電刷鍍MoS2－C復(fù)合鍍層摩擦學(xué)性能研究

張 森，李國祿，王海斗，徐濱士，馬國政

（1河北工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津300130；2裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100072）

摩擦不僅導(dǎo)致大量的機(jī)械能消耗，同時(shí)磨損也是機(jī)械零件失效的一個(gè)重要原因，因此針對減摩耐磨材料的研究具有重大的社會和經(jīng)濟(jì)效益[1，2］。固體潤滑技術(shù)發(fā)展應(yīng)用至今已有很長時(shí)間，隨著固體潤滑材料的研究與應(yīng)用，它解決了多種液體潤滑不能解決的復(fù)雜潤滑問題。固體潤滑劑可以代替潤滑油脂應(yīng)用于易被污染、給油困難以及真空輻射等復(fù)雜工況條件，在潤滑油脂中加入固體潤滑顆?？娠@著改善潤滑油脂的摩擦學(xué)性能[3－5］。

MoS2是應(yīng)用時(shí)間較長且應(yīng)用較為廣泛的固體潤滑劑之一，對其摩擦學(xué)性能的研究也較為深入。因其出色的摩擦學(xué)性能，MoS2在空間機(jī)械潤滑中也得到了廣泛的應(yīng)用[6］。到目前為止，已經(jīng)開發(fā)出了很多制備MoS2薄膜的方法如射頻濺射、脈沖直流濺射、磁控濺射、反應(yīng)濺射、離子束輔助沉積、脈沖激光沉積、電沉積法等，此外還有黏結(jié)法制備 MoS2涂層[7，8］。20世紀(jì)90年代以來MoS2薄膜的制備與應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，在控制膜的結(jié)晶及晶粒取向從而獲得較低摩擦因數(shù)方面取得了較大進(jìn)展，但對改善薄膜的抗潮性、提高耐磨壽命進(jìn)而全方位改善薄膜的摩擦學(xué)性能而言，復(fù)合薄膜技術(shù)顯然具有誘人的發(fā)展前景[9］。

本工作采用復(fù)合電刷鍍技術(shù)在GCr15基體上制備了添加納米石墨顆粒的鎳基MoS2－C復(fù)合電刷鍍層，在多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上考察了復(fù)合刷鍍層的摩擦學(xué)性能，包括摩擦因數(shù)和磨損量隨法向載荷以及滑動速率的變化規(guī)律和機(jī)理，為進(jìn)一步完善MoS2薄膜的摩擦學(xué)性能提供了一定的參考。

1 實(shí)驗(yàn)

試樣材料為φ50mm×8mm的GCr15圓盤，經(jīng)過淬火并低溫回火處理得到硬度為HRC58，表面拋光處理后的光潔度為Ra＝0.3μm，刷鍍后測得鍍層表面粗糙度Ra＝0.35μm。電刷鍍電源采用模修刷鍍兩用電源，電源可在實(shí)驗(yàn)中實(shí)時(shí)顯示所消耗電量，進(jìn)而通過耗電量以及試樣表面積計(jì)算鍍層厚度（Q＝δ×C×S×K，其中δ為鍍層厚度；S為被鍍面積；C為耗電系數(shù)；K為損耗系數(shù)）。鍍液為快速鎳添加30g／L二硫化鉬和20g／L石墨顆粒，添加的二硫化鉬粒度為50μm而石墨顆粒粒度為40nm，采用機(jī)械攪拌24h后超聲震蕩1h處理以解決納米顆粒在鍍液中的團(tuán)聚現(xiàn)象。為控制鍍液中的石墨含量，鍍筆采用10mm×10mm×5mm的316L鋼包裹醫(yī)用脫脂棉及滌綸棉套制得。為保證鍍層質(zhì)量，實(shí)驗(yàn)采用自動刷鍍小車橫向勻速刷鍍。在刷鍍前，對試樣依次進(jìn)行電凈、2號活化、3號活化以及特鎳鍍液打底（約為4μm）后刷鍍實(shí)驗(yàn)所需復(fù)合鍍層。

摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)采用裝備再制造國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研制的MSTS－1多功能空間摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)可在大氣至1×10－5Pa的真空環(huán)境中穩(wěn)定進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采用“球－盤”接觸方式，實(shí)驗(yàn)時(shí)φ9.525mm 的GCr15鋼球保持靜止而試樣在伺服電機(jī)帶動下勻速轉(zhuǎn)動。鋼球硬度為 HRC58，表面粗糙度Ra＝0.32μm。試驗(yàn)機(jī)在軟件、硬件配合下可對摩擦力、摩擦溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、顯示以及處理，并可以實(shí)時(shí)顯示摩擦力和摩擦因數(shù)曲線[10］。

