船用內燃機軸瓦表面含MoS2 的PAI／PTFE 聚合物復合涂層制備及減摩抗磨研究

劉 奇 孟召喆 袁成清 董光能

（1.江蘇師范大學機電工程學院 江蘇徐州 221116；2.西安交通大學機械工程學院 陜西西安 710049；3.武漢理工大學交通與物流工程學院 湖北武漢 430070）

軸瓦作為內燃機中非常重要的零件之一，其質量將對發動機的工作性能產生直接影響。曲軸和軸瓦在工作時需承受急劇變化的沖擊載荷和彎曲應力及回轉振動等，若潤滑不當，極易造成軸頸的黏著、裂紋等，影響曲軸乃至整個內燃機的使用壽命［1］。海洋資源的開發、貨物運輸等都對內燃機提出了功率大、轉速快、損耗低等要求，這使得內燃機軸瓦的工作條件將會更加苛刻，使得軸瓦材料正朝著更高的抗疲勞強度，優良的耐磨性、順應性、嵌入性和耐腐蝕性，高載荷及高熔點等方向發展［2］。目前船用柴油機軸瓦常使用鋁錫銅合金，在油膜出口區易產生氣蝕，高載區域由于交變載荷下造成錫的析出，產生裂紋，嚴重影響軸瓦的使用壽命。

在軸瓦表面制備涂層可有效減少軸瓦的黏著和磨粒磨損，可使軸瓦磨損率及干摩擦、油潤滑下的摩擦因數最高減小80%以上［3］。目前主流的內燃機軸瓦涂層有3 種：電鍍鍍層、磁控濺射薄膜和固體潤滑涂層［4－5］。電鍍生產出的軸瓦涂層耐磨性偏低，在長時間使用過后易出現明顯磨損現象，導致運行時產生大量噪聲和劇烈震動，影響內燃機的使用壽命；磁控濺射工藝流程較復雜，不適合用于大批量生產；固體潤滑涂層是用于各類軸瓦中減摩抗磨重要手段。

傳統的軸瓦涂層包括巴氏合金、鉛錫青銅材料等［6－7］，在正常使用中可減小硬配副直接接觸，從而降低摩擦磨損。然而在重載、低速、高速的軸承中，巴氏合金等軟金屬常因受力不均勻產生塑性流動，導致油膜失穩使軸瓦發生燒瓦和失效［8］。高分子材料涂層具有低摩擦、耐磨性好、抗緩沖能力強等特點［9］，許多學者將其運用到軸瓦上以增強摩擦學性能。此外，隨著潤滑劑和耐磨材料的填充，聚合物涂層的力學和摩擦學性能均得到了改善［10］。SHIAO 等［11］將聚氧乙烯作為軸瓦自潤滑材料，獲得了小于0.02 的摩擦因數。KIM 等［12］在聚合物樹脂中加入質量分數2.3%的碳納米管，發現涂層的粗糙度降低，并且摩擦因數減小了78%。TU 等［13］使用噴涂的方式在銅基合金上制備了不同含量的聚酰亞胺PTFE／PI－PAI 復合涂層，在干摩擦和油潤滑下均具有較好的減摩抗磨性。

不同的涂層制備方式對摩擦穩定性具有很大影響。劉春暉等［14］通過使用高能球磨、冷等靜壓及高頻感應燒結在Ni 基合金上制備了高溫自潤涂層，在室溫至600 ℃范圍內均具有好的耐磨性。WANG等［15］使用爆炸噴涂法，制備了一種可多工況使用的Cr3C2－NiCr 涂層，延長了零部件使用壽命。ZHU、徐進等人［16－17］使用黏結法將含有MoS2的減摩膠體粘附在摩擦配副表面，給出一種制備性能穩定涂層的方式。

內燃機軸瓦從啟動到停止階段潤滑狀態及工作溫度在持續變化［18］。為了提高AlSn20Cu／SAE1010 合金軸瓦的摩擦磨損性能，本文作者設計了一種含有MoS2的PAI／PTFE 復合自潤滑涂層。首先使用激光毛化處理AlSn20Cu／SAE1010 合金表面，并使用噴涂技術制備不同涂層，然后使用UMT－2 摩擦磨損試驗機進行摩擦學測試，最后利用SEM 等觀察表面磨損狀況，分析了摩擦機制。

