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(rùn)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(rùn)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(rùn)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(rùn)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(lái)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(méi)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(rùn)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(rùn)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(rùn)滑性能進(jìn)行研究,了解復(fù)合鍍層自潤(rùn)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(rùn)滑復(fù)合材料提供理論依據(jù)。

1 自潤(rùn)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(jiàn)的優(yōu)良固體潤(rùn)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(rùn)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(guò)在潤(rùn)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(guò)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(rùn)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(rùn)滑性,在摩擦過(guò)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(rùn)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(rùn)滑材料,不溶于水及稀酸,常被用作保養(yǎng)潤(rùn)滑劑,可形成高效黏附干性潤(rùn)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(rùn)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(rùn)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(guò)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(wú)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(rùn)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(rùn)滑功能。郭忠誠(chéng)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(rùn)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(guò)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(rùn)滑功能。Mo原子和S原子之間以離子鍵結(jié)合,使MoS2潤(rùn)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(guò)程中的剪切強(qiáng)度,起到良好的潤(rùn)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(rùn)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(rùn)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(guò)大,潤(rùn)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(rùn)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(rùn)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(rùn)滑膜。該潤(rùn)滑膜主要為碳分子結(jié)構(gòu)單元,具有良好的潤(rùn)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(rùn)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(shuō)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(rùn)滑性能。在摩擦過(guò)程中部分剝落的CNTs起到潤(rùn)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(rùn)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(guò)程中不易脫落,起到潤(rùn)滑作用,降低磨損量。這是由于CNTs具有類似石墨的自潤(rùn)滑性,少量的CNTs能形成一層潤(rùn)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(rùn)滑材料的復(fù)合鍍層的摩擦因數(shù)相對(duì)較小,磨損過(guò)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(yǔ)

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(rùn)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(rùn)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