WS2基固体润滑涂层摩擦性能研究

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Research on Friction Property of W S2 Matrix Solid Lubricating CoatingsHou Suoxia Gao Hui Jia Xiaomincj(Hebei United University，Tangshan Hebei 063009，China)Abstract：The tribological properties of WS2 matrix solid lubricating coating were investigated by friction and weartests.The results show that，under normal temperature，the tribological coeficient of WS2 matrix solid lubricming coatingsare close to that of MoS2 matrix solid lubricating coating，however，the coating quality of WS2 metal matrix is inferior to thatof MoS2；under high temperature，WS2 matrix coatings have stable friction coeficient，the tribological properties of WS2coatings are superior to MoS2 matrix solid lubricating coatings.Th e composite coatings including MoS2，WS2 and Sb2 O3 canplay a better role in friction reducing and lubrication，and the friction coeficient can reach to 0.045 under high tempera-ture of 400℃ .For the composite coatings including MoS2，WS2 and Sb2 O3，Sb2 O3 reacts preferentially with the oxygen inthe air under hJ gh temperature，which slows down the oxidation rate of MoS2 and WS2，and elevates the temperature thatMoS2 and WS2 Can withstand.In the condition of boundary lubrication，the mixed films of FeS an d MoS2 are generated bythe electrochemical catalysis and heat friction chemical reaction of MoS2，which improves the boundary lubrication。

Keywords：friction property；synergistic effect；solid lubricating coatingMoS 是常用的固体润滑剂，润滑性能优良，被广泛用于航天器运动构件和空间滚动轴承的真空润滑 ，但 MoS：在349℃时氧化剧烈 ，极大地限制了其应用。

WS 是-种新型的固体润滑剂，特性与 MoS：相似，莫氏硬度低，易形成转移膜 。 ；摩擦因数比MoS：略低，热稳定性更高；空气中510 oC开始分解，650 oC完全分解，425 oC下可长期润滑；真空中1 100基金项目：唐山市科技攻关项目 (10140201C-5)。

收稿 日期 ：2012-09-28作者简介：侯锁霞 (1972-)，女，副教授，研究方向为机械摩擦、磨损与润滑 .E-mail：gaohui370523###yahoo.cn。

℃开始分解，2 000℃完全分解 。在润滑脂中WS的润滑性能优于 MoS ，可完全取代 MoS 。而将 WS作为固体润滑涂层涂覆于金属表面，对摩擦学性能的影响还有待研究。若能将其优良性能应用于固体润滑涂层中，将会是绿色制造业的-大进步。

本文作者研究了WS：作为金属基固体润滑涂层的摩擦性能，以改良现有固体润滑技术，开发出新的固体润滑涂层。试验将MoS：与 WS 分别制成涂层涂覆于高速钢试件表面，比较2种物质作为高速钢表面涂层材料的摩擦因数；再将二者分别制成复合涂层，考察了WS，与涂层其他组元是否也具有协同润滑作用，从而完全取代 MoS ，对新型润滑剂 WS 在金属基涂2013年第4期 侯锁霞等：WS 基固体润滑涂层摩擦性能研究层上的应用提供依据；将MoS：、WS：按-定比例制成复合涂层，研究这种新涂层的润滑性能；用MG-2000型高速高温摩擦磨损试验机测试各涂层在高速钢表面的摩擦性能，用扫描电镜分析了摩擦件表面的形貌变化。

1 试验部分1.1 试验设备及试剂试验设备主要有：高速高温摩擦磨损试验机(MG-2000)，S-4800型场发射扫描电子显微镜，NO。

RAN SYSTEM 7型能谱分析仪，RJx49箱型电阻炉，CA6140车床，测力仪等。

试验使用的化学药品主要有石墨、MoS，、WS，、Sb：O，、盐酸、无水乙醇、耐高温胶 (自制)等。

1.2 固体润滑层的组成试验用的单涂层为MoS：涂层和WS 涂层；复合涂层为石墨、MoS 、Sb O3(以3：2：2的配比复合)复合涂层，石墨、WS：、Sb O，(以3：2：2的配比复合)复合涂层，MoS 、WS：、Sb O (以3：2：2的配比复合)复合涂层。

1.3 试件规格和制备工艺标准试件为环-盘接触。尺寸如图1所示。

图 1 摩擦磨损试验标准试件Hg 1 The standard samples 0fwegrtest涂层制备工艺采用湿涂法，首先用无水乙醇清洗试件，然后涂抹耐高温胶 (自制)，高温胶的作用是可在试件表面充分形成磷化膜，提高涂层与基体的粘结强度，空冷5 min后再次涂抹耐高温胶，随即将固体润滑剂均匀涂覆于试件表面，电阻炉加热到300℃高温烘干 1 h。

1.4 试验过程(1)常温试验：转速为 155 r/min，载荷为 300N，盘 -环对磨45 min，测试常温下 WS：、MoS：单涂层高速钢的摩擦性能。

(2)高温试验：摩擦环境温度为400 aI，测试转速为155 r/min，载荷为300 N，摩擦副基材不变，对磨20 min，首先对 WS：、MoS：单涂层试件进行测试，比较高温下二者摩擦因数的变化。然后对2种物质的复合涂层试件进行测试，以此推断WS 能否替代MoS 作为金属的固体润滑涂层。

(3)新组元性能测试试验：在 WS 、MoS 中加入Sb：O，，考察高温下其摩擦因数的变化。以此优化涂层组元。温度为 400℃，测试转速为 155 r/min，载荷为300 N，摩擦副材料不变，对磨 20 min，系统自动记录摩擦数据。

