齿轮钢电沉积Ni-W_Mo...2自润滑复合镀层及性能研究_毛望军.pdf

第 45 卷 第 4 期（总第 361 期）电 镀 与 精 饰2023 年4 月齿轮钢电沉积Ni-W/MoS2自润滑复合镀层及性能研究毛望军1*，高志廷2（1.河南机电职业学院 智能工程学院，河南 郑州 451191；2.北京理工大学 材料学院，北京 100081）摘要：采用电沉积工艺在制造齿轮常用的40Cr钢表面制备掺杂MoS2颗粒的Ni-W/MoS2自润滑复合镀层，并研究MoS2颗粒对复合镀层表面形貌、晶相结构、显微硬度和耐磨性能的影响。结果表明：Ni-W/MoS2自润滑复合镀层完整覆盖40Cr钢表面，主要成分为Ni、W、Mo和S元素，存在4个Ni的衍射峰并且都呈现（220）晶面择优取向。镀液中MoS2颗粒质量浓度变化导致镀层的晶粒形态及致密性显现出差异，MoS2颗粒含量呈现先升高后降低趋势，造成显微硬度先增大后减小，耐磨性能先改善后变差。当镀液中MoS2颗粒质量浓度为5 g/L，Ni-W/MoS2复合镀层中MoS2颗粒含量达到4.17%，形成条状与乳突状不同形态的晶粒，结合更紧密，其硬度达到607.5 HV，表面磨痕宽度仅为420 m，表现出良好的耐磨性能，能起到较理想的减摩作用，从而显著提高40Cr钢的耐磨性能。关键词：Ni-W/MoS2自润滑复合镀层；电沉积；齿轮钢；MoS2颗粒质量浓度；耐磨性能中图分类号：TQ153文献标识码：AStudy on properties of Ni-W/MoS2 self-lubricating composite coatings electrodeposited on gear steelMao Wangjun1*，Gao Zhiting2（1.School of Intelligent Engineering，Henan Mechanical and Electrical Vocational College，Zhengzhou 451191，China；2.School of Materials Science and Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China）Abstract：The Ni-W/MoS2 self-lubricating composite coatings doped with MoS2 particles were prepared on 40Cr steel commonly used for gear manufacturing by electrodeposition，and the effect of MoS2 particles on the surface morphology，crystal structure，microhardness and wear resistance of the composite coatings was investigated.The results show that the Ni-W/MoS2 self-lubricating composite coating covers the surface of 40Cr steel completely，the main components are Ni，W，Mo and S elements，and there are four Ni diffraction peaks，showing the preferred orientation of（220）crystal plane.Variation of the mass concentration of MoS2 particles in the plating solution causes the difference in the grain morphology and compactness of the composite coating，and the content of MoS2 particles firstly increases and then decreases，resulting in the microhardness first increases and then decreases，and the wear resistance gradually improves and then deteriorates.When the mass concentration of MoS2 particles in the plating solution is 5 g/L，the Ni-W/MoS2 composite coating with the highest MoS2 particles content up to 4.17%，and the strip and mastoid grains of different morphology are closely bonded，doi：10.3969/j.issn.1001-3849.2023.04.006 收稿日期：2023-03-04 修回日期：2023-03-29 *通信作者：毛望军（1971），高级实验师，主要研究方向：机械制造、金属表面改性、微纳加工技术等，email： 基金项目：河南省科学技术厅项目（162102210320）31Vol.45 No.4 Serial No.361Plating and FinishingApr.2023the hardness reaches 607.5 HV，and the width of surface wear mark is only 420 m.The Ni-W/MoS2 composite coating exhibiting good wear resistance，and it can play an ideal anti-friction effect and significantly improve the wear resistance of 40Cr steel.Keywords：Ni-W/MoS2 self-lubricating composite coating；electrodeposition；gear steel；mass concentration of MoS2 particles；wear resistance40Cr钢具有良好的切削加工性能和力学性能，适用于制造齿轮、轴和蜗杆等承受中等载荷的机械零件1-4。