二硫化鉬滑化處理方法試驗(yàn)研究

1、二硫化鉬滑化處理方法試驗(yàn)研究焦廣發(fā)周蘭英任錦星（北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛工程學(xué)院100081）摘要：選用電泳沉積、刷涂法和水煮法等二硫化鉬涂層方法進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)三種方法都可以得到很好的固體潤滑膜，電泳沉積法略優(yōu)于其他兩種方法，而且它可以提高基體表面硬度對提高機(jī)體的耐磨性有很大作用，并對三種方法形成涂層的機(jī)理進(jìn)行了研究。關(guān)鍵詞：二硫化鉬；固體潤滑ExperimentresearchofthelubricatingmethodofMoS2JiaoGuangfaZhouLanyingRenJinxing(SchoolofMechanical&VehicleEngineering，Beijing

2、InstituteofTechnology，Beijing，100081,China)AbstractCarryingoncontrastbetweentheelectrophoresisaggradation、brushMoS2andwatercookingmethod,discoverthatthreekindsofmethodsallcangetgoodsolidlubricatefilm,however,themethodofelectrophoresisaggradationslightlysurpassestheothertwokindsofmethods,anditcanrais

3、ethehardnessofthesurface,whichcanraisethewearabilityofmachine,andcarryingonaresearchontheformationmechanismofMoS2.Keywords:MoS2;SolidlubricantMoS具有層狀結(jié)構(gòu)其晶體為六方晶系。該i晶體結(jié)構(gòu)決定了MoS2易于滑動，可起到減摩作用。另一方面,Mo原子與S原子間的離子鍵，賦予MoS2潤滑膜較高的強(qiáng)度,可防止?jié)櫥ぴ诮饘俦砻嫱怀霾课槐淮┩?。而S原子暴露在MoS2晶體表面,對金屬表面產(chǎn)生很強(qiáng)的粘附作用。MoS2的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,可耐大多數(shù)酸和耐輻射。如以礦物油為介

4、質(zhì)的皂基潤滑脂,在1018中子/cm2和108倫的X射線輻照下逐漸變稠,最后成為脆性固體失去潤滑作用,而MoS即使在109倫射線和1047中子2/cm2照射下,潤滑性不僅沒降反而有所增加。雖然在空氣中超過400°C時會產(chǎn)生氧化現(xiàn)象,這可影響其潤滑性及基金項(xiàng)目：北京市重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)（XK100070424）；北京理工大學(xué)基金（0303E10）作者簡介：焦廣發(fā)（1982），男，河北人，碩士主要研究方向?yàn)楸砻嫱繉蛹夹g(shù)及動力學(xué)仿真。其對金屬表面的粘附作用,然而只有當(dāng)整個潤滑層全部被氧化后,Mo覆蓋層才失去潤滑作用。目前MoS2的耐溫性能已遠(yuǎn)遠(yuǎn)突破潤滑油脂的耐溫限。油脂的有效耐溫范圍為-6035

5、0C,而MoS在133xlO-5133xlO-4Pa真空2條件下能在1000C使用并仍具有滿意的摩擦性能。在有水時二硫化鉬的潤滑性能有所下降,但可彌補(bǔ)另一種固體潤滑劑石墨引起的電化學(xué)腐蝕。MoS2與石墨另一顯著不同的地方是,前者的摩擦系數(shù)在真空與空氣中甚至在溫度咼達(dá)800C時沒太大差別。在咼真空條件下，MoS2仍保持很高的潤滑性，這是十分有用的性質(zhì)35。因?yàn)樵跊]有氣體和蒸汽來保持潤滑狀態(tài)時,MoS2粘合在金屬上能承受極高的壓力（高達(dá)30kPa）,而其它潤滑劑則已失效。由于二硫化鉬具有摩擦系數(shù)低，在真空和強(qiáng)輻射的環(huán)境下仍具有優(yōu)良的摩擦性能，因此在空間機(jī)械上有廣泛的應(yīng)用?？臻g機(jī)械工作的環(huán)境條件比較

