固體潤(rùn)滑劑表面金屬化及其對(duì)Fe基鉆頭胎體力學(xué)性能的影響＊

管成凱，鄭朝文，余思琴，譚松成，章文姣

（1.巖土鉆掘與防護(hù)教育部工程研究中心,武漢 430074）

（2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 工程學(xué)院,武漢 430074）

（3.遼寧工業(yè)大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院,遼寧 錦州 121001）

隨著“嫦娥五號(hào)”探測(cè)器的成功發(fā)射和采樣返回，我國(guó)的月球鉆探采樣探測(cè)也面臨新的挑戰(zhàn)[1]。相較于傳統(tǒng)的地球鉆探，月球鉆探由于無(wú)水等條件限制，無(wú)法使用鉆井液，鉆頭的冷卻問(wèn)題得不到解決[2]。固體潤(rùn)滑劑已經(jīng)廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)領(lǐng)域[3-4]，在此環(huán)境下，潘秉鎖等[5]提出了“自潤(rùn)滑孕鑲金剛石鉆頭”的概念。但非金屬固體潤(rùn)滑劑與孕鑲金剛石鉆頭金屬胎體材料之間結(jié)合強(qiáng)度較差，導(dǎo)致添加了固體潤(rùn)滑劑的金剛石鉆頭胎體物理力學(xué)性能下降，從而影響孕鑲金剛石鉆頭的使用壽命[6]。為了提高鉆頭胎體的力學(xué)性能，可用化學(xué)鍍、電鍍、黏結(jié)、氣相沉積和鑄造等方式制作固體潤(rùn)滑劑增強(qiáng)復(fù)合材料，其中的化學(xué)鍍具有操作簡(jiǎn)單，鍍覆率高，對(duì)材料要求低等特點(diǎn)而被廣泛選用[7-8]。

目前，固體潤(rùn)滑劑表面改性處理對(duì)自潤(rùn)滑孕鑲金剛石鉆頭胎體力學(xué)性能影響的研究仍較少。謝蘭蘭等[9]研究了石墨表面鍍鎳對(duì)金剛石鉆頭胎體性能的影響，結(jié)果表明石墨表面鍍鎳后，石墨與胎體之間的結(jié)合強(qiáng)度大幅度提高，并提高了整體材料的物理力學(xué)性能；李成龍等[6]對(duì)比了添加Ni 包CaF2粉末和普通CaF2粉末的胎體試樣的力學(xué)性能，試驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)CaF2粉末表面改性處理后，增強(qiáng)了自潤(rùn)滑孕鑲金剛石鉆頭胎體的力學(xué)性能，其使用壽命也較普通CaF2自潤(rùn)滑孕鑲金剛石鉆頭有進(jìn)一步提高。

通過(guò)對(duì)3 種典型固體潤(rùn)滑劑進(jìn)行表面化學(xué)鍍鎳處理，對(duì)比分析固體潤(rùn)滑劑本身材料特性差異及其對(duì)化學(xué)鍍鎳效果的影響，并初步探究了其對(duì)金剛石鉆頭胎體的硬度、抗彎強(qiáng)度的影響，為化學(xué)鍍?cè)谧詽?rùn)滑孕鑲金剛石中的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)選材

根據(jù)現(xiàn)有研究[10-12]，MoS2、WS2和CaF23 種固體潤(rùn)滑劑在真空、高溫環(huán)境下均有良好的潤(rùn)滑性能，能較好地適應(yīng)月球鉆探的工作條件。

MoS2在空氣中360oC 時(shí)開(kāi)始氧化，560oC 后劇烈氧化，真空中1 100oC 開(kāi)始分解，摩擦性能隨之下降[13]；WS2是一種新型固體潤(rùn)滑劑，特性與MoS2相似，摩擦系數(shù)比MoS2略低，熱穩(wěn)定性高，空氣中510 ℃開(kāi)始分解，650 ℃完全分解，真空中1 100 ℃開(kāi)始分解，2 000 ℃完全分解[14]。MoS2為成層塊狀結(jié)構(gòu)，WS2為片狀結(jié)構(gòu)，2 種固體潤(rùn)滑劑分子結(jié)構(gòu)中層與層之間以較弱的范德華力連接，因此在剪切力作用下，容易發(fā)生層間滑移，從而具有良好的潤(rùn)滑性。

