激光微織構固體潤滑表面高溫摩擦學性能研究

華?？?，孫建國，張培耘，丁積霖，郝靜文，劉凱

（江蘇大學 機械工程學院，江蘇 鎮江 212013）

國內外大量研究表明，激光表面織構化技術（laser surface texturing，LST）和固體潤滑技術可以顯著提高摩擦副表面摩擦學性能[1—2]。迄今為止，大多潤滑膜是通過涂抹和濺射沉積[3—5]等方法形成。但是這些潤滑膜有與基體間的粘結力差和填充材料不致密的缺點。為了提高基體與膜間的粘結力，胡天昌等人[6]將激光織構表面技術和熱壓工藝結合，其制造的MoS2固體潤滑膜的摩擦壽命相比拋光得到的涂層提高了14倍。

近十年來高溫固體潤滑材料研究甚多[7—9]，為了滿足高溫環境下的特殊要求，通常采用復合潤滑劑或者復合工藝。高溫下，這些潤滑劑因其有協同效應而具有良好的潤滑效果。熊黨生等人[10]在含銀鎳基合金上進行織構處理，然后在微凹坑中填充二硫化鉬，在室溫到 400 ℃環境下，其摩擦系數減小。Jussi Oksanen[11]等人先在不銹鋼織構表面制備Ta-C 涂層，然后在其表面涂覆 WS2，并研究其摩擦性能，結果表明，WS2的添加顯著地增加了Ta-C涂層在 250 ℃時的摩擦壽命，且摩擦系數較低（0.01～0.02）。

膠粘劑與固體潤滑劑的合適配比、工況對摩擦系數有較大的影響[12—13]。聚酰亞胺具有突出的耐熱性能和力學性能[14]，用MoS2對其進行改性處理后，復合材料的摩擦系數隨載荷增大而減小，表現出更加優良的摩擦特性[15]。以往多采用微米級固體潤滑劑來研究微織構表面摩擦性能，對高溫激光微織構表面粘結型固體潤滑和納米固體潤滑性能的研究較少。另外，雖然MoS2-PI復合固體潤滑劑具有較低的摩擦系數，但是其所形成的固體潤滑薄膜的硬度和承載能力較低，所形成的固體潤滑薄膜容易遭到破壞。而碳納米管具有優越的力學性能、高溫適應性以及良好的潤滑性等，常被用作固體潤滑材料的添加劑，以提高固體潤滑劑的減摩抗磨性能[16—18]。

本文采用激光表面織構化技術在Cr4Mo4V高溫軸承鋼表面加工出微凹坑形貌，以普通MoS2和納米MoS2為固體潤滑組元，以聚酰亞胺作為粘結劑，以碳納米管作為添加劑，考察復合潤滑劑在面接觸滑動摩擦下的高溫摩擦磨損性能，并探其潤滑機理，為研發表面織構粘結型高溫復合固體潤滑材料提供參考。

1 試驗設備及研究方法

1.1 原料

普通二硫化鉬，上海膠體化工廠生產，純度為99.5%，顆粒大小為0.5 μm；SKPI-MS10型聚酰亞胺粉末，常州市尚科特種高分子材料有限公司生產；納米MoS2，南京埃普瑞復合材料有限公司生產，其純度為99.5%，平均粒徑為40 nm；碳納米管，秦皇島市太極環納米制品有限公司生產，碳管長度為3～12 μm，碳管外徑為(12.9±3.5) nm。

1.2 試樣制備

上下試樣材料均為Cr4Mo4V高溫軸承鋼，如圖1所示，經高溫淬火與回火處理后試樣表面硬度為62～67HRC，拋光處理后粗糙度Ra為0.1 μm。采用 YLP-HP-1-100-100-100型光纖激光器對下試樣進行激光表面微織構加工，其中激光波長為1064 nm，脈沖寬度為100 ns，激光功率為50 W，激光脈沖重復頻率為50 kHz，激光器對單個微凹坑織構的持續時間為0.3 ms。試驗所加工出的微凹坑直徑為 79～81 μm，深度為 15～17 μm，織構密度為 35%。采用美國Veeco公司的WYKO-NT1100表面形貌三維測量儀對微凹腔的加工形貌進行觀測，如圖2和圖3所示。利用金相試樣拋光機對激光微織構后的試樣表面進行拋光處理。

