采用端面帶孔電極進(jìn)行電火花沉積制備自潤(rùn)滑涂層

曹同坤，孫 何，王曉明

(青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061)

采用端面帶孔電極進(jìn)行電火花沉積制備自潤(rùn)滑涂層

曹同坤，孫 何，王曉明

(青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061)

采用端面帶孔電極，在孔中填充MoS2，利用電火花沉積(ESD)方法在高速鋼基體上制備Cu-MoS2自潤(rùn)滑涂層。分析自潤(rùn)滑涂層的成分及微觀形貌，研究電容、沉積時(shí)間對(duì)自潤(rùn)滑涂層厚度的影響，以及自潤(rùn)滑涂層的摩擦性能和磨損機(jī)理。結(jié)果表明：采用這種電極制備的自潤(rùn)滑涂層中只存在MoS2和Cu。其微觀形貌顯示，自潤(rùn)滑涂層表面凹凸不平，并存在氣孔，呈現(xiàn)典型的電火花沉積特征；在第3擋電容下，自潤(rùn)滑涂層的表面質(zhì)量最好。隨著電容、沉積時(shí)間的增加，涂層厚度出現(xiàn)先增加后下降的規(guī)律。在第3擋下制備的自潤(rùn)滑涂層的摩擦因數(shù)最小，隨著摩擦?xí)r間的增加，在第1擋和第3擋下制備的自潤(rùn)滑涂層的摩擦因數(shù)都比較穩(wěn)定，而在第5擋下制備的自潤(rùn)滑涂層的摩擦因數(shù)具有明顯的上升趨勢(shì)。SEM照片表明，磨損表面具有滑移剪切的現(xiàn)象。

電火花沉積；自潤(rùn)滑涂層；微觀形貌；摩擦磨損

Abstract： Cu-MoS2self-lubricating coatings were prepared on high speed steel by electro-spark deposition (ESD) by electrode with drilled holes at the end of faces. The holes were filled with MoS2. The composition and micro morphology of the coatings were analysed. The effects of capacitance and deposition time on coating thickness were studied, and also the friction performance and wear mechanism were studied. The results show that there is nothing but MoS2and Cu exist in the coating fabricated by this way. The micrographs show that the coating surface is uneven and many pores existing on the surface, showing typical characteristics of ESD; the surface quality is the best when it was prepared in the 3rd grade capacitance. Coating thickness firstly increases and then decreases with the increase of capacitance and deposition time. The self-lubricating coating prepared in the 3rd-grade capacitance has the lowest friction coefficient. The friction coefficients of the self-lubricating coatings prepared in the 1st and the 3rd grades stay almost constant with the increase of friction time. The friction coefficient of self-lubricating coatings prepared in the 5th grade show a clear upward trend when friction time increases. Scanning electron microscope images show shear-slip phenomenon on the wear surface.

Keywords：electro-spark deposition; self-lubricating coating; micro morphology; friction and wear