6、苛刻，它們經(jīng)常處于高真空、高溫、低溫以及高低溫頻繁變化的情況下工作，不能采用液體潤滑。固體潤滑的成功與否，往往成為空間機(jī)械成敗的關(guān)鍵。二硫化鉬在空間機(jī)械的應(yīng)用主要有：(1) 降低摩擦磨損和延長使用壽命MoS2擦涂膜潤滑的滾動軸承在真空度為133.322x10-iiPa下，其摩擦系數(shù)為0.0016，與用油潤滑時的摩擦系數(shù)(0.0013)接近。MoS2濺射膜潤滑的滾動軸承在真空度為133.322x10-8Pa、轉(zhuǎn)速3000r/min、負(fù)荷20N條件下的使用壽命超過1500小時。在相同條件下，MoS2粘結(jié)膜在真空中的摩擦系數(shù)僅約為大氣中的三分之一，而使用壽命又比在大氣中長幾倍、甚至幾十倍。因而在空間

7、機(jī)械中得到廣泛的應(yīng)用。(2) 耐高溫固體潤滑材料含二硫化鉬等固體潤滑劑的難熔金屬基自潤滑材料在室溫至800°C范圍內(nèi)于真空具有良好的摩擦學(xué)性能，在室溫到上千攝氏度都需要潤滑的燃?xì)馀錃忾y中得到了成功的應(yīng)用。(3) 耐低溫固體潤滑材料用含MoS2復(fù)合材料保持器潤滑的軸承，在冷至溫度為20K時都具有良好的潤滑性能。(4) 高真空中用的固體潤滑材料MoS在真空中的蒸發(fā)速率也很低，2在200C是為1O-iog/(cm2.s)以下，在500C時為10-8g/(cm2.s)，對周圍環(huán)境無污染。在大氣中的二硫化鉬在350C時氧化而不能使用，而在真空中它們在800-1100C時也不會氧化。它們可以采用

8、粘結(jié)干膜或?yàn)R射等方法粘著在基材上形成潤滑膜。而且，在外加載荷增加時，其摩擦力矩和軸承溫度并不增加。1. 二硫化鉬涂層的制備關(guān)于二硫化鉬涂層的制備又很多種方法，物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、電鍍、化學(xué)鍍等等，在過去很長一段時間里，制備MoS薄膜的方法主要是真空等離子濺射技術(shù)。這種方法能嚴(yán)格控制薄膜的厚度，且能提供較好的薄膜性能。但是，它存在一些比較嚴(yán)重的缺點(diǎn):1) 它對濺射靶的質(zhì)量要求相當(dāng)嚴(yán)格，一般在生產(chǎn)高質(zhì)量的薄膜之前需要更換一個新靶，耗費(fèi)較大；2) 相對于特殊形狀的基底需配置相應(yīng)配套的濺射靶，且為沉積形狀復(fù)雜的薄膜而采用的復(fù)雜的真空設(shè)備及其過程的耗費(fèi)相當(dāng)大；3) 濺射法制備的薄膜較理想的保存方

9、法是硫化處理，但這會使薄膜表面產(chǎn)生許多小孔，易受化學(xué)侵蝕，導(dǎo)致薄膜的性能下降；4) 不適合于沉積形狀復(fù)雜、大面積薄膜等。由于存在以上缺點(diǎn)，所以人們開始尋求一種更好的方法來制備MoS薄2膜。結(jié)合以前的經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)條件，對如何涂覆MoS2進(jìn)行了詳細(xì)的分析，最后決定采用以下幾種方法制備二硫化鉬涂層：水煮法，刷鍍法(噴涂法)和電泳沉積法。試樣選為低碳鋼材料，表面經(jīng)過砂紙打磨，去掉氧化層，并對試樣去油清洗，然后用清水洗，晾干，通過FM-300型顯微硬度儀觀察表面形貌和測量涂層前后的硬度，并測量處理后表面的表面粗糙度Ra。1.1 水煮法1.1.1試驗(yàn)方案：取50g的MoS?粉末，置于瓷制煮皿，加入十六烷基三

10、甲基溴化銨1g,加水400mL，將試件浸入其中。加熱至95100°C,lh,并進(jìn)行熱處理180°C,lh,即可以獲得MoS涂層。2l.l.2試驗(yàn)結(jié)果(1) 固體潤滑膜表面形貌未涂層前低碳鋼表面經(jīng)過砂紙打磨，有很多滑痕，可以提高M(jìn)oS涂層與基底的結(jié)合性,涂層后,光亮的低碳鋼表面變成黑色,有很多黑色小顆粒如圖1所示。1(a)低碳鋼試樣未涂層前表面形貌1 (b)低碳鋼試樣涂層后表面形貌圖1低碳鋼試樣表面形貌(2) 固體潤滑膜厚度測試用塑料鑲嵌試件,以保證磨面與涂層表面的垂直,并防止毛刺或棱角磨圓的現(xiàn)象發(fā)生,然后對試樣的邊緣進(jìn)行打磨，不能傷及MoS涂層，以便能2夠看出膜層厚度，通過