2 结果与讨论2.1 常温下涂层摩擦性能图2示出了常温下 WS：、MoS 单涂层的摩擦因数∩看出，常温下 WS 与 MoS 涂层的润滑性能相差不大，但在摩擦的整个过程中，WS 涂层的摩擦因数逐渐降低。取试验稳定后摩擦因数均值及标准差进行比较如表 1所示，经对比，WS 涂层摩擦因数略低且变化较稳定。MoS 吸附性优于 WS ，在湿法制备中，MoS：的此特性尤为重要，成膜质量优于WS：，在摩擦副表面形成转移膜的速度较快，因此 MoS 试验初始摩擦因数较低，但其抗压强度不高，表现出的摩擦性能不够稳定。

2013年第4期 侯锁霞等：WS 基固体润滑涂层摩擦性能研究以上摩擦试验表明，用 WS 替代 MoS：作为金属基固体润滑涂层材料是可行的。特别是在高温条件下，WS 不仅在单涂层中表现出稳定的摩擦性能，而且与其他固体润滑剂也有良好的协同作用。

2.3 高温下新组元复合涂层摩擦性能传统的 MoS 涂层在普通环境下润滑效果较好，但由于润滑剂本身性能的局限，该涂层在较为严酷的工作环境下润滑效果不佳。利用WS，代替 MoS，，在- 定程度上弥补了涂层性能的不足，但 WS 吸附性略低，摩擦初期润滑性能并不稳定。因此，可结合已有涂层材料的特点制造新型复合涂层。

MoS 与 WS 都具有层状晶体结构，因此润滑性能优良，二硫化钼 (MoS )具有极强的粘附能力 ，这是因为 s是活性元素，它与摩擦表面的金属原子能发生较强的吸附作用 ，此外，MoS：和 WS：都具有很好的抗辐照性，使电接触材料在辐照的条件下仍具有-定的润滑性能 。钨、钼为同组元素，WS 与MoS 结构相似，所以两者之间具有较好的亲和性，具有良好的协同作用∩设想将2种物质按-定比例复合制成新型固体润滑涂层。

WS 、MoS 复合涂层摩擦性能优于传统的石墨、MoS 等润滑涂层，以 MoS：为载体，依靠其优良的附着性，提升了粘结强度，因此涂层呈现出较低的摩擦因数，而由于WS：适用于高温、高压、高真空、高负荷、高转速、高辐射、强腐蚀、超低温等各种苛刻条件，该种涂层在特殊环境下的使用过程中耐用性更强。

以WS：、MoS：为基本组元，在此基础上加入其他适当物质，起到完善涂层性能的作用。所加物质应与WS 、MoS 都有较好的协同作用，并且可起到特殊作用以提升涂层性能。因此考虑添加 Sb 0，，它能起到抗氧化的作用，来增强涂层热稳定性，并且通过试验已测得，Sb：0 与WS：、MoS 协同效果较好。

如图6所示，在400℃的温度条件下，Sb 0WS：、MoS：复合涂层可以起到较优良的减摩作用，稳定摩擦因数可低至0.045左右，并具有较好的热稳定性。

2 4 6 8 lO l2 l4 l6 l8 20时间t/min图6 高温下WS MoS Sb：0 复合涂层摩擦因数(4OO℃ .30o N)Fig 6 Ffiction COefficient of the composite solid lubficamcoming including WS2，MoS2 and Sb203(400℃，300 N)2.4 润滑机制分析 ，金属切削过程中的润滑 ，由于摩擦表面过分靠近 ，微观凸起接触较多 ，是不光滑表面之间发生部分表面接触的润滑状况，因此，属于边界润滑。当Sb 0 与 MoS 、WS：共同充当润滑剂时，它优先与空气中的氧发生反应生成 Sb，0 从而减缓 MoS：、WS：的氧化速度，提高 MoS 、WS：所能承受的温度。此外，耐高温胶中含有少量 A1 0，来提高涂层的耐热性和承载强度。

在润滑涂层发挥作用的过程中，3种物质都会发生不 同程 度 的氧 化，如方 程式 所示 ，不 难看 出，WS 、MoS：氧化需要大量氧气，而Sb 0 较易氧化且氧化所需氧气较少，因此WS 、MoS 氧化受 Sb 0，氧化抑制。

2MoS2702÷2 MoO34 SO2 T2Sb203022Sb2042WS27O2÷2WO34S02 t此外，MoS：吸附性较强，在边界润滑的条件下，能把摩擦面的坑洼部填平，形成平滑的摩擦面及化学吸附膜，MoS：在新摩擦面或边界润滑条件下，受外逸电子作用，发生电化学催化和热摩擦化学反应，生成硫化铁 (FeS)和二硫化钼 (MoS：)混合膜，以改善边界润滑。反应如图7所示。

3 结论(1)常温工况下 ，MoS：和 WS：2种 固体润滑涂层的摩擦性能相近，但 WS 涂层在金属基上成膜状态不如MoS：涂层；高温工况下，WS：固体润滑涂层的摩擦因数稳定，摩擦性能优于MoS：固体润滑涂层。

(2)在400 oC高温条件下，WS 、MoS 复合涂层可以起到较优良的减摩作用；在WS 、MoS：复合涂层中加入Sb：0，，可有效防止 WS 、MoS：氧化，提升涂层热稳定性，复合涂层的摩擦因数可低至0.045左右。

(3)在 WS：、MoS 、Sb 0，复合涂层中，Sb：0。优先与空气 中的氧发生反应从而减缓 MoS：、WS：的氧化速度，提高 MoS 、WS 所能承受的温度；MoS：在边润滑与密封 第 38卷界润滑条件下 ，发生电化学催化和热摩擦化学反应，生成硫化铁 (FeS)和二硫化钼 (MoS：)混合膜，改善了边界润滑。