)[18,27]。與微米級(jí)PTFE顆粒相比，納米級(jí)PTFE顆粒(Nano PTFE)更易于通過靜電作用吸附到鍍層中，從而更加均勻、致密地分散在鍍層中，且不易出現(xiàn)偏析等缺陷。但目前關(guān)于Nano PTFE對(duì)Ni-P鍍層摩擦學(xué)性能的影響研究還未見報(bào)道。

本文作者建立了一套Ni-P-Nano PTFE鍍層的制備方法，得到了分布均勻、平整致密的涂層，對(duì)比了GCr15基底、Ni-P鍍層和Ni-P-Nano PTFE鍍層的摩擦學(xué)性能，重點(diǎn)分析了Ni-P-Nano PTFE鍍層在不同工況條件下的服役壽命。研究結(jié)果可為惡劣工況下軸承鋼表面涂層設(shè)計(jì)提供理論參考和技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

基體材料為GCr15軸承鋼，將GCr15加工成直徑23 mm、高7 mm的圓柱體。聚四氟乙烯(PTFE)購買于旭硝子玻璃股份有限公司生產(chǎn)的乳液，固體粒徑在200 nm左右，固含量58%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。所使用的硫酸鎳、次亞磷酸鈉、醋酸鈉、檸檬酸鈉、乳酸、濃鹽酸、氨水、氫氧化鈉、表面活性劑等藥品皆為分析純，購自于上海麥克林生化科技有限公司、天津市大茂化學(xué)試劑廠、天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司等，未進(jìn)行進(jìn)一步純化處理。

1.2 化學(xué)復(fù)合鍍

首先，將2 L燒杯置于40 ℃水浴鍋中，依次加入定量的蒸餾水、硫酸鎳、次亞磷酸鈉、醋酸鈉、檸檬酸鈉、乳酸，配制時(shí)待上一組分充分溶解后再加入下一組分，然后再加入蒸餾水定容至2 L，滴加氨水調(diào)節(jié)pH值至4.25制成基礎(chǔ)鍍液。然后，在2 L基礎(chǔ)鍍液中加入Nano PTFE乳液及少量表面活性劑，使用高速分散機(jī)(6 000 r/min)分散30 min得到Ni-P-Nano PTFE復(fù)合鍍液。

將配制好的復(fù)合鍍液放入水浴鍋中加熱，待溫度穩(wěn)定在90 ℃后放入鍍件進(jìn)行復(fù)合鍍處理。將待鍍金屬片依次進(jìn)行除油、拋光、清洗、活化處理后，浸入90 ℃鍍液中施鍍1.5 h取出。將鍍片用蒸餾水洗滌、干燥并置于馬弗爐內(nèi)于300 ℃下焙燒1 h后得到平整、均勻的Ni-P-Nano PTFE鍍層。工藝流程如圖1所示。

圖1 化學(xué)復(fù)合鍍工藝流程Fig 1 Electroless composite plating process

1.3 摩擦學(xué)性能測(cè)試

利用UMT摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)Ni-P-Nano PTFE鍍層的摩擦學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，其測(cè)試系統(tǒng)示意圖如圖2所示。試驗(yàn)所用鋼球?yàn)镚Cr15標(biāo)準(zhǔn)鋼球，硬度為(720±20) HV，直徑為10 mm。試驗(yàn)條件：往復(fù)式干摩擦，頻率分別為2、5、10、15和20 Hz，載荷分別為10、15、20和25 N，對(duì)應(yīng)的接觸應(yīng)力分別為632.2、723.7、796.5和858.1 MPa，試驗(yàn)時(shí)間為30 min。

根據(jù)館藏《麥華三小楷書黎暢九李鐵夫生軼事并跋》內(nèi)容，文中提到的李鐵夫的9幅水彩畫作品現(xiàn)均藏我館。②這組水彩作品材質(zhì)均為宣紙，但構(gòu)圖和用色方式與其它水彩畫一致。此外，歸入水彩的藏品中還有2幅也確認(rèn)是在宣紙上用水彩完成。

圖2 摩擦測(cè)試系統(tǒng)示意Fig 2 Schematic of friction test system

采用3D激光共聚焦顯微鏡觀察化學(xué)鍍層的表面形貌，采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察Ni-P-Nano PTFE膜層的表面形貌、粒子的共沉積狀態(tài)，并采用掃描電鏡中配置的X射線能譜議對(duì)膜層的表面成分進(jìn)行分析。

