自潤滑復合鍍層的摩擦學性能及其強化機理分析

李 凝, 黃健萌

(1.浙江師范大學工學院,浙江金華 321004;2.福州大學機械工程及其自動化學院,福建福州 350108）

自潤滑復合鍍層的摩擦學性能及其強化機理分析

李 凝1, 黃健萌2

(1.浙江師范大學工學院,浙江金華 321004;2.福州大學機械工程及其自動化學院,福建福州 350108）

探討自潤滑復合鍍層的摩擦學性能及其增強相的摩擦磨損強化機理;分析經具有自潤滑性能的石墨、二硫化鉬、聚四氟乙烯及碳納米管等改性的復合鍍層的摩擦學行為;并探討該類復合鍍層的摩擦磨損強化機制。

自潤滑;復合鍍層;摩擦學性能;強化機理

0 前言

現代工業的發展對機械工業產品精度的要求越來越高,尤其對機械設備零部件,如導軌、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、碳氮共滲等技術被廣泛采用,但由于其前期設備投入較大,限制了其應用范圍[2]。激光表面技術是重要的應用技術之一,在處理工件表面時具有較好的效果,但成本較高、生產效率較低,故沒有被生產所采用[3]。在工件表面進行涂覆處理,因其成本低廉、設備投入少、鍍層厚度易控等優點在生產中得到廣泛應用。其中,鎳基復合鍍層具有優良的耐磨性和自潤滑性,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用[4-7]。

目前研究的自潤滑復合鍍層中,以石墨、二硫化鉬、聚四氟乙烯及碳納米管的研究最多。本文針對復合鍍層的自潤滑性能進行研究,了解復合鍍層自潤滑的結構特性和作用機理,探討影響鍍層硬度、耐磨性和減摩性的重要因素,為研究開發新型的自潤滑復合材料提供理論依據。

1 自潤滑復合鍍層的摩擦學性能及其機理

1.1 石墨改性

石墨是一種常見的優良固體潤滑劑,具有六方晶系的晶體結構,按ABAB方式排列。石墨層內的碳原子以共價鍵結合,而相鄰層間以范德華力連接。石墨的這種結構特征使其容易發生剪切,其摩擦因數很小,通常約為0.05～0.19。石墨在大氣中的熱穩定溫度可達500℃,因此,其在高溫條件下的潤滑性可以得到保持。由于石墨本身的多孔表面及活性,容易造成鍍液分解,致使用化學復合鍍的方法制備Ni-P/石墨鍍層具有相當的難度,因此,這方面的研究報道較少。

文獻[4]利用電刷鍍技術獲得了石墨的質量分數為23.86%的鎳-石墨復合鍍層。通過在潤滑狀態下的磨損實驗發現:鎳-石墨復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量大大減少,從而能減少磨損過程中裂紋萌生源的數量,并抑制裂紋在鍍層中的擴展,使鍍層耐磨性能得到改善。杜寶中等[8]對Ni-P/石墨復合鍍層的摩擦磨損實驗的研究表明: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滑膜有關。對比Ni-P合金鍍層的硬度,復合鍍層的硬度有所降低(5030MPa）。這是由于石墨是軟質微粒,具有很低的剪切強度,使Ni-P/石墨復合材料的硬度降低。石墨的層狀結構也有利于摩擦副之間作用力的降低,提高了復合鍍層的耐磨性能。范洪富等[9]在鈦基體上復合鍍Ni-P/石墨復合鍍層,并研究了該復合鍍層的摩擦學性能。結果表明:該復合鍍層具有優異的耐磨性能。這是由于石墨微粒本身具有良好的自潤滑性,在摩擦過程中,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,起潤滑作用,使鍍層破裂和脫落的傾向減輕。熱處理實驗發現:該復合鍍層經400℃熱處理后,石墨層與鈦生成了 TiC硬質增強相,它可進一步強化基質鍍層,使其表面抵抗塑性變形的能力增強;同時硬質增強相提高了復合鍍層的顯微硬度,使復合鍍層的耐磨性增強。

1.2 二硫化鉬改性

具有層狀結構的二硫化鉬(MoS2）作為一種優良的固體潤滑材料,不溶于水及稀酸,常被用作保養潤滑劑,可形成高效黏附干性潤滑膜,是降低摩擦磨損的專用材料[10-11]。同時,MoS2還具有優良的低溫特性和良好的熱穩定性。摩擦磨損性能實驗表明:MoS2在潮濕空氣中的摩擦因數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滑作用。

