石萬凱，李 寧，韓振華

(重慶大學(xué) 機(jī)械傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044)

低溫離子滲硫FeS涂層的摩擦學(xué)性能研究

石萬凱，李 寧，韓振華

(重慶大學(xué) 機(jī)械傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044)

采用低溫離子滲硫工藝在軸承鋼球的表面制備了硫化亞鐵固體潤滑薄膜，利用MRS-1J機(jī)械式四球長時(shí)抗磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了涂層摩擦磨損試驗(yàn)，分別在油潤滑和脂潤滑條件下對基底鋼球、涂層鋼球的摩擦磨損性能進(jìn)行了對比分析。運(yùn)用掃描電鏡(SEM)和電子能譜儀(DPS)對磨斑表面進(jìn)行了微觀分析和能譜分析，并對涂層摩擦磨損機(jī)理進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：滲硫?qū)颖砻娉识嗫捉Y(jié)構(gòu)，涂層表面孔隙的儲(chǔ)油特性有利于其摩擦學(xué)性能的提高；滲硫涂層減摩潤滑性能明顯優(yōu)于未滲硫表面；與脂潤滑相比，滲硫涂層在油潤滑條件下減摩耐磨性較好。

離子滲硫；涂層；摩擦磨損；磨損機(jī)理

潤滑油在高溫、高速及真空等特殊工況下難以充分發(fā)揮作用。在零件表面采用固體潤滑涂層技術(shù)，在少油、無油潤滑的工況下使用可明顯減少摩擦，降低磨損，從而延長機(jī)械設(shè)備的使用壽命[1-2]。在摩擦過程中，硫化物通過分解、擴(kuò)散、轉(zhuǎn)移發(fā)揮減摩耐磨作用，可有效降低邊界潤滑下的磨損[3]。FeS晶體結(jié)構(gòu)為密排六方層狀結(jié)構(gòu)，受力時(shí)易沿晶格密排面滑移，因而剪切強(qiáng)度小，塑性流變能力和自潤滑性能強(qiáng)[4-6]。采用低溫離子滲硫制備的硫化亞鐵涂層表面疏松多孔，易于儲(chǔ)存潤滑介質(zhì)，能有效提高零件的減摩、耐磨等性能，減小摩擦因數(shù)，延長耐磨壽命。低溫離子滲硫技術(shù)具有操作溫度低、工藝參數(shù)易于控制、不改變零件原有硬度、成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于齒輪、軸承、刀具、磨具等領(lǐng)域[7-14]。張寧等[10-11]采用低溫離子滲硫技術(shù)在45鋼和軸承鋼表面形成滲硫?qū)?，用銷-盤實(shí)驗(yàn)機(jī)研究滲硫表面減摩及耐磨性能，結(jié)果表明，由FeS和FeS2硫化物相及基體相組成的滲硫?qū)泳哂忻黠@的減摩潤滑作用。王海斗等[14]分別采用低溫離子滲硫工藝和等離子噴涂工藝制備了FeS薄膜，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對比分析，研究表明離子滲硫FeS薄膜的減磨耐磨性優(yōu)于噴涂FeS薄膜。

本文采用低溫離子滲硫工藝在GCr15表面得到FeS膜層，在脂潤滑和油潤滑條件下對標(biāo)準(zhǔn)鋼球和涂層鋼球的摩擦磨損性能進(jìn)行了對比分析，并運(yùn)用掃描電鏡(SEM)和電子能譜(DPS)對涂層表面和磨斑表面進(jìn)行了微觀分析，研究了滲硫涂層摩擦磨損機(jī)理。

1 試驗(yàn)

1.1 基底試件

基底試件采用尺寸為Φ12.7 mm的軸承鋼球，材料為GCr15，化學(xué)成分見表1，硬度為HRC 61～66，表面粗糙度Ra為0.014 μm，符合GB308-2002 標(biāo)準(zhǔn)。鋼球化學(xué)成分如表1所示。

