自潤滑復(fù)合鍍層的摩擦學(xué)性能及其強(qiáng)化機(jī)理分析

李 凝, 黃健萌

(1.浙江師范大學(xué)工學(xué)院,浙江金華 321004;2.福州大學(xué)機(jī)械工程及其自動(dòng)化學(xué)院,福建福州 350108）

自潤滑復(fù)合鍍層的摩擦學(xué)性能及其強(qiáng)化機(jī)理分析

李 凝1, 黃健萌2

(1.浙江師范大學(xué)工學(xué)院,浙江金華 321004;2.福州大學(xué)機(jī)械工程及其自動(dòng)化學(xué)院,福建福州 350108）

探討自潤滑復(fù)合鍍層的摩擦學(xué)性能及其增強(qiáng)相的摩擦磨損強(qiáng)化機(jī)理;分析經(jīng)具有自潤滑性能的石墨、二硫化鉬、聚四氟乙烯及碳納米管等改性的復(fù)合鍍層的摩擦學(xué)行為;并探討該類復(fù)合鍍層的摩擦磨損強(qiáng)化機(jī)制。

自潤滑;復(fù)合鍍層;摩擦學(xué)性能;強(qiáng)化機(jī)理

0 前言

現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展對(duì)機(jī)械工業(yè)產(chǎn)品精度的要求越來越高,尤其對(duì)機(jī)械設(shè)備零部件,如導(dǎo)軌、軸、齒輪、軸承等的工作表面的耐磨性和耐蝕性提出了更高的要求[1]。軸的表面滲碳、滲鉻、碳氮共滲等技術(shù)被廣泛采用,但由于其前期設(shè)備投入較大,限制了其應(yīng)用范圍[2]。激光表面技術(shù)是重要的應(yīng)用技術(shù)之一,在處理工件表面時(shí)具有較好的效果,但成本較高、生產(chǎn)效率較低,故沒有被生產(chǎn)所采用[3]。在工件表面進(jìn)行涂覆處理,因其成本低廉、設(shè)備投入少、鍍層厚度易控等優(yōu)點(diǎn)在生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。其中,鎳基復(fù)合鍍層具有優(yōu)良的耐磨性和自潤滑性,可以顯著改善金屬表面的耐磨和減摩性能而得到廣泛的研究與應(yīng)用[4-7]。

目前研究的自潤滑復(fù)合鍍層中,以石墨、二硫化鉬、聚四氟乙烯及碳納米管的研究最多。本文針對(duì)復(fù)合鍍層的自潤滑性能進(jìn)行研究,了解復(fù)合鍍層自潤滑的結(jié)構(gòu)特性和作用機(jī)理,探討影響鍍層硬度、耐磨性和減摩性的重要因素,為研究開發(fā)新型的自潤滑復(fù)合材料提供理論依據(jù)。

1 自潤滑復(fù)合鍍層的摩擦學(xué)性能及其機(jī)理

1.1 石墨改性

石墨是一種常見的優(yōu)良固體潤滑劑,具有六方晶系的晶體結(jié)構(gòu),按ABAB方式排列。石墨層內(nèi)的碳原子以共價(jià)鍵結(jié)合,而相鄰層間以范德華力連接。石墨的這種結(jié)構(gòu)特征使其容易發(fā)生剪切,其摩擦因數(shù)很小,通常約為0.05～0.19。石墨在大氣中的熱穩(wěn)定溫度可達(dá)500℃,因此,其在高溫條件下的潤滑性可以得到保持。由于石墨本身的多孔表面及活性,容易造成鍍液分解,致使用化學(xué)復(fù)合鍍的方法制備Ni-P/石墨鍍層具有相當(dāng)?shù)碾y度,因此,這方面的研究報(bào)道較少。