另外，除了摩擦學(xué)性能測(cè)試外，使用CSM劃痕儀對(duì)鍍層與基體的結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試條件為行程5 mm、速度2 mm/min，壓力0～100 N；使用顯微維氏硬度計(jì)對(duì)鍍層和基底進(jìn)行硬度測(cè)試，測(cè)試方法按GB/T 4340.1—2009，時(shí)間15 s。

2 結(jié)果和討論

2.1 化學(xué)復(fù)合鍍鍍層

復(fù)合鍍液所用的聚四氟乙烯顆粒為采購的工業(yè)用Nano PTFE乳液，使用掃描電鏡和粒度儀進(jìn)行測(cè)試。如圖3所示，顆粒粒徑分布均一，整體在100～300 nm之間，平均粒徑為202 nm，其中大部分粒子粒徑為164 nm。

圖3 Nano PTFE顆粒SEM圖和粒徑分布 (a),(b),(c) SEM電鏡圖；(d) 粒徑分布Fig 3 SEM images of Nano PTFE particles and particle size distribution(a),(b),(c)SEM images;(d) particle size distribution

由圖4中可以看出，鍍后試樣表面鍍層的均勻性較好，PTFE粒子分布數(shù)量較多、均勻、致密，且鍍層表面無明顯漏鍍等缺陷。從圖4(b)、(c)可以看出，Nano PTFE顆粒均勻地鑲嵌在Ni-P鍍層中，顆粒鑲嵌造成的孔徑分布在100～250 nm，與粒度測(cè)試儀測(cè)定粒徑結(jié)果有較高的一致性。從圖4(d)可看出鍍層的厚度為9.1～9.2 μm。對(duì)圖4(b)、(c)中區(qū)域1、2、3處的元素分布進(jìn)行了分析，可以看出表面鍍層主要包含C、F、Ni和P元素，其孔洞內(nèi)均勻地鑲嵌著Nano PTFE顆粒。

圖4 Ni-P-Nano PTFE鍍層表面、 鍍層斷面SEM圖及表面元素分布 (a),(b),(c)鍍層表面不同放大倍數(shù)SEM圖；(d) 鍍層斷面SEM圖及元素分布Fig 4 SEM images of Ni-P-Nano PTFE coating and coating cross-section and element distribution (a),(b),(c) SEM images of coating surface;(d) SEM image of coating cross-section and element distribution

采用硬度計(jì)檢測(cè)鋼材基體、Ni-P鍍層和Ni-P-Nano PTFE復(fù)合鍍層的顯微維氏硬度，結(jié)果見表1。

表1 基底與鍍層硬度測(cè)試結(jié)果Table 1 Hardness test results of substrate and coating

綜合而言，GCr15硬度為864 HV，Ni-P鍍層的硬度為513 HV。當(dāng)加入軟質(zhì)材料Nano PTFE之后，鍍層硬度有所下降，為434 HV。Ni-P-Nano PTFE鍍層的硬度波動(dòng)較大，也可能是由于鍍層是由硬質(zhì)點(diǎn)的Ni-P層與軟質(zhì)點(diǎn)的PTFE復(fù)合而成，因此鍍層不同位置的硬度相差較大。

2.2 劃痕試驗(yàn)

劃痕測(cè)試后，鍍層表面的劃痕形貌如圖5所示?？煽闯?，即使載荷最終增大到100 N，劃痕內(nèi)部和劃痕邊緣都未發(fā)現(xiàn)鍍層剝落或出現(xiàn)裂痕的現(xiàn)象，這說明鍍層與基體具有良好的結(jié)合強(qiáng)度。從放大圖像以及元素分布分析，發(fā)現(xiàn)在劃痕中部以及尾部，仍然存在著Ni-P-Nano PTFE鍍層，均未發(fā)生斷裂、剝落或失效現(xiàn)象。將劃痕尾部區(qū)域放大，能夠發(fā)現(xiàn)之前顆粒狀的Nano PTFE已無法明顯觀察到，從元素分布圖中能夠看到F元素均勻分散在整個(gè)區(qū)域，說明在劃痕測(cè)試過程中，Nano PTFE顆粒被擠壓剪切，均勻分散在整個(gè)磨損區(qū)域。

