幾種固體潤(rùn)滑層的減摩抗磨性能與耐腐蝕性能研究

喬玉林，楊善林，趙玉強(qiáng)，臧 艷

(1.裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100072;2.裝甲兵工程學(xué)院全軍裝備表面工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100072)

固體潤(rùn)滑層是固體潤(rùn)滑材料的主要類(lèi)型之一，是通過(guò)在摩擦部件表面制備一層固體潤(rùn)滑膜而達(dá)到潤(rùn)滑效果，適用于高溫、重載、無(wú)油潤(rùn)滑等特殊環(huán)境，廣泛應(yīng)用于航空航天、高新裝備的機(jī)械零部件的潤(rùn)滑領(lǐng)域［1］。FeS由于具有密排六方結(jié)構(gòu)，剪切強(qiáng)度低，熔點(diǎn)高達(dá)1 100℃，是一種典型的固體潤(rùn)滑材料。通過(guò)工藝參數(shù)控制，能在黑色金屬表面原位制備微納孔結(jié)構(gòu)的滲硫?qū)?，并與碳氮共滲層、激光淬火層等表面改性層及納米材料等復(fù)合，獲得低摩擦、耐磨損、長(zhǎng)壽命的固體潤(rùn)滑復(fù)合層［2－4］，其主要作用機(jī)理是FeS的固體潤(rùn)滑作用、潤(rùn)滑油的油潤(rùn)滑作用和納米材料的納米潤(rùn)滑作用的協(xié)同作用［5－7］，但有時(shí)會(huì)在摩擦試驗(yàn)后的磨損表面發(fā)現(xiàn)有弱酸性的硫酸根［8］。為了探討硫酸根對(duì)固體潤(rùn)滑層的減摩抗磨以及耐腐蝕的影響，筆者考察了幾種固體潤(rùn)滑層的減摩抗磨性能和電化學(xué)腐蝕性能，對(duì)其磨損表面硫元素的化學(xué)價(jià)態(tài)進(jìn)行了分析，初步探討了幾種固體潤(rùn)滑層的減摩抗磨性能與耐腐蝕性能的關(guān)系。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料選用CrMoCu合金鑄鐵，其化學(xué)成分及原始組織如表1所示。

表1 CrMoCu合金鑄鐵的化學(xué)成分及原始組織

CrMoCu合金鑄鐵經(jīng)580℃去應(yīng)力退火處理后，加工成φ 25.4 mm×6.0 mm的圓塊試樣。在Laser2000型激光加工系統(tǒng)上進(jìn)行網(wǎng)格化激光表面淬火處理，硬化面積約為35% ～50%，淬后表面顯微硬度約為714HV0.5。而后在高頻脈沖等離子滲擴(kuò)設(shè)備上進(jìn)行低溫等離子滲硫處理，其工藝參數(shù)為:滲硫溫度230℃，保溫2 h。采用真空浸漬法，在滲硫激光固體潤(rùn)滑復(fù)合層(SLD層)表面制備n-SiO2/滲硫激光固體潤(rùn)滑復(fù)合層(NSL層)［9］。實(shí)驗(yàn)所用基礎(chǔ)油為液體石蠟，納米SiO2的添加量為0.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，平均粒徑為20～40 nm。

電化學(xué)測(cè)試在CHI660B電化學(xué)工作站(上海辰華儀器公司)上進(jìn)行，測(cè)試軟件為儀器隨機(jī)附帶的電化學(xué)綜合測(cè)試系統(tǒng)。電位極化曲線(xiàn)測(cè)量的電位掃描范圍為 －1.0 ～ －0.3 V，掃描速率為 0.005 mV/s，電解質(zhì)溶液為3.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的NaCl溶液。所有極化曲線(xiàn)均在室溫下完成，電解槽工作電極測(cè)試面積均為1.0 cm2。極化曲線(xiàn)采用CHI660B測(cè)試軟件進(jìn)行擬合，獲得腐蝕電位φcorr和腐蝕電流Icorr。

