表面微坑復(fù)合MoS2鎳基涂層及摩擦磨損性能研究

李賓，劉錫堯,2，張君安，劉波，盧志偉

表面微坑復(fù)合MoS2鎳基涂層及摩擦磨損性能研究

李賓1，劉錫堯1,2，張君安1，劉波1，盧志偉1

（1.西安工業(yè)大學(xué)，西安 710021；2.河南科技大學(xué)，河南 洛陽 471000）

為解決硬質(zhì)涂層抗磨與減摩性能難以兼顧的難題，提出并制備出具有優(yōu)異減摩耐磨性能的表面微坑復(fù)合MoS2鎳基涂層結(jié)構(gòu)，為抗磨減摩性能統(tǒng)一的涂層設(shè)計提供重要依據(jù)。以42CrMo軸承鋼為基體，采用兩種加工方法（在42CrMo軸承鋼表面采用激光熔覆制備鎳基涂層，在涂層表面電火花加工微坑織構(gòu)）制備表面微坑復(fù)合MoS2鎳基涂層，通過球-盤摩擦磨損試驗（GCr15對磨球）分別測試3種載荷（2、4、6 N）下42CrMo軸承鋼、42CrMo軸承鋼表面鎳基涂層和表面微坑復(fù)合MoS2鎳基復(fù)合涂層試樣的摩擦學(xué)性能，并通過先進測試技術(shù)（XRD、SEM）分析復(fù)合涂層的組織結(jié)構(gòu)及磨痕微觀形貌。在不同載荷工況下，鎳基涂層的磨損率遠(yuǎn)小于42CrMo軸承鋼，表面微坑復(fù)合MoS2鎳基涂層的摩擦因數(shù)和磨損率均小于鎳基涂層和42CrMo軸承鋼，在4 N載荷工況下，鎳基-MoS2復(fù)合涂層具有最低摩擦因數(shù)，達到0.36，磨損率為7.41×10?7mm3/(N·m)，比鎳基涂層試樣（26.621 0?7mm3/(N·m)）降低了72.09%。表面微坑復(fù)合MoS2鎳基涂層結(jié)構(gòu)中涂層與環(huán)氧樹脂粘結(jié)MoS2固體潤滑劑可獨立高效發(fā)揮自身耐磨、減摩特性，并在不同載荷下發(fā)揮協(xié)同作用，兩種方法復(fù)合處理能得到具有良好減摩耐磨性能的表面。