1.2 涂層制備

試驗(yàn)用涂層FeS采用低溫離子滲硫工藝。在反應(yīng)爐內(nèi)滲硫2 h(180℃)，反應(yīng)氣體為固體硫蒸氣，氨氣為輔助氣體。工件接陰極，爐壁接陽極，在真空泵將反應(yīng)爐抽至合適真空度時(shí)升溫到工藝溫度(低于工件回火溫度)，通入反應(yīng)氣體，陰陽極間加700 V高壓直流電。利用高壓放電擊穿稀薄氣體形成輝光放電，硫蒸氣電離形成硫離子，硫離子在直流高壓電場作用下被加速?zèng)_向工件表面,產(chǎn)生大量晶體缺陷，活性硫原子沿著晶界和缺陷向內(nèi)擴(kuò)滲，形成離子滲硫FeS薄膜。

表1 GCr15鋼球化學(xué)成分

MaterialCSiMnCrGCr150．98～1．050．15～0．350．25～0．451．40～1．65MaterialPSNiCuGCr150．0250．0250．300．0025

1.3 摩擦磨損試驗(yàn)

涂層摩擦磨損試驗(yàn)采用MRS-1J 機(jī)械式四球長時(shí)抗磨損試驗(yàn)機(jī)，分別采用極壓重負(fù)荷齒輪油(牌號為85w/90、GL-5)和3#通用鋰基潤滑脂，潤滑油參數(shù)見表2、3。試驗(yàn)環(huán)境為室溫18～20℃；主軸轉(zhuǎn)速為1 200±50 r/min；試驗(yàn)負(fù)荷為392±2 N；試驗(yàn)時(shí)間為1 200±60 s。利用軟件測定摩擦因數(shù)。測定摩擦因數(shù)隨時(shí)間變化時(shí)，固定載荷392 N，上鋼球轉(zhuǎn)速1 450 r/min。試驗(yàn)過程中摩擦力矩被自動(dòng)記錄，并換算成摩擦因數(shù)。

表2 極壓重負(fù)荷齒輪油性能(85w/90、GL-5)

項(xiàng)目典型數(shù)據(jù)運(yùn)動(dòng)黏度(100℃)/(mm2·s-1)16．5閃點(diǎn)230黏度指數(shù)/℃96傾點(diǎn)-20

表3 3#通用鋰基潤滑脂性能

摩擦磨損試驗(yàn)后，在丙酮中對試件進(jìn)行超聲波清洗。用帶能譜儀的Tescan VegaⅡ掃描電鏡分析涂層形貌及磨損前后元素成分，用帶有測微儀的直讀式顯微鏡測量磨斑直徑，所得試驗(yàn)結(jié)果均為3次試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值。

四球試驗(yàn)機(jī)器包括加載裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)。摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的原理如圖1所示，試驗(yàn)時(shí)上鋼球旋轉(zhuǎn)，下鋼球固定，載荷通過傳感器平均加載于3個(gè)下鋼球上。

圖1 摩擦磨損試驗(yàn)原理

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層形貌

圖2(a)為GCr15鋼球滲硫?qū)颖砻嫘蚊睸EM圖。由圖可知：滲硫?qū)颖砻嬷旅?，疏松多孔，孔隙可?chǔ)存潤滑油，易在摩擦表面形成潤滑油膜，有利于達(dá)到流體+固體的協(xié)同潤滑效果[10]。EDX成分分析結(jié)果如圖2(b)所示，可見滲硫?qū)觾?nèi)除含有大量Fe、Cr元素之外，明顯有較多的S元素，S元素能量峰較高，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21.81%。XRD相結(jié)構(gòu)(圖3)分析表明[6]：滲硫?qū)佑苫w相和硫化物相組成，其主要組成相為FeS及FeS2，但具減摩作用的是FeS晶相， FeS2為斜方或面心立方結(jié)構(gòu)，不屬于固體潤滑物質(zhì)。

2.2 摩擦磨損特性

參考《SH/T 0204-92 潤滑脂抗磨性能測定法(四球機(jī)法)》，選用極壓重負(fù)荷齒輪油(85w/90、GL-5)和3#通用鋰基潤脂(潤滑劑性能見表2,3)，以標(biāo)準(zhǔn)鋼球、涂層鋼球各自組成對摩副，在四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上測定摩擦因數(shù)、磨斑直徑。