文獻(xiàn)[4]利用電刷鍍技術(shù)獲得了石墨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23.86%的鎳-石墨復(fù)合鍍層。通過在潤滑狀態(tài)下的磨損實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):鎳-石墨復(fù)合鍍層的耐磨性是鎳的3.69倍。其主要原因是石墨分散于鍍層中,使鍍層中的微裂紋等缺陷的數(shù)量大大減少,從而能減少磨損過程中裂紋萌生源的數(shù)量,并抑制裂紋在鍍層中的擴(kuò)展,使鍍層耐磨性能得到改善。杜寶中等[8]對(duì)Ni-P/石墨復(fù)合鍍層的摩擦磨損實(shí)驗(yàn)的研究表明:該類合金磨損性能得以改善的原因與石墨在摩擦副表面形成的潤滑膜有關(guān)。對(duì)比Ni-P合金鍍層的硬度,復(fù)合鍍層的硬度有所降低(5030MPa）。這是由于石墨是軟質(zhì)微粒,具有很低的剪切強(qiáng)度,使Ni-P/石墨復(fù)合材料的硬度降低。石墨的層狀結(jié)構(gòu)也有利于摩擦副之間作用力的降低,提高了復(fù)合鍍層的耐磨性能。范洪富等[9]在鈦基體上復(fù)合鍍Ni-P/石墨復(fù)合鍍層,并研究了該復(fù)合鍍層的摩擦學(xué)性能。結(jié)果表明:該復(fù)合鍍層具有優(yōu)異的耐磨性能。這是由于石墨微粒本身具有良好的自潤滑性,在摩擦過程中,鍍層表面的石墨微粒軟化,并均勻分布于微觀凸凹不平的摩擦平面上,可在接觸表面形成一層均勻的石墨薄膜,起潤滑作用,使鍍層破裂和脫落的傾向減輕。熱處理實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):該復(fù)合鍍層經(jīng)400℃熱處理后,石墨層與鈦生成了 TiC硬質(zhì)增強(qiáng)相,它可進(jìn)一步強(qiáng)化基質(zhì)鍍層,使其表面抵抗塑性變形的能力增強(qiáng);同時(shí)硬質(zhì)增強(qiáng)相提高了復(fù)合鍍層的顯微硬度,使復(fù)合鍍層的耐磨性增強(qiáng)。

1.2 二硫化鉬改性

具有層狀結(jié)構(gòu)的二硫化鉬(MoS2）作為一種優(yōu)良的固體潤滑材料,不溶于水及稀酸,常被用作保養(yǎng)潤滑劑,可形成高效黏附干性潤滑膜,是降低摩擦磨損的專用材料[10-11]。同時(shí),MoS2還具有優(yōu)良的低溫特性和良好的熱穩(wěn)定性。摩擦磨損性能實(shí)驗(yàn)表明:MoS2在潮濕空氣中的摩擦因數(shù)比在干燥空氣或真空中的高,純MoS2在潮濕空氣中容易潮解而失去潤滑作用。

張賢華等[12]在研究電刷鍍Ni/MoS2復(fù)合鍍層時(shí)發(fā)現(xiàn):Ni/MoS2復(fù)合鍍層具有優(yōu)異的固體潤滑性能是因?yàn)殄儗又斜３至嗽糓oS2晶粒的片狀結(jié)構(gòu),而且在其基面與鍍層表面形成了平行的擇優(yōu)取向。這種結(jié)構(gòu)有利于降低摩擦過程中的剪切強(qiáng)度,提高鍍層的摩擦學(xué)性能;同時(shí)獲得的鍍層具有足夠的厚度,且鍍層中MoS2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高,充分發(fā)揮MoS2的減摩作用,在使用上不至于受到限制。MoS2的層片狀結(jié)構(gòu),像云母一樣可剝成無數(shù)個(gè)薄片,具有很好的耐磨性能,膜層與其耦件的黏著系數(shù)α≤1×10-4,在復(fù)合鍍層結(jié)構(gòu)內(nèi)具有良好的潤滑特性。王蘭等[13]在研究Ni-P-SiC/MoS2復(fù)合鍍層的性能時(shí)發(fā)現(xiàn):復(fù)合鍍層經(jīng)熱處理后,結(jié)合力隨著熱處理溫度的提高而提高;硬度有所降低,但仍高于Ni-P/MoS2鍍層的,具有良好的耐磨性。SiC微粒的存在提高了熱處理后鍍層的顯微硬度,保持了鍍層接觸表面的硬質(zhì)點(diǎn)的數(shù)量,提高了復(fù)合鍍層的摩擦學(xué)性能;而層片狀結(jié)構(gòu)的MoS2微粒有利于提高復(fù)合鍍層的自潤滑功能。郭忠誠等[14]研究了經(jīng)稀土改性的Ni-W-B/B4C-MoS2復(fù)合鍍層在不同熱處理溫度下的摩擦學(xué)性能。結(jié)果表明:復(fù)合鍍層的硬度隨著熱處理溫度的升高先增加后降低,當(dāng)熱處理溫度為 400 ℃時(shí),鍍層的硬度達(dá)到極大值(13 680 MPa）,其耐磨性最好。熱處理溫度升高,含有稀土的復(fù)合鍍層的硬質(zhì)點(diǎn)增加,而B4C,MoS2為自潤滑材料,提高了材料的耐磨性能。