1 試驗部分

1.1 樣品制備

文中使用噴涂燒結法制備復合自潤滑涂層，具體流程如圖1 所示。

圖1 復合涂層制備流程Fig.1 Process of composite coating preparation

首先使用激光毛化處理試樣表面［19］，以提高涂層的結合力，激光預處理參數如表1 所示。然后使用噴槍霧化噴涂，噴涂噴嘴與基體材料之間距離控制在200～300 mm，使用掃噴的方式，噴涂10 s 左右。噴涂后，在真空干燥箱中在120 ℃溫度下干燥30 min，然后再升溫至270 ℃燒結20 min，室溫下冷卻后可在試樣表面得到PAI／PTFE 復合涂層。噴料制備方式為：聚酰亞胺乳液（PAI，南通博聯材料科技有限公司生產）用去離子水以3 ∶2 的比例稀釋，再加入質量分數25%的聚四氟乙烯（PTFE，興旺塑膠原理有限公司生產）乳液，之后分別加入質量分數0.5%的KH550 硅烷偶聯劑（鼎海塑膠化工有限公司生產）和BD3033 流平劑（杭州包爾得新材料科技有限公司生產），最后加入MoS2作為固體潤滑劑，其質量分數分別為0、0.5%、1%、1.5%、2%。

1.2 試驗方法

摩擦磨損實驗在UMT－2 試驗機上進行，采用球盤往復運動模式，如圖2 所示。試驗行程6 mm。上試樣為GCr15 球（直徑9.525 mm，SKF 集團產品），硬度60HRC，表面粗糙度Ra為0.009 μm；下試樣為AlSn20Cu／SAE1010 合金（10 mm×20 mm）。試驗一為不同復合涂層的干摩擦試驗，載荷為3～5 N，頻率為2 Hz；實驗二為不同復合涂層油潤滑下的摩擦試驗，潤滑油為卡爾沃CD20W－50 柴油機油（40 ℃運動黏度50 mm2／s，氧化安定性108 min（旋轉氧彈法）），載荷為3～5 N，頻率為2 Hz。試驗摩擦因數由試驗機實時記錄，在趨于穩定后計算其平均值，干摩擦下試驗球的磨損率由公式（3）計算得到。為保證數據準確性，每組試驗測試3 次，取平均值。

圖2 球盤往復運動示意Fig.2 Schematic of the reciprocating motion of ball－on－disc

式中：k為磨損率（mm3／（N·m））；h為球冠高度（mm）；V為磨損體積（mm3）；S為總滑動距離（m）；R為球半徑（mm）；r為磨斑半徑（mm）；F為載荷（N）；T為試驗時間（min）；f為頻率（Hz）；a為往復距離（m）。

2 結果與討論

2.1 涂層表征

MoS2及所制備的涂層表面形貌如圖3 所示。圖3（a）為MoS2的SEM 圖，可見MoS2為片層狀結構，具有較好的摩擦學性能，徑向直徑為1～4 μm，軸向厚度約為30 nm；圖3（b）是所制備的涂層的截面SEM 圖，截面經過磨拋后，在電鏡下觀測得到涂層厚度約為5 μm；圖3（c）是添加質量分數1%MoS2粉末制備的涂層SEM 圖，可見涂層表面充滿球冠狀的微凸起，尺寸為50～100 μm。圖3（d）是原始鋁錫銅合金表面，經測定粗糙度Ra為0.24 μm。圖3（e）—（h）是不同MoS2含量的PAI／PTFE 涂層的表面形貌光學顯微鏡圖片，可見隨著MoS2的增加，表面粗糙度Ra增大；當MoS2質量分數為2.5%時，表面甚至出現了裂紋。

2.2 摩擦磨損結果及分析

圖4 所示為不同MoS2含量的PAI／PTFE 涂層在不同載荷下的干摩擦因數（COF）曲線。

圖4 干摩擦和不同載荷下不同MoS2 含量的PAI／PTFE復合涂層摩擦因數曲線Fig.4 The friction coefficient curves of PAI／PTFE composite coatings with different MoS2 content under dry friction and different loads：（a）3 N；（b）4 N；（c）5 N