將80% MoS2與20% PI（百分數均為質量分數，下同）均勻混合，并將80%普通MoS2+20% PI和80%納米MoS2+20%PI分別編號TS1-1和TS1-2。為了進一步改善微織構固體潤滑表面的摩擦性能，在 MoS2-PI復合固體潤滑劑中分別添加不同含量的碳納米管，其編號如表1所示，然后將復合粉料均勻涂覆于下試樣表面，利用保壓熱壓成型工藝制備試樣毛坯。將制備好的試樣毛坯經W5金相紙研磨、拋光，加工成摩擦磨損試樣。

表1 填充有不同比例碳納米管試樣編號Tab.1 The number of samples filled with various proportions of CNTs

1.3 實驗設備與方法

采用 MMU-10G高溫摩擦磨損試驗機對試樣的摩擦磨損性能進行評價。上試樣固定在試驗機主軸上，下試樣固定不動，接觸方式為上試樣和下試樣的環-盤面接觸。試驗條件：載荷100、200 N，轉速100、200 r/min，溫度為室溫至400 ℃（電阻爐加熱），時間30 min。

2 試驗結果與分析

2.1 潤滑劑粉末顆粒大小對微織構表面高溫滑動摩擦特性的影響

圖4為試樣TS1-1和試樣TS1-2的摩擦系數隨時間的變化曲線圖（轉速100 r/min，載荷100 N，環境溫度200 ℃），可以看出，試樣TS1-1的摩擦系數比試樣TS1-2的摩擦系數低35%左右，說明填充納米MoS2的微織構固體潤滑表面的摩擦性能比填充普通MoS2的微織構固體潤滑表面的摩擦性能更好。這是因為納米 MoS2的尺寸比普通 MoS2的尺寸更小，更容易嵌入并保留在摩擦副表面波谷中，更加有利于表面上固體潤滑薄膜的形成，并在一定程度上增加兩滑動表面之間的實際接觸面積；且納米MoS2的比表面積要比普通MoS2的比表面積大，其表面能比普通MoS2的表面能高，在表面固體潤滑薄膜的“磨損—修復—磨損—修復”的循環過程中，由于納米MoS2的表面能更高，更容易吸附在摩擦副表面，從而加快了對已磨損固體潤滑薄膜的修復作用，使所形成的固體潤滑薄膜更加連續且牢固。

2.2 碳納米管含量對微織構表面高溫滑動摩擦特性的影響

圖5為填充不同含量碳納米管試樣的微織構固體潤滑表面摩擦系數隨時間的變化曲線圖（轉速100 r/min，載荷100 N，環境溫度200 ℃），圖6為摩擦系數隨碳納米管含量的變化曲線。從圖6可知，隨著碳納米管含量的增加，摩擦系數先減小后增大，填充6%碳納米管的試樣TS2-3的滑動摩擦系數最小，且比無碳納米管的低 37%左右。圖 7為試樣TS2-1和TS2-3磨損后的表面SEM形貌圖，從圖7可知，無碳納米管的試樣TS2-1表面具有較明顯的磨痕，而含6%碳納米管的試樣TS2-3表面無明顯磨痕，說明適量的碳納米管有利于減小表面的磨損。這是因為，在MoS2-PI復合固體潤滑劑中添加適量的碳納米管有利于提高所形成的固體潤滑薄膜的承載能力，使固體潤滑薄膜在滑動過程中不容易遭到破壞而變得更加連續穩定，從而有效地減小了微織構固體潤滑表面的摩擦和磨損。當碳納米管含量過高時，碳納米管與 MoS2顆粒以及 PI顆粒的界面結合變差，固體潤滑顆粒之間發生團聚，使潤滑組成相分布不均勻，從而降低了潤滑膜的潤滑性能，并且此時微凹坑中固體潤滑劑粘結過于結實，不利于微凹坑中固體潤劑的剪切滑移，從而阻礙了固體潤滑薄膜的形成。

圖8 a為試樣TS2-1和試樣TS2-3磨損后表面微凹坑之間的 EDS圖譜，可以看出，試樣 TS2-3表面的Mo元素和S元素的含量比試樣TS2-1的多，說明試樣TS-3表面微凹坑之間所形成的固體潤滑薄膜更厚。從圖8b還可知，試樣TS2-3表面的固體潤滑薄膜比試樣 TS-2-1所形成的固體潤滑薄膜要光滑很多，幾乎找不到磨損痕跡，說明添加碳納米管的固體潤滑薄膜更加結實耐磨。

圖9 為MoS2-PI-CNTs復合固體潤滑劑形貌圖，可以看出，具有高硬度的碳納米管均勻地分散在納米復合固體潤滑劑中，對納米復合固體潤滑劑中其他固體潤滑劑成分起著支撐作用，類似于“骨架式結構”，從而有效地增強了納米復合固體潤滑劑的承載能力。以上現象再次解釋了在MoS2-PI復合固體潤滑劑中添加適量碳納米管能夠進一步改善微織構固體潤滑表面滑動摩擦性能。

