MoS2浓度对复合镀层摩擦学的影响范文

摘要：采用脉冲电沉积技术在45＃钢基体上制备Ni－MoS2复合镀层。研究了MoS2的质量浓度对镀层形貌及结构的影响，并探讨了MoS2的质量浓度和载荷对镀层摩擦学性能的影响机制。结果表明：加入MoS2微粒后得到的镀层与基体结合较好，镀层厚度随MoS2的质量浓度的增加而增大。当MoS2的质量浓度为4g／L时，镀层厚度约为100μm，显微硬度约为6070MPa。随着MoS2的质量浓度的增加，镀层的摩擦因数降低，而磨损率升高。当MoS2的质量浓度为4g／L时，镀层的摩擦因数约为0．25，磨损率约为3．5×10－3mm3／（N•m）。

关键词：脉冲电沉积；复合镀层；表面形貌；摩擦磨损 

前言

利用脉冲电沉积技术将固体润滑剂与镍、钴、铬等硬质金属共沉积得到的复合镀层，具有较高的硬度和优良的耐磨性，在摩擦过程中起到抗磨及润滑作用［1－3］。本文采用脉冲电沉积技术在45＃钢基体表面制备Ni－MoS2复合镀层。研究了MoS2的质量浓度对镀层形貌及结构的影响，并探讨了MoS2的质量浓度和载荷对镀层摩擦学性能的影响机制。

1实验

1．1基体预处理基体材料选用

调质的45＃钢，线切割成直径45mm、长4mm的圆盘状试样。选取圆形面作为施镀面，先用金相砂纸打磨至表面粗糙度约为0．03μm，然后用除油溶液（NaOH50g／L，Na2CO360～80g／L）在50°C下除油20～30min，再用无水乙醇冲洗脱脂，水洗后采用质量分数为5％的盐酸活化20～30s。

1．2镀液组成及工艺条件

采用SMC－30S型双脉冲电源。镀液组成及工艺条件为：NiSO4•6H2O150g／L，NiCl2•6H2O30g／L，H3BO325g／L，Na2SO412．5g／L，十六烷基溴化铵0．5g／L，MoS2微粒（平均粒径为1～3μm）2～4g／L，pH值4～6，电流密度1．5～3．0A／dm2，搅拌速率200～400r／min，温度40～60°C，时间5h。1．3性能测试采用CamscanMX2600型扫描电子显微镜观察镀层的形貌，并分析其成分。采用D／Max－rA型X射线衍射仪对镀层进行物相分析。采用HVS－1000型显微硬度计测定镀层的显微硬度，载荷为100g，保持时间为10s。采用WTM－2E型可控气氛微型摩擦磨损试验仪测试镀层的摩擦学性能，对磨件为球径4mm的Si3N4球头，载荷为50～100g，摩擦半径为20mm，转速为50～500r／min。采用Axiover40MAT型金相显微镜观察镀层的磨损形貌，并探讨其磨损机制。

2结果与讨论

2．1形貌

图1为不同MoS2的质量浓度下所得Ni－MoS；复合镀层的表面形貌。由图1可知：Ni－MoS2复合镀层表面凹凸不平，存在孔洞结构。随着MoS2的质量浓度的增加，镀层表面的晶粒度增大。由于MoS2的导电性良好，Ni2＋能同时沉积在基体和MoS2微粒表面，使MoS2微粒顶端比其他部位电阻小而产生尖端效应，导致Ni－MoS2复合镀层出现树枝状结晶［4－5］，并因微粒“搭桥”而形成孔洞结构。图2为不同MoS2的质量浓度下所得Ni－MoS2复合镀层的截面形貌。由图2可知：Ni－MoS2复合镀层与基体结合较好，但表面不够光滑。随着MoS2的质量浓度的增加，镀层的厚度增大。当MoS2的质量浓度为2g／L时，镀层厚度约为5μm；当MoS2的质量浓度为3g／L时，镀层厚度约为25μm；当MoS2的质量浓度为4g／L时，镀层厚度可达80～100μm。

2．2物相和成分分析

图3为MoS2的质量浓度为4g／L时所得Ni－MoS2复合镀层的XRD图。经查阅得知：图中两个强衍射峰分别为Ni（111）和Ni（220），说明镀层中Ni的质量分数较高；其余两个弱衍射峰为MoS2，说明镀层中MoS2的质量分数较低。表1为MoS2的质量浓度为4g／L时所得Ni－MoS2复合镀层的成分。由表1可知：Ni－MoS2复合镀层与基体的分界面较清晰，随着距表层深度的增大，镀层中Ni和Mo的质量分数逐渐下降。在镀层与基体的分界面位置，镀层中Ni和Mo的质量分数趋近于零。镀层中Ni的硬度和强度均比基体的大，与软质MoS2共同作用，形成了硬基体与软质点的配合，对固体润滑剂起到了支撑作用。

2．3显微硬度

图4为不同MoS2的质量浓度下所得Ni－MoS2复合镀层的显微硬度。同一镀层表面测量5个点，结果取平均值。由图4可知：随着MoS2的质量浓度的增加，Ni－MoS2复合镀层的显微硬度逐渐降低。

2．4摩擦学性能

2．4．1摩擦因数与磨损率图5为不同MoS2的质量浓度下所得Ni－MoS；复合镀层的摩擦因数随时间的变化曲线。载荷为0．7N，滑动速率为0．4m／s，干摩擦。由图5可知：当摩擦副经过前期的跑合阶段后，MoS2的质量浓度为2g／L的复合镀层的摩擦因数稳定在0．47左右，并且随着MoS2的质量浓度的增加，镀层的摩擦因数降低。当MoS2的质量浓度达到4g／L时，镀层的摩擦因数降至0．10～0．20。但随着摩擦时间的延长，润滑膜发生转移和脱落，摩擦因数呈上升趋势。图6为不同MoS2的质量浓度下所得Ni－MoS2复合镀层的磨损率随载荷的变化曲线。由图6可知：随着MoS2的质量浓度的增加，从基体表面脱落的镀层增多，磨损率呈增大趋势。2．4．2磨损形貌图7为不同MoS2的质量浓度下所得Ni－MoS2复合镀层的磨损形貌。载荷为0．7N，滑动速率为0．4m／s，干摩擦。由图7可知：当MoS2的质量浓度较低时，虽然磨损率小，但磨损表面的犁沟较明显，因而摩擦因数较大；随着MoS2的质量浓度的增加，摩擦接触面形成了硫化物润滑膜，此润滑膜在常温下具有良好的稳定性及减摩性，在摩擦磨损后期由于温度升高会形成金属氧化物，聚集形成润滑膜（即釉质层）［6］，降低了磨痕深度，使摩擦接触表面较光滑。

3结论

（1）Ni－MoS2复合镀层的厚度随MoS2的质量浓度的增加而增大，但显微硬度反而下降。当MoS2的质量浓度为4g／L时，Ni－MoS2复合镀层的厚度约为100μm，显微硬度约为6070MPa。（2）Ni－MoS2复合镀层的摩擦因数随MoS2的质量浓度的增加而降低，而磨损率随MoS2的质量浓度的增加而升高。当MoS2的质量浓度为4g／L时，摩擦因数约为0．25，磨损率约为3．5×10－3mm3／（N•m）。（3）Ni－MoS2复合镀层中的MoS2在摩擦过程中形成硫化物润滑膜，并随着温度升高形成金属氧化物的釉质层，降低了磨痕深度，使摩擦接触表面更加光滑。

作者：万轶 李建亮 熊党生 戴春涛 单位：三江学院