在工業(yè)生產(chǎn)的過(guò)程中，摩擦導(dǎo)致了零件的磨損量不斷增加，甚至出現(xiàn)了零件不能繼續(xù)使用的現(xiàn)象。同時(shí)，摩擦也導(dǎo)致了能源的浪費(fèi)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，工業(yè)化國(guó)家能源的30%消耗于摩擦[1]。傳統(tǒng)的減少摩擦磨損的方法是使用潤(rùn)滑液、潤(rùn)滑脂，但在高溫、低溫、真空、強(qiáng)輻射等惡劣條件下，傳統(tǒng)的潤(rùn)滑方式不能滿足要求[2，3]，人們用固體潤(rùn)滑劑來(lái)解決這一問(wèn)題[4]。目前，在保持零件母體材料原有性能的基礎(chǔ)上，采用涂層技術(shù)在摩擦副表面制備耐磨損的自潤(rùn)滑涂層，是進(jìn)行減摩抗磨的一種重要方式[5，6]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)自潤(rùn)滑涂層開(kāi)展了諸多研究，自潤(rùn)滑涂層制備目前主要有化學(xué)氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、離子注入、燒結(jié)、熱噴涂等方法[7-11]。CVD和PVD在涂層制備方面獲得廣泛應(yīng)用。CVD涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度較高，涂層具有很好的耐磨性，薄膜厚度可達(dá)7～9μm。但CVD工藝亦有其不足，其工藝溫度高，易造成基體材料強(qiáng)度下降；涂層內(nèi)呈拉應(yīng)力狀態(tài)，使用時(shí)容易產(chǎn)生微裂紋；并且產(chǎn)生的廢氣、廢液會(huì)對(duì)環(huán)境造成較大污染。與CVD工藝相比，PVD工藝處理溫度低，對(duì)環(huán)境沒(méi)有不利影響。但PVD方法需要使用比較復(fù)雜的專用設(shè)備，而且必須有預(yù)處理過(guò)程，制備時(shí)間較長(zhǎng)，一般都在五六個(gè)小時(shí)以上，制備的涂層一般比較薄，只有幾個(gè)微米，且涂層與基體之間的黏著力較差易脫落?，F(xiàn)有的制備方法，仍然沒(méi)有很好地解決同時(shí)保證自潤(rùn)滑涂層的結(jié)合強(qiáng)度、較厚的厚度和自潤(rùn)滑性能的問(wèn)題。

電火花沉積技術(shù)是采用脈沖電源，利用瞬時(shí)脈沖電能，在電極與基體材料間形成放電通道，在高溫、高壓作用下，將電極材料熔融沉積到基體表面。電火花沉積并不是簡(jiǎn)單的涂鍍沉積過(guò)程，而是由電極和工件材料在電火花沉積過(guò)程中發(fā)生劇烈擴(kuò)散和重新合金化的過(guò)程，是一種冶金結(jié)合。因此，涂層與基體間結(jié)合緊密，這是電火花沉積制備的涂層優(yōu)于其他方法的一個(gè)重要原因。國(guó)內(nèi)外對(duì)電火花沉積方面的研究主要集中于表面強(qiáng)化，對(duì)涂層材料的研究主要集中在硬質(zhì)合金和陶瓷材料方面[12-14]。

本工作采用端面帶孔電極，在孔中填充MoS2，利用電火花沉積(ESD)方法在高速鋼基體上制備了Cu-MoS2自潤(rùn)滑涂層，通過(guò)電火花沉積與基體形成冶金型牢固結(jié)合，并將固體潤(rùn)滑劑包絡(luò)在其中，使自潤(rùn)滑涂層具有很高的結(jié)合強(qiáng)度，又具有良好的潤(rùn)滑性能。同時(shí)，電火花沉積能夠獲得較厚的涂層。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 電極的制備

選用φ6.0mm×60mm的純銅(純度大于98%)，將其一端面先加工出小孔，如圖1所示，小孔直徑為φ0.8mm。將二硫化鉬粉末填充于孔內(nèi)，并將所填充在孔內(nèi)的粉末壓實(shí)。MoS2平均粒徑在2μm左右，粉末純度大于99%。

圖1 電極Fig.1 Electrode

1.2 涂層制備

采用20mm×20mm的高速鋼W18Cr4V(HSS)作為基體材料。沉積自潤(rùn)滑涂層前，先用500目(粒度約25μm)的砂紙打磨基體材料表面以去除氧化皮，再用濃度為99.5%的丙酮清洗打磨后的表面和電極以去除油污，然后用無(wú)水乙醇清洗，最后用熱風(fēng)吹干。

采用電火花沉積機(jī)進(jìn)行制備涂層，其規(guī)格為：220V/50Hz，功率：350W。其電容六擋可調(diào)，隨著電容擋位增加(80-160-240-320-400-480μF)，電容增大，電極為振動(dòng)方式，沉積時(shí)間為15min。利用TT260型覆層測(cè)厚儀測(cè)量自潤(rùn)滑涂層厚度，涂層厚度測(cè)量6個(gè)試樣，然后取平均值。采用X射線衍射儀對(duì)涂層組成進(jìn)行分析，用掃描電鏡對(duì)自潤(rùn)滑涂層的表面形貌進(jìn)行分析。