張賢華等[12]在研究電刷鍍Ni/MoS2復合鍍層時發現:Ni/MoS2復合鍍層具有優異的固體潤滑性能是因為鍍層中保持了原始MoS2晶粒的片狀結構,而且在其基面與鍍層表面形成了平行的擇優取向。這種結構有利于降低摩擦過程中的剪切強度,提高鍍層的摩擦學性能;同時獲得的鍍層具有足夠的厚度,且鍍層中MoS2的質量分數較高,充分發揮MoS2的減摩作用,在使用上不至于受到限制。MoS2的層片狀結構,像云母一樣可剝成無數個薄片,具有很好的耐磨性能,膜層與其耦件的黏著系數α≤1×10-4,在復合鍍層結構內具有良好的潤滑特性。王蘭等[13]在研究Ni-P-SiC/MoS2復合鍍層的性能時發現:復合鍍層經熱處理后,結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點的數量,提高了復合鍍層的摩擦學性能;而層片狀結構的MoS2微粒有利于提高復合鍍層的自潤滑功能。郭忠誠等[14]研究了經稀土改性的Ni-W-B/B4C-MoS2復合鍍層在不同熱處理溫度下的摩擦學性能。結果表明:復合鍍層的硬度隨著熱處理溫度的升高先增加后降低,當熱處理溫度為 400 ℃時,鍍層的硬度達到極大值(13 680 MPa）,其耐磨性最好。熱處理溫度升高,含有稀土的復合鍍層的硬質點增加,而B4C,MoS2為自潤滑材料,提高了材料的耐磨性能。

研究表明:在一定的濃度范圍內,鍍液中MoS2微粒的濃度越大,微粒到達陰極表面的幾率和在電極表面吸附的可能性也就越大,從而使得復合鍍層中MoS2的質量分數增大;但當鍍液中MoS2微粒的濃度增加到一定值后,鍍層中MoS2微粒的質量分數反而有所下降。同時,鍍層中彌散分布的MoS2固體微粒會導致微粒附近的金屬晶格歪扭,缺陷增多,位錯運動受阻,變形阻力增加,從而提高了復合鍍層的硬度。但如果鍍液中MoS2的濃度過大,鍍層中MoS2微粒的質量分數反而下降,從而會降低鍍層的硬度。

MoS2具有單元層S-Mo-S的層狀結構,屬六方晶系。含有MoS2的復合鍍層,MoS2的晶體結構使其層間容易滑動,形成平行于摩擦表面排列的織構,有利于自潤滑功能。Mo原子和S原子之間以離子鍵結合,使MoS2潤滑膜的強度較高,能夠防止潤滑膜在金屬的突出部位破損。S原子暴露在MoS2晶體表面,對金屬表面產生很強的黏附作用。這種黏附作用有利于降低摩擦過程中的剪切強度,起到良好的潤滑作用。

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、較低的靜摩擦因數和動摩擦因數,是一種很好的固體潤滑劑,在大氣中摩擦系數約為0.04～0.05,且其化學穩定性極高。

李衛紅等[15]在研究電刷鍍Ni/PTFE復合鍍層的摩擦學性能時發現:PTFE的加入可以降低復合鍍層的表面粗糙度,從而降低鍍層的摩擦因數。同時,含有PTFE的復合鍍層的顯微硬度較低。這一方面由于PTFE質軟,加入PTFE減小了鍍層鎳多晶與摩擦副的有效承載面積,導致鍍層硬度降低;另一方面PTFE的加入影響鍍層組織,從而導致鍍層硬度不同。在較低載荷下PTFE發生一定變形而形成潤滑膜,因而復合鍍層的摩擦因數較低。但是在較高載荷下,一方面由于 PTFE變形過大,潤滑膜被磨穿;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。

在對Ni-P/PTFE復合鍍層的摩擦學性能進行研究時,Xiang等[16]的摩擦磨損實驗表明:該復合鍍層與 GCr15對磨,其摩擦因數可低至0.1,而且耐磨性也較Ni-P鍍層的好。在Ni-P/PTFE復合鍍層中,鍍層組織呈非晶化趨勢,其硬度和耐磨性明顯改善[16-20]。在鍍態下,與Ni-P合金鍍層相比,復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。雙納米微粒增強的復合鍍層具有自潤滑性能的同時,還具有較高的硬度和良好的摩擦學性能[21-23]。Ni-P/SiC-PTFE復合鍍層的耐磨性、自潤滑性均高于化學鍍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非晶態復合鍍層中,PTFE以非晶態納米微粒的形態存在,在PTFE的質量濃度低的條件下,其在復合鍍層中的沉積彌散效應強,分散均勻、細密。