由圖4 可知，隨著載荷的增加，無涂層試樣表面干摩擦因數有明顯上升，并且當載荷為4 和5 N 時，出現劇烈震動，摩擦狀態差，其中5 N 下最大摩擦因數達到了0.58 左右；表面制備PAI／PTFE 涂層后，摩擦因數隨著MoS2質量分數的增加先下降再上升，當MoS2質量分數為2%時，3 種載荷下摩擦因數均最小，摩擦因數保持在0.08～0.1 之間，未出現明顯的波動，這與李攀瑜［20］得出的結果相似，其制備的無潤滑脂型油套管接頭用PAI－MoS2－PTFE 復合涂層具有好的摩擦學性能。以上結果表明，在PAI／PTFE 復合涂層中添加MoS2后可明顯提高其潤滑性能，能夠減小軸瓦在啟停階段、振動等造成潤滑不良時的摩擦磨損，延長其使用壽命。

在5 N 載荷下與不同涂層表面進行干摩擦后，測量了試驗鋼球的接觸區域磨斑，并通過公式（3）計算得到磨損率，如圖5 所示。原始鋁錫銅合金表面摩擦試驗后，鋼球磨損率為4.2×10－7mm3／（N·m），制備PAI／PTFE 涂層后，磨損率迅速下降到3.5×10－8mm3／（N·m），降低了90%以上。添加MoS2后鋼球磨損率下降，當MoS2質量分數達到2%以上時，鋼球磨損率變化不大，最低約為9.5×10－9mm3／（N·m）。這得益于片層狀MoS2低的層間作用力，干摩擦下形成摩擦膜，與PAI／PTFE 涂層共同起到減摩抗磨作用。從鋁錫銅合金與軸承鋼球的干摩擦因數及磨損率來看，PAI／PTFE＋2%MoS2的復合涂層在摩擦測試中效果較好，5 N 下的磨損率與無涂層試樣相比降低了97.73%，減摩抗磨性能較優異。

圖5 與不同涂層表面干摩擦后鋼球的磨損率（載荷5 N）Fig.5 Wear rate of steel ball after dry friction on different coating surfaces at load of 5 N

圖6 示出了不同載荷下鋁錫銅合金與軸承鋼球在CD20W－50 柴油機油潤滑下的摩擦因數曲線。無涂層合金表面摩擦因數始終穩定在0.12 左右，PAI／PTFE涂層表面摩擦因數隨時間緩慢上升，未添加MoS2時，摩擦因數最高上升到0.105；當MoS2質量分數為0.5%和1%時，油潤滑下涂層潤滑改善效果不明顯；載荷為4 和5 N 時，MoS2質量分數為1%的涂層表面摩擦因數較低，為0.08 左右；當MoS2質量分數為1.5%時，摩擦因數隨載荷增加略有上升，而質量分數為2%時，摩擦因數隨載荷增加略有下降。潤滑性能改善最好的組合是PAI／PTFE＋2%MoS2，摩擦因數最終穩定在0.04 左右，比原始表面降低了約66.7%。李桂花等［21］制備的PAI／PTFE 涂層中未加入MoS2，得到的最優摩擦因數為0.075，可見MoS2對于復合涂層摩擦學性能具有極大的改善作用。

圖6 油潤滑不同載荷下不同MoS2 含量的PAI／PTFE 復合涂層摩擦因數曲線Fig.6 The friction coefficient curves of PAI／PTFE composite coatings with different MoS2 content under oil lubrication and different loads：（a）3 N；（b）4 N；（c）5 N

2.3 SEM 和EDS 分析

為了探究不同表面的磨損狀況及磨損形式，對油潤滑下5 N 載荷試驗組部分表面進行了SEM 觀測，結果如圖7 所示。無PAI／PTFE 涂層的原始表面主要磨損形式為磨粒磨損，表面磨痕比較明顯，寬度約為639 μm（見圖7（a））。在圖6（c）中，MoS2質量分數為0、0.5%和1%的涂層表面摩擦因數后期會有明顯上升，幾乎接近于原始表面，這對應于圖7（b）、（c）和（d）的磨損表面，可以看出，這3種涂層在摩擦試驗后都出現了不同程度的破裂現象，其中圖7（b）中的摩擦表面已經露出了基體，涂層磨損嚴重，后期無法維持低摩擦。圖7（e）和（f）中，磨痕寬度分別為442 和401 μm，比原始表面減小30%以上，并且劃痕區域平整，未出現涂層磨破現象，因此可以持續保持低摩擦。

圖7 油潤滑涂層表面磨損SEM 圖（載荷5 N）Fig.7 SEM images of the coating wear surface under oil lubrication at load of 5 N

