微纳米硫化物固体润滑薄膜的摩擦学性能及机理研究

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摩擦学是研究摩擦、磨损、润滑及其相互作用的科学。固体润滑是利用固体材料,尤其是固体薄膜来改善接触表面间润滑状态的润滑方式。增加材料表面的固体润滑性能可以大幅度提高材料的摩擦学性能,减少材料的摩擦磨损。 本文通过低温离子渗硫、多弧离子镀Mo+低温离子渗硫、射频溅射Fe/Mo纳米多层膜+低温离子渗硫、热喷涂、溶胶—凝胶等方法分别在45#钢、高速钢、模具钢及不锈钢表面制备了含固体润滑剂FeS与MoS2的七类固体润滑薄膜(涂层)。利用MM-200、QP-100、DD-92三种摩擦磨损试验机综合考查了各类固体润滑薄膜(涂层)在干摩擦及油润滑条件下的摩擦系数、磨损量及擦伤载荷,利用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线衍射仪(XRD)、X光电子能谱仪(XPS)、扫描俄歇微探针(AES)、纳米压痕仪(NHT)、涂层附着力划痕仪等微观分析仪器全面观察分析研究了薄膜的形貌、组织结构、元素原子价态与元素分布、纳米力学性能、薄膜与基体的结合强度等。 研究结果表明,七类固体润滑薄膜(涂层)的制备方法得当,构成合理,厚度适宜,与基体结合良好,摩擦学性能明显优于未经固体润滑处理的材料表面。对比研究发现,因制备工艺、组织结构及固体润滑剂自身特性不同等因素所致,七类固体润滑薄膜(涂层)的摩擦学性能有一定差异,各薄膜(涂层)的摩擦学性能由高到低按下列顺序排列:(射频溅射Fe/Mo+低温离子渗硫)复合镀渗FeS/MoS2纳米多层膜、(射频溅射Mo+低温离子渗硫)复合镀渗MoS2薄膜、(多弧离子镀Mo+低温离子渗硫)复合镀渗MoS2薄膜、(射频溅射Fe+低温离子渗硫)复合镀渗FeS薄膜、低温离子渗硫FeS薄膜、热喷涂FeS涂层、溶胶—凝胶FeS涂层。 FeS和MoS2都具有密排六方结构,变形抗力小,易沿密排面滑移,塑性流变能力强。摩擦副相对运动时,固体润滑薄膜(涂层)被碾压并粘附于对摩件表面,或填充于凹陷处,有效阻碍金属间的直接接触,避免了粘着的发生。 本文理论研究及部分实际应用表明,硫化物固体润滑薄膜(涂层)作为一种新型润滑结构,具有优异的减摩效果和广阔的应用前景。
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