低溫離子滲硫FeS涂層的摩擦學性能研究

石萬凱，李 寧，韓振華

(重慶大學 機械傳動國家重點實驗室，重慶 400044)

低溫離子滲硫FeS涂層的摩擦學性能研究

石萬凱，李 寧，韓振華

(重慶大學 機械傳動國家重點實驗室，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機械式四球長時抗磨損試驗機進行了涂層摩擦磨損試驗，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行了對比分析。運用掃描電鏡(SEM)和電子能譜儀(DPS)對磨斑表面進行了微觀分析和能譜分析，并對涂層摩擦磨損機理進行了研究。結果表明：滲硫層表面呈多孔結構，涂層表面孔隙的儲油特性有利于其摩擦學性能的提高；滲硫涂層減摩潤滑性能明顯優于未滲硫表面；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；磨損機理

潤滑油在高溫、高速及真空等特殊工況下難以充分發揮作用。在零件表面采用固體潤滑涂層技術，在少油、無油潤滑的工況下使用可明顯減少摩擦，降低磨損，從而延長機械設備的使用壽命[1-2]。在摩擦過程中，硫化物通過分解、擴散、轉移發揮減摩耐磨作用，可有效降低邊界潤滑下的磨損[3]。FeS晶體結構為密排六方層狀結構，受力時易沿晶格密排面滑移，因而剪切強度小，塑性流變能力和自潤滑性能強[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，易于儲存潤滑介質，能有效提高零件的減摩、耐磨等性能，減小摩擦因數，延長耐磨壽命。低溫離子滲硫技術具有操作溫度低、工藝參數易于控制、不改變零件原有硬度、成本低等諸多優點，已廣泛應用于齒輪、軸承、刀具、磨具等領域[7-14]。張寧等[10-11]采用低溫離子滲硫技術在45鋼和軸承鋼表面形成滲硫層，用銷-盤實驗機研究滲硫表面減摩及耐磨性能，結果表明，由FeS和FeS2硫化物相及基體相組成的滲硫層具有明顯的減摩潤滑作用。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，并進行了實驗對比分析，研究表明離子滲硫FeS薄膜的減磨耐磨性優于噴涂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準鋼球和涂層鋼球的摩擦磨損性能進行了對比分析，并運用掃描電鏡(SEM)和電子能譜(DPS)對涂層表面和磨斑表面進行了微觀分析，研究了滲硫涂層摩擦磨損機理。

1 試驗

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 標準。鋼球化學成分如表1所示。

1.2 涂層制備

試驗用涂層FeS采用低溫離子滲硫工藝。在反應爐內滲硫2 h(180℃)，反應氣體為固體硫蒸氣，氨氣為輔助氣體。工件接陰極，爐壁接陽極，在真空泵將反應爐抽至合適真空度時升溫到工藝溫度(低于工件回火溫度)，通入反應氣體，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沖向工件表面,產生大量晶體缺陷，活性硫原子沿著晶界和缺陷向內擴滲，形成離子滲硫FeS薄膜。

表1 GCr15鋼球化學成分

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

涂層摩擦磨損試驗采用MRS-1J 機械式四球長時抗磨損試驗機，分別采用極壓重負荷齒輪油(牌號為85w/90、GL-5)和3#通用鋰基潤滑脂，潤滑油參數見表2、3。試驗環境為室溫18～20℃；主軸轉速為1 200±50 r/min；試驗負荷為392±2 N；試驗時間為1 200±60 s。利用軟件測定摩擦因數。測定摩擦因數隨時間變化時，固定載荷392 N，上鋼球轉速1 450 r/min。試驗過程中摩擦力矩被自動記錄，并換算成摩擦因數。

表2 極壓重負荷齒輪油性能(85w/90、GL-5)

項目典型數據運動黏度(100℃)/(mm2·s-1)16．5閃點230黏度指數/℃96傾點-20

表3 3#通用鋰基潤滑脂性能

摩擦磨損試驗后，在丙酮中對試件進行超聲波清洗。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，所得試驗結果均為3次試驗數據的平均值。