1.3 摩擦實(shí)驗(yàn)

采用SFT-2M銷盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，摩擦實(shí)驗(yàn)時(shí)采用的參數(shù)如下：主軸轉(zhuǎn)速為400r/min，對(duì)磨件采用直徑為3mm 的淬火GCr15 鋼球，硬度為50～60HRC，回轉(zhuǎn)直徑為6mm，載荷為500g，室溫時(shí)無(wú)潤(rùn)滑干磨損時(shí)間為10min。摩擦?xí)r，采用滑動(dòng)摩擦方式，鋼球固定。摩擦因數(shù)測(cè)量3次，取平均值。用掃描電鏡對(duì)自潤(rùn)滑涂層的磨損表面進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 自潤(rùn)滑涂層的化學(xué)相容性分析

根據(jù)最小自由焓原理，當(dāng)最小自由焓ΔG<0時(shí)，等溫等壓條件下封閉體系中的反應(yīng)會(huì)自發(fā)進(jìn)行。當(dāng)采用Cu/MoS2作為電極在高速鋼表面進(jìn)行電火花沉積時(shí)，可能存在以下幾種化學(xué)反應(yīng)，如表1所示。

圖2是采用Cu/MoS2在高速鋼表面制備涂層的X射線衍射圖。由圖2可以看出，自潤(rùn)滑涂層中沒(méi)有新物質(zhì)的生成。然而，由表1可以看出，MoS2與Cu、高速鋼之間，在高溫下可能會(huì)發(fā)生多種化學(xué)反應(yīng)。這可能是由于MoS2沒(méi)有受到足夠的高溫。當(dāng)電火花放電時(shí)，高溫只出現(xiàn)在放電通道內(nèi)。而MoS2是不導(dǎo)電的，因此由圖1中的電極結(jié)構(gòu)可以看出，在本實(shí)驗(yàn)條件下，MoS2不可能直接處于放電通道內(nèi)。在電極的振動(dòng)作用下，MoS2是通過(guò)熔融的Cu的攜帶而轉(zhuǎn)移到基體表面的。當(dāng)然熔融的Cu或基體材料的溫度也可能使反應(yīng)發(fā)生，但是單次電火花沉積過(guò)程是一個(gè)瞬時(shí)發(fā)生的過(guò)程，火花放電及熔融材料的冷卻都在極短的時(shí)間內(nèi)完成，而大部分可能的反應(yīng)都要在很高的溫度下才能進(jìn)行，所以在這一過(guò)程中沒(méi)有足夠時(shí)間使反應(yīng)充分進(jìn)行。盡管，在沉積過(guò)程中有少量材料發(fā)生反應(yīng)的可能，但是由于數(shù)量較少，特別是對(duì)于本身含量就很低的成分，所以X射線衍射方式并沒(méi)有檢測(cè)出來(lái)。

表1 涂層可能的化學(xué)反應(yīng)Table 1 Possible chemical reaction of the coating

圖2 X射線衍射圖譜Fig.2 X-ray diffraction pattern

2.2Cu-MoS2-HSS涂層的微觀形貌

圖3為在不同擋位下制備的自潤(rùn)滑涂層典型微觀形貌的SEM照片。由圖3可以看出，自潤(rùn)滑涂層表面并不光滑，呈現(xiàn)明顯的濺射形貌，具有電火花沉積的典型特征。涂層整體相對(duì)比較均勻，表面有氣孔存在。沉積層表面是由無(wú)數(shù)微小的材料顆粒熔融后凝結(jié)而成。這是由于電火花沉積技術(shù)是一種高能量的瞬間釋放的工藝，將電極和基體材料瞬間融化后，在基體形成一個(gè)微小的沉積點(diǎn)，這就是電火花沉積工藝的一次沉積過(guò)程。在沉積過(guò)程中，電極按照一定的規(guī)律進(jìn)行移動(dòng)，無(wú)數(shù)沉積點(diǎn)就會(huì)相互疊加和融合，從而在基體表面形成合金化的沉積層。涂層表面局部存在明顯的氣孔，這是由于電火花沉積工藝是在高溫高壓下，瞬間將電極和基體材料融化，在冷卻過(guò)程中，熔融的材料體積不斷變小，從而夾雜在其內(nèi)部的空氣在熱脹冷縮的作用下沖出體外，并在涂層表面形成一個(gè)微孔。同時(shí)，一次火花放電熔融的材料很少，在空氣和基體自身的冷卻作用下，使得熔融狀態(tài)下的電極和基體材料在極短的時(shí)間內(nèi)迅速凝固在一起，不能充分流動(dòng)填充這個(gè)微孔，從而形成氣孔。