復(fù)合涂層；微坑；摩擦因數(shù)；減摩；磨損；潤滑

激光熔覆硬質(zhì)涂層是改善機械摩擦部件表面耐磨性能的主要手段之一，硬質(zhì)涂層材料有Fe基、Ni基、Co基合金，其中，Ni基合金有良好的耐蝕性和較高的斷裂韌性，在激光熔覆硬質(zhì)涂層中廣泛應(yīng)用[1-3]。顧健等[4]利用激光熔覆技術(shù)在42CrMo鋼表面制備鎳基涂層，研究發(fā)現(xiàn)，涂層的顯微硬度分布比較均勻，相對基體硬度提高了1.42倍，耐磨性是基體的3倍以上，主要磨損機制為磨粒磨損，并伴隨著粘著磨損和氧化磨損。合金表面激光熔覆增韌相和增強相制備耐磨涂層，涂層具有高硬度、抗氧化、耐高溫等性能，但涂層在摩擦?xí)r由于表面硬度高，會加快對偶件的磨損，且在減摩性能方面存在較大不足[5-7]。為了彌補硬質(zhì)涂層在減摩性能方面存在的不足，國內(nèi)外學(xué)者通過在硬質(zhì)涂層中加入固體潤滑劑制備自潤滑復(fù)合涂層來實現(xiàn)表面涂層材料抗磨減摩性能的同時提升[8-11]。趙華洋等[12]利用激光熔覆技術(shù)在45鋼表面制備加入h-BN/CaF潤滑劑的Fe基自潤滑涂層，研究發(fā)現(xiàn)，自潤滑涂層的摩擦因數(shù)、磨損率得到有效降低，磨損率只有不加潤滑劑的涂層的8.8%，但自潤滑涂層的硬度、沖擊韌性降低。孟祥軍等[13]綜述了國內(nèi)外激光熔覆應(yīng)用中常見固體潤滑材料的研究進展，分析了潤滑材料的加入對涂層摩擦學(xué)性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)，以激光熔覆技術(shù)為基礎(chǔ)的加入多種潤滑劑的自潤滑涂層能有效提升涂層減摩性能，但由于激光熔覆是一個快速熔凝的冶金結(jié)合過程，納米潤滑材料不可避免的會發(fā)生燒蝕和團聚。通過以上分析，添加固體潤滑劑的自潤滑復(fù)合涂層的減摩性能有一定提升，但存在固體潤滑劑與涂層材料結(jié)合性不好，且硬度和抗沖擊韌性有所下降[14-16]。Voevodin等[17]研究了一種全新的涂層結(jié)構(gòu)，利用激光燒蝕技術(shù)制備Ti-TiC- TiC/DLC的納米晶/非晶復(fù)合功能涂層，在沿磨損路徑形成的凹槽中填充固體潤滑劑MoS2，研究發(fā)現(xiàn)，凹槽在涂層表面起到儲存固體潤滑劑的作用，并為摩擦接觸內(nèi)部提供固體潤滑劑，此涂層具有較為優(yōu)異的減摩抗磨性能。然此涂層制備工藝較為復(fù)雜，且凹槽形成具有不確定性，缺乏一定的調(diào)控能力。鑒于此，本文提出一種微坑復(fù)合固體潤滑劑的新型涂層結(jié)構(gòu)及制備方法，旨在在激光熔覆鎳基涂層表面電火花加工微坑織構(gòu)，將樹脂粘結(jié)固體潤滑劑MoS2通過涂覆技術(shù)填充于涂層的微坑中，以期獲得優(yōu)異的抗磨減摩性能。本研究以42CrMo軸承鋼為基體，Ni基耐磨涂層為主要組分，開展新型微坑涂層減摩耐磨性能研究，此研究可為抗磨減摩性能統(tǒng)一的涂層設(shè)計提供重要依據(jù)。

1 試驗

1.1 材料制備

本研究以42CrMo軸承鋼為基體，以Ni60為硬質(zhì)涂層主要組分，利用激光熔覆及電火花加工技術(shù)在42CrMo軸承鋼表面制備表面微坑復(fù)合MoS2鎳基涂層。基體為42CrMo軸承鋼材料（樣品CM），其主要組分如表1所示，退火處理，鎳基粉末的組分為Ni60，各元素比例如表2所示，粉末粒度53～150 μm。作為對比試樣，42CrMo表面激光熔覆Ni60的硬質(zhì)涂層試樣（樣品CM-N）也被制備。表面微坑復(fù)合MoS2鎳基涂層（樣品CM-NM）則是在CM-N材料基礎(chǔ)上制備而成，其具體制備流程如下：首先，在基體42CrMo軸承鋼表面激光熔覆鎳基硬質(zhì)涂層，激光熔覆設(shè)備為laserline四千瓦光纖激光器，主要工藝為試樣熔覆部位表面清理、熔覆最佳技術(shù)參數(shù)選擇、保溫緩冷、探傷檢測及涂層表面研磨拋光處理等。熔覆工藝參數(shù)為：功率1 800 W，速度600 mm/min，光斑4 mm× 4 mm。制得60 mm×60 mm×0.6 mm的涂層，如圖1a所示。著色探傷是一種無損的表面檢測方法，主要用來檢測肉眼不可見的裂紋、氣孔、未熔合等缺陷。在Ni60涂層表面涂著色劑，如圖1b所示，放置一段時間后清洗劑進行表面清洗，去除著色劑；再在表面涂顯像劑，裂紋、氣孔等由于著色劑的滲入可以清晰顯示。如圖所示，通過表面可觀察到Ni60涂層的表面無氣孔、無裂紋等缺陷，成形好。