四球試驗機器包括加載裝置、傳動機構和控制機構。摩擦磨損試驗機的原理如圖1所示，試驗時上鋼球旋轉，下鋼球固定，載荷通過傳感器平均加載于3個下鋼球上。

圖1 摩擦磨損試驗原理

2 結果與討論

2.1 涂層形貌

圖2(a)為GCr15鋼球滲硫層表面形貌SEM圖。由圖可知：滲硫層表面致密，疏松多孔，孔隙可儲存潤滑油，易在摩擦表面形成潤滑油膜，有利于達到流體+固體的協同潤滑效果[10]。EDX成分分析結果如圖2(b)所示，可見滲硫層內除含有大量Fe、Cr元素之外，明顯有較多的S元素，S元素能量峰較高，質量分數為21.81%。XRD相結構(圖3)分析表明[6]：滲硫層由基體相和硫化物相組成，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構，不屬于固體潤滑物質。

2.2 摩擦磨損特性

參考《SH/T 0204-92 潤滑脂抗磨性能測定法(四球機法)》，選用極壓重負荷齒輪油(85w/90、GL-5)和3#通用鋰基潤脂(潤滑劑性能見表2,3)，以標準鋼球、涂層鋼球各自組成對摩副，在四球摩擦磨損試驗機上測定摩擦因數、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構

由圖4(a)可見：在試驗過程中標準鋼球的摩擦因數始終高于滲硫鋼球。滲硫鋼球摩擦因數開始波動較大，此時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，接觸面不穩定。在4 min后進入平穩運行階段，鋼球摩擦狀態也較為穩定，摩擦因數基本處于平穩變動狀態，其值在0.08左右。之后，隨時間的增加摩擦因數略有下降。

由圖4(b)可知：在整個試驗過程中標準鋼球的摩擦因數波動比滲硫鋼球大。滲硫鋼球經歷了90 s左右的跑合階段，在較短的時間內摩擦因數迅速上升至一個穩定的高值；經歷300 s左右后，滲硫鋼球摩擦副在潤滑作用下處于穩定磨損階段，而標準鋼球在600 s左右才能進入相對穩定的磨損階段，且摩擦因數波動較滲硫鋼球大；整個實驗過程中滲硫鋼球摩擦因數始終低于對比標準鋼球。

可見滲硫層鋼球表面在流體與固體潤滑的復合作用下，摩擦因數均明顯低于標準鋼球表面，表現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，在摩擦時黏度較大，流動性差，高轉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的金屬屑末和其他雜質。

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

圖4 FeS涂層鋼球和標準鋼球的摩擦因數

圖5中：1、2分別為油潤滑條件下標準鋼球和涂層鋼球磨斑直徑；3、4分別為脂潤滑條件下標準鋼球和涂層鋼球磨斑直徑。對比后發現：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 摩擦磨損機理分析

圖6所示為FeS涂層鋼球在油潤滑條件下進行長時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，Fe，Cr原子百分比分別占總數的15.89%，3.26%，76.48%，2.68%，可認為磨斑內FeS涂層大部分已發生剝落。對脂潤滑條件下的涂層分別進行能譜分析，可見磨斑內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

滲硫層的減摩耐磨機理是因為在軸承鋼表面生成一層疏松多孔的FeS固體潤滑薄膜。FeS的晶體結構是密排六方層狀結構，層間剪切應力小，易沿密排面滑移，塑性流變能力較強。涂層組織結構不但疏松多孔，可在潤滑條件下儲存潤滑介質，形成一層潤滑油膜，而且具有高熔點、低硬度等優點，與鋼表面有良好的粘附性。