11、顯微鏡觀察，在每個視場以相等的間隔至少測量5個點(diǎn)，以平均值或最小值作為涂層的厚度，對于水煮法涂層的厚度我們經(jīng)過觀察測量可以看出膜厚0.7m左右。(3) 固體潤滑膜硬度分析經(jīng)過表面處理，在形貌上發(fā)生了變化，但對基體硬度沒有產(chǎn)生什么影響，未涂層的表面硬度為161.33HV，涂層后表面硬度變?yōu)?65.47HV.幾乎沒有發(fā)生什么變化，即由于膜層比較薄，對基體的硬度不會產(chǎn)生影響，這樣就可以保證不會降低原有基體的表面硬度。1.2刷鍍法(噴涂法)1.2.1試驗(yàn)方案將MoS2粉末用丙酮調(diào)成糊狀放于器皿中，然后將試件埋入其中，晾干，入箱150C，lh烘干，然后用水沖洗,即可形成MoS?涂層。1.2.2試驗(yàn)結(jié)果(

12、1) 固體潤滑膜表面形貌未涂層前低碳鋼表面經(jīng)過砂紙打磨,有很多滑痕，可以提高M(jìn)oS涂層與基底的結(jié)合性，涂層后，光亮的低碳鋼表面變成黑色，有很多黑色小顆粒，如圖2所示：2(a)低碳鋼試樣未涂層前表面形貌2 (b)低碳鋼試樣涂層后表面形貌圖2低碳鋼試樣表面形貌(2) 固體潤滑膜厚度測試用相同的方法對試樣的邊緣進(jìn)行打磨，不能傷及MoS涂層，以便能夠看出膜層厚度，通過顯微鏡觀察，可以看出膜厚1.2pm左右。(3) 固體潤滑膜硬度分析經(jīng)過表面處理，在形貌上發(fā)生了變化，但對基體硬度沒有產(chǎn)生什么影響，未涂層的表面硬度為161.33HV，涂層后表面硬度變?yōu)?65.47HV.幾乎沒有發(fā)生什么變化，即由于膜層比較

13、薄，對基體的硬度不會產(chǎn)生影響，這樣就可以保證不會降低原有基體的表面硬度。1.3電泳沉積法電泳沉積除設(shè)備及其生產(chǎn)過程較簡單外，還存在許多優(yōu)點(diǎn)，如膜厚均勻，薄膜與基底的附著好，防腐性和耐潮濕性好，可均勻涂敷復(fù)雜工件等，在涂漆方面有很廣的應(yīng)用。所以，二硫化鉬薄膜的電泳制備方法是一種極具應(yīng)用潛力的表面處理工藝1。1.3.1 試驗(yàn)方案考慮到電泳沉積二硫化鉬受到很多因素影響，比如沉積電壓、沉積時間、二硫化鉬的含量、曲拉酮的含量等，在這些因素影響下，不知道該怎么樣才可以獲得表面形貌比較好、涂層比較厚的涂層，所以我們決定使用正交實(shí)驗(yàn)法來獲取能夠獲得最好涂層的電泳沉積二硫化鉬的參數(shù)。根據(jù)正交試驗(yàn)的要求，電泳沉積

14、主要受到四個因素的影響，因此選擇四因素三水平正交試驗(yàn)表L(34)，需要試驗(yàn)9次，9分別記錄下來如表2.通過以上正交試驗(yàn)，經(jīng)過觀察分析我們選定了以下試驗(yàn)方案：(1) 二硫化鉬粉末粒徑23pm,曲拉酮，去離子水；(2) 配置200ml電泳沉積液，在去離子水中加入適量二硫化鉬粉末，然后加入0.2g曲拉酮，然后用電磁攪拌器攪拌60分鐘，使二硫化鉬顆粒分布均勻；(3)極板間距1.5mm，加電沉積，沉積電壓為140V，沉積時間為2分鐘。(4) 用清水清洗試樣表面，除去多余物質(zhì)，放入爐中加熱至180°C，保溫時間為60分鐘。1.3.2 試驗(yàn)結(jié)果(1) 固體潤滑膜表面形貌未涂層前低碳鋼表面經(jīng)過砂紙打