表1 42CrMo鋼化學(xué)成分

Tab.1 Chemical composition of 42CrMo steel wt.%

表2 Ni60合金粉末化學(xué)成分

Tab.2 Chemical composition of Ni60 alloy powder wt.%

其次，在Ni基硬質(zhì)涂層表面加工有序微坑織構(gòu)。利用SEJ數(shù)控微孔電火花加工機床（WK02）在涂層表面加工出不同結(jié)構(gòu)的微坑織構(gòu)。制備工藝主要有加工代碼編輯、安裝工件、調(diào)整定位、調(diào)用程序、自動加工。相關(guān)研究表明[18-20]，織構(gòu)參數(shù)（直徑、深度、面排布）對織構(gòu)的摩擦磨損性能具有重要影響，根據(jù)現(xiàn)有研究文獻及課題組研究結(jié)果，確定本文微坑參數(shù)為直徑200 μm、深度100 μm，圖2為在Ni基涂層表面制備出的不同面密度微坑織構(gòu)形貌，課題組試驗研究表明當(dāng)微坑面密度為19.63%時，材料的摩擦磨損性能更為優(yōu)異，因此本文確定微坑面密度為19.63%。從圖2中可知，所制備涂層表面微坑圓度優(yōu)良，微坑邊緣不存在大量裂紋。圖3a給出涂層表面微坑的三維輪廓形貌，尺寸參數(shù)符合設(shè)計的要求。最后，將固體潤滑劑MoS2與樹脂膠混合，采用丙酮浸潤，形成混合潤滑劑，將混合潤滑劑碾壓方式填充到Ni基涂層的表面微坑織構(gòu)中，確保微坑填滿固體潤滑劑，填充后將材料表面拋光處理以去除表面多余潤滑劑。關(guān)于混合潤滑劑質(zhì)量配比，國內(nèi)外學(xué)者進行了相關(guān)研究[21-22]，研究表明：混合潤滑劑中二硫化鉬占質(zhì)量比為40%～60%，具有良好的減摩性能。本次試樣制備，混合潤滑劑中二硫化鉬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%，在潤滑劑的適度添加范圍內(nèi)，課題組的研究結(jié)果也表明此復(fù)合潤滑劑配比下，材料的摩擦磨損性能有較大提升。其中，樹脂膠為環(huán)氧樹脂E-44與低分子聚酰胺樹脂650，兩者按照質(zhì)量為1∶1混合。為檢測復(fù)合固體潤滑劑在微坑內(nèi)部的填充效果，對微坑橫斷面進行了場發(fā)射掃描電鏡測試，獲得填充復(fù)合固體潤滑劑的微坑橫斷面微觀形貌，如圖3b—c所示，由圖可知，固體潤滑劑完全被填充到微坑底部，填充效果良好。

圖1 Ni60涂層形貌（a）和Ni60涂層著色探傷示意圖（b）

圖2 不同面密度的微坑織構(gòu)形貌

圖3 微坑三維輪廓（a），填充固體潤滑劑表面形貌（b），填充固體潤滑劑內(nèi)部形貌（c）

1.2 摩擦試驗

較大覆蓋面積的微觀織構(gòu)會減小摩擦副的接觸面積、增加表面粗糙度，單位面積的接觸壓力較大，更容易破壞摩擦表面。因此，開展不同載荷下基體、激光熔覆Ni60涂層和表面微坑復(fù)合MoS2鎳基涂層3種試樣的摩擦磨損試驗研究，探討分析不同表面處理的試樣對滑動磨損率、摩擦因數(shù)和磨損形貌的影響。摩擦磨損試驗采用HT-1000高溫摩擦磨損試驗機，采用球-盤式摩擦副，由于測試樣品硬度高、耐磨性好，對磨球選用為直徑6 mm的GCr15軸承球[23]，載荷選用2、4、6 N，滑動速度為0.1 m/s，試驗溫度為室溫。在摩擦試驗過程中，摩擦因數(shù)由傳感器記錄，采用三維白光干涉儀[24]測量磨痕深度、磨痕寬度和磨痕的3D微觀形貌。由磨痕輪廓數(shù)據(jù)可計算磨痕截面面積，采用體積磨損率表示對摩副的磨損程度，由式（1）—（2）計算磨損體積及磨損率。