CaF2為白色無(wú)機(jī)化合物，難溶于水，自然界中存在于螢石或氟石中。其化學(xué)性能穩(wěn)定，可用于腐蝕環(huán)境中，隨著溫度的升高會(huì)由脆性過(guò)渡到塑性，從而摩擦系數(shù)降低，潤(rùn)滑性能提高[15]，適用于高溫高速摩擦作業(yè)。

1.2 化學(xué)鍍

采用傳統(tǒng)的化學(xué)鍍鎳工藝在固體潤(rùn)滑劑表面鍍覆一薄層金屬鎳，其過(guò)程一般分為預(yù)處理以及化學(xué)鍍2個(gè)方面。

預(yù)處理的步驟通常包括除油、粗化、敏化、活化和解膠5 個(gè)環(huán)節(jié)。根據(jù)李成龍[16]的研究表明，一步活化法對(duì)固體潤(rùn)滑劑的表面鍍覆效果要優(yōu)于傳統(tǒng)的兩步活化法，據(jù)此試驗(yàn)將采用一步活化法，應(yīng)用到固體潤(rùn)滑劑表面鍍鎳改性上。

圖1所示為固體潤(rùn)滑劑化學(xué)鍍鎳的流程圖。其中，化學(xué)鍍預(yù)處理的每一步過(guò)后都要用蒸餾水清洗至中性，同時(shí)在配置溶液和反應(yīng)時(shí)都要不斷攪拌溶液；粗化階段將HNO3加熱煮沸10 min；敏化、活化階段將A、B 液在不斷攪拌下進(jìn)行混合，并在45～60 ℃下保溫2～4 h；最后，將預(yù)處理后的固體潤(rùn)滑劑加入鍍液中，并在超聲波振蕩器中進(jìn)行化學(xué)鍍鎳。試驗(yàn)所用相關(guān)溶液見(jiàn)表1。

圖1 化學(xué)鍍鎳試驗(yàn)流程圖Fig.1 Flow chart of electroless nickel plating experiment

表1 化學(xué)鍍相關(guān)溶液Tab.1 Chemical plating related solutions

將反應(yīng)后的固體潤(rùn)滑劑清洗至中性，并在烘箱中烘干2 h，獲得表面鍍鎳的固體潤(rùn)滑劑。

1.3 胎體試樣制備

為研究固體潤(rùn)滑劑表面鍍鎳對(duì)自潤(rùn)滑孕鑲金剛石鉆頭胎體力學(xué)性能的影響，需要制備復(fù)合胎體試樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。孕鑲金剛石鉆頭胎體試樣基本配方為：FeCu30體積分?jǐn)?shù)為96%，固體潤(rùn)滑劑體積分?jǐn)?shù)為4%。實(shí)驗(yàn)所制備胎體試樣配方見(jiàn)表2。

表2 胎體試樣配方Tab.2 Formulation of specimens of matrix

用于抗彎強(qiáng)度和硬度測(cè)試的試樣尺寸為5 mm ×5 mm × 30 mm。每種配方的試樣制備2 塊，以其平均值作為測(cè)試值。試樣燒結(jié)設(shè)備為SM100-E 型自控智能燒結(jié)機(jī)，燒結(jié)溫度為900 ℃，成形壓力為15 MPa，保溫時(shí)間3 min。