在摩擦過程中，硫化物會發生塑性流變，滲硫層受力被碾壓并且粘附于對摩件的表面,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，從而減小接觸應力與摩擦因數，提高耐磨性能，所以滲硫層能有效阻礙對磨基體表面之間的直接接觸，避免粘著。同時，滲硫層中的硫化物在摩擦過程中向對磨面轉移，從而增強潤滑涂層的減摩效果。滲硫層在受力和較高的摩擦熱的作用下還會發生分解，分解出的活性硫原子與鐵原子在高溫下反應而生成硫化鐵，可以起到邊界潤滑的作用，從而進一步延長潤滑作用。

3 結束語

在四球摩擦磨損試驗機上分別進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，得到了不同對摩副的摩擦因數、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) 滲硫層微觀表面形貌疏松多孔隙，在潤滑條件下摩擦時可儲油潤滑，從而在摩擦表面形成一層潤滑油膜，與潤滑油起到協同潤滑的作用。

2) 滲硫層具有優良的減摩作用，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。

3) 與脂潤滑條件相比，滲硫層在油潤滑條件下的減摩耐磨性能較好。

[1] Ma G Z,Xu B S,Wang H D,et al.Effects of surface nanocrystallization pretreatment on low-temperature ion sulfurization behavior of 1Cr18Ni9Ti stainless steel[J].Applied Surface Science,2010,257(4):1204-1210.

[2] Zhang Ning，Zhuang Daming，Liu Jiajun，et al.Wear mechanism of ion-sulphurization layer on steel under dry conditions[J].Wear，2001，247(1):1-8.

[3] Buckley D H.Surface Effects in Adhesion Friction，Wear and Lubrication[M].New York :Elsevier Scientific Publishing Company，1981.

[4] Zhuang Daming， Liu Yourong，Liu Jiajun,et al.Microstructure and tribological properties of sulfide.coating produced by ion sulfurization[J].Wear,1999,225-229:799-805.

[5] Ma Shining，Hu Chunhua，Li Xin，et al.Tribology properties of composite layer of CrMoCu ally cast iron by combined treatment of iron nitrocarburizing and sulphurizing[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2004,14(2):315-318.

[6] Wang Haidou，Zhuang Daming，Wang Kunlin，et al．Comparison of the tribological properties of an ion sulfurized coating and a plasma sprayed FeS coating[J]．Materials Science and Engineering:A,2003,357:321-327.

[7] Lee I，Park I.Solid lubrication coating of FeS layer on the surface of SKD61 steel produced by plasma sulfnitriding[J]．Surface Coating Technology,2006,200(3):3540-3543.

[8] Zhang P，Zhao J J， Han W Z，et al.The tribological properties of low temperature ion sulfidized coating of steels[J]．Surface and Coatings Thechnology,2003,21(2):386-390.

[9] Cosmacini E,Veronesi V.A study of the influence of low temperature sulphurization on the behaviour of lubricants in standard extreme pressure tests[J].Wear,1981,73(1):1-8.

[10]Zhang Ning，Zhuang Daming，Liu Jia Jun，et al.Effect of the substrate state on the microstructure and tribological properties of sulphide layer on 1045 steel[J].Applied Surface Science，2000，161(1/2):170-177.

[11]Zhang Ning，Zhuang Daming，Liu JiaJun，et al.Microstructure of iron sulfide layer as solid lubricat ion coating produced by low temperature ion sulfurization[J].Surface and Coatings Technology,2000,132(1):1-5.

[12]Wang Haidou，Zhuang Daming，Wang Kunlin，et al.The comparison on tribological properties of ion sulfuration steels under oil lubrication[J].Materials Letters,2003,57(15):2225-2232.

[13]Liu J J.The Theories of Materials Wear and their Wearresistance[M].Beijing:Tsinghua University Press,1993.

[14]Wang Haidou，Xu Binshi，Liu JiaJun，et al.The frictione-reduction model of the iron sulfide film prepared by plasma source ion sulfuration[J].Surface & Coatings Technology,2007,201(9):5236-5239.

(責任編輯 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 基金項目：國家自然科學基金資助項目(51075408)

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

石萬凱，李寧，韓振華.低溫離子滲硫FeS涂層的摩擦學性能研究[J].重慶理工大學學報：自然科學版，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