式中：為體積磨損量，mm3；為磨痕長度，mm；為加載載荷，N；為滑動距離，m；為體積磨損率，mm3/(N·m)。

1.3 測試表征

利用維氏硬度儀對涂層試樣表面幾個點進行維氏硬度試驗，試驗力為0.2 kg，壓痕時間為10 s。需要掃描電子顯微鏡（型號JSM7800F）和能量色散譜（型號牛津X-max 80）和X射線衍射儀（型號帕納科X Pert PRO）來表征涂層的顯微組織、物相組成。利用白光干涉儀和掃描電子顯微鏡來分析、表征磨痕的形貌和磨痕表面潤滑劑MoS2的存在，以研究減摩機理。

2 結(jié)果和討論

2.1 微觀結(jié)構(gòu)特征

圖4為Ni基熔覆層橫截面的微觀組織形貌。從圖4a中可以看出，涂層從表面到內(nèi)部由熔覆層、結(jié)合區(qū)、熱影響區(qū)三部分組成。從圖4b中可以看出，熔覆層與42CrMo軸承鋼基體結(jié)合的區(qū)域有一條結(jié)合帶，為平面晶區(qū)，在平面晶上部是定向生長的樹枝晶、針狀析出相和等軸晶組織[25]。涂層沒有孔洞、裂紋等缺陷，成型質(zhì)量好，與42CrMo軸承鋼基體形成了良好的冶金結(jié)合。涂層與基體之間的良好結(jié)合是涂層在外部載荷作用下的承載能力和耐磨性的必要前提和關(guān)鍵。在鎳基熔覆層中，基本相主要是Ni的固溶相，其中，條狀顆粒為硼化鉻為主的硼化物和碳化鉻為主的碳化物，彌散分布在固溶相內(nèi)，使涂層表現(xiàn)高硬度。根據(jù)反應(yīng)熱力學(xué)計算，Cr化合物（Cr7C3）的吉布斯自由能較低，隨熔覆層的冷凝，會生成穩(wěn)定化合物。利用EDS能譜儀對涂層各微區(qū)元素成分進行分析，圖5為涂層SEM面掃描圖，圖5b—e為涂層中各元素分布，其中條狀物質(zhì)元素組成主要是Cr元素，因此可以推斷條狀富集區(qū)域主要由硬質(zhì)陶瓷相Cr7C3組成[26]。

圖6a顯示了激光熔覆鎳基涂層的典型XRD圖譜，從圖得出涂層主要衍射峰為γ-Ni(Fe)固熔體，說明涂層以γ-Ni(Fe)固熔體為基體相。這是由于掃描速度較低，熔池單位時間內(nèi)得到的能量多，熔體存在時間增加，對流加強，熔體成分更加均勻，促進了的互擴散速度，有利于Ni-Fe相的形成。另外根據(jù)XRD圖譜顯示，Ni60合金粉末和冶金結(jié)合區(qū)基材還發(fā)生了復(fù)雜的化合反應(yīng)，從而都生成了FeNi3、(Cr,Fe)7C3、CrB、BFe2等一系列復(fù)雜化合物[27]。Fe、Ni元素形成固溶體能提高熔覆層的抗氧化性和耐磨性，F(xiàn)e、Cr易與C元素結(jié)合生成碳化物，提高涂層的硬度。表面硬度值的柱狀圖如6b所示，可以看出鎳基涂層的表面硬度值明顯高于42CrMo基體，經(jīng)熔覆涂層后，硬度從155HV0.2增加到545HV0.2，這是由于鎳基涂層生成了(Cr,Fe)7C3、CrB等化合物，在這些產(chǎn)物的彌散強化作用下，涂層的硬度是基體3.5倍。

