不锈钢表面强化及摩擦学性能研究

不锈钢表面强化及摩擦学性能研究

不锈钢具有良好的耐腐蚀性、强韧性与易维护等特点,在航空航天、化工、冶金以及海洋等领域中应用广泛。表面强化技术是一种应用表面工程技术对零件表面进行改性或者涂覆镀层的技术,可以对不锈钢表面进行强化,从而提高其摩擦学性能,延长其使用寿命。

金属铬(Cr)具有硬度高和耐磨减摩性能好等特点。碳纳米管(CNT)和石墨烯(graphene)具有机械强度高和润滑性能好等特点,已成为表面强化中的典型纳米添加材料。

为了提高420不锈钢的耐磨减摩性能,本课题开发了酸化多壁碳纳米管(MWCNT)和氧化石墨烯(GOS)与六价Cr复合电镀新工艺,并利用复合电镀技术制备了Cr基碳纳米材料复合镀层,研究了它们的耐磨减摩性能。具体内容如下:1.分别采用改进的Hummers法和CNT酸化法制备GOS和酸化MWCNT,并利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜、拉曼光谱和傅里叶变换红外光谱对GOS和酸化MWCNT进行形貌和结构表征。

结果表明,GOS和酸化MWCNT表面存在含氧官能团。然后将它们分别加入到电镀溶液中,并采用超声分散的方法分别制备出含有GOS与酸化MWCNT的复合电镀溶液。

最后通过复合电镀技术将金属Cr分别与不同浓度的GOS和酸化MWCNT在不同电镀温度与电流密度条件下进行共沉积,制备出MWCNT-Cr与GOS-Cr复合镀层。

2.利用SEM对MWCNT-Cr与GOS-Cr复合镀层进行表征。

结果表明,在复合镀层表面可明显观察到酸化MWCNT或GOS,这说明金属Cr 与酸化MWCNT和GOS均实现了共沉积。3.对复合镀层的硬度及耐磨减摩性能进行

表征,研究了电流密度、电镀温度以及碳纳米材料浓度对复合镀层的硬度与耐磨减摩性能的影响。

研究结果表明:(1)纯Cr层、MWCNT-Cr与GOS-Cr复合镀层的硬度随着电流密度与碳纳米材料浓度的提高而提高,随着电镀温度的上升而降低,且复合镀层的硬度均比纯Cr层高;(2)纯Cr层、MWCNT-Cr与GOS-Cr复合镀层的摩擦系数随着电流密度、电镀温度以及碳纳米材料浓度的上升呈现先下降后上升的变化趋势,且复合镀层的摩擦系数均比纯Cr层低;(3)纯Cr层、MWCNT-Cr与GOS-Cr复合镀层的磨损量随着电流密度与碳纳米材料浓度的提高而下降,随电镀温度的下降而降低,且复合镀层的磨损量均比纯Cr层低。总之,Cr基碳纳米材料复合镀层的硬度比纯Cr层高,摩擦系数与磨损量比纯Cr层低,表明由于酸化MWCNT与GOS具有的高机械强度与超润滑性能,导致它们对复合镀层起到了良好的强化作用。