圖2 離子滲硫涂層的表面形貌SEM圖和能譜圖

圖3 離子滲硫涂層的相結(jié)構(gòu)

由圖4(a)可見：在試驗(yàn)過程中標(biāo)準(zhǔn)鋼球的摩擦因數(shù)始終高于滲硫鋼球。滲硫鋼球摩擦因數(shù)開始波動(dòng)較大，此時(shí)處于對磨副的磨合期，滲硫鋼球處于表面飽和階段，滲硫鋼球和對偶件表面之間的突起、微峰等相互接觸磨合，接觸面不穩(wěn)定。在4 min后進(jìn)入平穩(wěn)運(yùn)行階段，鋼球摩擦狀態(tài)也較為穩(wěn)定，摩擦因數(shù)基本處于平穩(wěn)變動(dòng)狀態(tài)，其值在0.08左右。之后，隨時(shí)間的增加摩擦因數(shù)略有下降。

由圖4(b)可知：在整個(gè)試驗(yàn)過程中標(biāo)準(zhǔn)鋼球的摩擦因數(shù)波動(dòng)比滲硫鋼球大。滲硫鋼球經(jīng)歷了90 s左右的跑合階段，在較短的時(shí)間內(nèi)摩擦因數(shù)迅速上升至一個(gè)穩(wěn)定的高值；經(jīng)歷300 s左右后，滲硫鋼球摩擦副在潤滑作用下處于穩(wěn)定磨損階段，而標(biāo)準(zhǔn)鋼球在600 s左右才能進(jìn)入相對穩(wěn)定的磨損階段，且摩擦因數(shù)波動(dòng)較滲硫鋼球大；整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中滲硫鋼球摩擦因數(shù)始終低于對比標(biāo)準(zhǔn)鋼球。

可見滲硫?qū)愉撉虮砻嬖诹黧w與固體潤滑的復(fù)合作用下，摩擦因數(shù)均明顯低于標(biāo)準(zhǔn)鋼球表面，表現(xiàn)出了固體潤滑涂層的良好效果。脂潤滑條件下滲硫鋼球和對比鋼球摩擦因數(shù)均大于油潤滑條件下，這是由于潤滑脂呈固體或半流體狀，在摩擦?xí)r黏度較大，流動(dòng)性差，高轉(zhuǎn)速工況下移熱和散熱性能較潤滑油差，不能像潤滑油一樣不斷地帶走摩擦面由于磨損而出現(xiàn)的金屬屑末和其他雜質(zhì)。

為評價(jià)涂層的耐磨特性，研究中用鋼球的磨斑直徑來表征磨損的程度。用帶有測微計(jì)的顯微鏡測得了鋼球在定載荷392 N、經(jīng)過1 200 s時(shí)間后的平均磨斑直徑，如圖5所示。

圖4 FeS涂層鋼球和標(biāo)準(zhǔn)鋼球的摩擦因數(shù)

圖5中：1、2分別為油潤滑條件下標(biāo)準(zhǔn)鋼球和涂層鋼球磨斑直徑；3、4分別為脂潤滑條件下標(biāo)準(zhǔn)鋼球和涂層鋼球磨斑直徑。對比后發(fā)現(xiàn)：硫化處理后的鋼球磨損量明顯小于其原始表面，說明低溫滲硫離子涂層具有優(yōu)良的耐磨特性，且相對脂潤滑和油潤滑條件下試件的磨損量更小。

2.3 摩擦磨損機(jī)理分析

圖6所示為FeS涂層鋼球在油潤滑條件下進(jìn)行長時(shí)抗磨損后的下鋼球摩擦磨痕掃描電鏡照片和能譜分析圖。在圖5(c)中C，S，F(xiàn)e，Cr原子百分比分別占總數(shù)的15.89%，3.26%，76.48%，2.68%，可認(rèn)為磨斑內(nèi)FeS涂層大部分已發(fā)生剝落。對脂潤滑條件下的涂層分別進(jìn)行能譜分析，可見磨斑內(nèi)外元素組成及所占百分比近似相同。