圖3 不同電容檔位下制備涂層的微觀形貌(a)第1擋電容；(b)第3擋電容；(c)第5擋電容Fig.3 Microstructure of coatings prepared in different capacitance grades(a)grade capacitance 1；(b)grade capacitance 3；(c)grade capacitance 5

從圖3中可以看出，不同電容檔位下，自潤(rùn)滑涂層表面的粗糙程度也不一樣。在第1擋電容下制備的涂層表面比較平整，但是有較多小孔，而第3擋電容下制備的涂層最光滑平整，氣孔也最少，因此涂層質(zhì)量最好，在第5擋電容下制備的涂層，表面最不平整，而且有較多氣孔，氣孔的尺寸也較大。這是因?yàn)椋娀鸹ǔ练e過(guò)程是材料的重熔凝結(jié)過(guò)程，并且單次熔融的材料與電容大小有關(guān)。在第1擋電容時(shí)，電容較小，單次放電熔融的材料較少，由于高速鋼具有較好的熱傳導(dǎo)性，熔滴具有強(qiáng)烈的流體對(duì)流[15]，因此熔滴很快冷卻下來(lái)，而沒(méi)有充分時(shí)間進(jìn)行流動(dòng)。當(dāng)熔滴凝固時(shí)，形成的沉積點(diǎn)高度較大，使得涂層表面不平整。當(dāng)在第3擋電容時(shí)，電容增大，單次熔融的材料較多，因此熔滴有較多的時(shí)間流動(dòng)，反而使得沉積點(diǎn)高度較小，表面凸起較低，氣孔減少，因此表面質(zhì)量最好。隨著電容進(jìn)一步增大，電火花放電量增大，單次脈沖能形成大的熔滴，使得單次沉積材料最多，盡管有更多時(shí)間流動(dòng)，但是熔滴在較短時(shí)間內(nèi)凝固，并不能保證其充分流動(dòng)，最終形成的表面凸起還是較大，同時(shí)，隨著電容的增加，材料的氣化更嚴(yán)重，因此，表面形成的氣孔多，而且尺寸較大。

圖4是Cu/MoS2涂層表面存在裂紋的SEM圖。由圖4可以看出，涂層表面局部區(qū)域出現(xiàn)裂紋。由于熱膨脹系數(shù)的不匹配，Cu/MoS2涂層和基體高速鋼之間存在著殘余熱應(yīng)力，當(dāng)產(chǎn)生的應(yīng)力足夠大時(shí)，將會(huì)在涂層間產(chǎn)生貫穿裂紋。在電火花沉積涂層過(guò)程中，由于放電時(shí)間很短，瞬時(shí)放電溫度很高，而且在沉積后，沉積層在很短的時(shí)間內(nèi)從高溫冷卻到室溫，熔融或氣化的材料冷卻速度不同，所以會(huì)在沉積層中產(chǎn)生熱應(yīng)力和表面殘余熱應(yīng)力。在電火花沉積自潤(rùn)滑涂層過(guò)程中，沉積層會(huì)被反復(fù)加熱冷卻，這個(gè)循環(huán)過(guò)程會(huì)造成涂層內(nèi)產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，因此會(huì)在沉積層內(nèi)產(chǎn)生大量平行或垂直于的基體表面裂紋。當(dāng)涂層中裂紋形成后，隨著沉積層被反復(fù)加熱冷卻，裂紋會(huì)逐漸擴(kuò)展并連接起來(lái)，最終沿垂直于基體表面方向擴(kuò)展的裂紋延伸至表面，形成表面宏觀裂紋。