圖4 熔覆層橫截面的微觀組織形貌

圖5 涂層SEM面掃圖

圖6 鎳基圖層XRD圖譜（a）和不同試樣表面硬度（b）

2.2 摩擦學(xué)性能

圖7a為4 N載荷下不同表面處理的摩擦因數(shù)變化，結(jié)果表明：CM試樣的摩擦因數(shù)高于其它兩組樣品，平均達到0.61；CM-N試樣的摩擦因數(shù)為0.46，摩擦過程中隨滑動距離增加變大，且變化波動較大，這是由于在激光熔覆鎳基涂層的過程中，增大了涂層的表面粗糙度。另一方面，鎳基涂層的硬度高于42CrMo基體，摩擦過程中產(chǎn)生高硬度的硬質(zhì)碎片，導(dǎo)致摩擦因數(shù)隨滑動距離增加而增大[28]。CM-NM試樣摩擦因數(shù)在摩擦過程中變化趨于平穩(wěn)，遠(yuǎn)低于其它兩組試樣，平均達到0.36，相比CM試樣降低了40.9%，相比CM-N試樣降低了21.7%。這是由于微坑織構(gòu)作為固體潤滑劑的儲層，在摩擦過程中，織構(gòu)內(nèi)的環(huán)氧樹脂粘結(jié)MoS2從微坑內(nèi)被拖覆到表面，在摩擦接觸表面形成潤滑薄膜，起到良好潤滑作用。此外，微坑織構(gòu)的存在可以儲存磨損顆粒，減輕潤滑膜的損傷。圖7b為試樣在不同載荷下的摩擦因數(shù)變化，結(jié)果表明：CM-N的摩擦因數(shù)在2、6 N時均高于CM，而在4 N時，CM-N的摩擦因數(shù)低于CM。這是由于CM-N為激光熔覆制備的鎳基涂層，其硬度遠(yuǎn)高于42CrMo基體，在較低載荷（2 N）時，對磨球與鎳基涂層均為較硬材料，相互對磨時接觸面積較小，會產(chǎn)生點對點的摩擦行為，摩擦劇烈，摩擦因數(shù)較高。隨著摩擦進行，載荷為4 N，對磨球與鎳基涂層接觸面積逐漸增大，摩擦因數(shù)會適度降低，并隨著摩擦繼續(xù)，對磨球不斷在摩擦表面進行循環(huán)碾壓，會在摩擦表面形成摩擦層，這會進一步降低摩擦因數(shù)。當(dāng)在較高載荷條件下，摩擦過程中會產(chǎn)生較多高硬度的硬質(zhì)碎片，加劇摩擦行為，導(dǎo)致摩擦因數(shù)增大。材料CM，相較于對磨球，其強度較低，在2～6 N載荷范圍內(nèi)，其摩擦因數(shù)整體平穩(wěn)，這是由于對磨球以較高強度在CM表面進行磨損，變化起伏不大。在2～4 N下，一般會以犁削為主要摩擦機制，隨著載荷增大（6 N），摩擦表面犁溝會被磨屑不斷碾壓填充，材料CM的摩擦因數(shù)會適當(dāng)降低。CM-NM試樣的摩擦因數(shù)隨載荷增加先減小后增加，這是由于2 N下，微坑織構(gòu)內(nèi)的樹脂粘結(jié)潤滑劑難以快速拖覆到摩擦面，形成潤滑膜緩慢，而高載工況（6 N）下，會使摩擦副之間的接觸面變得更緊密，表面潤滑劑難以成型，不斷被擠壓到磨痕兩側(cè)，潤滑膜變薄，從而導(dǎo)致摩擦因數(shù)增大。磨損體積可以通過橫截面積和磨損圓周長的乘積得到，然后計算磨損率，不同種類試樣的磨損率如圖7c所示。CM試樣的磨損率隨載荷的增加有明顯的變化，且磨損率遠(yuǎn)高于其余試樣，CM-N與CM-NM試樣的磨損率隨載荷的增加沒有明顯的變化趨勢。這是由于CM-N與CM-NM試樣表面硬度是CM試樣的3.5倍，CM試樣的硬度較低，耐磨性較差，在摩擦過程中表面易磨損，而CM-N與CM-NM試樣具有高硬度，高承載能力，在摩擦?xí)r表現(xiàn)出良好耐磨性、高承載特性[29]。在4 N時，CM-N試樣的磨損率（26.62× 10?7mm3/(N·m)）遠(yuǎn)小于CM試樣（109.03× 10?7mm3/(N·m)），磨損率與CM試樣相比降低了75.58%，這是由于Ni60熔覆涂層具有高硬度、耐磨性能好，能很大程度降低表面磨損，而CM-NM試樣的磨損率（7.41×10?7mm3/(N·m)）明顯更低，比CM試樣降低了93.2%，比CM-N試樣降低了72.09%，這是由于具有微織構(gòu)的結(jié)構(gòu)在摩擦過程中，微坑織構(gòu)儲存的潤滑劑在應(yīng)力作用下不斷被拖覆到表面，在摩擦面形成較為完整的潤滑膜，降低了摩擦因數(shù)和磨損率[30]。結(jié)合摩擦因數(shù)與磨損率分析發(fā)現(xiàn)，CM-NM試樣的摩擦因數(shù)隨載荷增加先降低后升高，而磨損率變化較小，這是由于高載工況使織構(gòu)內(nèi)潤滑劑難以在摩擦面形成連續(xù)、完整的潤滑層，試樣的減摩性能下降。然而Ni60熔覆層具有高硬度、高承載性能，可使CM- NM試樣具有優(yōu)異的耐磨性能，因此，損率卻幾乎保持不變。

