表面微坑复合MoS2镍基涂层制备及耐磨减摩性能研究

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激光熔覆硬质涂层是解决材料表面摩擦性能不足的重要手段之一,但存在硬质涂层抗磨与减摩性能难以兼顾的难题。激光熔覆时加入固体润滑剂制备涂层,能在一定程度实现硬质涂层自润滑功能,但由于固体润滑剂的加入通常会降低硬质涂层的强度,表现为涂层硬度及抗冲击韧性下降,甚至产生气隙、裂纹等缺陷,严重影响涂层的成形。为解决硬质涂层抗磨与减摩性能难以兼顾以及涂层力学性能下降的问题,本文提出了一种兼具良好耐磨、减摩与力学特性的新型涂层结构,为耐磨减摩性能统一的涂层设计提供重要的依据。首先,本文通过在42Cr Mo轴承钢基体(S)表面采用激光熔覆工艺制备镍基涂层(LC),再以电火花加工技术在涂层表面制作出有序微坑织构,最后将固体润滑剂Mo S2涂覆于涂层表面的微坑织构中,从而制备表面微坑复合Mo S2镍基涂层(LCT)。通过先进测试技术分别分析了LC和LCT试样的组织结构,结果表明:LC和LCT试样无气孔、裂纹等缺陷,涂层与基体呈冶金结合,涂层以γ-Ni(Fe)固熔体为基体相,生成了Fe Ni3、(Cr,Fe)7C3、Cr B、BFe2等一系列复杂化合物,涂层的硬度是基体的3.5倍,达到545HV0.2;LCT试样的表面微坑成形良好,固体润滑剂被完全填充到微坑底部,填充效果良好。其次,本文设计并制备了不同参数的LCT试样,重点研究织构面密度对LCT试样的影响,研究表明:在一定工况条件下,本研究的面密度范围内(8.72%-19.63%),LCT的摩擦系数、磨损率随织构面密度的增加而减小,4 N、0.1 m/s工况下,面密度19.63%的表面微坑复合Mo S2镍基涂层(LCT19.63%)的摩擦系数最低,达到0.36,较LCT8.72%和LCT12.56%试样分别降低23.4%和16.3%。微坑织构的面密度越高,单位面积能存储更多的固体润滑剂,在摩擦过程中,摩擦面易形成润滑膜,降低试样的摩擦系数和磨损率,提高材料的减摩性能。本文研究了S试样、LC试样和LCT试样在不同工况下的摩擦磨损行为,探究各试样的摩擦系数、磨损率随工况的变化规律。结果表明:在不同工况下,LCT试样较S和LC试样表现出优异的耐磨减摩性能,具有更低摩擦系数和磨损率。随载荷的增加,LCT试样的摩擦系数、磨损率先减小后增大;速度从0.1 m/s升至0.3 m/s时,试样摩擦系数降低,表现出更好的减摩性能,速度进一步增大时,试样摩擦系数有所升高,试样的自润滑性能下降,速度过高会破坏试样的表面润滑膜。最后,本文分别分析了S试样、LC试样和LCT试样在不同工况下磨损机理,重点探究LCT试样的耐磨减摩机理及其成膜机制。结果表明:S和LC的磨损方式主要有氧化磨损、磨粒磨损,LCT的表面润滑有初始、磨合和稳定三个阶段,随摩擦过程的不断进行,微坑内存储润滑剂被挤压、拖覆到摩擦面,在表面形成润滑剂堆积。在摩擦力的进一步作用下,摩擦表面的润滑剂的损耗与挤出会形成平衡,此时摩擦副保持在一个长期的稳定阶段,在该阶段形成的润滑膜最完整。LCT试样的磨痕表面存在明显的Mo S2层状结构,在磨损面形成了一层润滑薄膜,达到试样的减摩目的。表面微坑复合Mo S2镍基涂层结合了微坑织构储存磨粒、润滑剂的特性和涂层高承载能力的性能,具有较好的耐磨和减摩性能。
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