圖4 自潤(rùn)滑涂層的表面裂紋Fig.4 Cracks on the coating surface

2.3 涂層厚度的影響因素

2.3.1 電容對(duì)涂層厚度的影響

圖5為涂層厚度隨電容擋位變化的曲線。由圖5可以看出，隨著電容的不斷增大，涂層厚度先增加，隨后減小。當(dāng)采用4擋電容沉積時(shí)，涂層的厚度達(dá)到最大的62μm。這是由于電火花沉積是一種熔融再沉積過(guò)程，隨著電容增加，放電能量增大，電極熔融金屬增多，沉積到基體表面上的材料也就增加，因此，隨著電容的增大，涂層厚度隨之增加。但隨著放電能量的增大，熔融液滴的飛濺作用也增強(qiáng)，同時(shí)隨著放電能量增大，氣化的金屬越多，飛濺作用越強(qiáng)，因此，隨著電容的進(jìn)一步增加，飛濺出來(lái)的金屬也就越多，沉積到基體上的材料越少。另一方面，隨著放電能量增加，熱沖擊增強(qiáng)，涂層中的應(yīng)力也會(huì)增加，造成涂層表面會(huì)出現(xiàn)微裂紋(圖4)。這樣，在熱沖擊作用下涂層容易出現(xiàn)剝落現(xiàn)象。因此隨著電容進(jìn)一步的增加，出現(xiàn)了涂層厚度減少的現(xiàn)象。

圖5 涂層厚度隨電容擋位變化的曲線Fig.5 Change of coating thickness with increasing capacitance

2.3.2 沉積時(shí)間對(duì)涂層厚度的影響

圖6為涂層厚度隨沉積時(shí)間變化的曲線。由圖6可以看出，開(kāi)始時(shí)，沉積層的厚度隨著沉積時(shí)間的增長(zhǎng)而增加，當(dāng)沉積復(fù)合材料的時(shí)間達(dá)到10min時(shí)，沉積層的厚度達(dá)到最大值71μm。隨后，隨著沉積時(shí)間增長(zhǎng)，沉積層的厚度下降。這是因?yàn)樵陂_(kāi)始階段涂層厚度較小，隨著沉積時(shí)間的增加，沉積到基體上的材料越多，出現(xiàn)厚度不斷增加的現(xiàn)象。但由于電火花沉積涂層是由無(wú)數(shù)沉積點(diǎn)組成，隨沉積時(shí)間的進(jìn)一步增加，涂層受到的熱沖擊次數(shù)也不斷增加，熱沖擊作用增強(qiáng)，因

圖6 涂層厚度隨沉積時(shí)間變化的曲線Fig.6 Change of coating thickness with increasing deposition time

此在涂層內(nèi)部會(huì)造成熱應(yīng)力的增加，最后會(huì)產(chǎn)生與圖4類似的疲勞裂紋[16]，在電火花爆炸和電極的機(jī)械作用下，破裂的碎片脫離沉積層飛濺出去，導(dǎo)致沉積層厚度下降。