圖7 不同試樣的摩擦因數(shù)曲線圖（a），不同載荷下摩擦因數(shù)變化（b），試樣在不同載荷下的磨損率（c）

圖8a—c為速度0.1 m/s、載荷4 N的工況下3種不同類型的42CrMo樣品在360 m滑動距離后磨痕的三維形貌和2D截面輪廓。從圖8a—c可以看出，CM-N試樣的磨痕寬度和深度小于CM試樣，而CM-NM樣品的磨痕寬度和深度都小于其他兩種樣品，這表明填充固體潤滑劑的微坑織構(gòu)的表面磨損較輕，圖8c為CM-NM樣品的磨痕形貌，潤滑劑在摩擦副表面形成了一層潤滑膜。

圖8 不同試樣磨痕三維形貌和2D截面分析

2.3 減摩耐磨機理

圖9a—f為0.1 m/s、4 N工況下不同試樣的磨痕表面形貌，圖9a為低倍率下完整連續(xù)的磨損軌跡，圖9b中的放大圖像顯示了CM試樣在與GCr15干滑動摩擦?xí)r發(fā)生的嚴(yán)重磨損，磨痕處出現(xiàn)磨屑和犁溝。對標(biāo)記1處EDS元素分析，如圖10a所示，點1處豐富的O元素存在，說明基體在滑動過程中發(fā)生了氧化磨損，大量犁溝存在說明發(fā)生了磨粒磨損，因此CM試樣的主要磨損方式有磨粒磨損和氧化磨損。這是由于CM試樣的顯微硬度低于GCr15對磨體，因此在摩擦?xí)r，很容易穿透低硬度合金表面，導(dǎo)致材料的犁溝和塑性變形[31]。CM-N涂層試樣的磨損軌跡如圖9c—d所示，從圖9d中可以看出，涂層的磨損軌跡與圖9b中CM試樣的磨損軌跡相似，2標(biāo)記處為磨屑，對2點做EDS元素分析，如圖10b所示，點處有O元素存在，說明CM-N涂層試樣在滑動摩擦熱作用下發(fā)生了氧化磨損，同時，摩擦過程中涂層還發(fā)生了一定的磨粒磨損。圖9d中標(biāo)記3為部分微凸體，其EDS元素分析如圖10c所示，該點主要含Cr等元素，為涂層的硬質(zhì)顆粒，在摩擦過程中為涂層提供高承載特性。CM-N試樣的磨損主要有氧化磨損、磨粒磨損和疲勞磨損。圖9e—f為CM-NM試樣的磨痕表面形貌，試樣磨痕處的表面磨損極其輕微，微坑形貌完整保留，對點4標(biāo)記處進行EDS元素分析如圖10d所示，其中O元素代表環(huán)氧樹脂系，S元素代表MoS2，點4處為環(huán)氧樹脂粘結(jié)MoS2在摩擦面形成的固體潤滑膜，5標(biāo)記處EDS元素分析如圖10e所示，主要含F(xiàn)e、Ni等元素，該點為原始Ni基熔覆層。從分析可知，磨痕的微坑周圍明顯存在從坑內(nèi)轉(zhuǎn)移出的粘結(jié)固體潤滑劑，在表面形成環(huán)氧樹脂粘結(jié)的固體潤滑膜。這主要是由于微坑織構(gòu)內(nèi)填充的樹脂粘結(jié)MoS2固體潤滑劑在摩擦過程中能被摩擦的對偶件從微坑內(nèi)轉(zhuǎn)移至微坑間的摩擦表面，從而不斷地在摩擦面補充形成潤滑薄膜[32]，這一過程既提高了摩擦因數(shù)的穩(wěn)定性，又降低了織構(gòu)表面的磨損率。

