氮化和噴涂MoS2 涂層的不銹鋼試樣振動后抗咬死性能分析

張樂，姚遠，馬燕青，馬國佳，吳晗，靳磊

（1.中國航空制造技術研究院 a.高能束流加工技術重點實驗室 b.材料應用研究部，北京 100024；2.軍事科學院 系統工程研究院，北京 100082；3.中國空空導彈研究院，洛陽 471009；4.中國科學院力學研究所，北京 100080）

某機械控制開關主要由異種不銹鋼底座（Ⅰ型不銹鋼）與拉桿（Ⅱ型不銹鋼）配對組成，該控制開關在工作時，主要包括閉鎖和開鎖兩種狀態。閉鎖狀態時，拉桿在底座內；開鎖時，拉桿撞擊底座，使底座和拉桿發生相對旋轉，拉桿脫離底座。底座和拉桿在閉鎖時，受到機械振動的作用，工作過程中會發生微動磨損；開鎖時，兩種部件受到振動、大載荷沖擊等作用，會發生粘著磨損。該機械控制開關長期工作后，由于粘著磨損嚴重，在開鎖過程中，會發生拉桿無法脫離底座的咬死（粘著失效）現象。現階段測試底座和拉桿咬死性能的方法主要是裝機實驗，但該過程價格昂貴，且費時。國內外重點研究了氮化層和鋼[1-2]（硬質合金[3]或陶瓷[4-5]）組成摩擦副的摩擦磨損性能、MoS2涂層和異種材料[6-7]組成摩擦副的摩擦磨損性能，但未見氮化+噴涂MoS2涂層與氮化+噴涂MoS2涂層組成配對副后，因粘著磨損而失效的報道。隨著需方對機械控制開關性能要求的提高，以及新型表面處理工藝的開發，有必要采用底座和拉桿模擬件，在振動模擬平臺上評價涂層經振動試驗后的抗咬死性能，并分析失效原因。

本文首先對底座和拉桿模擬件進行氮化處理，然后在氮化層上噴涂MoS2涂層，研究氮化+噴涂MoS2涂層的金相、物相、硬度和振動后的抗咬死性能，并分析了底座和拉桿模擬件氮化+MoS2涂層失效的原因。

1 試驗

1.1 振動模擬平臺、振動試驗和抗咬死性能試驗方法

1）模擬件。底座和拉桿實際件結構相對復雜，包括振動接觸平面、固定及傳力部件，本文重點討論底座和拉桿的抗咬死性能，所以實驗中的模擬件主要包括接觸平面，固定及傳動主要通過工裝來進行。底座和拉桿的模擬件尺寸如圖1 所示，底座和拉桿模擬件的配合圖如圖2 所示。

圖1 模擬件尺寸Fig.1 Dimension of simulation specimen: a) pedestal; b) tie bar

2）振動模擬平臺。振動模擬平臺的激勵器如圖3 所示。拉桿和底座配合后，放入設計好的工裝內，工裝固定在激勵器的工作臺上，振動試驗參數經信號發生器等處理后，作用在工作臺上，工作臺上下運動，從而帶動拉桿和底座振動。

3）振動參數。機械控制開關工作時，受到的振動主要是振動源通過結構傳遞。本文首先將振動源的振動參數利用三角級數法轉化，并適當調整倍數，得到的時間信號如圖4 所示，然后作用到振動模擬平臺上。

圖2 底座和拉桿模擬件的配合圖Fig.2 Assembly drawing of pedestal and tie bar

圖3 振動臺的激勵器Fig.3 Actuator of vibration platform

圖4 三角級數法轉化的時間信號Fig.4 Time signals with trigonometric series method

4）粘著失效時間的確定。設定振動時間分別為15、30、45、60 min，振動完成后，將底座和拉桿反轉，直至粘著咬死為止，最終確定咬死時間。

1.2 模擬件表面處理

底座的基體材料為Ⅰ型不銹鋼，拉桿的基體材料為Ⅱ型不銹鋼，兩種材料的成分如表1 所示。Ⅰ型不銹鋼和Ⅱ型不銹鋼經過熱處理后，表面硬度分別為(33±1.5)、(39±1.5)HRC。

表1 兩種基材的成分Tab.1 Chemical composition of two substrates wt.%

首先將底座和拉桿模擬件氮化，氮化過程采用的是氣體氮化，溫度為570 ℃，時間為22 h。然后在氮化樣表面噴涂MoS2，噴涂氣源采用壓縮空氣，噴涂后對MoS2進行固化處理。