2.4 自潤(rùn)滑涂層的摩擦性能及磨損機(jī)理

圖7為自潤(rùn)滑涂層的摩擦因數(shù)隨時(shí)間變化的曲線。由圖7可以看出， 在初始階段摩擦因數(shù)變化較大，此時(shí)自潤(rùn)滑涂層處于磨合階段，隨著摩擦?xí)r間的延長(zhǎng)，逐漸進(jìn)入穩(wěn)態(tài)磨損階段。在初始磨合階段，由于涂層表面凹凸不平，涂層和對(duì)磨球的表面接觸時(shí)，實(shí)際接觸面積很小，因此接觸點(diǎn)處具有很大的接觸應(yīng)力[17]。當(dāng)接觸應(yīng)力達(dá)到自潤(rùn)滑涂層的屈服極限時(shí)，接觸點(diǎn)處的金屬發(fā)生塑性流動(dòng)，摩擦阻力增大，并且涂層的凸起會(huì)很快被磨平，在此過(guò)程中實(shí)際接觸面積在不斷變化，因此摩擦因數(shù)不穩(wěn)定。隨著接觸面積的增大，摩擦因數(shù)趨于穩(wěn)定， 這期間主要由微凸體的犁削作用支配摩擦因數(shù)。圖8為自潤(rùn)滑涂層在不同摩擦?xí)r間下的磨損表面SEM照片。由圖8可以看出，當(dāng)摩擦20s后，涂層表面的部分凸起的頂峰已經(jīng)被磨平，當(dāng)摩擦3min后，涂層表面的大部分凸起已經(jīng)快被磨平了。

圖7 涂層的摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化曲線Fig.7 Change of friction coefficient with increasing time for coatings

圖8 自潤(rùn)滑涂層在不同摩擦?xí)r間下的磨損表面(a)20s；(b)3minFig.8 Worn surfaces under different slid time(a)20s；(b)3min

從圖7中可以看出，在第5擋下制備的自潤(rùn)滑涂層的摩擦因數(shù)最大，而在第3擋下制備的自潤(rùn)滑涂層的摩擦因數(shù)最小，低于0.2。這是因?yàn)椋诘?擋下制備的自潤(rùn)滑涂層的表面最平整且氣孔最少，在第5擋下制備的自潤(rùn)滑涂層最粗糙，氣孔較多而且尺寸較大，同時(shí)，在沉積過(guò)程中出現(xiàn)裂紋的概率也最大，這些都使得其摩擦因數(shù)最大。

隨著摩擦?xí)r間的增加，在第1擋和第3擋下制備的自潤(rùn)滑涂層的摩擦因數(shù)都比較穩(wěn)定，而在第5檔下制備的自潤(rùn)滑涂層的摩擦因數(shù)具有明顯的上升趨勢(shì)。這是由于，在大電容下制備的自潤(rùn)滑涂層會(huì)存在表面裂紋，而且具有較大的氣孔，在摩擦過(guò)程中由于裂紋的存在，自潤(rùn)滑涂層很容易沿裂紋處發(fā)生剝落，在摩擦循環(huán)應(yīng)力下，較大的氣孔也更容易產(chǎn)生新的裂紋。因此，隨著摩擦的進(jìn)行，在摩擦應(yīng)力及熱應(yīng)力下，第5擋的自潤(rùn)滑涂層部分表面被破壞脫落，使得摩擦因數(shù)具有上升的趨勢(shì)。圖9為磨損表面已經(jīng)存在裂紋的SEM照片。由圖9可以看出，磨損表面中的裂紋還沒(méi)有被磨損到，說(shuō)明裂紋是磨損前就存在的，這些裂紋的存在會(huì)導(dǎo)致自潤(rùn)滑涂層在摩擦過(guò)程中很快脫落，影響摩擦性能。

圖10為涂層磨損表面微觀形貌的SEM照片。由圖10可以看出，涂層磨損處與未磨損處存在明顯的界線。磨損表面被完全磨平，已不存在任何凸起，整個(gè)磨損表面變得比較平整，自潤(rùn)滑涂層表面的凹坑和氣孔也被磨屑填充。磨損表面仍然有少許較淺的凹坑存在，一方面可能是由于自潤(rùn)滑涂層表面原有的沉積凹坑沒(méi)有被填充滿，另一方面可能是由于涂層在磨損過(guò)程中被破壞剝落所致。磨損表面呈現(xiàn)出剪切滑移的現(xiàn)象，并且有少量刮擦痕跡。