研究表明:在一定的濃度范圍內(nèi),鍍液中MoS2微粒的濃度越大,微粒到達(dá)陰極表面的幾率和在電極表面吸附的可能性也就越大,從而使得復(fù)合鍍層中MoS2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大;但當(dāng)鍍液中MoS2微粒的濃度增加到一定值后,鍍層中MoS2微粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)反而有所下降。同時(shí),鍍層中彌散分布的MoS2固體微粒會(huì)導(dǎo)致微粒附近的金屬晶格歪扭,缺陷增多,位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻,變形阻力增加,從而提高了復(fù)合鍍層的硬度。但如果鍍液中MoS2的濃度過大,鍍層中MoS2微粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)反而下降,從而會(huì)降低鍍層的硬度。

MoS2具有單元層S-Mo-S的層狀結(jié)構(gòu),屬六方晶系。含有MoS2的復(fù)合鍍層,MoS2的晶體結(jié)構(gòu)使其層間容易滑動(dòng),形成平行于摩擦表面排列的織構(gòu),有利于自潤滑功能。Mo原子和S原子之間以離子鍵結(jié)合,使MoS2潤滑膜的強(qiáng)度較高,能夠防止?jié)櫥ぴ诮饘俚耐怀霾课黄茡p。S原子暴露在MoS2晶體表面,對(duì)金屬表面產(chǎn)生很強(qiáng)的黏附作用。這種黏附作用有利于降低摩擦過程中的剪切強(qiáng)度,起到良好的潤滑作用。

1.3 聚四氟乙烯改性

聚四氟乙烯(PTFE）具有很好的耐熱性和耐寒性、較低的靜摩擦因數(shù)和動(dòng)摩擦因數(shù),是一種很好的固體潤滑劑,在大氣中摩擦系數(shù)約為0.04～0.05,且其化學(xué)穩(wěn)定性極高。

李衛(wèi)紅等[15]在研究電刷鍍Ni/PTFE復(fù)合鍍層的摩擦學(xué)性能時(shí)發(fā)現(xiàn):PTFE的加入可以降低復(fù)合鍍層的表面粗糙度,從而降低鍍層的摩擦因數(shù)。同時(shí),含有PTFE的復(fù)合鍍層的顯微硬度較低。這一方面由于PTFE質(zhì)軟,加入PTFE減小了鍍層鎳多晶與摩擦副的有效承載面積,導(dǎo)致鍍層硬度降低;另一方面PTFE的加入影響鍍層組織,從而導(dǎo)致鍍層硬度不同。在較低載荷下PTFE發(fā)生一定變形而形成潤滑膜,因而復(fù)合鍍層的摩擦因數(shù)較低。但是在較高載荷下,一方面由于 PTFE變形過大,潤滑膜被磨穿;另一方面,PTFE的加入降低了鍍層硬度,使鍍層塑性變形增加,從而提高了鍍層的摩擦因數(shù)。