圖5 t=1 200 s不同對摩副磨斑直徑

圖6 滲硫鋼球磨痕EDS分析

滲硫?qū)拥臏p摩耐磨機(jī)理是因?yàn)樵谳S承鋼表面生成一層疏松多孔的FeS固體潤滑薄膜。FeS的晶體結(jié)構(gòu)是密排六方層狀結(jié)構(gòu)，層間剪切應(yīng)力小，易沿密排面滑移，塑性流變能力較強(qiáng)。涂層組織結(jié)構(gòu)不但疏松多孔，可在潤滑條件下儲(chǔ)存潤滑介質(zhì)，形成一層潤滑油膜，而且具有高熔點(diǎn)、低硬度等優(yōu)點(diǎn)，與鋼表面有良好的粘附性。

在摩擦過程中，硫化物會(huì)發(fā)生塑性流變，滲硫?qū)邮芰Ρ荒雺翰⑶艺掣接趯δ谋砻?也可填充在凹陷處，摩擦副表面的微凸體通過削峰填谷的作用，可以降低表面粗糙度，增大接觸面積，從而減小接觸應(yīng)力與摩擦因數(shù)，提高耐磨性能，所以滲硫?qū)幽苡行ё璧K對磨基體表面之間的直接接觸，避免粘著。同時(shí)，滲硫?qū)又械牧蚧镌谀Σ吝^程中向?qū)δッ孓D(zhuǎn)移，從而增強(qiáng)潤滑涂層的減摩效果。滲硫?qū)釉谑芰洼^高的摩擦熱的作用下還會(huì)發(fā)生分解，分解出的活性硫原子與鐵原子在高溫下反應(yīng)而生成硫化鐵，可以起到邊界潤滑的作用，從而進(jìn)一步延長潤滑作用。

3 結(jié)束語

在四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上分別進(jìn)行了對摩副在鋰基脂、重載齒輪油潤滑條件下的摩擦磨損試驗(yàn)，得到了不同對摩副的摩擦因數(shù)、磨斑直徑，用掃描電鏡分析了磨斑表面相貌，用帶能譜儀分析了涂層磨損前后的元素成分。

1) 滲硫?qū)游⒂^表面形貌疏松多孔隙，在潤滑條件下摩擦?xí)r可儲(chǔ)油潤滑，從而在摩擦表面形成一層潤滑油膜，與潤滑油起到協(xié)同潤滑的作用。

2) 滲硫?qū)泳哂袃?yōu)良的減摩作用，并能提高表面的耐磨性；在潤滑條件下，滲硫表面可顯著降低摩擦因數(shù)。

3) 與脂潤滑條件相比，滲硫?qū)釉谟蜐櫥瑮l件下的減摩耐磨性能較好。

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(責(zé)任編輯 陳 艷)

Research on Tribological Properties of Sulfide Layer Produced by Ion Sulphurization

SHI Wan-kai，LI Ning，HAN Zhen-hua

(State Key Laboratory of Mechanical Transmission,Chongqing University， Chongqing 400044, China)

FeS solid lubrication coating were prepared on the surface of bearing steel balls by means of low temperature ion sulphurizing process. Friction and wear tests were performed using a MRS-1J test rig. The tribological performance of balls which coated coating or no was investigated under the condition of oil lubrication and grease lubrication. Optical microscopy and photoelectron spectrometer were used to observe the wear scar and the friction and wear mechanism of the coating were also analyzed. The result demonstrates that sulphurizing layer surface has porous structure, and the tribological performance is improved by coating surface pore reservoir characteristics, and the ion sulfide layers show remarkable friction-reducing and wear-resistance effects. Compared with grease lubrication, the friction-reducing and wear-resistance effects of sulfurizing coating under the condition of oil lubrication are better.

ion sulfuration; coating; friction and wear; wear mechanism

2015-03-22 基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51075408)

石萬凱(1968—)，男，重慶人，博士，教授，主要從事機(jī)械傳動(dòng)與固體潤滑研究。

石萬凱，李寧，韓振華.低溫離子滲硫FeS涂層的摩擦學(xué)性能研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015(9):48-52.

format：SHI Wan-kai，LI Ning，HAN Zhen-hua.Research on Tribological Properties of Sulfide Layer Produced by Ion Sulphurization[J].Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2015(9):48-52.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2015.09.008

TH117.1

A

1674-8425(2015)09-0048-05