15、磨,有很多滑痕，可以提高M(jìn)oS涂層與基底的結(jié)合性，經(jīng)過電泳沉積涂2層后，光亮的低碳鋼表面變成紫黑色，經(jīng)過顯微鏡放大后觀察有很多黑色小顆粒，如圖3所示：3(a)低碳鋼試樣未涂層前表面形貌3 (b)低碳鋼試樣涂層后表面形貌圖3低碳鋼試樣電泳沉積表面形貌對比(2) 固體潤滑膜厚度測試對試樣的邊緣進(jìn)行打磨，不能傷及MoS涂層，以便能夠看出膜層厚度,2通過顯微鏡觀察，可以看出膜厚1pm左右。(3) 固體潤滑膜硬度分析經(jīng)過電泳沉積二硫化鉬，在形貌上發(fā)生了變化，未涂層的表面硬度為162.31HV，涂層后表面硬度變?yōu)?29.43HV，經(jīng)過電泳沉積二硫化鉬涂層增大了基體的硬度，如表3所示.表1電泳沉積影響因素水

16、平123沉積電壓(V)100120140沉積時間(Min)123MoS的百分含量(%)20.0250.03750.05曲拉酮(g)0.10.20.3表2電泳沉積二硫化鉬正交試驗(yàn)表1234表面質(zhì)量10.025%0.1(g)100(V)1(Min)不好20.025%0.2(g)120(V)2(Min)不好30.025%0.3(g)140(V)3(Min)不好40.0375%0.1(g)120(V)3(Min)不好50.0375%0.2(g)140(V)1(Min)不好60.0375%0.3(g)100(V)2(Min)不好70.05%0.1(g)140(V)2(Min)好80.05%0.2(g)1

17、00(V)3(Min)不好90.05%0.3(g)120(V)1(Min)不好表3涂層前后硬度對比(HV)1234均值涂層前158.44163.25167.37160.18162.31涂層后231.35220.72236.21229.44229.431.4三種MoS涂層性能對比分析1.4.1膜基結(jié)合強(qiáng)度對比分析對于以上三種制備二硫化鉬涂層的方法而言，無需定量的分析膜基結(jié)合力，只需要定性的驗(yàn)證二硫化鉬與基底的結(jié)合強(qiáng)度，下面將采用兩種方法驗(yàn)證二硫化鉬與基底的結(jié)合強(qiáng)度情況。(1)淬火試驗(yàn)將制備好的二硫化鉬涂層試件放入熱處理爐子中加熱至280°C,(特別說明，由于二硫化鉬在350C會發(fā)生氧化

18、,將失去潤滑效果,所以溫度限制在280C),時間為20分鐘，保溫結(jié)束后，立即將試樣放入冷水中急冷至室溫，然后取出試樣觀察是否有裂紋或局部隆起。(2)膠帶撕拉試驗(yàn)準(zhǔn)備多種試驗(yàn)?zāi)z帶，按膠帶的粘結(jié)強(qiáng)度分好等級，然后用膠帶粘結(jié)在試樣表面，保證粘結(jié)牢固，而后用手撕拉膠帶，使膠帶從試樣上面撕下，看是否會使二硫化鉬涂層脫落。經(jīng)兩種方法試驗(yàn)驗(yàn)證我們發(fā)現(xiàn)，在淬火試驗(yàn)中，幾種二硫化鉬涂層試驗(yàn)方法都形成了牢固的二硫化鉬固體潤滑膜，沒有一個試樣的涂層從基體上脫落，而采用膠帶撕拉試驗(yàn)時，雖然試樣表面經(jīng)過水流清洗，但是膠帶上依然會有少量二硫化鉬存在，膠帶的粘結(jié)強(qiáng)度不同，撕下的膠帶上面的二硫化鉬的量就會不同，經(jīng)過多次試驗(yàn)，