軸承鋼球表面的磨損形貌SEM 圖片和EDS 分析數據如圖8 所示。圖8（a）表明，經過與原始鋁錫銅合金摩擦后，鋼球表面Cu、Al 元素質量分數分別為51.4%和35.49%，表面幾乎完全被鋁錫銅合金黏著，摩擦學性能較差。圖8（b）所示是與MoS2質量分數為1%的涂層摩擦后的鋼球表面形貌，由于摩擦測試后期涂層被磨破，球斑中心區域也出現嚴重黏著磨損，邊緣區域S 元素質量分數達到了11.33%，這表明摩擦過程MoS2參與了潤滑膜的形成，但是一旦復合涂層破損后，磨損會迅速增加。圖8（c）所示是與MoS2質量分數為2%的涂層摩擦后的球斑形貌，經過5 N 載荷下的摩擦測試后，鋼球表面平整僅有微小黏著磨損，并且磨損區域表面S 元素分布均勻且質量分數上升為35.48%，這說明MoS2在摩擦表面持續發揮作用，能夠提高復合涂層的穩定性。

圖8 油潤滑下鋼球磨損表面形貌及EDS 分析結果（載荷5 N）：（a）無PAI／PTFE 涂層表面；（b）1% MoS2涂層表面；（c）2% MoS2涂層表面Fig.8 Surface morphology and EDS analysis results of steel ball wear surface under oil lubrication at load of 5 N：（a）no PAI／PTFE coating surface；（b）1% MoS2 coating surface；（c）2% MoS2 coating surface

圖9 所示是不同涂層磨損表面的EDS 數據。圖9（a）所示是無涂層表面和EDS 分析數據，可見主要元素為基體表面Cu 元素，質量占比71.11%，含有的C 元素主要來源于潤滑油的物理和化學吸附，含有的部分Fe 元素主要來源于軸承鋼球的磨損，使部分鐵屑嵌入軟配副中。圖9（b）所示是MoS2質量分數為1%的涂層表面和EDS 分析數據，摩擦測試后涂層表面出現磨損，表面C 和F 元素占比高，Cu 元素為裸露的基體元素，并且在Cu 元素分布區域還有S元素分布，這表明在摩擦過程中，磨痕中涂層破裂位置MoS2參與潤滑膜的形成，可以減輕摩擦配副的磨損。圖9（c）所示是MoS2質量分數為2%的涂層表面和EDS 分析數據，摩擦測試后，涂層表面平整未出現明顯磨損痕跡，表面主要元素為C、F，并且出現S 元素，表明適量的MoS2有助于復合涂層摩擦膜的穩定，能夠提高涂層使用壽命。

圖9 油潤滑下涂層磨損表面形貌及EDS 分析結果（載荷5 N）：（a）無PAI／PTFE 涂層表面；（b）1% MoS2涂層表面；（c）2% MoS2涂層表面Fig.9 Surface morphology and EDS analysis results of the coating wear surface under oil lubrication at load of 5 N：（a）no PAI／PTFE coating surface；（b）1% MoS2 coating surface；（c）2% MoS2 coating surface

3 結論

為了提高船用內燃機軸瓦的摩擦學性能，在鋁錫銅合金表面制備了含MoS2的PAI／PTFE 復合涂層，并研究了MoS2含量對涂層摩擦學性能的影響。主要結論如下：

（1）在干摩擦下，原始表面摩擦因數隨著載荷上升而增加，制備PAI／PTFE 復合涂層后摩擦因數變得平穩，在5 N 載荷下摩擦因數最低為0.090 2，降低了90%，磨損率最低為9.5×10－9mm3／（N·m）降低了97.73%。

（2）油潤滑下原始表面摩擦因數保持穩定，為0.12，在不同載荷下，MoS2質量分數為0、0.5%和1%的涂層摩擦因數400 s 后會逐漸上升，MoS2質量分數高于1.5%時摩擦因數會保持穩定，最低為0.038。

（3）干摩擦和油潤滑下，MoS2質量分數為2%的PAI／PTFE 復合涂層的摩擦因數均最低，在不同載荷下均具有良好的潤滑性能；并且MoS2含量影響著涂層潤滑膜的穩定性，MoS2含量過低時涂層摩擦時容易破損，過高時則可能會導致涂層表面制備時發生開裂，MoS2質量分數為2%時具有最好的效果。