圖9 不同試樣的磨痕表面形貌

圖10 磨痕EDS能譜測試

圖11a—b為表面微坑復(fù)合MoS2鎳基涂層的自潤滑機理圖，織構(gòu)化的表面具有微坑狀結(jié)構(gòu)，這些微坑結(jié)構(gòu)內(nèi)存儲環(huán)氧樹脂粘結(jié)MoS2的固體潤滑劑，在摩擦磨損過程中，微坑內(nèi)的固體潤滑劑在應(yīng)力作用下被擠壓拖覆到表面，隨滑動方向發(fā)生轉(zhuǎn)移、鋪展，在摩擦面形成穩(wěn)定連續(xù)的潤滑膜，從而獲得穩(wěn)定的摩擦因數(shù)，更低的磨損率。同時，織構(gòu)化的微坑結(jié)構(gòu)還可以在一定程度上捕獲一定量的磨屑和磨粒，減小磨粒磨損，使摩擦過程變得更加平穩(wěn)。

圖11 鎳基-MoS2復(fù)合涂層的自潤滑機理圖

3 結(jié)論

1）成功制備了Ni基微坑復(fù)合MoS2涂層結(jié)構(gòu)材料CM-NM，相較于基體42CrMo軸承鋼及Ni60硬質(zhì)涂層，材料CM-NM具有更優(yōu)異的減磨耐磨性能。

2）隨載荷的增加，表面微坑復(fù)合MoS2鎳基涂層CM-NM的摩擦因數(shù)先下降后上升，磨損率穩(wěn)定持續(xù)在較低的數(shù)值范圍內(nèi)，在4 N時摩擦因數(shù)最低，相比CM試樣降低了40.9%，相比CM-N試樣降低了21.7%，磨損率相比CM和CM-N試樣分別降低了93.2%和72.09%。

3）表面微坑復(fù)合MoS2鎳基涂層CM-NM在摩擦磨損過程中，表面織構(gòu)微坑內(nèi)存儲的環(huán)氧樹脂粘結(jié)MoS2的固體潤滑劑在應(yīng)力作用下被擠壓、拖覆到表面，隨滑動方向發(fā)生轉(zhuǎn)移、鋪展，在摩擦面形成穩(wěn)定連續(xù)的固體潤滑膜，從而獲得穩(wěn)定的摩擦因數(shù)，更低的磨損率。同時，高硬度的Ni基涂層為復(fù)合涂層的摩擦提供高承載能力，進一步的增強復(fù)合涂層的耐磨性能。

4）表面微坑復(fù)合MoS2鎳基涂層CM-NM結(jié)合了微坑織構(gòu)的儲存磨粒、潤滑劑的特性和涂層的高承載能力的性能，兩種方法的復(fù)合處理產(chǎn)生了正向協(xié)同作用，能得到具有較好減摩和抗磨性能的摩擦表面。

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Surface Dimples Composite MoS2Nickel-based Coating and Its Friction and Wear Properties

1,1,2,1,1,1

(1. Xi'an Technological University, Xi'an 710021, China; 2. Henan University of Science and Technology, Henan Luoyang 471000, China)

In order to solve the problem that the anti-wear and friction reduction properties of hard coatings are difficult to balance, this study proposes and prepares the surface micro-pits composite MoS2nickel-based coating structure with excellent anti-wear and anti-friction properties, which provides an important basis for the coating design with unified anti-wear and anti-friction properties. Taking 42CrMo bearing steel as substrate, nickel-based coating was prepared by laser melting on the surface of 42CrMo bearing steel, and micro-pits composite MoS2nickel-based coating was prepared by EDM on the surface of nickel-based coating. The tribological properties of 42CrMo bearing steel, 42CrMo bearing steel surface nickel-based coating and surface micro-pits composite MoS2nickel-based coating under three loads (2 N, 4 N, 6 N) were tested by ball-on-disc friction and wear test (GCr15 ball). The microstructure and wear scar morphology of the composite coating were analyzed by advanced test techniques (XRD and SEM).