實(shí)驗(yàn)測定摩擦學(xué)性能隨載荷變化時(shí)，固定滑動速率分別為100，200，300r／min，載荷變化為12，15，18，21N。測定摩擦學(xué)性能隨滑動速率變化時(shí)固定載荷分別為 15，18，21N，滑動速率變化為 100，200，300，400r／min。采用精度為10－5g的電子分析天平對實(shí)驗(yàn)前后的試樣進(jìn)行分析并計(jì)算磨損率，采用掃描電子顯微鏡對摩擦實(shí)驗(yàn)后的試樣磨痕表面進(jìn)行觀察，所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均為3次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 鍍層表面與成分分析

圖1為電刷鍍層表面形貌對比照片，圖1（a）為未添加納米石墨顆粒的鍍層表面，圖1（b）為添加20g／L石墨顆粒鍍層表面。鍍層均呈現(xiàn)典型的“電刷鍍菜花頭”結(jié)構(gòu)，且表面平整光滑，未發(fā)現(xiàn)明顯氣孔、結(jié)瘤以及局部組織粗大等情況。

圖1 鍍層表面形貌 （a）未添加納米石墨顆粒；（b）添加納米石墨顆粒Fig.1 The surface morphology of coating （a）MoS2coating；（b）MoS2－C coating

圖2為鍍層的截面形貌，鍍層沉積致密均勻，厚度平均為100μm，與通過實(shí)驗(yàn)消耗電量與試樣面積計(jì)算得出鍍層厚度相差不大。因電刷鍍工藝保持了原始MoS2晶粒的片狀結(jié)構(gòu)，并且形成了與基面和鍍層平行的擇優(yōu)取向進(jìn)而保證了其優(yōu)異的摩擦學(xué)性能。

由圖1對比可知，添加納米石墨顆粒的鍍層呈現(xiàn)的“菜花頭”組織較未添加石墨顆粒的組織均勻細(xì)小。進(jìn)一步分析表明，添加的納米顆粒在鍍液中彌散分布并與基質(zhì)金屬緊密結(jié)合，細(xì)化了鍍層的晶粒尺寸，改善了鍍層的沉積效果。采用HV－1000數(shù)顯顯微硬度儀對鍍層與基體的顯微硬度進(jìn)行分析，研究表明：納米顆粒作為均勻形核的質(zhì)點(diǎn)在鍍液中彌散分布起到了彌散強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化的作用，測得鍍層硬度為HV433，與鎳基鍍層顯微硬度HV410相比未得到明顯的提高，這是因?yàn)殄儗犹砑泳鶠檐涃|(zhì)點(diǎn)，顯微硬度變化并不明顯，但軟質(zhì)點(diǎn)的加入使鍍層的韌性得到了改善從而易于潤滑轉(zhuǎn)移膜的形成。

圖2 MoS2－C鍍層截面形貌Fig.2 Morphologies of cross－section of MoS2－C coating

圖3 MoS2－C復(fù)合鍍層能譜分析Fig.3 Analysis results of MoS2－C coating by EDS

圖3為鍍層EDS能譜圖，為控制鍍層石墨含量，實(shí)驗(yàn)采用不含碳316L鋼制作鍍筆，并且在表面活化時(shí)選用3號活化液去除表面刻蝕炭黑，因此能譜所示碳含量為添加納米石墨顆粒。在實(shí)驗(yàn)過程中，部分石墨顆粒被氧化但未改變其層狀結(jié)構(gòu)，因此其潤滑效果未受到嚴(yán)重破壞。圖4為復(fù)合鍍層X射線光電子能譜分析圖，由圖4可知元素Mo以及元素S呈化合態(tài)，Mo為＋4價(jià)而S為－2價(jià)，因此分析可得鍍層中添加MoS2除少部分潮解外其他大部分均以MoS2存在。

圖4 MoS2－C鍍層的 X射線光電子能譜分析 （a）Mo4＋ ；（b）S2－Fig.4 Analysis results of MoS2－C coating by XPS （a）Mo4＋ ；（b）S2－

2.2 鍍層摩擦學(xué)性能分析

圖5 鍍層（a）與基體（b）摩擦因數(shù)隨時(shí)間變化Fig.5 Friction coefficient of MoSC coating（a）and substrate（b）with slidingtime