其中，齿轮应用广泛，可以实现增速、减速、变向和换向等功能，在机械设备中发挥着重要作用。齿轮在运转过程中若润滑油供应不足或润滑油中混有固体杂质，齿面磨损程度会加重。随着工业技术不断革新，对齿轮表面性能提出更高要求，使得40Cr钢等常用金属材料面临着更加苛刻的服役条件，亟需采取措施提高其表面性能。电沉积技术具有操作简便、成本低廉和工艺稳定等优点，是提高金属材料表面性能的有效方法。镀层与基体结合牢固，对金属材料起到表面改性作用。但为了适应苛刻的服役条件，需要通过调控镀液成分或优化电沉积工艺参数进一步提高镀层性能。研究表明，通过电沉积将SiC、ZrO2等硬质颗粒掺杂在镀层中，使镀层表现出更高硬度5-6。通过电沉积将PTFE、MoS2等具有自润滑特性的颗粒掺杂在镀层中，使镀层表现出更好的耐磨性能7-8。通过电沉积将Al2O3、SiO2、PTFE等惰性颗粒或惰性聚合物掺杂在镀层中，使镀层表现出更好的耐腐蚀性能9-11。在40Cr钢表面电沉积Ni-SiC复合镀层、Ni-TiN复合镀层和Ni-WC复合镀层等常规镀层来提高其耐磨性能已有研究报道12-15，而在40Cr钢表面电沉积具有自润滑功能的复合镀层鲜见报道。自润滑复合镀层具有独特性能优势，有望显著提高40Cr钢的耐磨性能。本文在制造齿轮常用的40Cr钢表面电沉积掺杂MoS2颗粒的Ni-W/MoS2自润滑复合镀层，主要研究MoS2颗粒对复合镀层表面形貌、显微硬度和耐磨性能的影响，为Ni-W/MoS2自润滑复合镀层用于提高齿轮钢表面性能提供参考。1实验材料与方法1.1基体预处理实验基体为52 mm24 mm2 mm的40Cr钢试样，采用1600#碳化硅砂纸打磨试样表面，去除氧化膜和毛刺。然后进行化学除油，在 20 g/L碳酸钠、40 g/L氢氧化钠与10 g/L磷酸钠的混合溶液中加热到65 浸泡6 min。除油后将试样浸在常温、体积分数15%的盐酸溶液中40 s，最后使用去离子水反复清洗，立即吹干，待用。1.2电沉积Ni-W/MoS2自润滑复合镀层镀液由主盐、稳定剂和络合剂配制而成，然后添加不同质量浓度的纳米 MoS2颗粒，成分如表 1 所示。将盛有镀液的烧杯置于配备磁力搅拌功能的水浴锅中，加热到60，同时磁力搅拌4 h。改变镀液中MoS2颗粒质量浓度，电沉积70 min，在40Cr钢表面制备5个Ni-W/MoS2自润滑复合镀层试样。为便于表述，下文将在MoS2颗粒质量浓度分别为1 g/L、3 g/L、5 g/L、8 g/L、12 g/L条件下获得的不同复合镀层依次命名为复合镀层、复合镀层、复合镀层、复合镀层、复合镀层V。1.3Ni-W/MoS2自润滑复合镀层表征与测试采用SUPRA55型扫描电镜及其配备的能谱仪表征并分析不同镀层的表面形貌和元素组成，根据Mo元素质量分数推算复合镀层中MoS2颗粒含量。式（1）中：wMo表示Mo元素质量分数；wMoS2表示复合镀层中MoS2颗粒含量。wMoS2=16095.94wMo（1）采用 D8 Advance-A25型 X 射线衍射仪对不同镀层进行晶相结构分析，扫描速度为4/min，角度范围3090。表1镀液成分Tab.1Composition of plating solution试剂硫酸镍钨酸钠硼酸柠檬酸氢二铵十二烷基苯磺酸钠质量浓度/（gL-1）45.0018.0030.00100.000.0632第 45 卷 第 4 期（总第 361 期）2023 年4 月电 镀 与 精 饰采用 TH763型数显式硬度计测定不同镀层的显微硬度，在试样四周取4个点、中间取1个点，5个点的测定结果取平均值作为被测镀层的显微硬度。采用MMW-1型摩擦磨损试验机测试不同镀层在无润滑条件下的耐磨性能，摩擦副接触形式为线接触，摩擦时间 8 min，载荷 10 N，转速 150 r/min。实验结束后清理试样表面，采用FA2004B型电子天平称取试样磨损前后的质量，单位均为g，获得不同镀层的磨损失重（单位为g/cm2）。另外，采用扫描电镜表征不同镀层磨损后的表面形貌。2结果与讨论2.1Ni-W/MoS2自润滑复合镀层的表面形貌和元素组成图1为不同Ni-W/MoS2自润滑复合镀层的表面形貌。从图1看出，所有镀层都完整覆盖40Cr钢表面，但是都存在孔洞，形貌特征显现出差异。复合镀层的晶粒呈乳突状，结合紧密，孔洞数量多。随着镀液中MoS2颗粒质量浓度增加，复合镀层的晶粒形态逐渐转变成条状晶粒与乳突状晶粒共存，并且结合更紧密，伴随着孔洞数量减少，复合镀层的致密性逐步提高。结合电沉积机理分析16-17，在Ni与W诱导共沉积过程中，MoS2颗粒参与沉积过程可能进入Ni晶格中引起晶格畸变，打破原子间的平衡状态，致使晶格扭曲并发生位错，从而形成新形态晶粒。理论上，镀液中MoS2颗粒质量浓度增加，颗粒进入Ni晶格中概率升高，引起较大程度晶格畸变，从而形成条状晶粒与乳突状晶粒共存的形貌特征，不同形态的晶粒结合很紧密，使复合镀层的致密性逐步提高。复合镀层的晶粒呈条状与乳突状共存，并且不同形态的晶粒结合很紧密，其致密性最好。然而，复合镀层V的晶粒呈乳突状，未出现条状晶粒，并且孔洞数量较多。与复合镀层相比，复合镀层V的致密性明显降低。可能是由于MoS2颗粒质量浓度过高的情况下在镀液中发生严重团聚现象，只有少量颗粒参与沉积过程进入Ni晶格中难以引起晶格畸变，导致晶粒呈现原始形态。另外，团聚态