圖11為自潤(rùn)滑涂層磨損表面的形成過(guò)程的示意圖。由于銅基體具有較好的延展性，在摩擦力、摩擦熱等作用下，銅會(huì)產(chǎn)生剪切滑移[18]，使涂層的表面凸起，部分向凹坑滑動(dòng)。當(dāng)摩擦表面經(jīng)過(guò)多次循環(huán)摩擦后，自潤(rùn)滑涂層的凸起部分被“抹平”，并將凹坑填滿，從而使磨損表面變得平整。甚至，當(dāng)涂層表面在磨損過(guò)程中被破壞剝落形成凹坑時(shí)，其他表面處的銅和固體潤(rùn)滑劑就會(huì)“流動(dòng)”到損壞區(qū)域，填充凹坑，使局部損壞得到一定程度的修復(fù)。

圖9 涂層磨損表面存在的裂紋Fig.9 Crack on the worn surface of the coating

圖10 涂層的磨損表面Fig.10 Worn surface of the coating

圖11 涂層磨損表面的形成過(guò)程的示意圖Fig.11 Schematic of wear surface forming process

3 結(jié)論

(1)采用帶孔電極的電火花沉積方式，在HSS基體上成功制備出了Cu/MoS2自潤(rùn)滑涂層。自潤(rùn)滑涂層中沒(méi)有發(fā)生明顯的化學(xué)反應(yīng)，只存在MoS2和Cu。自潤(rùn)滑涂層表面凹凸不平，呈現(xiàn)典型的電火花沉積特征。

(2)制備的自潤(rùn)滑涂層具有較厚的厚度，在沉積10min的情況下最高可以達(dá)到71μm。隨著電火花沉積電容、沉積時(shí)間增加，沉積層厚度都是呈現(xiàn)先增加后下降的規(guī)律。主要是隨著這兩個(gè)參數(shù)的增加，更容易在涂層表面出現(xiàn)裂紋及剝落現(xiàn)象。

(3)自潤(rùn)滑涂層具有良好的摩擦性能。在第3擋下制備的自潤(rùn)滑涂層的摩擦因數(shù)最小，其數(shù)值低于0.2，并表現(xiàn)出了良好的穩(wěn)定性。

(4)磨損表面具有滑移剪切的現(xiàn)象,當(dāng)摩擦表面經(jīng)過(guò)多次循環(huán)摩擦后，自潤(rùn)滑涂層的凸起部分被“抹平”，并將凹坑填滿，從而使磨損表面變得平整。甚至，由于涂層的剪切滑移，使局部損壞得到一定程度的修復(fù)。

[1] 王海斗，徐濱士，劉家浚．固體潤(rùn)滑膜層技術(shù)與應(yīng)用[M]．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2009.

WANG H D, XU B S, LIU J J. Technology and application of solid lubricating films[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2009.

[2] NIU M Y, BI Q L, YANG J, et al. Tribological performance of a Ni3Al matrix self-lubricating composite coating tested from 25 to 1000℃ [J].Surface & Coatings Technology, 2012, 206(19/20):3938-3943.

[3] SEGU D Z, KIM J H, SI G C, et al. Application of Taguchi techniques to study friction and wear properties of MoS2coatings deposited on laser textured surface[J]. Surface and Coatings Technology, 2013, 232(10): 504-514.

[4] ESPALLARGASA N, VITOUXA L, ARMADA S. The wear and lubrication performance of liquid-solid self-lubricated coatings[J]. Surface and Coatings Technology, 2013, 235(11): 342-353.

[5] AOUADI S M, PAUDEL Y, LUSTER B, et al. Adaptive Mo2N/MoS2/Ag tribological nanocomposite coatings for aerospace applicating[J].Tribology Letters,2008,29(2):95-103.

[6] 譚英梅，曹國(guó)劍，李雙，等．球磨制備軸承珠表面自潤(rùn)滑涂層及其摩擦性能[J]．材料工程, 2015,43(9),19-24.

TAN Y M, CAO G J, LI S, et al. Preparation and friction properties of self-lubricating layer on bearing balls by ball milling[J]. Journal of Materials Engineering, 2015, 43(9), 19-24.

[7] DENG J X, LIU J H, ZHAO J L, et al. Friction and wear behaviors of the PVD ZrN coated carbide in sliding wear tests and in machining processes[J].Wear, 2008, 264(3/4): 298-307.