圖5 化學(xué)復(fù)合鍍層劃痕表面形貌及表面元素分布 (a),(b),(c)劃痕SEM圖；(d)圖(c)中框內(nèi)區(qū)域元素面掃結(jié)果Fig 5 Scratch surface morphology and surface element distribution of electroless composite coating (a),(b),(c) SEM images of scratch;(d)element surface scan result in the figure(c)

2.3 摩擦性能測(cè)試

分別對(duì)GCr-15、Ni-P鍍層、Ni-P-Nano PTFE鍍層進(jìn)行干摩擦測(cè)試，結(jié)果如圖6所示(實(shí)驗(yàn)條件：載荷10 N、行程4 mm、時(shí)間30 min)。對(duì)于GCr15基底材料，干摩擦的摩擦因數(shù)(COF)值基本穩(wěn)定在0.51；在表面鍍上一層Ni-P鍍層之后，COF值上升到0.63；在加入Nano PTFE復(fù)合顆粒之后，COF值降低為0.23。對(duì)于Ni-P-Nano PTFE鍍層，在摩擦往復(fù)頻率為2 Hz的條件下，在1 800 s內(nèi)COF值波動(dòng)不大；在摩擦往復(fù)頻率為5 Hz的條件下，在1 270 s時(shí)COF值出現(xiàn)了陡升，這可能是由于Ni-P-Nano PTFE鍍層局部被磨穿，導(dǎo)致鋼球與基底材料直接接觸，在1 550 s之后，COF值一直在0.4～0.5的范圍內(nèi)波動(dòng)，說明此時(shí)摩擦區(qū)域中的鍍層已經(jīng)被磨破。

摩擦實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，上下摩擦副表面形貌如圖7和圖8所示，同時(shí)測(cè)量鋼球的磨痕直徑以及鋼盤磨痕的寬度、深度和磨損率，其結(jié)果如表2所示。Ni-P鍍層與GCr15基底相比，上球磨痕直徑和下盤磨痕寬度都有所增加，磨痕深度和體積也較大。在2 Hz的實(shí)驗(yàn)條件下，Ni-P-Nano PTFE鍍層的對(duì)偶鋼球磨痕直徑與基底GCr15相比降低了34.19%，與Ni-P鍍層相比降低了48.18%；Ni-P-Nano PTFE鍍層磨損率與基底相比降低了31.07%，與Ni-P鍍層相比降低了73.29%。硬度較高的Ni-P鍍層加入軟質(zhì)的Nano PTFE顆粒之后，能夠彌補(bǔ)Ni-P鍍層減摩性較差的缺陷，同時(shí)也提高了鍍層的耐磨性，可見Ni-P-Nano PTFE鍍層擁有良好的減摩抗磨性。

圖7 不同鍍層鋼盤的顯微鏡圖像 (a) GCr15、2 Hz；(b) Ni-P鍍層、2 Hz；(c) Ni-P-Nano PTFE鍍層、2 Hz；(d) GCr15、5 Hz；(e) Ni-P鍍層、5 Hz；(f) Ni-P-Nano PTFE鍍層、5 HzFig 7 Microscope images of the steel disks with different substrates (a) GCr15,2 Hz;(b) Ni-P coating,2 Hz;(c) Ni-P-Nano PTFE coating,2 Hz;(d) GCr15,5 Hz;(e)Ni-P coating,5 Hz;(f) Ni-P-Nano PTFE coating,5 Hz

圖8 摩擦對(duì)偶鋼球的顯微鏡圖像 (a) GCr15、2 Hz；(b) Ni-P鍍層、2 Hz；(c) Ni-P-Nano PTFE鍍層、2 Hz；(d) GCr15、5 Hz；(e) Ni-P鍍層、5 Hz；(f) Ni-P-Nano PTFE鍍層、5 HzFig 8 Microscope images of the steel balls sliding against the substrate and different substrates (a) GCr15,2 Hz;(b) Ni-P coating,2 Hz;(c) Ni-P-Nano PTFE coating,2 Hz;(d) GCr15,5 Hz;(e) Ni-P coating,5 Hz;(f) Ni-P-Nano PTFE coating,5 Hz