1.3 表征及測試

利用KEYENCE/VHX-5000 型超景深三維顯微鏡、Sigms HD/ULTRA 型掃描電鏡觀察樣品表面、截面形貌，用掃描電鏡自帶的Oxford X-Max20 能譜儀對樣品進行EDS 能譜分析。物相（XRD）分析設備為日本理學Ultima IV 型X 射線衍射儀，Cu 靶（Cu，λ=0.154 nm），掃描角度范圍為20°～80°，掃描步幅為10 (°)/min。

MoS2涂層的厚度通過金相法測量，每個試樣測量5 個點，取平均值作為最終厚度。兩種鋼件的滲氮層厚度根據硬度來確定，即從試樣表面至比基體維氏硬度高50HV 處的垂直距離為滲氮層深度[8]。氮化層的顯微硬度主要包括表面硬度和截面顯微硬度梯度，測試設備為HXD-1000 型維氏硬度計。表面顯微硬度（磨去MoS2涂層）的測試載荷為300 g，加載時間為15 s，取5 個點的平均值。截面硬度梯度測試時，載荷為50 g，加載時間為15 s，測試3 個距試樣表面相同距離的點，取3 點顯微硬度的平均值。

將氮化+噴涂MoS2涂層的底座和拉桿模擬件配合后，采用1.1 節中的振動模擬平臺、振動試驗和抗咬死試驗方法，測試模擬件的抗咬死性能。

2 結果及分析

2.1 金相和物相

Ⅰ型不銹鋼、Ⅱ型不銹鋼氮化+噴涂MoS2涂層后的模擬件，經三氯化鐵鹽酸溶液侵蝕后的金相照片和SEM 照片如圖5 所示，EDS 能譜如表2 所示。兩種不銹鋼氮化+噴涂MoS2后的金相照片（圖5a、5c）中，最外層主要為MoS2涂層，MoS2涂層之下為氮化層，氮化層的顏色比基材的顏色深，主要是因為不銹鋼中固溶態的鉻在氮化過程中，生成了耐腐蝕性能相對較低的CrN[9-10]。由Ⅰ型不銹鋼氮化+噴涂MoS2后試樣的SEM 照片（圖5b）和EDS 能譜（表2 中C區）可知，最外層MoS2涂層厚度為30～45 μm，通過MoS2涂層之下的選區能譜（表2 中D 區）可知，選區主要是鐵和鉻的氮化物。結合圖5d、表2 中的A區和B 區可知，Ⅱ型不銹鋼氮化+噴涂MoS2后的MoS2涂層厚度為20～30 μm，其下主要為氮化物。因兩種不銹鋼噴涂MoS2涂層的時間是一致的，但模擬件形狀、噴涂面積有所差別，所以導致了MoS2層厚度不同。SEM 照片顯示，兩種鋼最外層的MoS2涂層表面凹凸不平，涂層的粗糙度比氮化層的粗糙度增加較多。一般來說，表面粗糙度增加，會降低摩擦副的抗粘著磨損能力[11]。

圖5 Ⅰ型不銹鋼和Ⅱ型不銹鋼氮化+噴涂MoS2 后的金相和SEM 照片Fig.5 Microstructure and SEM of Ⅰ type and Ⅱ type stainless steel after nitriding and spraying MoS2: a) metallograph of Ⅰtype stainless steel; b) SEM micrograph of Ⅰ type stainless steel; c) metallograph of Ⅱ type stainless steel; d) SEM micrograph of Ⅱ type stainless steel

表2 圖5 中A 區、B 區、C 區和D 區的EDS 能譜Tab.2 EDS results of A area, B area, C area and D area in fig.5 wt.%

圖6 為Ⅰ型不銹鋼和Ⅱ型不銹鋼表面處理后，試樣的表面XRD 圖譜。從圖中可知，兩種鋼氮化后的表面物相主要是γ′-Fe4N、ε-Fe2-3N 和CrN。γ′-Fe4N、CrN 屬于面心立方點陣，該晶體類型相對于六方結構來說，不利于摩擦磨損能力的提高[11]。表3 為氮化物的種類及晶格類型，結合文獻中氮化后生成ε 相的報道[12-13]，建議采用合適的工藝使氮化過程中生成更多六方結構的ε 相。兩種鋼氮化+噴涂MoS2涂層后，經X 射線衍射儀檢測后，顯示的物相為MoS2和γ′-Fe4N，未檢測到CrN 相，結合噴涂的實際過程，最外層的表面物相應為MoS2。