在對(duì)Ni-P/PTFE復(fù)合鍍層的摩擦學(xué)性能進(jìn)行研究時(shí),Xiang等[16]的摩擦磨損實(shí)驗(yàn)表明:該復(fù)合鍍層與 GCr15對(duì)磨,其摩擦因數(shù)可低至0.1,而且耐磨性也較Ni-P鍍層的好。在Ni-P/PTFE復(fù)合鍍層中,鍍層組織呈非晶化趨勢(shì),其硬度和耐磨性明顯改善[16-20]。在鍍態(tài)下,與Ni-P合金鍍層相比,復(fù)合鍍層具有較低的表面粗糙度和孔隙率,但顯微硬度較低,磨損體積更大,摩擦因數(shù)明顯降低。而熱處理可顯著提高其硬度,其中,PTFE能起到良好的減摩效果。雙納米微粒增強(qiáng)的復(fù)合鍍層具有自潤滑性能的同時(shí),還具有較高的硬度和良好的摩擦學(xué)性能[21-23]。Ni-P/SiC-PTFE復(fù)合鍍層的耐磨性、自潤滑性均高于化學(xué)鍍Ni-P鍍層的,可用于高性能塑料模具的表面處理。碳鋼表面沉積的 RE-Ni-W-P/SiC-PTFE非晶態(tài)復(fù)合鍍層中,PTFE以非晶態(tài)納米微粒的形態(tài)存在,在PTFE的質(zhì)量濃度低的條件下,其在復(fù)合鍍層中的沉積彌散效應(yīng)強(qiáng),分散均勻、細(xì)密。

綜合該類鍍層的摩擦學(xué)性能發(fā)現(xiàn):含有 PTFE的鍍層具有較低的摩擦因數(shù)和較好的耐磨性能,這與PTFE的分子結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系。PTFE分子結(jié)構(gòu)含有13或15個(gè)[—CF2—]基化學(xué)重復(fù)單元,當(dāng)滑動(dòng)時(shí),在對(duì)偶面上形成一層薄的潤滑膜。該潤滑膜主要為碳分子結(jié)構(gòu)單元,具有良好的潤滑效果;同時(shí)PTFE層的結(jié)合力很強(qiáng),而層與層之間的結(jié)合力較弱,易于發(fā)生錯(cuò)位遷移,在對(duì)偶面上形成膜層,具有良好的自潤滑特性,進(jìn)一步降低了鍍層的摩擦磨損特性。

1.4 碳納米管改性

碳納米管(CNTs）是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的一維量子材料。它主要由呈六邊形排列的碳原子構(gòu)成數(shù)層到數(shù)十層的同軸圓管,具有優(yōu)異的力學(xué)性能,其強(qiáng)度是鋼的100倍,密度只有鋼的1/6,被認(rèn)為是制備高性能復(fù)合材料的理想增強(qiáng)材料[24-26]。鍍層中引用CNTs改善了材料的硬度和耐磨減摩性能。當(dāng)復(fù)合鍍層與接觸物體相互摩擦?xí)r,碳納米管的高彈性、高拉抻張力特性即可發(fā)揮作用[27-30]。

陳衛(wèi)祥等[28]對(duì)比研究了 Ni-P/CNTs,Ni-P,Ni-P/SiC,Ni-P/石墨的摩擦學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):CNTs在鍍層中的取向是隨機(jī)的,其在基體中均勻分散起到彌散強(qiáng)化的作用,使得基體的強(qiáng)度和硬度增加;摩擦磨損實(shí)驗(yàn)表明:Ni-P/CNTs復(fù)合鍍層的磨損量只有Ni-P鍍層的1/5,也低于Ni-P/SiC和Ni-P/石墨復(fù)合鍍層的磨損量;Ni-P/CNTs復(fù)合鍍層對(duì)摩時(shí)的摩擦因數(shù)也明顯低于Ni-P,Ni-P/SiC,Ni-P/石墨對(duì)摩時(shí)的摩擦因數(shù)。說明Ni-P/CNTs不僅具有比傳統(tǒng)復(fù)合鍍層更高的耐磨性能,而且具有更好的自潤滑性能。在摩擦過程中部分剝落的CNTs起到潤滑的作用,減小了摩擦副與Ni-P基體的直接接觸摩擦,導(dǎo)致摩擦副與基體的摩擦磨損程度減弱,所以復(fù)合鍍層的磨損速率下降。