綜合該類鍍層的摩擦學性能發現:含有 PTFE的鍍層具有較低的摩擦因數和較好的耐磨性能,這與PTFE的分子結構有很大關系。PTFE分子結構含有13或15個[—CF2—]基化學重復單元,當滑動時,在對偶面上形成一層薄的潤滑膜。該潤滑膜主要為碳分子結構單元,具有良好的潤滑效果;同時PTFE層的結合力很強,而層與層之間的結合力較弱,易于發生錯位遷移,在對偶面上形成膜層,具有良好的自潤滑特性,進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）是一種具有特殊結構的一維量子材料。它主要由呈六邊形排列的碳原子構成數層到數十層的同軸圓管,具有優異的力學性能,其強度是鋼的100倍,密度只有鋼的1/6,被認為是制備高性能復合材料的理想增強材料[24-26]。鍍層中引用CNTs改善了材料的硬度和耐磨減摩性能。當復合鍍層與接觸物體相互摩擦時,碳納米管的高彈性、高拉抻張力特性即可發揮作用[27-30]。

陳衛祥等[28]對比研究了 Ni-P/CNTs,Ni-P,Ni-P/SiC,Ni-P/石墨的摩擦學性能。實驗發現:CNTs在鍍層中的取向是隨機的,其在基體中均勻分散起到彌散強化的作用,使得基體的強度和硬度增加;摩擦磨損實驗表明:Ni-P/CNTs復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/石墨復合鍍層的磨損量;Ni-P/CNTs復合鍍層對摩時的摩擦因數也明顯低于Ni-P,Ni-P/SiC,Ni-P/石墨對摩時的摩擦因數。說明Ni-P/CNTs不僅具有比傳統復合鍍層更高的耐磨性能,而且具有更好的自潤滑性能。在摩擦過程中部分剝落的CNTs起到潤滑的作用,減小了摩擦副與Ni-P基體的直接接觸摩擦,導致摩擦副與基體的摩擦磨損程度減弱,所以復合鍍層的磨損速率下降。

Kong等[31]研究了Ni-P/CNTs復合鍍層的摩擦特性。CNTs與Ni-P共沉積,得到的鍍層仍保持Ni-P合金鍍層的非晶態結構,且硬度較高,摩擦因數和磨損量顯著降低[32]。經400℃熱處理后,鍍層的顯微硬度明顯增加,這與Ni-P發生晶化行為有關,其生成的Ni3P相具有較高的硬度,提高了復合鍍層的顯微硬度。復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。剝落的微粒成為硬質點,造成復合鍍層表面的犁溝式磨損,增大了磨損量。文獻[33-34]的研究結果表明:CN Ts具有與富勒烯分子相似的性質(其端面有碳五元環的存在）,為同心石墨面圍成的中空圓柱體,具有優異的自潤滑性能。在與基質合金形成復合鍍層時,CN Ts以網絡和纏繞形態均勻地嵌鑲于基體中,且端頭露出,覆蓋于基體表面,使復合鍍層在摩擦磨損過程中不易脫落,起到潤滑作用,降低磨損量。這是由于CNTs具有類似石墨的自潤滑性,少量的CNTs能形成一層潤滑膜;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,其摩擦因數也相對較低。另外,在鍍層中含有一定量的自潤滑材料的復合鍍層的摩擦因數相對較小,磨損過程中大量的磨屑聚集補償磨損表面,穩定了摩擦因數;硬質點的存在起到了支撐和減緩接觸摩擦力的作用,從而進一步提高材料的摩擦磨損性能。

2 結語

非晶態合金具有極高的硬度及良好的耐蝕性能,在工程領域得到了廣泛的應用與發展。機械零部件復合電鍍技術的應用提高了合金鍍層的應用領域和零件的加工質量及其使用壽命。自潤滑微粒改性的鍍層材料,由于具有較低的摩擦因數和磨損量,已應用于高精度的儀器儀表工業。因此,有必要對自潤滑材料的作用機制進行研究,以獲得成本低、耐蝕性高及摩擦學性能好的結構鍍層,從而提高產品的加工質量。

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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