表2 鋼球與不同鍍層鋼盤的UMT實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 UMT experimental results of steel balls and steel disks with different coatings

圖9和圖10分別為不同鍍層鋼盤和對(duì)偶鋼球表面的SEM圖像及元素分析。圖9(a)—(d)和圖10(a)—(d)是GCr15的摩擦區(qū)域，僅含有C、O、Cr、Fe等元素，其中圖10(b)中能夠發(fā)現(xiàn)明顯的局部黏著現(xiàn)象。圖9(e)—(h)是Ni-P鍍層的摩擦區(qū)域，可發(fā)現(xiàn)磨損區(qū)域中已經(jīng)基本不含Ni、P元素，說明Ni-P鍍層已經(jīng)被磨穿。Ni-P鍍層的COF值一直在0.6左右，且波動(dòng)較大。Ni-P鍍層在磨損過程中，摩擦區(qū)域內(nèi)發(fā)生了大面積的黏著磨損，其磨損程度比GCr15表面更為嚴(yán)重。圖10(e)—(h)中鋼球摩擦表面存在Ni、P元素，說明鋼盤表面的Ni-P鍍層轉(zhuǎn)移到鋼球表面。圖9(i)—(l)是Ni-P-Nano PTFE鍍層的摩擦區(qū)域，圖9(i)中區(qū)域3為未磨損區(qū)域作為對(duì)照。在1 800 s的摩擦實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，Ni-P-Nano PTFE鍍層表面的摩擦區(qū)域4中仍然能檢測(cè)出較多的Ni、P、F元素，從形貌上也能夠看出摩擦區(qū)域仍殘留部分Ni-P-Nano PTFE鍍層，會(huì)有一定的減摩作用，這也解釋了在1 550 s鍍層失效后其平均摩擦因數(shù)仍低于0.5的原因。圖10(i)—(l)是與Ni-P-Nano PTFE鍍層對(duì)摩的鋼球的磨痕圖，摩擦區(qū)域較為平整，劃痕明顯變淺，且部分區(qū)域存在一定量的Ni、P、F元素，證明發(fā)生了鍍層轉(zhuǎn)移，摩擦過程中轉(zhuǎn)移到鋼球表面的鍍層與鋼盤Ni-P-Nano PTFE鍍層表面相互作用，獲得了較低的摩擦因數(shù)。

圖9 不同鍍層鋼盤表面SEM圖像及表面元素分布 (a),(b)GCr15、2 Hz；(c),(d) GCr15、5 Hz；(e),(f)Ni-P鍍層、2 Hz； (g),(h) Ni-P鍍層、5 Hz；(i),(j)Ni-P-Nano PTFE鍍層、2 Hz；(k),(l) Ni-P-Nano PTFE鍍層、5 HzFig 9 SEM images and surface element distribution of steel plates with different coatings (a),(b)GCr15，2 Hz；(c),(d) GCr15， 5 Hz；(e),(f)Ni-P coating,2 Hz;(g),(h)Ni-P coating,5 Hz;(i),(j)Ni-P-Nano PTFE coating,2 Hz;(k), (l) Ni-P-Nano PTFE coating,5 Hz

由Ni-P鍍層、Ni-P-Nano PTFE鍍層及GCr15表面在不同摩擦條件下的摩擦實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，Ni-P-Nano PTFE鍍層能夠發(fā)揮較好的減摩抗磨作用。下面重點(diǎn)分析Ni-P-Nano PTFE鍍層在不同摩擦實(shí)驗(yàn)條件下的服役壽命。圖11所示為不同頻率、不同載荷下Ni-P-Nano PTFE鍍層摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律。

圖11 Ni-P-Nano PTFE鍍層的UMT實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig 11 UMT test results of Ni-P-Nano PTFE coating (a) load is 20 N;(b) frequency is 15 Hz