Kong等[31]研究了Ni-P/CNTs復(fù)合鍍層的摩擦特性。CNTs與Ni-P共沉積,得到的鍍層仍保持Ni-P合金鍍層的非晶態(tài)結(jié)構(gòu),且硬度較高,摩擦因數(shù)和磨損量顯著降低[32]。經(jīng)400℃熱處理后,鍍層的顯微硬度明顯增加,這與Ni-P發(fā)生晶化行為有關(guān),其生成的Ni3P相具有較高的硬度,提高了復(fù)合鍍層的顯微硬度。復(fù)合鍍層的磨損量在鍍層合金晶化后有所增加。這可能與合金晶化后微粒易于剝落有關(guān)。剝落的微粒成為硬質(zhì)點(diǎn),造成復(fù)合鍍層表面的犁溝式磨損,增大了磨損量。文獻(xiàn)[33-34]的研究結(jié)果表明:CN Ts具有與富勒烯分子相似的性質(zhì)(其端面有碳五元環(huán)的存在）,為同心石墨面圍成的中空?qǐng)A柱體,具有優(yōu)異的自潤滑性能。在與基質(zhì)合金形成復(fù)合鍍層時(shí),CN Ts以網(wǎng)絡(luò)和纏繞形態(tài)均勻地嵌鑲于基體中,且端頭露出,覆蓋于基體表面,使復(fù)合鍍層在摩擦磨損過程中不易脫落,起到潤滑作用,降低磨損量。這是由于CNTs具有類似石墨的自潤滑性,少量的CNTs能形成一層潤滑膜;而鑲嵌在Ni-P晶胞的CNTs像鋼筋骨架一樣起著力的承載和傳遞作用,所以磨損很小,其摩擦因數(shù)也相對(duì)較低。另外,在鍍層中含有一定量的自潤滑材料的復(fù)合鍍層的摩擦因數(shù)相對(duì)較小,磨損過程中大量的磨屑聚集補(bǔ)償磨損表面,穩(wěn)定了摩擦因數(shù);硬質(zhì)點(diǎn)的存在起到了支撐和減緩接觸摩擦力的作用,從而進(jìn)一步提高材料的摩擦磨損性能。

2 結(jié)語

非晶態(tài)合金具有極高的硬度及良好的耐蝕性能,在工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用與發(fā)展。機(jī)械零部件復(fù)合電鍍技術(shù)的應(yīng)用提高了合金鍍層的應(yīng)用領(lǐng)域和零件的加工質(zhì)量及其使用壽命。自潤滑微粒改性的鍍層材料,由于具有較低的摩擦因數(shù)和磨損量,已應(yīng)用于高精度的儀器儀表工業(yè)。因此,有必要對(duì)自潤滑材料的作用機(jī)制進(jìn)行研究,以獲得成本低、耐蝕性高及摩擦學(xué)性能好的結(jié)構(gòu)鍍層,從而提高產(chǎn)品的加工質(zhì)量。

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Analysis on Tribological Properties and Strengthening Mechanism of Self-lubricating Composite Coatings

LINing1, L I Ning1, HUANG Jian-meng2(1. College of Engineering of Zhejiang Normal U niversit y , Jinhua 321004 , China ;2. College of Mechanical Engineering @amp; Auto matio n of Fuzho u U niversity , Fuzho u 350108 , China)

The tribological properties and reinforcement strengthening mechanism of f riction and wear of the self-lubricating composite coatings are analysised and discussed in this paper. The tribological behavior of composite coatings modified with self-lubricating additives as graphite , molybdenum disulfide , polytetrafluoroethylene , carbon nanotubes is discussed , and thestrengthening mechanism of f riction and wear of this composite coatings is also analysed.

self-lubricating ; composite coatings ; tribological properties ; strengthening mechanism.

TQ153

A

1000-4742(2010）06-0005-04

2010-04-29