圖5為鍍層與基體在相同參數(shù)條件下摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化，固定滑動速率為100r／min，載荷為15N，試驗(yàn)機(jī)采樣間隔為0.1s。圖5（a）為復(fù)合鍍層實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在試驗(yàn)機(jī)啟動瞬間鋼球撞擊摩擦力傳感器導(dǎo)致試驗(yàn)機(jī)顯示摩擦力過大，正常運(yùn)轉(zhuǎn)后恢復(fù)正常。摩擦因數(shù)在100s前呈現(xiàn)上升趨勢，此時(shí)摩擦主要發(fā)生在鍍層氧化膜表面因而摩擦因數(shù)較小。隨后氧化膜去除摩擦副接觸面開始出現(xiàn)鍍層轉(zhuǎn)移膜，隨著摩擦的加劇和轉(zhuǎn)移膜的黏著轉(zhuǎn)移，摩擦因數(shù)逐漸增大，當(dāng)達(dá)到最大值時(shí)摩擦因數(shù)趨于穩(wěn)定，且維持在0.05左右。摩擦實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)出明顯的“啟動—跑和—穩(wěn)定磨損”三個(gè)階段。圖5（b）為基體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可見沒有潤滑材料的基體在實(shí)驗(yàn)過程中摩擦磨損劇烈且摩擦因數(shù)上下波動幅度較大，并在實(shí)驗(yàn)過程中伴隨劇烈刺耳噪音，摩擦因數(shù)迅速上升，僅在1100s時(shí)摩擦因數(shù)過大試驗(yàn)機(jī)報(bào)警，而復(fù)合鍍層在1200s時(shí)摩擦因數(shù)依然維持穩(wěn)定，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中試驗(yàn)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)未出現(xiàn)復(fù)雜噪音。

結(jié)合鍍層磨痕形貌照片圖6（a）可知，在1200s時(shí)復(fù)合鍍層磨痕僅出現(xiàn)了輕微的磨損犁溝，鍍層整體相對平滑完整。在同樣的實(shí)驗(yàn)時(shí)間時(shí)，基體則磨損嚴(yán)重并已出現(xiàn)了表面材料的剝落以及材料局部堆積進(jìn)而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)過程中摩擦因數(shù)波動較大（圖6（b））。因此，綜上所述復(fù)合電刷鍍層摩擦因數(shù)低、摩擦磨損穩(wěn)定、減摩效果明顯。

圖6 鍍層與基體磨痕形貌 （a）鍍層；（b）基體Fig.6 Worn morphologies of coating and substrate（a）MoS2－C coating；（b）substrate

圖7為摩擦因數(shù)以及磨損率與法向載荷變化關(guān)系，實(shí)驗(yàn)滑動速率設(shè)定在100，200，300r／min，法向載荷為12，15，18，21N，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為1200s。研究表明，當(dāng)實(shí)驗(yàn)滑動速率設(shè)定為100r／min，法向載荷為12N時(shí)摩擦因數(shù)相對較高為0.075，隨著載荷的增加復(fù)合鍍層的摩擦因數(shù)逐漸降低，當(dāng)載荷增大到21N時(shí)，鍍層的摩擦因數(shù)達(dá)到0.06左右。研究認(rèn)為隨著載荷的增大和磨損的加劇，鍍層材料的塑性流動性也相應(yīng)增大，進(jìn)而潤滑轉(zhuǎn)移膜量增多使摩擦副界面完全由轉(zhuǎn)移膜包裹，同時(shí)由于載荷增大導(dǎo)致摩擦溫度升高也相應(yīng)地降低了鍍層的黏著力，導(dǎo)致摩擦因數(shù)呈現(xiàn)下降的趨勢，如圖7（a）可知摩擦因數(shù)下降趨勢逐漸變緩，并不能通過增大載荷而無限降低摩擦因數(shù)。當(dāng)實(shí)驗(yàn)滑動速率設(shè)定為200，300r／min時(shí)所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果均呈現(xiàn)同上趨勢。即隨著法向載荷的增加鍍層摩擦因數(shù)相應(yīng)降低。根據(jù)赫茲接觸理論模型α，S與α為材料相關(guān)系數(shù)，W 為法向載荷，R為對磨鋼球半徑，E為摩擦副的等效彈性模量）可得，薄膜材料的摩擦因數(shù)主要與施加的載荷有關(guān)，隨著載荷的增加薄膜材料的摩擦因數(shù)有所降低，這與所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符[11］。

圖7 摩擦因數(shù)（a）與磨損率（b）隨法向載荷的變化關(guān)系Fig.7 Variation of friction coefficient（a）and wear rate（b）with load