1.4 力學(xué)性能測(cè)試

采用HR-150A 型洛氏硬度計(jì)進(jìn)行孕鑲金剛石鉆頭胎體復(fù)合材料的硬度測(cè)試。測(cè)試前，先將待測(cè)試樣的上、下壓制面在砂紙上進(jìn)行打磨拋光，而后在每個(gè)試樣的上、下2 個(gè)壓制面選取4 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，并取8 個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)測(cè)得的平均硬度作為該配方的硬度測(cè)量值。

采用三點(diǎn)彎曲法對(duì)孕鑲金剛石鉆頭胎體復(fù)合材料進(jìn)行抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)，測(cè)試設(shè)備為WE-30 型液壓萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)。所采用的加載速度為10 N/s，跨距為24.5 mm。試驗(yàn)結(jié)果按式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式中：σ為試樣的抗彎強(qiáng)度，MPa；p為試樣斷裂時(shí)所施加的荷載，N；l為跨距，mm；b為試樣的寬度，mm；h為試樣的高度，mm。

2 固體潤(rùn)滑劑表面鍍鎳效果及分析

2.1 MoS2

化學(xué)鍍覆前后的MoS2表面形貌如圖2所示。由圖2a 可以看出：鍍覆前的MoS2整體上呈塊狀，表面有較多的小塊碎屑，且塊體內(nèi)部孔隙、裂隙較多，層狀特征較為明顯。由圖2b 可以看出：鍍覆后的MoS2塊體表面比鍍覆前更為粗糙，原來(lái)表面上的碎屑被鍍覆層覆蓋連接，在其層狀邊緣處形成密密麻麻的晶胞顆粒。

圖2 化學(xué)鍍覆前后MoS2 的表面形貌Fig.2 Surface morphology of MoS2 before and after chemical plating

在敏化、活化過(guò)程中，Sn2+將Pd2+還原成Pd，而Pd 則會(huì)被Sn2+和過(guò)量的Cl-所包覆，形成帶負(fù)電的膠體吸附在粗化后的固體潤(rùn)滑劑表面上?；瘜W(xué)鍍過(guò)程中，解膠后的鈀為活化點(diǎn)，催化鍍液中Ni 離子的還原，而后利用金屬的自身還原作用得到一定厚度的鍍層。

MoS2粉末為外部黏附有碎屑、內(nèi)部富含裂隙的塊體結(jié)構(gòu)。受尖端效應(yīng)的影響，解膠后的Pd 金屬會(huì)首先聚集在MoS2的邊緣或異形點(diǎn)（例如碎屑端點(diǎn)、裂隙邊緣等）。由于鍍層在Pd 活化中心生長(zhǎng)較快，但MoS2表面的碎屑會(huì)因?yàn)殒囧儗拥纳L(zhǎng)而與固體潤(rùn)滑劑黏結(jié)成一體，MoS2內(nèi)部大的裂隙則導(dǎo)致鍍層無(wú)法連續(xù)延伸，從而在層狀邊緣形成了一個(gè)個(gè)胞體。

2.2 WS2

化學(xué)鍍覆前后的WS2表面形貌如圖3所示。由圖3a 可知，鍍覆前的WS2呈薄片狀，表面光滑。由于薄片的脆性太大，其尺寸大小不一，小尺寸的薄片碎屑會(huì)呈團(tuán)簇狀聚在一起，且內(nèi)部含有大量的孔隙。圖3b 表明：解膠后的鈀金屬會(huì)首先附著在團(tuán)簇體的邊緣，大尺寸的WS2薄片表面也會(huì)有少量鈀金屬形成活化中心。由于團(tuán)簇體不是一個(gè)完整的塊體，其間薄片碎屑數(shù)量眾多，間隙繁雜、尺寸不一，一方面導(dǎo)致團(tuán)簇體表面的活化中心點(diǎn)密度比大尺寸的WS2薄片更高，另一方面卻由于金屬鎳無(wú)法在活化中心生成后延伸連通至其余層面，從而只能在團(tuán)簇體之間生成松散的鎳鍍層。與此同時(shí)，相對(duì)大尺寸的WS2薄片表面也有明顯的生長(zhǎng)核，形成的鎳鍍層也相對(duì)更為致密。