X 射線衍射儀檢測顯示，兩種鋼氮化+噴涂MoS2涂層后的物相為MoS2和γ′-Fe4N。噴涂的MoS2涂層較薄，且存在一定孔隙，在X 射線衍射時，化合物層中部分γ′-Fe4N 衍射峰被檢測到。因ε-Fe2-3N、CrN的含量較少，化合物層上覆蓋一層MoS2涂層，所以未發現這兩種物相明顯的衍射峰。

從 Fe-N 相圖[14-15]可知，在稍低于共析溫度（590 ℃）以下氮化，氮首先進入到α-Fe 中，當α-Fe的含氮量達到飽和時，在鋼的表面會形成可變成分的γ′-Fe4N，表面γ′相達到飽和時，形成含氮量較高、成分變化范圍更寬的ε-Fe2-3N 相。本實驗滲氮γ′-Fe4N的含量比ε-Fe2-3N 要多，說明在滲氮過程中，較少部分的γ’相達到飽和，形成ε-Fe2-3N 相。鉻與氮的親和力較強，因此在氮化過程中，也形成了CrN 相，該相的形成可以明顯增加滲層的硬度。

圖 6 Ⅰ型不銹鋼和Ⅱ型不銹鋼表面處理后試樣的表面XRD 圖譜Fig.6 XRD diffraction patterns of Ⅰ type and Ⅱ type stainless steel after surface treatment

表3 氮化物的種類及晶體結構[14-15]Tab.3 Type of nitrides and their crystal structures[14-15]

2.2 顯微硬度

圖7 Ⅰ型不銹鋼和Ⅱ型不銹鋼氮化后的截面硬度梯度Fig.7 Cross-sectional hardness profile of Ⅰ type and Ⅱtype stainless steel after nitriding treatment

滲氮前，Ⅰ型不銹鋼和Ⅱ型不銹鋼的顯微硬度分別為324.1、387.2HV0.05。滲氮處理后，Ⅰ型不銹鋼和Ⅱ型不銹鋼氮化層的表面顯微硬度分別為1092.7、1047.8HV0.3。由此可知，氮化后，兩種鋼的表面硬度都顯著增加。兩種鋼氮化后的截面硬度梯度如圖7 所示，Ⅰ型不銹鋼和Ⅱ型不銹鋼氮化后的總滲層深度（比基材高50HV 處）分別約為165、230 μm。Ⅱ型不銹鋼氮化后總滲層深度更大，且從截面硬度梯度圖上可以看出，Ⅱ型不銹鋼氮化后距表面相同距離處的顯微硬度略大，且顯微硬度下降較平緩。在氮化工藝相同的情況下，氮化層的厚度和鋼種及掛裝位置有關，本文的兩種不銹鋼掛裝位置相似，滲層的厚度主要與鋼種（合金元素）有關，Ⅱ型不銹鋼含有約2.6%的鉬元素，鉬元素為強氮化物形成元素，有利于氮化物的形成，且MoN 或Mo2N 的顯微硬度大[16-17]，所以Ⅱ型不銹鋼氮化后滲層較厚，且距表面相同位置處的顯微硬度較大。

2.3 振動后抗咬死性能

將拉桿模擬件與底座模擬件配合，放到振動平臺上進行振動試驗，底座工作位置圖如圖8a 所示。底座可分為上、下、內三部分，在振動過程中，和拉桿分別形成上接觸面、下接觸面和內接觸面。當振動30 min，模擬件旋轉后，拉桿脫離底座，兩者沒有發生咬死現象；振動45 min，模擬件旋轉后，拉桿不能從底座中脫離，發生咬死現象，咬死后的照片如圖8b 所示。初步確定拉桿模擬件和底座模擬件的振動咬死時間在30～45 min 之間。從宏觀照片可以看出，振動結束后，在接下來的拉桿和底座相對旋轉運動時，拉桿的下接觸面發生旋轉，拉桿與底座的內接觸面脫離，上接觸面繼續保持接觸，上下接觸面的摩擦力大于拉桿的重力，從而導致了咬死現象的發生。

