楊林，曹同坤，呂壯

青島科技大學

1 引言

工作中的摩擦磨損對零部件的性能和使用壽命造成嚴重影響，涂層技術可以有效減少零部件在日常使用過程中的摩擦磨損現(xiàn)象[1]。與其他涂層技術相比，電火花沉積技術(ESD)可沉積材料具有多樣性，沉積層厚度較厚且便于控制，與基體材料的結合效果更好[2]。目前，國內外主要利用電火花沉積技術涂層沉積制備合金涂層、陶瓷涂層等硬質涂層，通過提高基體表面硬度來減少工作中的磨損量[3]。Alexander A.Burkov等[4]使用Fe基合金電極在35鋼表面制備了合金涂層，涂層的顯微硬度可達980HV，約為基體的4.6倍，涂層平均摩擦系數(shù)為0.19，耐磨性大幅度提高。陶瓷涂層在此基礎上具有高耐磨耐蝕和耐高溫特性，在各個領域的應用均比較廣泛，耿銘章等[5]在H13鋼表面電火花沉積制備了Ni/Ti(C，N)金屬陶瓷復合涂層，涂層的顯微硬度為1039HV，是H13鋼基體的4倍，涂層在30min內的磨損質量僅為基體的1/2，起到了延長模具壽命的作用。

該方法一定程度上提高了零部件的使用壽命，但是較高的硬度使其在工作中對接觸件的磨損較大，因此有關學者提出了一種有別于硬質涂層的軟質涂層，也稱為自潤滑涂層。常用的自潤滑涂層制備方法包括粉末燒結、熱噴涂和激光熔覆等。楊膠溪等[6]以MoS2作為固體潤滑劑，采用激光熔覆技術在TC4合金基體表面制備了TC4/Ni/MoS2自潤滑復合涂層，對涂層進行摩擦磨損實驗后表明，摩擦系數(shù)明顯減小，自潤滑涂層的耐磨性比基體材料提高了9倍。本課題組將電火花沉積技術與自潤滑涂層相結合，通過對不同的基體材料進行研究，取得了在YT15硬質合金表面制備Cu-BN自潤滑涂層[7]、在W18Cr4V高速鋼表面制備Cu-MoS2涂層[8]以及在45鋼表面制備石墨自潤滑涂層[9]等一系列進展，這些研究在自潤滑涂層的減摩抗磨方面取得了重要研究成果。目前，電火花沉積制備自潤滑涂層的基體材料還停留在金屬以及合金層次，陶瓷材料作為三大材料之一，是重要的零部件制造材料，研究在其表面制備自潤滑涂層以及探究涂層的減摩抗磨效果具有重要意義。

本文通過使用電火花沉積技術在Ti(C，N)基金屬陶瓷表面制備Cu-MoS2自潤滑涂層，對涂層的表面形貌進行了分析研究，探究了不同MoS2含量涂層的摩擦磨損性能及磨損機理。

2 試驗方案

2.1 設備與材料

試驗設備采用HB09-K3型電火花堆焊修復機。基體材料為Ti(C，N)基金屬陶瓷，尺寸為15mm×15mm×5mm，對圖1a所示的表面區(qū)域進行EDS能譜分析，能譜圖和元素占比如圖1b所示。

(a)SEM圖

自制的Cu-MoS2復合電極由純度為98.5%的MoS2粉末置入空心銅管中并密封兩端制成。圖2為沉積實驗采用的三種不同電極，表1為三種電極的參數(shù)及二硫化鉬的含量。

表1 電極參數(shù)及二硫化鉬含量

A電極 B電極 C電極圖2 三種電極的截面

2.2 涂層制備

在電火花沉積前要對基體表面進行處理，使用砂紙打磨基體表面，去除基體表面的氧化物，將基體放入無水乙醇中浸泡25min，去除表面加工殘留的油污。將基體固定在導電板表面，并將電極安裝在電火花沉積槍中，采用往復直線移動方式在基體材料表面制備自潤滑涂層。沉積的工藝參數(shù)為脈沖電壓50V，脈沖寬度30μs，放電頻率100Hz，沉積時間5min，電極為順時針旋轉方向，旋轉速度250r/min。

2.3 性能測試及組織觀察

采用分辨率為0.001mm的平頭測厚規(guī)測量沉積前后基體的厚度，采用TR200型粗糙度儀測量涂層和基體的表面粗糙度，每個工件均測量5次并取平均值，得到涂層厚度和表面粗糙度。采用掃描電子顯微鏡對自潤滑涂層的表面形貌進行觀察，用EDS能譜儀分析自潤滑涂層的元素分布。

2.4 摩擦磨損試驗

使用HSR-2M型高速往復摩擦磨損試驗機對Cu-MoS2自潤滑涂層進行摩擦磨損測試。摩擦副材料為高碳鉻軸承鋼(GCr15，硬度60HRC)，形狀為直徑3mm的球體。摩擦磨損試驗的參數(shù)為摩擦距離3mm，摩擦時間20min，往復摩擦頻率300t/min。摩擦過程為滑動摩擦，機器帶動摩擦副往復移動，基體和涂層固定不動。

使用稱重法得到磨損量，通過實驗數(shù)據(jù)計算出表面平均摩擦系數(shù)，同樣重復5次求取平均值，并采用掃描電鏡(SEM)觀察磨損表面。

3 結果與分析

3.1 涂層的厚度和表面粗糙度

表2為電火花沉積實驗前后的試件厚度測量結果，經(jīng)計算，自潤滑涂層的厚度為45.7μm。表3為基體和涂層的表面粗糙度，基體材料的表面粗糙度為0.0184μm，自潤滑涂層表面粗糙度為1.19μm。