摩擦磨損試驗(yàn)在MFT-R4000摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。上試樣為直徑φ6 mm的GCr15鋼球，下試樣為φ25.4 mm×6 mm的圓塊，摩擦?xí)r相對(duì)上試樣作直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)參數(shù)為:室溫為大氣環(huán)境，頻率10 Hz，磨程10 mm。摩擦因數(shù)由隨機(jī)軟件實(shí)時(shí)記錄。體積磨損量測(cè)量采用Micro XAM 3D輪廓儀，取3次相同條件下的平均值。磨痕表面XPS分析采用的是PHI-5702型多功能X射線(xiàn)光電子能譜儀。

將樣品分別在石油醚和丙酮中超聲波清洗10 min后進(jìn)行分析:用PHI-5702XPS/AES光電子能譜儀(XPS)對(duì)球磨痕表面進(jìn)行 XPS分析，使用MgKα 線(xiàn) (hv=1 253.6 eV)，通能 20.0 eV，以 C1s的284.6 eV為內(nèi)標(biāo)。

2 結(jié)果與討論

2.1 耐腐蝕性能

圖1給出了幾種固體潤(rùn)滑層在3.5%NaCl溶液中的塔菲爾極化曲線(xiàn)，筆者對(duì)各極化曲線(xiàn)進(jìn)行了擬合，其結(jié)果如表2所示。由圖1可見(jiàn):CrMoCu合金鑄鐵表面經(jīng)改性后，腐蝕電位明顯正移。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于可能發(fā)生鈍化的金屬，若其自腐蝕電位較高，則表明金屬的腐蝕速率較小，腐蝕反應(yīng)較難發(fā)生，顯示其具有較好的耐蝕性能。因此，表面處理改變了CrMoCu合金鑄鐵電極的表面狀態(tài)，起到了屏蔽腐蝕介質(zhì)的作用，使其在NaCl溶液中腐蝕的條件發(fā)生了變化，從而促使其腐蝕電位升高，表明固體潤(rùn)滑改性后的試樣耐蝕性能有明顯提高。其中，SLD層和NSL層的腐蝕電位大體相當(dāng)，說(shuō)明激光淬火對(duì)腐蝕電位的影響比較大。對(duì)表2腐蝕電流分析可知:經(jīng)固體潤(rùn)滑表面處理后，試樣的腐蝕電流比基體小了1個(gè)數(shù)量級(jí)，其中以NSL層表面的腐蝕電流最小，表明其耐蝕性最好。

圖1 幾種固體潤(rùn)滑層的電極極化曲線(xiàn)

表2 幾種固體潤(rùn)滑層在3.5%NaCl溶液中極化曲線(xiàn)擬合結(jié)果

2.2 減摩抗磨性能

表3給出了幾種固體潤(rùn)滑層摩擦試驗(yàn)穩(wěn)定后的摩擦因數(shù)和試驗(yàn)結(jié)束后磨痕的磨損體積。可以看出:CrMoCu合金鑄鐵基體的摩擦因數(shù)比較高，達(dá)到0.61，處于干摩擦狀態(tài);滲硫表面的摩擦因數(shù)相對(duì)于CrMoCu合金鑄鐵基體降低了約26%，其主要原因是涂層中的FeS起固體潤(rùn)滑作用;SLD層相對(duì)于滲硫表面的摩擦因數(shù)降低了約29%，其主要原因是SLD層經(jīng)激光網(wǎng)格化處理與滲硫復(fù)合處理，激光網(wǎng)格化處理使其表面硬度升高，F(xiàn)eS膜不易破壞，因此其摩擦因數(shù)更低;NSL層的摩擦因數(shù)僅為0.07，比SLD層的摩擦因數(shù)降低了78%，其主要原因是滲硫?qū)拥奈⒓{孔中儲(chǔ)存了基礎(chǔ)油和n-SiO2添加劑，摩擦過(guò)程中微納孔中儲(chǔ)存的基礎(chǔ)油和n-SiO2添加劑起到油潤(rùn)滑和納米潤(rùn)滑的作用［10］，從而使NSL層的摩擦因數(shù)更低。