圖8 底座工作位置和咬死Fig.8 Workplace of pedestal and picture after adhesive failure: a) workplace of pedestal; b) scuffing (after rotation)

2.4 尺寸因素

氮化+噴涂MoS2涂層前后，底座內表面高度方向（上、下位置垂直距離）和拉桿直徑尺寸如表4 所示。從表中可知，在表面處理前，底座內表面高度上下尺寸為18.00 mm，套筒直徑為18.10 mm，套筒直徑大于底座內表面高度方向的尺寸。在氮化過程中，由于氮原子進入基體，鋼會發生一定的膨脹[16-17]，氮化之后再噴涂30 μm 左右的MoS2涂層，會導致底座內表面高度方向的尺寸進一步縮小，拉桿外表面尺寸進一步擴大。表4 結果顯示，套筒直徑比底座內表面高度方向尺寸大0.28 mm。振動45 min 后旋轉時，下接觸面發生旋轉，由于拉桿直徑大于底座內表面高度方向的尺寸，從而導致拉桿的上位置與底座上位置接觸，這會增大接觸表面的摩擦力。

表4 底座內表面高度方向和拉桿直徑尺寸Tab.4 Direction of inferior surface in pedestal and diameter of tie bar

從尺寸方面考慮，在滿足力學性能的前提下，減小拉桿直徑尺寸，或擴大底座內表面高度方向尺寸，使氮化+噴涂MoS2后，拉桿直徑小于底座內表面高度方向的尺寸，從而在振動后旋轉時，拉桿和底座的上位置不發生接觸，明顯增加該摩擦副的抗咬死能力。

2.5 微觀形貌分析

圖9 為底座和拉桿的下接觸面。從圖中可以看出，在振動過程中，底座的下接觸面局部顏色變淺，說明下接觸面部分MoS2涂層在振動磨損過程中剝落。棱邊附近磨損嚴重區域（圖9 的E 區）的EDS能譜顯示含有一定的氮元素，但未發現鉬元素，說明該處MoS2涂層被磨損掉，氮化層發生了磨損，但沒有被磨穿。棱邊最邊緣有崩落，說明棱邊有較多的氮化層在粘著結點處發生剪切斷裂，這主要是由于氮化層硬度高（如圖7）、脆性大且受力集中造成的。

拉桿的下接觸面局部呈金屬光澤，棱邊附近磨損最為嚴重。拉桿棱邊金屬光澤局部放大處的F 區（圖9）含有氮元素，鉬元素的含量為2.19%（表5），和表1 中基材的含量相近，說明在振動過程中，該處MoS2層被磨損掉，氮化層被局部磨損。拉桿棱邊磨損區域局部放大圖顯示，棱邊磨損處有微坑，磨痕存在解離裂紋，呈現類似脆性斷裂的形貌，也主要是氮化層硬度高、脆性大和應力集中造成的。

圖10 為底座和拉桿的上接觸面。底座的上表面也發生了磨損，其與拉桿接觸的邊緣部分磨損相對嚴重。主要原因是在振動過程中，拉桿相對于底座發生上、下振動，并左右晃動，且受到重力的緣故。底座棱邊磨損放大區域的能譜（G 區）顯示，該處的氮化層也發生了一定的磨損，但沒有磨到基體，邊緣因磨損變得粗糙。圖中顯示拉桿的上接觸面在振動過程中也發生了磨損，與底座2 個棱邊接觸的地方發亮，說明該處的涂層磨損嚴重。光亮部分放大后的選區（H區）能譜顯示，光亮區有一定的氮含量（表6），磨痕相對齊平，且放大區域有微坑，說明該處的氮化層也發生了一定的磨損。

圖9 底座（線切割后）和拉桿咬死后的下接觸面Fig.9 Inferior surface of pedestal by wire cutting (a) and tie bar (b) after scuffing

表5 下接觸面選區內的EDS 能譜Tab.5 EDS results of selective area on inferior surface wt.%

圖10 底座（線切割后）和拉桿咬死后的上接觸面Fig.10 Upper surface of pedestal by wire cutting (a) and tie bar (b) after scuffing

表6 上接觸面選區內的EDS 能譜Tab.6 EDS results of selective area on upper surface wt.%

圖11 為底座和拉桿的內接觸面，圖中顯示拉桿和底座的內接觸面發生了輕微的磨損。這是因為振動過程中，拉桿在底座內發生了一定的前后晃動，導致內接觸面發生了磨損，但前后晃動不如上下振動劇烈，所以磨損不如上接觸面。

