電刷鍍MoS2－C復合鍍層摩擦學性能研究

張 森，李國祿，王海斗，徐濱士，馬國政

（1河北工業大學 材料科學與工程學院，天津300130；2裝甲兵工程學院裝備再制造技術國防科技重點實驗室，北京100072）

摩擦不僅導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濟效益[1，2］。固體潤滑技術發展應用至今已有很長時間，隨著固體潤滑材料的研究與應用，它解決了多種液體潤滑不能解決的復雜潤滑問題。固體潤滑劑可以代替潤滑油脂應用于易被污染、給油困難以及真空輻射等復雜工況條件，在潤滑油脂中加入固體潤滑顆粒可顯著改善潤滑油脂的摩擦學性能[3－5］。

MoS2是應用時間較長且應用較為廣泛的固體潤滑劑之一，對其摩擦學性能的研究也較為深入。因其出色的摩擦學性能，MoS2在空間機械潤滑中也得到了廣泛的應用[6］。到目前為止，已經開發出了很多制備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，此外還有黏結法制備 MoS2涂層[7，8］。20世紀90年代以來MoS2薄膜的制備與應用已經進入產業化發展，在控制膜的結晶及晶粒取向從而獲得較低摩擦因數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性能而言，復合薄膜技術顯然具有誘人的發展前景[9］。

本工作采用復合電刷鍍技術在GCr15基體上制備了添加納米石墨顆粒的鎳基MoS2－C復合電刷鍍層，在多功能摩擦磨損試驗機上考察了復合刷鍍層的摩擦學性能，包括摩擦因數和磨損量隨法向載荷以及滑動速率的變化規律和機理，為進一步完善MoS2薄膜的摩擦學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；K為損耗系數）。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鋼包裹醫用脫脂棉及滌綸棉套制得。為保證鍍層質量，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）后刷鍍實驗所需復合鍍層。

摩擦學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的真空環境中穩定進行實驗，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曲線[10］。

實驗測定摩擦學性能隨載荷變化時，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，所得實驗數據均為3次實驗結果的平均值。

2 結果與分析

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。鍍層均呈現典型的“電刷鍍菜花頭”結構，且表面平整光滑，未發現明顯氣孔、結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晶粒的片狀結構，并且形成了與基面和鍍層平行的擇優取向進而保證了其優異的摩擦學性能。

由圖1對比可知，添加納米石墨顆粒的鍍層呈現的“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金屬緊密結合，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點，顯微硬度變化并不明顯，但軟質點的加入使鍍層的韌性得到了改善從而易于潤滑轉移膜的形成。

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構，因此其潤滑效果未受到嚴重破壞。圖4為復合鍍層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，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 鍍層摩擦學性能分析

圖5 鍍層（a）與基體（b）摩擦因數隨時間變化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條件下摩擦因數隨時間的變化，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）為復合鍍層實驗數據，在試驗機啟動瞬間鋼球撞擊摩擦力傳感器導致試驗機顯示摩擦力過大，正常運轉后恢復正常。摩擦因數在100s前呈現上升趨勢，此時摩擦主要發生在鍍層氧化膜表面因而摩擦因數較小。隨后氧化膜去除摩擦副接觸面開始出現鍍層轉移膜，隨著摩擦的加劇和轉移膜的黏著轉移，摩擦因數逐漸增大，當達到最大值時摩擦因數趨于穩定，且維持在0.05左右。摩擦實驗呈現出明顯的“啟動—跑和—穩定磨損”三個階段。圖5（b）為基體實驗數據，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，摩擦因數迅速上升，僅在1100s時摩擦因數過大試驗機報警，而復合鍍層在1200s時摩擦因數依然維持穩定，在整個實驗過程中試驗機運行平穩未出現復雜噪音。

結合鍍層磨痕形貌照片圖6（a）可知，在1200s時復合鍍層磨痕僅出現了輕微的磨損犁溝，鍍層整體相對平滑完整。在同樣的實驗時間時，基體則磨損嚴重并已出現了表面材料的剝落以及材料局部堆積進而導致實驗過程中摩擦因數波動較大（圖6（b））。因此，綜上所述復合電刷鍍層摩擦因數低、摩擦磨損穩定、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為摩擦因數以及磨損率與法向載荷變化關系，實驗滑動速率設定在100，200，300r／min，法向載荷為12，15，18，21N，實驗時間為1200s。研究表明，當實驗滑動速率設定為100r／min，法向載荷為12N時摩擦因數相對較高為0.075，隨著載荷的增加復合鍍層的摩擦因數逐漸降低，當載荷增大到21N時，鍍層的摩擦因數達到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增大，進而潤滑轉移膜量增多使摩擦副界面完全由轉移膜包裹，同時由于載荷增大導致摩擦溫度升高也相應地降低了鍍層的黏著力，導致摩擦因數呈現下降的趨勢，如圖7（a）可知摩擦因數下降趨勢逐漸變緩，并不能通過增大載荷而無限降低摩擦因數。當實驗滑動速率設定為200，300r／min時所得實驗結果均呈現同上趨勢。即隨著法向載荷的增加鍍層摩擦因數相應降低。根據赫茲接觸理論模型α，S與α為材料相關系數，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主要與施加的載荷有關，隨著載荷的增加薄膜材料的摩擦因數有所降低，這與所得實驗結果相符[11］。