從表3還可以看出:CrMoCu合金鑄鐵基體的體積磨損量最大;滲硫表面和SLD層表面次之;NSL層的體積磨損量最小，比CrMoCu合金鑄鐵基體降低了96%，比滲硫表面和SLD層表面分別降低了89%和22%。

表3 幾種固體潤(rùn)滑層的摩擦因數(shù)和磨損體積

圖2給出了幾種固體潤(rùn)滑層摩擦磨損實(shí)驗(yàn)后的磨痕形貌。由圖觀察可見(jiàn):CrMoCu合金鑄鐵基體的磨痕犁溝皆明顯較其他表面深且較寬，滲硫表面和SLD層表面的磨痕相對(duì)淺且較窄，NSL層表面的磨痕最淺。這進(jìn)一步說(shuō)明了NSL層體現(xiàn)出良好的減摩耐磨性能。

圖2 不同固體潤(rùn)滑表面的磨痕形貌

2.3 耐腐蝕性能和摩擦學(xué)性能的關(guān)系

從表1、2可知，幾種固體潤(rùn)滑的腐蝕電流從大到小的順序?yàn)?基體＞離子滲硫＞SLD層＞NSL層，顯示其耐腐蝕性能從好到壞的順序?yàn)?NSL層＞SLD層＞離子滲硫＞基體;幾種固體潤(rùn)滑層的磨損體積從大到小的順序?yàn)?基體＞離子滲硫＞SLD層＞NSL層，顯示其抗磨性能從好到壞的順序?yàn)?NSL層＞SLD層＞離子滲硫＞基體;幾種固體潤(rùn)滑層的摩擦因數(shù)從大到小的順序?yàn)?基體＞離子滲硫＞SLD層＞NSL層，顯示其減摩性能從好到壞的順序?yàn)?NSL層＞SLD層＞離子滲硫＞基體。由上述分析可以看出:幾種固體潤(rùn)滑層的耐腐蝕性能、抗磨性能和減摩性能從好到壞的順序是一致的，這是由于CrMoCu合金鑄鐵基體通過(guò)固體潤(rùn)滑表面改性以后，固體潤(rùn)滑層對(duì)腐蝕介質(zhì)起到屏蔽作用，有效地阻礙了氧氣和電子在溶液與材料表面上的自由擴(kuò)散、遷移和交換，阻礙了腐蝕電路的形成，腐蝕的動(dòng)力被有效控制，腐蝕過(guò)程因而減慢。但由于離子滲硫＞SLD層＞NSL層的屏蔽層分別為離子滲硫?qū)?、激光網(wǎng)格化+離子滲硫?qū)雍突A(chǔ)油+n-SiO2+激光網(wǎng)格化+離子滲硫?qū)樱x子滲硫屏蔽層具有微納孔結(jié)構(gòu)，其屏蔽作用相對(duì)較弱;激光網(wǎng)格化+離子滲硫復(fù)合層增加了激光網(wǎng)格化處理，激光網(wǎng)格化處理不僅使其表面硬度升高，屏蔽作用也相對(duì)增加;基礎(chǔ)油+n-SiO2+激光網(wǎng)格化+離子滲硫復(fù)合層除了激光網(wǎng)格化處理外，還增加了油膜和納米材料的屏蔽，其潤(rùn)滑作用和屏蔽作用均進(jìn)一步加強(qiáng)。對(duì)于這幾種固體潤(rùn)滑層而言，其潤(rùn)滑作用和屏蔽作用的好壞直接與磨損表面存在的硫酸根有關(guān)。圖3給出了幾種固體潤(rùn)滑層磨損試驗(yàn)后磨痕表面的XPS分析圖譜?？梢钥闯?離子滲硫?qū)釉谀Σ聊p試驗(yàn)后，硫的XPS圖譜上出現(xiàn)2個(gè)峰，其中比較弱的峰的電子結(jié)合能在163.8 eV左右，對(duì)應(yīng)的是具有固體潤(rùn)滑作用的硫化物(S2－)，比較強(qiáng)的峰的電子結(jié)合能在169～172.2 eV之間，對(duì)應(yīng)的是具有弱酸性的硫酸根(SO42－);而SLD層磨損試驗(yàn)后的硫的XPS圖譜與離子滲硫?qū)拥南嗨?，只是峰的?qiáng)度不同;NSL層磨損試驗(yàn)后的硫的XPS圖譜與離子滲硫?qū)拥拇嬖陲@著差異，在電子結(jié)合能162.4 eV處出現(xiàn)比較強(qiáng)的峰，顯示硫元素主要以FeS的形式存在，而167.8 eV處的峰非常弱，顯示硫酸根(SO42－)很少。在磨損表面起潤(rùn)滑作用的主要是硫化物，而起腐蝕作用的主要是硫酸根(SO42－)，硫酸根的產(chǎn)生對(duì)固體潤(rùn)滑層的減摩抗磨和耐腐蝕性能都是不利的。