表2 自潤滑涂層厚度 (mm)

表3 自潤滑涂層表面粗糙度Ra (μm)

3.2 涂層的微觀形貌及組織成分

圖3為Ti(C，N)基金屬陶瓷表面沉積制備的Cu-MoS2自潤滑涂層表面微觀形貌及其局部放大圖，使用的是二硫化鉬含量為25%的復合電極。從圖3a可以看出，完整的涂層是由無數(shù)單個沉積點疊加而成，涂層表面宏觀呈現(xiàn)出濺射狀的橘皮形貌，為典型的電火花沉積特征。觀察圖3b和圖3c可以發(fā)現(xiàn)，在該參數(shù)下制備的Cu-MoS2自潤滑涂層質地較均勻，涂層較平整，但是仍存在少量微裂紋和氣孔，這是由電火花沉積過程急冷急熱的特性所致，電火花放電產(chǎn)生的瞬間高溫使基體和電極快速融化，但熔滴在濺射到基體表面后快速冷卻，熱應力來不及釋放導致出現(xiàn)裂紋，同時材料在冷卻過程中會出現(xiàn)明顯的體積收縮，熔滴內部的氣體需要快速排出，則會在涂層表面留下較小氣孔。

圖3 Cu-MoS2自潤滑涂層表面形貌圖及EDS面掃描分析

圖3d為自潤滑涂層A區(qū)域的EDS能譜圖及其元素含量?？梢钥闯觯ル姌O中含有的Cu、Mo、S等元素之外，還有O、Ti、W三種元素成分，其中Ti和W是基體中含量最多的兩種元素成分，因為在電火花沉積過程中，放電會導致基體融化的熔滴發(fā)生飛濺，一部分會附著在電極表面，另一部分留在自潤滑涂層表面，同時熔融態(tài)的基體材料在與電極材料混合的過程中會發(fā)生滲透現(xiàn)象；氧元素的存在是因為電火花沉積實驗在空氣環(huán)境中進行，自潤滑涂層中有材料發(fā)生氧化。

圖4為二硫化鉬含量為50%的涂層沉積層SEM圖。可以看出，涂層表面有兩種完全不同的形貌，分別對B、C兩塊區(qū)域進行EDS能譜分析，測量Mo、S、Cu和O元素的占比，如表4所示。B區(qū)域的主要元素為 Mo和S，可以確定為游離的MoS2粉末；C區(qū)域的主要元素為Cu，為正常沉積的自潤滑涂層。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因為高體積比的Cu/MoS2導致電火花沉積過程中兩者不均勻混合，使涂層表面的部分區(qū)域出現(xiàn)游離MoS2粉末。

表4 MoS2含量為50%的自潤滑涂層表面元素含量 (wt.%)

圖4 MoS2含量為50%的自潤滑涂層表面形貌

3.3 自潤滑涂層的摩擦學性能

圖5為不同MoS2含量的涂層進行摩擦磨損試驗時的摩擦學性能。可以看出，當涂層中MoS2含量分別為0%，25%，50%時，載荷為4N時涂層摩擦系數(shù)為0.615，0.442，0.396，磨損量為2.7mg，0.9mg，2.1mg；載荷為8N時，摩擦系數(shù)為0.574，0.259，0.246，磨損量為3.2mg，1.4mg，2.4mg。兩種載荷下的摩擦系數(shù)和磨損量變化具有相同的規(guī)律：隨著二硫化鉬含量增加，涂層的摩擦系數(shù)降低，磨損量先減少后增加。這是因為MoS2含量增加時，涂層中的MoS2在摩擦過程中更容易通過滑移形成自潤滑薄膜，提高了涂層的自潤滑效果，降低了磨損量和摩擦系數(shù)；但是當MoS2含量過高時(見圖4)，涂層表面游離的MoS2粉末使涂層強度降低，涂層在摩擦磨損過程中易受到損壞和剝落，但是大量離散MoS2粉末的存在仍會使摩擦系數(shù)進一步降低。

圖6為不同二硫化鉬含量涂層磨痕的SEM圖。可以清晰地看出，二硫化鉬含量為25%時，摩擦表面出現(xiàn)明顯磨痕，當二硫化鉬的含量增加到50%時，涂層表面出現(xiàn)嚴重磨損現(xiàn)象，部分涂層脫落。

(a)摩擦系數(shù)

(a)二硫化鉬含量25%

4 結語

(1)使用電火花沉積技術在Ti(C，N)基金屬陶瓷表面，以自制的Cu-MoS2電極沉積制備Cu-MoS2自潤滑涂層。在該制備參數(shù)下，涂層厚度約為45.7μm，表面粗糙度約為1.19μm，涂層表面較為均勻、致密。

(2)涂層中MoS2含量增加時，摩擦系數(shù)持續(xù)減小，而磨損量呈先減小后增大的變化趨勢。

(3)當涂層中的MoS2含量合適時，MoS2在摩擦過程中產(chǎn)生滑移而分散到整個涂層表面，起到減摩潤滑的作用；MoS2含量過高時，涂層表面出現(xiàn)游離的MoS2粉末，涂層的強度與涂層和基體之間的結合力變差，在摩擦過程中涂層易發(fā)生脫落。