19、發(fā)現(xiàn)刷涂法明顯優(yōu)于水煮法，而電泳法又明顯好于水煮法，所以三種方法的膜基強(qiáng)度為：電泳沉積刷涂法水煮法。1.4.2硬度對比分析在硬度方面，電泳沉積得到的涂層硬度提高了很多，由表3可以看出來，而水煮法和刷涂法得到的涂層的表面硬度幾乎不變，電泳沉積法增大表面硬度可以提高基體的耐磨性。2. 三種涂敷二硫化鉬固體潤滑膜方法的原理對于固體潤滑MoS涂層，形成涂2層的原因可能有以下幾種：(1)擴(kuò)散結(jié)合所謂擴(kuò)散是指原子、離子或分子因熱運(yùn)動而發(fā)生的遷移。固體的擴(kuò)散是通過固體中原子、離子或分子的相對位移來實(shí)現(xiàn)的。原子在多晶體中擴(kuò)散可按晶格擴(kuò)散、表面擴(kuò)散、晶界擴(kuò)散和位錯擴(kuò)散4種不同的途徑進(jìn)行。其中表面擴(kuò)散(即原子在晶

20、體表面的遷移)，所需的擴(kuò)散激活能最低。許多金屬的表面擴(kuò)散所需要的熱能大約為62.7kj/mol隨著溫度的升高，越來越多的表面原子可以得到足夠的的激活能得以使它與近鄰原子的鍵斷裂而沿表面運(yùn)動。在試驗(yàn)中，我們對MoS涂層進(jìn)行輕微打磨，當(dāng)漏出基體的時候，我們發(fā)現(xiàn)基體已經(jīng)不是原來的光亮色，而是淺黑色，經(jīng)過清洗，依然保持淺黑色不變，也就是說，在基體中同樣存在二硫化鉬顆粒，雖然很少，但是確說明了擴(kuò)散現(xiàn)象的存在。即在試驗(yàn)過程中，當(dāng)MoS2分子與基材表面形成緊密接觸時，由于變形或者加熱等作用，在涂層與基材間就會產(chǎn)生微小的擴(kuò)散，增加涂層與基材間的結(jié)合強(qiáng)度。(2)機(jī)械結(jié)合機(jī)械結(jié)合比較簡單，但是確是二硫化鉬涂層的主

21、要形成形式，當(dāng)二硫化鉬分子與基體接觸時，由于基體表面比較粗糙，那么二硫化鉬分子就會沉積在由于表面粗糙而形成的表面微凸體上，就形成了機(jī)械結(jié)合，這主要取決于表面的粗糙程度。為了驗(yàn)證我們得出的結(jié)論，我們又進(jìn)行了一次試驗(yàn)?；撞牧线x擇為低碳鋼，實(shí)驗(yàn)方法完全相同，也是采用水煮法等三種方法，但是預(yù)處理方法不同，對低碳鋼首先進(jìn)行砂紙打磨，去掉表面氧化層，然后再拋光機(jī)進(jìn)行拋光處理，并測出表面粗糙度，試驗(yàn)結(jié)果如表4.然而雖然試驗(yàn)方法條件完全相同，可是卻沒有得到相同的結(jié)果，拋光后三種方法雖然都形成了二硫化鉬涂層，但是經(jīng)過顯微鏡放大后觀察表面形貌非常不好，只有很少的一部分區(qū)域有二硫化鉬存在，其他地方都是低碳鋼原來的

22、顏色，而且更加重要的是即使有二硫化鉬涂層存在的地方，經(jīng)過水流沖洗擦試后，再次觀察，發(fā)現(xiàn)幾乎沒有留下多少二硫化鉬，通過此次試驗(yàn)也就是說明了提高表面光潔度后，雖然可以使更多的二硫化鉬分子與基體分子接觸，可以形成更加多的分子間作用力，但是卻不能形成很好的MoS2涂層，究其原因，主要是由于溫度限制，溫度不能超過350C,否則二硫化鉬會發(fā)生氧化，溫度不能達(dá)到分子激活能，所以就不能以其他兩種方法為主要形成形式，這與多弧離子鍍不同。表4拋光前后表面粗糙度測量結(jié)果12345678910RaRa前1.1311.2631.6061.4861.2381.3721.5021.4841.3831.4051.387Ra后0.0430.0200.0540.0390.0470.0520.0380.0330.0280.0400.039(3) 物理結(jié)合物理結(jié)合有點(diǎn)類似于擴(kuò)散作用，就是當(dāng)MoS2分子與基體緊密接觸后，因?yàn)槎蚧f的特殊結(jié)構(gòu)，在最外層是硫原子，當(dāng)分子之間距離足夠小的時候，就會在基體原子與硫原子之間形成了共價鍵，所以在基體上可以形成牢固的二硫化鉬固體潤滑膜，然而，通過上面的試驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)，即使表面足夠光潔，雖然可以形成涂