2.3 微織構納米復合固體潤滑表面耐高溫滑動摩擦性能

圖10為填充微米MoS2-PI復合固體潤滑表面在不同環境溫度下的摩擦系數隨時間變化關系曲線圖（轉速100 r/min，載荷100 N），可以看出，環境溫度從室溫至 300 ℃時，試樣表面的摩擦系數均較小，但在 400 ℃時，試樣表面摩擦系數很大。這是因為當環境溫度高達 400 ℃時，加上滑動摩擦本身產生大量的熱量而使得滑動摩擦表面上的溫度上升，導致滑動摩擦表面的實際溫度要高于環境溫度（即400 ℃），此時固體潤滑劑中的聚酰亞胺變得過度軟化并且發生氧化分解，使所形成的固體潤滑薄膜承載能力降低，潤滑薄膜容易遭受破壞。如圖11所示，在環境溫度為室溫至300 ℃時，XRD圖中出現了固體潤滑劑MoS2的衍射峰，而在環境溫度為400 ℃時，不僅出現了MoS2對應的衍射峰，還出現了MoO3所對應的衍射峰，說明在環境溫度為400 ℃時，有一部分的MoS2在高溫下與空氣中的氧氣發生了反應，生成了潤滑性能較差的MoO3。

圖12 為填充納米MoS2-PI-CNTs復合固體潤滑表面在不同環境溫度下的摩擦系數隨時間變化的曲線圖，可知環境溫度從室溫至 400 ℃時，試樣表面的摩擦系數均較小，且在 200 ℃時，試樣表面的摩擦系數最小。這是因為，環境溫度升高，空氣濕度變小，從而使MoS2潤滑效果更好，導致200 ℃時的試樣摩擦系數低于常溫時的試樣摩擦系數。MoS2蒸發率的溫度梯度大，在 430 ℃以上高溫條件下，蒸發率增大，由于摩擦生熱，在 400 ℃高溫時，試樣表面的環境溫度可能遠超過430 ℃，使得MoS2蒸發率較大。另外，此時 MoS2已部分發生氧化，使得MoS2潤滑效果降低，從而導致 200 ℃時試樣摩擦系數低于400 ℃時的摩擦系數。

此外，與圖10相比，環境溫度為室溫到400 ℃時，所對應的填充MoS2-PI-CNTs納米復合固體潤滑劑試樣表面的摩擦系數都低于填充 MoS2-PI復合潤滑劑試樣表面的摩擦系數，且在 400 ℃時，填充MoS2-PI-CNTs納米復合固體潤滑劑試樣表面的摩擦系數仍然很低，說明在MoS2-PI復合固體潤滑劑中添加適量的碳納米管，可以明顯提高試樣表面的耐高溫滑動摩擦性能。由于碳納米管由碳-碳共價鍵結合而成，其碳原子間距短、單層碳納米管的管徑小，使其具有極高的強度和極大的韌性，從而使得固體潤滑膜強度和韌性加強而不易被破壞。此外，碳納米管是管狀體，在潤滑表面上滾動，使得潤滑膜在試樣表面更加均勻和致密。由于其本身具有良好的潤滑性，使得由某些化學作用而形成的復合潤滑劑具有更好的潤滑性能。納米碳管依靠超聲波傳遞熱能，在一維方向傳遞熱能的傳遞速度極高，可達到10 000 m/s，使得試樣表面潤滑劑具有極高的耐熱性能。因此，在MoS2-PI復合固體潤滑劑中添加適量的CNTs，可以顯著地提高微織構自潤滑表面的使用溫度。

3 結論

1） 填充納米MoS2的微織構自潤滑表面的摩擦系數比填充等量普通MoS2的低35%左右，說明納米MoS2的潤滑效果比普通MoS2的潤滑效果更好。

2）隨著碳納米管含量的增加，微織構自潤滑表面的摩擦系數先減小后增大，當碳納米管質量分數為6%時，其摩擦系數最小，且比無碳納米管的低37%左右。

3）環境溫度為室溫到300 ℃時，微織構普通MoS2-PI復合潤滑劑試樣表面摩擦系數都較低，但400 ℃時，其摩擦系數較大。

4）填充6%碳納米管的MoS2-PI-CNTs微織構納米復合自潤滑表面在環境溫度為 400 ℃時仍然具有較小的摩擦系數，說明適量的碳納米管有利于提高MoS2-PI復合固體潤滑劑的使用溫度。