[8] DU J H, LI Z X, LIU G J, et al. Deposition and coating properties on CVD tungsten [J]. Materials Protection, 2004, 37(2):114-115.

[9] WANG H D, XU B S, LIU J J, et al. The friction-reduction model of the iron sulfide film prepared by plasma source ion sulfuration[J].Surface & Coating Technology, 2007, 201(9/11):5236-5239.

[10] 樸鐘宇，徐濱士，王海斗，等．涂層厚度對(duì)噴涂層疲勞磨損壽命的影響[J]．摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2010, 30(5)：448-452.

PIAO Z Y, XU B S, WANG H D, et al. Experimental investigation of influence of thickness on contact fatigue lifetime of sprayed coatings[J]. Tribology, 2010, 30(5):448-452.

[11] 楊膠溪，張健全，常萬(wàn)慶，等．激光熔覆WC/Ni基復(fù)合涂層高溫滑動(dòng)干摩擦磨損性能[J]．材料工程，2016,44(6),110-116.

YANG J X, ZHANG J Q, CHANG W Q, et al. High temperature dry sliding friction and wear performance of laser cladding WC/Ni composite coating[J]. Journal of Materials Engineering, 2016, 44(6), 110-116.

[12] PODCHERNYAEVA I A, PANASHENKO V M, PANASYUKA D, et al. Electric-spark hardening of VT3-1 titanium alloy with tungsten-free composite ceramics[J].Powder Metallurgy & Metal Ceramics, 2007, 46(9/10):442-448.

[13] 羅成，董仕節(jié)，熊翔，等．電火花沉積表面處理技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展[J]．表面技術(shù)，2009，38(4)：53-56.

LUO C, DONG S J, XIONG X. Application progress of electrospark deposition surfacing technology[J]. Surface Technology, 2009, 38(4):53-56.

[14] TKACHENKO Y G, YURCHENKO D Z, BRITUN V F, et al. Structure and properties of wear-resistant spark-deposited coatings produced with a titanium carbide alloy anode[J]. Powder Metallurgy and Metal Ceramics, 2013, 52(5/6): 306-313.

[15] TANG J M. Mechanical and tribological properties of the TiC-TiB2composite coating deposited on 40Cr-steel by electro spark deposition [J]. Applied Surface Science, 2016, 365(3): 202-208.

[16] 吳公一，張占領(lǐng)，孫凱偉，等. TA2表面電火花沉積Zr/WC復(fù)合涂層特性及界面行為研究[J]．表面技術(shù)，2016，45(1)：96-100.

WU G Y, ZHANG Z L, SUN K W, et al. Coating Characters and interface behavior between TA2 and Zr/WC coating produced by electro-spark deposition [J]. Surface Technology, 2016, 45(1): 96-100.

[17] ZHANG Y S, HAN Z, WANG K, et al. Friction and wear behaviors of nanocrystal-line surface layer of pure copper[J]. Wear, 2006, 260(9/10):942-948.

[18] STRAFFELINI G, PELLIZZARI M, MOLINARI A. Influence of load and temperature on the dry sliding behaviour of Al-based metal-matrix-composites against friction material[J]. Wear, 2004, 256(7/8): 754-763.

(本文責(zé)編：楊 雪)

Self-lubricating Coating Prepared by Electro-spark Deposition Using Electrode with Drilled Holes at End Face

CAO Tong-kun，SUN He，WANG Xiao-ming

(College of Electromechanical Engineering,Qingdao University of Science and Technology,Qingdao 266061,Shandong,China)

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.000691

TH117

A

1001-4381(2017)10-0088-07

山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(ZR2016EEM41)；山東省高等學(xué)?？萍加?jì)劃項(xiàng)目(J12LB11)

2016-06-08;

2017-03-06

曹同坤(1976-)，男，副教授，博士，主要從事切削加工、自潤(rùn)滑材料的研究，聯(lián)系地址：山東省青島市松嶺路99號(hào)青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院(266061)，E-mail: caotk@163.com