進(jìn)一步分析表明，隨著載荷的增大鍍層表面的摩擦加劇，并且在鍍層表面出現(xiàn)材料轉(zhuǎn)移膜以及轉(zhuǎn)移膜的去除。而當(dāng)載荷繼續(xù)增大時(shí)，較大的作用力使得鍍層材料承受大的反復(fù)循環(huán)應(yīng)力，鍍層材料逐漸趨于疲勞狀態(tài)，最終局部出現(xiàn)鱗片狀剝落。如圖7（b）所示，隨著載荷的增大磨損率逐漸增大，當(dāng)鍍層處于劇烈磨損時(shí)，局部鍍層磨穿使摩擦集中在試驗(yàn)機(jī)鋼球與基體上使磨損率上升趨勢變緩。結(jié)合鍍層的磨痕形貌（圖8）可知，在低載荷時(shí)僅出現(xiàn)輕微的劃痕和犁溝，還未出現(xiàn)明顯的材料轉(zhuǎn)移（圖8（a））；當(dāng)載荷增大時(shí)摩擦磨損加劇鍍層出現(xiàn)了局部材料的轉(zhuǎn)移和堆積，進(jìn)一步觀察鍍層局部開始出現(xiàn)輕微裂紋（圖8（b））；鍍層材料在大載荷的作用下開始出現(xiàn)大規(guī)模的材料轉(zhuǎn)移以及鍍層材料局部去除，鍍層的微觀裂紋逐漸擴(kuò)散（圖8（c））；當(dāng)載荷為21N時(shí)鍍層出現(xiàn)了如圖8（d）的鱗片狀剝落。

圖8 滑動速率為100r／min不同載荷下鍍層的磨痕形貌（a）12N；（b）15N；（c）18N；（d）21NFig.8 Worn morphologies of coating with 100r／min under different normal loads（a）12N；（b）15N；（c）18N；（d）21N

圖9為摩擦因數(shù)以及磨損率與滑動速率的變化關(guān)系。實(shí)驗(yàn)中固定載荷為15，18，21N，實(shí)驗(yàn)滑動速率依次為100，200，300r／min和400r／min。隨著滑動速率的升高，摩擦界面溫度升高進(jìn)而降低了摩擦接觸點(diǎn)間的黏著力，同時(shí)由于滑動速率增加使得摩擦界面間的峰峰接觸時(shí)間減少進(jìn)而鍍層的摩擦因數(shù)逐漸降低。在滑動速率增至300r／min時(shí)摩擦因數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定（圖9（a））。

圖9 摩擦因數(shù)（a）與磨損率（b）隨滑動速率的變化關(guān)系Fig.9 Variation of friction coefficient（a）and wear rate（b）with sliding velocity

當(dāng)滑動速率逐漸增大時(shí)，磨損量并未出現(xiàn)明顯的變化趨勢，當(dāng)滑動速率增至300r／min時(shí)磨損率下降，分析認(rèn)為在高速磨損后期，磨損加劇使得鍍層局部將要磨穿，此時(shí)磨損將要發(fā)生在試驗(yàn)機(jī)鋼球與基體表面之間，磨損量增加開始變緩導(dǎo)致磨損率降低。而在滑動速率較小的時(shí)候，鍍層處于穩(wěn)定磨損階段，穩(wěn)定磨損量線性變化并沒有導(dǎo)致磨損率發(fā)生明顯變化（圖9（b））。

圖10為鍍層表面磨痕形貌，當(dāng)滑動速率較低時(shí)鍍層為輕微磨損，鍍層表面平整僅出現(xiàn)輕微劃痕未出現(xiàn)明顯的材料的堆積和轉(zhuǎn)移（圖10（a））；隨著摩擦的加劇鍍層出現(xiàn)明顯的材料轉(zhuǎn)移如圖10（b）所示；隨著滑動速率的增加鍍層表面的磨損量不斷增加，當(dāng)滑動速率增至300r／min時(shí)由于應(yīng)變疲勞鍍層出現(xiàn)了明顯的材料去除和微裂紋的擴(kuò)展（圖10（c））；此時(shí)繼續(xù)增大滑動速率出現(xiàn)了較為明顯的局部鍍層剝落（圖10（d））；由EDS能譜分析可得，劇烈磨損導(dǎo)致的鍍層剝落處鍍層并沒有磨穿，仍有相對較好的減磨效果，可見鍍層與基體的結(jié)合強(qiáng)度較高可持續(xù)發(fā)揮潤滑效果。

圖10 載荷為15N時(shí)不同滑動速率下鍍層的磨痕形貌（a）100r／min；（b）200r／min；（c）300r／min；（d）400r／minFig.10 Worn morphologies of coating under 15Nwith different sliding velocity（a）100r／min；（b）200r／min；（c）300r／min；（d）400r／min

3 結(jié)論

（1）采用復(fù)合電刷鍍技術(shù)制備了厚約100μm的MoS2－C復(fù)合鍍層，鍍層表面平整，組織均勻，晶粒細(xì)小，鍍層與基體結(jié)合良好，復(fù)合鍍層摩擦學(xué)性能優(yōu)異。

（2）隨著法向載荷的增加，鍍層摩擦因數(shù)逐漸降低而磨損率隨之增加。隨著滑動速率的增加，鍍層摩擦因數(shù)逐漸降低而磨損率變化并不明顯。

（3）實(shí)驗(yàn)研究表明復(fù)合刷鍍層摩擦磨損穩(wěn)定，磨損主要為黏著磨損，鍍層表面疲勞主要為擦傷和局部鱗片剝落。

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