圖3 化學(xué)鍍覆前后WS2 的表面形貌Fig.3 Surface morphology of WS2 before and after chemical plating

2.3 CaF2

化學(xué)鍍覆前后的CaF2表面形貌如圖4所示。圖4a 可以看出，CaF2在鍍覆前為塊狀結(jié)構(gòu)，邊緣棱角分明，斷面可見(jiàn)大量凸棱，且表面有許多碎屑雜質(zhì)，是一種典型的機(jī)械破碎后的形貌。圖4b 可以看出：鍍覆后CaF2表面有胞狀物突起，得到的鍍層胞狀物大小較均勻，排列緊密，布滿CaF2表面，形成擠壓關(guān)系，且原有凸棱被一種密集的瘤狀形貌所覆蓋，整體變得圓潤(rùn)。其中，每一個(gè)瘤狀形貌都是化學(xué)鍍過(guò)程中鎳鍍層以活化中心Pd 為核心進(jìn)行化學(xué)還原、生長(zhǎng)的結(jié)果。一個(gè)個(gè)中心生長(zhǎng)的瘤狀形貌不斷生長(zhǎng)最后接觸連接，形成1層完整的金屬鎳鍍層。

圖4 化學(xué)鍍覆前后CaF2 的表面形貌Fig.4 Surface morphology of CaF2 before and after chemical plating

3 自潤(rùn)滑鉆頭胎體力學(xué)性能分析

對(duì)表2 的6 組自潤(rùn)滑孕鑲金剛石鉆頭胎體試樣分別進(jìn)行洛氏壓入硬度測(cè)試和三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度測(cè)試，獲得其測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 自潤(rùn)滑胎體試樣力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果Fig.5 Mechanical properties of self-lubricating carcass specimens

前期研究結(jié)果表明[17]，體積分?jǐn)?shù)為100%的FeCu30制成的相同尺寸的試樣的硬度為98 HRB、抗彎強(qiáng)度為1 200 MPa。

由圖5 可以看出：添加了未鍍鎳的3 種固體潤(rùn)滑劑粉末的自潤(rùn)滑孕鑲金剛石鉆頭胎體與常規(guī)金剛石鉆頭胎體相比，添加了未鍍鎳的MoS2胎體硬度降低了12.2%、抗彎強(qiáng)度降低了25.7%；添加了未鍍鎳的WS2胎體硬度降低了1.3%、抗彎強(qiáng)度降低了22.7%；添加了未鍍鎳的CaF2胎體硬度降低了8.0%、抗彎強(qiáng)度降低了22.1%。因此，添加固體潤(rùn)滑劑會(huì)在不同程度上導(dǎo)致孕鑲金剛石鉆頭胎體的力學(xué)性能下降。分析認(rèn)為，對(duì)于鑲嵌或部分鑲嵌在胎體中的固體潤(rùn)滑劑而言，其與胎體之間未發(fā)生冶金結(jié)合，造成胎體和固體潤(rùn)滑劑表面結(jié)合強(qiáng)度低，形成類似微小空腔結(jié)構(gòu)，并最終導(dǎo)致胎體的壓入硬度和抗彎強(qiáng)度等力學(xué)性能下降。

鍍鎳MoS2、WS2粉末的自潤(rùn)滑孕鑲金剛石鉆頭胎體與未鍍鎳MoS2、WS2粉末的自潤(rùn)滑孕鑲金剛石鉆頭胎體相比：MoS2表面鍍鎳后，自潤(rùn)滑鉆頭胎體的硬度提高了10.0%、抗彎強(qiáng)度提高了2.8%；WS2表面鍍鎳后，潤(rùn)滑鉆頭胎體的硬度提高了4.0%、抗彎強(qiáng)度提高了15.5%?？梢钥闯鯩oS2和WS22 種固體潤(rùn)滑劑的表面金屬化改性處理可以增強(qiáng)自潤(rùn)滑孕鑲金剛石鉆頭胎體的力學(xué)性能。這是由于固體潤(rùn)滑劑表面的Ni 鍍層起到了增強(qiáng)粉末顆粒與胎體材料之間結(jié)合強(qiáng)度的作用，從而提升復(fù)合胎體整體的力學(xué)性能。