滲硫?qū)釉谀Σ吝^(guò)程中，由于摩擦熱使磨損表面局部接觸表面產(chǎn)生瞬間高溫，導(dǎo)致FeS發(fā)生分解，產(chǎn)生活性硫原子，活性硫原子一部分與Fe原子重新生成FeS固體潤(rùn)滑膜，另一部分與空氣中的氧發(fā)生反應(yīng)，生成二氧化硫，并與空氣中的水氣化合，生成弱酸性的硫酸根。

NSL層磨損試驗(yàn)后，由于油膜和納米材料的屏蔽，抑制了活性硫與氧的作用，使硫酸鹽難以產(chǎn)生，因此，NSL層的耐腐蝕性能和抗磨減摩性能最好。

圖3 磨損試驗(yàn)后磨痕表面的XPS分析圖

［1］康嘉杰，李國(guó)祿，王海斗，等.層狀固體潤(rùn)滑薄膜的研究進(jìn)展［J］.金屬熱處理.2007，4(32):15－18.

［2］喬玉林，趙玉強(qiáng)，劉曉亭，等.滲硫?qū)訉?duì)網(wǎng)格化激光淬火表面摩擦磨損性能的影響［J］.裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，24(6):73－76.

［3］張寧，莊大明，劉家浚，等.離子滲氮和離子滲硫復(fù)合處理表面的摩擦學(xué)性能［J］.中國(guó)表面工程，2000(2):18－22.

［4］朱張校，關(guān)磊，曲澤陽(yáng).W18Cr4V鋼表面離子氮碳共滲－離子滲硫復(fù)合處理滲層的摩擦磨損性能研究［J］.摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，1999，19(2):130－134.

［5］Chang C N，Chen F S.Wear Resistance Evaluation of Plasma Nitrocarburized AISI 316L Stainless Steel［J］.Materials Chemistry and Physics，2003(82):281 －287.

［6］喬玉林，胡春華，趙玉強(qiáng)，等.連續(xù)加載下條件下納米Al2O3/FeS固體潤(rùn)滑復(fù)合涂層的摩擦學(xué)性能［J］.摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30(6):534 －537.

［7］胡春華，馬世寧，喬玉林，等.45鋼表面離子滲硫?qū)咏M成與減摩過(guò)程的研究［J］.材料熱處理學(xué)報(bào)，2009(4):134－137.

［8］王海斗，徐濱士，康嘉杰，等.滲硫表面摩擦過(guò)程中的弱腐蝕現(xiàn)象［J］.裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，21(5):33 －36.

［9］胡春華.納米微粒/FeS固體潤(rùn)滑復(fù)合層的制備及其耐磨機(jī)理研究［D］.北京:裝甲兵工程學(xué)院，2009.

［10］胡春華，馬世寧，喬玉林，等.含納米SiO2液體石蠟潤(rùn)滑下FeS固體潤(rùn)滑復(fù)合層的摩擦學(xué)性能［J］.潤(rùn)滑與密封，2010，35(7):46－50.