The surface of the prepared nickel-based coating has no pores, cracks and other defects. The coating is metallurgically bonded with the substrate, which provides high bearing capacity and good wear resistance for the substrate under external load. A series of complex compounds such as FeNi3, (Cr,Fe)7C3, CrB, and BFe2were generated in the coating using γ-Ni (Fe) solid melt as the matrix phase. Under the dispersion strengthening of (Cr,Fe)7C3, CrB and other hard phases, the hardness of the coating reached 545HV0.2, 3.5 times that of the matrix. The surface micro-pits of the surface micro-pits composite MoS2nickel-based coating are well formed, and there are no large cracks at the edge of the micro-pits. The solid lubricant is completely filled at the bottom of the micro-pits, and the filling effect is good.

Under different load conditions, the wear rate of nickel-based coating is much lower than that of 42CrMo bearing steel. The friction coefficient and wear rate of surface micro-pits composite MoS2nickel-based coating are lower than those of nickel- based coating and 42CrMo bearing steel. The friction coefficient decreases first and then increases with the increase of load. Oxidation wear and abrasive wear occur in the sliding process of substrate and coating. Under 4 N load condition, the surface micro-pits composite MoS2nickel-based coating has the lowest friction coefficient of 0.36, which is 40.9% lower than that of the substrate sample and 21.7% lower than that of the coating sample. The wear rate is 7.41′10?7mm3/(N·m). Compared with the Ni-based coating sample (26.62′10?7mm3/(N·m)), it decreased by 72.09%. In the process of friction and wear, the solid lubricant in the micro-pits was extruded and dragged onto the surface under the action of stress, transferred and spread along the sliding direction, and formed a stable and continuous lubricating film on the friction surface, so as to obtain a stable friction coefficient and lower wear rate. The coating and solid lubricant in the surface micro-pits composite MoS2nickel-based coating structure can independently and efficiently play their own wear resistance and friction reduction characteristics, and play a synergistic effect under different loads. The surface with good friction reduction and wear resistance can be obtained by the composite treatment of the two methods.

composite coating; micro-pits; friction coefficient; friction reduction; wear; lubrication

TH117

A

1001-3660(2022)11-0215-11

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.11.019

2021–10–06；

2022–07–05

2021-10-06；

2022-07-05

國家自然科學(xué)基金（51705390）；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計劃資助項目（2021JQ-652、2020JM-720）；河南科技大學(xué)高端軸承摩擦學(xué)技術(shù)與應(yīng)用國家地方聯(lián)合工程試驗室開放基金（202003）；陜西省教育廳科研計劃項目（20JK0672）；西安市未央?yún)^(qū)科技計劃項目（202110）

National Natural Science Foundation of China (51705390); Natural Science Basic Research Program of Shaanxi (2021JQ-652, 2020JM-720); The Project National United Engineering Laboratory for Advanced Bearing Tribology, Henan University of Science and Technology (202003); Scientific Research Program Funded by Shaanxi Provincial Education Department (20JK0672); Science and Technology Planning Project of Weiyang District, Xi'an (202110)

李賓（1997—），男，碩士研究生，主要研究方向為機械工程。

LI Bin (1997-), Male, postgraduate, Research focus: mechanical engineering.

劉錫堯（1990—），男，博士，講師，主要研究方向為機械摩擦學(xué)與表面技術(shù)。

LIU Xi-yao (1990-), Male, Doctor, Lecturer, Research focus: mechanical tribology and surface technology.

李賓, 劉錫堯, 張君安, 等. 表面微坑復(fù)合MoS2鎳基涂層及摩擦磨損性能研究[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(11): 215-225.

LI Bin, LIU Xi-yao, ZHANG Ju-nan, et al. Surface Dimples Composite MoS2Nickel-based Coating and Its Friction and Wear Properties[J]. Surface Technology, 2022, 51(11): 215-225.