圖11(a)中的實(shí)驗(yàn)條件為載荷20 N，實(shí)驗(yàn)頻率分別為5、10、15、20 Hz。在1 800 s時(shí)COF值都升高到了0.4～0.5的范圍內(nèi)，鍍層的失效時(shí)間分別為1 521、1 411、1 203和425 s，說明在頻率增加的過程中，隨著單位時(shí)間內(nèi)往復(fù)次數(shù)的增加，鍍層磨損加重。在10 Hz時(shí)，在1 411 s內(nèi)進(jìn)行了14 110次往復(fù)摩擦，有效滑動(dòng)距離為112.9 m；在15 Hz時(shí)，在1 203 s內(nèi)進(jìn)行了18 045次往復(fù)摩擦，有效滑動(dòng)距離為144.4 m；頻率升高至20 Hz時(shí)，在425 s內(nèi)進(jìn)行了8 500次往復(fù)摩擦，有效滑動(dòng)距離降低到68 m。說明頻率升高到20 Hz、線速度增加到0.1 m/s后，鍍層的壽命縮短十分明顯，推測(cè)其原因?yàn)楦哳l率下摩擦溫度較高，容易引起鍍層很短時(shí)間內(nèi)失效。圖11(b)中的實(shí)驗(yàn)條件為頻率15 Hz，載荷為10、15、20和25 N。在1 800 s時(shí)COF值都升高到了0.4～0.5的范圍內(nèi)，說明在1 800 s時(shí)鍍層被磨破。載荷由10 N提升到25 N的過程中，鍍層的失效點(diǎn)從1 328 s分別提前到了1 037和1 203 s，甚至在25 N時(shí)COF值沒有出現(xiàn)平臺(tái)就陡升到0.5以上，說明復(fù)合鍍層在25、15 Hz的條件下被快速磨損破壞，無法起到減摩的作用。該鍍層的承載能力介于796.5～858.1 MPa之間。

總體來說，Ni-P-Nano PTFE鍍層能夠在載荷不高于20 N、頻率不高于15 Hz時(shí)，發(fā)揮較好的抗磨及減摩作用，服役壽命能夠穩(wěn)定在1 037 s以上。

摩擦實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，鋼盤和鋼球表面形貌如圖12和圖13所示，同時(shí)測(cè)量鋼球的磨痕直徑以及鋼盤磨痕的寬度、深度和磨損率，其結(jié)果如表3所示。能夠看出，在頻率相同的條件下，當(dāng)載荷由10 N提升到25 N，鋼盤磨痕寬度由446.6 μm提升到1 071 μm，磨損率由2.672×10-6mm3/(N·m)提升到8.292×10-6mm3/(N·m)；而在載荷相同的條件下，當(dāng)頻率由5 Hz提升到20 Hz，磨痕寬度由636.4 μm提升到1 251 μm，磨損率由8.904×10-6mm3/(N·m)增加到1.080×10-5mm3/(N·m)。

圖13 不同摩擦條件下摩擦對(duì)偶鋼球的顯微鏡圖像 (a) 10 N、15 Hz；(b) 15 N、15 Hz；(c) 20 N、15 Hz；(d) 25 N、15 Hz； (e) 20 N、5 Hz；(f) 20 N、10 Hz；(g) 20 N、15 Hz；(h) 20 N、20 HzFig 13 Microscope images of steel balls under different friction conditions (a) 10 N,15 Hz；(b) 15 N,15 Hz；(c) 20 N,15 Hz； (d) 25 N,15 Hz；(e) 20 N,5 Hz；(f) 20 N,10 Hz；(g) 20 N,15 Hz；(h) 20 N,20 Hz

表3 不同摩擦條件下鋼球和Ni-P-Nano PTFE鍍層鋼盤的UMT實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 UMT experimental results of steel balls and steel disks with Ni-P-Nano PTFE coating under different friction conditions