圖11 底座（線切割后）和拉桿咬死后的內接觸面Fig.11 Inner surface of pedestal by wire cutting (a) and tie bar(b) after scuffing

結合以上分析，底座和拉桿在振動45 min 過程中，拉桿和底座的上、下接觸面局部MoS2被磨穿，氮化層發生了一定的磨損，接觸表面變得粗糙，導致拉桿的下接觸面與底座摩擦力增大。拉桿和底座開始翻轉時，拉桿相對于底座以下接觸面外側邊為支點旋轉，同時由于拉桿直徑方向尺寸大于底座內表面高度方向的尺寸，旋轉時，拉桿的上位置會與底座的上位置接觸，上、下接觸面的摩擦力大于拉桿的重力，從而發生了咬死現象。

根據粘著磨損相關影響因素[11,18]可知，由金屬材料組成的滑動副一般要求其潤滑，表面潤滑可以減低摩擦副的粘著磨損。互溶性大的材料所組成的摩擦副，發生粘著傾向大；面心立方配對副的粘著系數大于密排六方配對的粘著系數。一般說來，摩擦副表面粗糙度越大，則抗粘著磨損能力越小。

底座和拉桿在開始振動時，MoS2涂層沒有被磨穿，MoS2屬于六方晶系且為層狀結構，因此MoS2涂層易于滑動，可起到減摩作用。鉬原子與硫原子之間為離子鍵，所以MoS2涂層有較高的強度，可一定程度上防止潤滑層在金屬表面突出部位被穿透。而硫原子暴露在MoS2晶體表面，對金屬表面產生很強的粘附作用[19-20]，因此在MoS2涂層沒有磨穿之前，底座和拉桿具有較強的抗粘著磨損能力，這應是振動30 min 之前旋轉未發生咬死現象的主要原因。

隨著振動時間的增加，底座和拉桿局部區域的MoS2涂層被磨穿，部分氮化層發生了磨損（見表5的能譜結果），這會導致底座和拉桿局部粗糙度變大，以及振動時底座和拉桿局部的氮化層直接接觸。結合表4 中的尺寸、圖10 中的磨痕和表6 的能譜結果可知，旋轉時，底座和拉桿上位置局部的氮化層也會發生直接接觸。底座和拉桿的氮化層中大量的Fe4N 屬于面心立方，該晶體結構相對于六方晶體結構，其抗咬死性能要差，且底座和拉桿的氮化層的主要物相均為Fe4N、Fe2-3N 和CrN，兩者氮化層之間互溶性大，不利于抗咬死性能的提高。底座和拉桿局部表面粗糙度的增加，拉桿直徑比底座內表面高度方向尺寸大0.28 mm，互溶性大且含立方晶體結構氮化物的氮化層之間直接接觸，是底座和拉桿振動45 min 并旋轉后發生咬死現象的主要原因。

3 結論

1）XRD 圖譜顯示，Ⅰ型不銹鋼和Ⅱ型不銹鋼氮化后，試樣的表面物相主要是Fe4N、Fe2-3N 和CrN，最外層噴涂的MoS2涂層的物相主要是MoS2。微觀照片顯示，Ⅰ型不銹鋼和Ⅱ型不銹鋼表面的MoS2涂層厚度分別為30～40、20～30 μm，氮化層的總厚度分別約為165、230 μm。

2）在模擬振動平臺上，拉桿與底座配合后，兩者振動卡死時間在30～45 min 之間。拉桿的下接觸面發生旋轉，拉桿與底座的內接觸面脫離，上接觸面繼續保持接觸，上下接觸面的摩擦力大于拉桿的重力，是摩擦副發生咬死現象的宏觀原因。

3）底座和拉桿局部表面粗糙度增加，拉桿直徑比底座內表面高度方向尺寸大0.28 mm，互溶性大且含大量立方晶體結構氮化物的氮化層之間直接接觸，是底座和拉桿振動45 min 并旋轉后發生咬死現象的主要原因。

4）建議縮小拉桿直徑或增大底座內表面高度方向的尺寸，使旋轉時拉桿和底座的上位置不接觸。也可以采用互溶性差的異種材料組成的摩擦副或改進表面處理層的晶體結構，降低摩擦副表面的粗糙度，如可以調整滲氮方法及工藝，使氮化層中含有大量六方結構的ε-Fe2-3N。