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)國防科技重點實驗室，北京100072）

摩擦不僅導(dǎo)致大量的機械能消耗，同時磨損也是機械零件失效的一個重要原因，因此針對減摩耐磨材料的研究具有重大的社會和經(jīng)濟效益[1，2］。固體潤滑技術(shù)發(fā)展應(yīng)用至今已有很長時間，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)方面取得了較大進展，但對改善薄膜的抗潮性、提高耐磨壽命進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機上考察了復(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)律和機理，為進一步完善MoS2薄膜的摩擦學(xué)性能提供了一定的參考。

1 實驗

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，電源可在實驗中實時顯示所消耗電量，進而通過耗電量以及試樣表面積計算鍍層厚度（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，實驗采用自動刷鍍小車橫向勻速刷鍍。在刷鍍前，對試樣依次進行電凈、2號活化、3號活化以及特鎳鍍液打底（約為4μm）后刷鍍實驗所需復(fù)合鍍層。

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

實驗測定摩擦學(xué)性能隨載荷變化時，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驗前后的試樣進行分析并計算磨損率，采用掃描電子顯微鏡對摩擦實驗后的試樣磨痕表面進行觀察，所得實驗數(shù)據(jù)均為3次實驗結(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，與通過實驗消耗電量與試樣面積計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小。進一步分析表明，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行分析，研究表明：納米顆粒作為均勻形核的質(zhì)點在鍍液中彌散分布起到了彌散強化和細晶強化的作用，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，這是因為鍍層添加均為軟質(zhì)點，顯微硬度變化并不明顯，但軟質(zhì)點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，實驗采用不含碳316L鋼制作鍍筆，并且在表面活化時選用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。在實驗過程中，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價而S為－2價，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)隨時間的變化，固定滑動速率為100r／min，載荷為15N，試驗機采樣間隔為0.1s。圖5（a）為復(fù)合鍍層實驗數(shù)據(jù)，在試驗機啟動瞬間鋼球撞擊摩擦力傳感器導(dǎo)致試驗機顯示摩擦力過大，正常運轉(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)達到最大值時摩擦因數(shù)趨于穩(wěn)定，且維持在0.05左右。摩擦實驗呈現(xiàn)出明顯的“啟動—跑和—穩(wěn)定磨損”三個階段。圖5（b）為基體實驗數(shù)據(jù)，可見沒有潤滑材料的基體在實驗過程中摩擦磨損劇烈且摩擦因數(shù)上下波動幅度較大，并在實驗過程中伴隨劇烈刺耳噪音，摩擦因數(shù)迅速上升，僅在1100s時摩擦因數(shù)過大試驗機報警，而復(fù)合鍍層在1200s時摩擦因數(shù)依然維持穩(wěn)定，在整個實驗過程中試驗機運行平穩(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。在同樣的實驗時間時，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而導(dǎo)致實驗過程中摩擦因數(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，實驗滑動速率設(shè)定在100，200，300r／min，法向載荷為12，15，18，21N，實驗時間為1200s。研究表明，當(dāng)實驗滑動速率設(shè)定為100r／min，法向載荷為12N時摩擦因數(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，鍍層的摩擦因數(shù)達到0.06左右。研究認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)實驗滑動速率設(shè)定為200，300r／min時所得實驗結(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，這與所得實驗結(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，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，局部鍍層磨穿使摩擦集中在試驗機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)載荷增大時摩擦磨損加劇鍍層出現(xiàn)了局部材料的轉(zhuǎn)移和堆積，進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散（圖8（c））；當(dāng)載荷為21N時鍍層出現(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。實驗中固定載荷為15，18，21N，實驗滑動速率依次為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而降低了摩擦接觸點間的黏著力，同時由于滑動速率增加使得摩擦界面間的峰峰接觸時間減少進而鍍層的摩擦因數(shù)逐漸降低。在滑動速率增至300r／min時摩擦因數(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，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時磨損率下降，分析認為在高速磨損后期，磨損加劇使得鍍層局部將要磨穿，此時磨損將要發(fā)生在試驗機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展（圖10（c））；此時繼續(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)合強度較高可持續(xù)發(fā)揮潤滑效果。

圖10 載荷為15N時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）實驗研究表明復(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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