圖14所示為頻率為15 Hz時(shí)不同載荷條件下Ni-P-Nano PTFE鍍層鋼盤和鋼球表面的SEM圖及元素分布。從圖14(a)中可看出，在10 N下磨損1 800 s后部分區(qū)域中的Ni-P-Nano PTFE鍍層發(fā)生了嚴(yán)重磨損(區(qū)域1，其對(duì)應(yīng)圖12(a)中的深藍(lán)色區(qū)域)，但仍存在著質(zhì)量分?jǐn)?shù)38.77%的鎳元素，其余大部分區(qū)域仍存在較完整鍍層，且均勻平整(見圖14(b))，鎳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60.35%。當(dāng)載荷提升到15 N之后，如圖14(e)所示，鍍層剝落的區(qū)域明顯增大(對(duì)應(yīng)圖12(b)中的深藍(lán)色區(qū)域)，但大部分區(qū)域仍存在較完整鍍層。當(dāng)載荷再提升到20及25 N時(shí)，磨損1 800 s后區(qū)域5和區(qū)域7中已經(jīng)基本檢測(cè)不到Ni、P、F元素，磨痕區(qū)域中的Ni-P-Nano PTFE鍍層已全部被磨穿。從鋼球的電鏡圖像中，尤其是圖14(c)中箭頭所指區(qū)域和圖14(d)中區(qū)域8中，能夠明顯觀察到Ni-P-Nano PTFE轉(zhuǎn)移后的層狀結(jié)構(gòu)，說明Ni-P-Nano PTFE鍍層在磨損后，其轉(zhuǎn)移到鋼球表面的轉(zhuǎn)移膜仍能發(fā)揮一定的減摩作用，同時(shí)驗(yàn)證了在1 800 s時(shí)Ni-P-Nano PTFE鍍層被磨穿但平均摩擦因數(shù)仍低于基底這一結(jié)果。

圖 15所示為載荷為20 N時(shí)不同頻率條件下Ni-P-Nano PTFE鍍層鋼盤和鋼球表面的電鏡圖像及元素分布?？梢?，頻率為5 Hz時(shí)鍍層磨損較輕，鎳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60.90%；在10～20 Hz頻率范圍內(nèi)鍍層都基本被磨穿，鎳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于5%。從鋼球的電鏡圖像中，能夠發(fā)現(xiàn)在頻率為5 Hz時(shí)，磨痕區(qū)域檢測(cè)到的鎳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到14.76%，10 Hz頻率時(shí)鎳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降到7.12%，15和20 Hz頻率時(shí)已經(jīng)基本檢測(cè)不到鎳和磷元素。這是因?yàn)殡S著摩擦過程的進(jìn)行，鋼盤上的Ni-P-Nano PTFE鍍層不斷地被磨損，隨著頻率的上升，鍍層的磨損速度加快，在達(dá)到失效點(diǎn)時(shí)鍍層已經(jīng)局部被磨穿，鋼球表面的轉(zhuǎn)移鍍層也不斷被消耗。

圖15 不同頻率條件下Ni-P-Nano PTFE鍍層鋼盤和鋼球表面的SEM圖及元素分布 (a),(b) 5 Hz、鋼盤；(c),(d) 5 Hz、鋼球；(e),(f) 10 Hz、鋼盤；(g),(h) 10 Hz、鋼球；(i),(j) 15 Hz、鋼盤；(k),(l) 15 Hz、鋼球； (m),(n) 20 Hz、鋼盤；(o),(p) 20 Hz、鋼球Fig 15 SEM images and surface element distribution of steel disk with Ni-P-Nano PTFE coating and steel ball under different frequency (a),(b) 5 Hz,disk;(c),(d) 5 Hz,ball;(e),(f) 10 Hz,disk;(g),(h) 10 Hz,ball;(i),(j) 15 Hz,disk; (k),(l) 15 Hz,ball;(m),(n) 20 Hz,disk;(o),(p) 20 Hz,ball

3 結(jié)論

(1)采用“機(jī)械攪拌+化學(xué)分散”相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)了Ni-P-Nano PTFE鍍層的制備，鍍層中Nano PTFE粒子分布數(shù)量較多，整個(gè)鍍層均勻、致密、無明顯漏鍍，同時(shí)鍍層與基體具有良好的結(jié)合強(qiáng)度。

(2)Ni-P-Nano PTFE鍍層具有良好的減摩作用，與純GCr15表面相比COF值降低了55%，磨損率降低了31.07%，對(duì)偶鋼球的磨斑直徑降低了34.19%；與Ni-P鍍層相比，Ni-P-Nano PTFE鍍層的COF值降低了61%，磨損率降低了73.29%，對(duì)偶鋼球的磨斑直徑降低了48.18%。

(3)Ni-P-Nano PTFE鍍層在頻率為15 Hz、載荷低于20 N時(shí)，服役壽命為1 037 s，可以承受15 555次往復(fù)摩擦；在載荷為20 N、頻率低于15 Hz時(shí)，服役壽命為1 203 s，可以承受18 045次往復(fù)摩擦。