圖7 摩擦因數（a）與磨損率（b）隨法向載荷的變化關系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材料轉移膜以及轉移膜的去除。而當載荷繼續增大時，較大的作用力使得鍍層材料承受大的反復循環應力，鍍層材料逐漸趨于疲勞狀態，最終局部出現鱗片狀剝落。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。結合鍍層的磨痕形貌（圖8）可知，在低載荷時僅出現輕微的劃痕和犁溝，還未出現明顯的材料轉移（圖8（a））；當載荷增大時摩擦磨損加劇鍍層出現了局部材料的轉移和堆積，進一步觀察鍍層局部開始出現輕微裂紋（圖8（b））；鍍層材料在大載荷的作用下開始出現大規模的材料轉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））；當載荷為21N時鍍層出現了如圖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為摩擦因數以及磨損率與滑動速率的變化關系。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逐漸降低。在滑動速率增至300r／min時摩擦因數逐漸趨于穩定（圖9（a））。

圖9 摩擦因數（a）與磨損率（b）隨滑動速率的變化關系Fig.9 Variation of friction coefficient（a）and wear rate（b）with sliding velocity

當滑動速率逐漸增大時，磨損量并未出現明顯的變化趨勢，當滑動速率增至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，此時磨損將要發生在試驗機鋼球與基體表面之間，磨損量增加開始變緩導致磨損率降低。而在滑動速率較小的時候，鍍層處于穩定磨損階段，穩定磨損量線性變化并沒有導致磨損率發生明顯變化（圖9（b））。

圖10為鍍層表面磨痕形貌，當滑動速率較低時鍍層為輕微磨損，鍍層表面平整僅出現輕微劃痕未出現明顯的材料的堆積和轉移（圖10（a））；隨著摩擦的加劇鍍層出現明顯的材料轉移如圖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，當滑動速率增至300r／min時由于應變疲勞鍍層出現了明顯的材料去除和微裂紋的擴展（圖10（c））；此時繼續增大滑動速率出現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合強度較高可持續發揮潤滑效果。

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 結論

（1）采用復合電刷鍍技術制備了厚約100μm的MoS2－C復合鍍層，鍍層表面平整，組織均勻，晶粒細小，鍍層與基體結合良好，復合鍍層摩擦學性能優異。

（2）隨著法向載荷的增加，鍍層摩擦因數逐漸降低而磨損率隨之增加。隨著滑動速率的增加，鍍層摩擦因數逐漸降低而磨損率變化并不明顯。

（3）實驗研究表明復合刷鍍層摩擦磨損穩定，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。

[1]馬國政，徐濱士，王海斗，等.電刷鍍In／Ni組合鍍層的真空摩擦學性能研究[J］.材料工程，2010，（12）：66－71.MA G Z，XU B S，WANG H D，etal.Tribological properties of electric brush plating In／Ni combination coating in vacuum[J］.Journal of Materials Engineering，2010，（12）：66－71.

[2]宋玉波，代明江，余志明，等.WS2－C固體潤滑薄膜的制備及其摩擦磨損性能[J］.材料研究與應用，2010，4（4）：530－535.SONG Y B，DAI M J，YU Z M，etal.Preparation and tribological properties of WS2－C solid lubricant films[J］.Materials Research and Application，2010，4（4）：530－535.

[3]劉家俊.材料磨損原理及其耐磨性[M］.北京：清華大學出版社，1988.

[4]溫詩鑄，黃平.摩擦學原理[M］.北京：清華大學出版社，2008.

[5]王海斗，徐濱士，劉家浚.微納米硫系固體潤滑[M］.北京：科學出版社，2009.

[6]劉勇，羅崇泰，葉鑄玉，等.MoS2／石墨濺射涂層在真空中不同載荷下的摩擦磨損行為研究[J］.潤滑與密封，2007，32（11）：131－132，169.LIU Y，LUO C T，YE Z Y，etal.Tribological behavior of MoS2／graphite sputtering coatings under various load in vacuum[J］.Lubrication Engineering，2007，32（11）：131－132，169.

[7]RENEVIER N M，HAMPHIER J，FOX V C，etal.Advantages of using self－lubricating，hard wear－resistant MoS2based coatings[J］.Surface and Coatings Technology，2001，142－144（6）：67－77.

[8]DONNET C，MARTIN J M.Super－low friction of MoS2coating in various environments[J］.Tribology International，1999，29（13）：123－128.

[9]林春華，葛祥榮.電刷鍍技術便覽[M］.北京：機械工業出版社，1991.

[10]馬國政，徐濱士，王海斗，等.多功能真空摩擦磨損試驗機[P］.中國專利：201110106243.X，2011－04－27.

[11]STEINMANN M，MULLER A，MEERKAMM H.A new type of tribological coating for machine elements based on carbon，molybdenum disulphide and titanium diboride[J］.Tribology International，2004，37（17）：879－885.