CaF2鍍覆前后其對(duì)孕鑲金剛石鉆頭胎體力學(xué)性能的影響基本不變，壓入硬度降低0.1%，抗彎強(qiáng)度提高1.1%。分析認(rèn)為，CaF2為塊狀結(jié)構(gòu)，粒度比MoS2和WS2大，且脆性比MoS2和WS2小，試樣制備過(guò)程中CaF2的顆粒尺寸和形貌不會(huì)發(fā)生明顯變化，表明CaF2顆粒尺寸對(duì)自潤(rùn)滑孕鑲金剛石鉆頭胎體力學(xué)性能的影響會(huì)大于其表面金屬化造成的影響。

對(duì)3 種固體潤(rùn)滑劑進(jìn)行對(duì)比分析可知：MoS2、WS2、CaF23 種固體潤(rùn)滑劑有著不同的微觀形態(tài)，鍍覆效果最好的為CaF2粉末，但表面金屬化改善自潤(rùn)滑鉆頭胎體效果更好的卻是MoS2和WS2。其中，未鍍覆的WS2對(duì)鉆頭胎體力學(xué)性能的影響相對(duì)較低，且WS2表面鍍鎳后自潤(rùn)滑孕鑲金剛石鉆頭胎體的壓入硬度和抗彎強(qiáng)度顯著提高。分析認(rèn)為，未鍍鎳的WS2為片狀結(jié)構(gòu)，脆性是三者之中最強(qiáng)的，在試樣制備過(guò)程中還會(huì)被進(jìn)一步粉碎，導(dǎo)致其在鉆頭胎體中的彌散性更好，從而對(duì)鉆頭胎體力學(xué)性能的影響相對(duì)較小。表面金屬化處理后，WS2表面鍍覆的鎳鍍層雖然不如MoS2和CaF2表面的鎳鍍層致密，但還是可以提高WS2和鉆頭胎體之間的連接強(qiáng)度。因此，鍍覆效果的好壞并不能直接影響到胎體的力學(xué)性能，還要考慮到其他方面的因素，如固體潤(rùn)滑劑本身的性質(zhì)，顆粒大小等。

4 結(jié)論與建議

（1）通過(guò)化學(xué)鍍對(duì)固體潤(rùn)滑劑表面改性是可行的，固體潤(rùn)滑劑的微觀表面形態(tài)對(duì)鍍覆效果有顯著影響，晶體較為完整均勻的，其鍍覆效果更佳。

（2）與常規(guī)孕鑲金剛石鉆頭胎體相比，加入不同固體潤(rùn)滑劑會(huì)在不同程度上導(dǎo)致孕鑲金剛石鉆頭胎體力學(xué)性能下降。

（3）化學(xué)鍍覆前后對(duì)比發(fā)現(xiàn)，添加了MoS2胎體的硬度提高了10.0%、抗彎強(qiáng)度提高了4.8%；添加了WS2胎體的硬度提高了4.0%、抗彎強(qiáng)度提高了15.5%；添加了CaF2胎體的硬度與抗彎強(qiáng)度基本不變。

（4）通過(guò)對(duì)固體潤(rùn)滑劑表面化學(xué)鍍鎳實(shí)現(xiàn)與胎體成分之間結(jié)合強(qiáng)度的增強(qiáng)，從而增強(qiáng)胎體的力學(xué)強(qiáng)度。后續(xù)研究應(yīng)從粉末改性、制備工藝等方面繼續(xù)探索增強(qiáng)固體潤(rùn)滑劑與基體組分潤(rùn)濕性的方法。