冲击载荷下石墨／二硫化钼涂层的疲劳磨损行为

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Fatigue Behavior of Graphite/M oS2 Coatings under RepeatedImpact LoadZhang Liang Liu Liguo Zhang Hua Tian Zhengxi(School of Mechanical Engineering，Jianguan University，Wuxi Jiangsu 214122，China)Abstract：The impact wear behaviors of the graphite/MoS2 coatings were studied by impact wear experiments of 45steel and the graphite/MoS2 coatings under repeated impact.The surface morphologies of the coatings after impact wearwere analyzed by the scan electron microscope(SEM)，and the weal"curves of the coatings under impact were got.Theresuhs show that the average friction coefficient of the coatings is first increased and then decreased along with the increas-ing of load.The wear rate of the coating is increased along with the increasing of load，and it is increased not too muchunder low loads and quickly increased under high loads.Under low loads，the worn morphology of the coating surface isquite smooth，the plastic deformation is not serious and there are a lot of microcrack appeared.Under high loads，theplastic deform ation of the coatings is serious，at the same time the accumulated steps are appeared due to the deform ation。

Keywords：bonded solid lubricating coating；impact load；fatigue wear；impact wear黏结固体润滑涂层具有优良的固体润滑特性，采用黏结固体润滑涂层可以使固体润滑剂牢固地粘结在基体表面，从而有效地防止金属偶件的黏着。它能够在常规油脂不宜使用的特殊环境下有效润滑，因此在真空、高低温、易燃易爆、强氧化环境中广泛使用。

黏结固体润滑涂层种类较多，其中以石墨涂层、二硫化钼涂层最为常见 。张卫红 从胶黏涂层中二硫化钼的颗粒大孝含量多少人手 ，通过摩擦磨损试验 ，获得二硫化钼胶黏涂层的最佳配方 ；刘少琼等以石墨和二硫化钼 2种固体润滑剂出耐热树脂基减摩复合材料 ，结果发现这两种减摩剂可向对摩面转移。

对于石墨/二硫化钼涂层在冲击载荷下的摩擦磨损机制研究甚 少。

收稿 日期：2012-09-20作者简介：张亮 (1985- )，男 ，硕士研究生，从事表面工程研究 .E-mail：ssjy406091412###sohu.com。

工程中广泛存在着多次冲击碰撞载荷下工作的零部件，在多冲动载作用下的零部件大都在多冲接触表面出现或引发各种缺陷并导致早期失效 J。本研究作者采用静电喷涂技术在试样表面制备石墨/二硫化钼涂层，以克服传统抗多冲表面技术的不足，提高表面抗多冲击性能 ，延长其寿命。

1 试验部分1.1 上试样基材的前处理用丙酮清洗 45 钢基体表面 的油污 ，洗净晾干后 ，再用砂 纸除锈粗 化处理，然后将 试样放 置于120-150 g/L稀盐酸溶液中除去残余 的铁锈和氧化层，用清水洗涤3次后放入电热鼓风干燥箱晾干，再用无水乙醇清洗3次后放入电热鼓风干燥箱中晾干，然后用 KH550硅烷偶联剂对45 钢基体表面进行预处理。

1.2 涂层配方设计及制备流程胶黏体系则采用黏结剂 固化剂 稀释剂 的组合。固体润滑剂粉末采用石墨和二硫化钼 (石墨与二硫化钼比例为 1：3)；黏结剂采用 E54环氧树脂，72 润滑与密封 第 38卷其与石墨/二硫化钼的比为 1：5；固化剂采用改性脂肪胺，其与环氧树脂的比例为 7：100，稀释剂选用丙酮。

1.3 试验设备 、方法及过 程摩擦磨损试验在张家口市宣化科华试验机厂生产的 M2000摩擦磨损试验机上进行。采用 THI40里氏硬度计测量试样硬度，采用 TR240便携式表面粗糙度仪测量试样表面粗糙度，采用TI260涂层测厚仪测量涂层厚度。试验用上、下试件尺寸如图 1所示。

Jr下载荷上试样下试样图 1 摩擦上下试件Fig 1 Upper and lower samples for friction转数n/(×10 r)fa)100NO.14O.12置 0.1蓄o.08糍 O.06世 0.04O.02O试验在室温下进行，环境湿度为 30% ～40%。

基体滚动试样为外圆 西40 mm，内圆 16 mm，宽10 mm的圆环，材料为45 钢。上试样为镀石墨/二硫化钼涂 层 的 45 钢 ，表 面 硬度 为 HL365，厚度 为15.1 p，m，表面粗糙度为 0.672 m。下试样为 45 钢对摩件。上试样轴转速 360 r/min，下试样轴转速400 r/min，此时试样间带有 10%的滑率，使试样间带有滑动摩擦。上试样以频率为 36/min对下试样进行上下冲击运动 ，其摩擦因数 值可按线接触试验推算 ，过程如下 ：f：Tfr式中：f为摩擦力 (N)； 为摩擦因数 ；P为试验承受的垂直负荷 (N)；T为实测摩擦力矩 (N·m)。

2 试验结果及分析2.1 载荷对摩擦因数的影响图 2所示为上试样轴冲击运动条件下，载荷分别为 100，140，180，220，260 N的情况下，石墨/二硫化钼涂层圆盘滚滑摩擦副摩擦因数随转数的变化曲线。

转数nl(×10 r)fb、140N转数nl(×10 r)(c)180N转数nl(×10 r) 转数hi(×10 r)(d)220N (e)260N图2 石墨/二硫化钼涂层不同载荷下摩擦因数变化曲线Fig 2 Friction coeficient of graphite/MoS2 film under different loadm臼U目 2013年第 3期 张 亮等：冲击载荷下石墨/Z硫化钼涂层的疲劳磨损行为 73可以看出，摩擦的初始阶段摩擦因数均随时间逐渐上升，这是因为对偶件 45 钢圆环金属表面在空气中很容易被氧化，生成-层 Fe：O 薄膜 ，Fe O，薄膜摩擦因数较小，在摩擦过程中起到薄膜润滑作用 ；随着Fe O，薄膜被磨损掉，摩擦因数逐渐上升。随着循环次数的增加，石墨/Z.硫化钼涂层的摩擦因数逐渐升高，并最终趋于稳定。

从图 (a)可见，在载荷 100 N情况下，石墨/二硫化钼涂层在 47 000转前，处于磨合阶段，因此摩擦因数波动较大。初始时，摩擦因数约为 0.075，在47 000转左右时达到最大值，约为0.1。此载荷下石墨/-硫 化钼涂 层疲 劳磨 损 破坏 的循 环次 数约 为75 000转。

从图 (b)可见，在载荷 140 N情况下 ，石墨/二硫化钼涂层在24 000转前，处于磨合阶段，因此摩擦因数波动较大 ，初始时，摩擦因数约为 0.068，在24 000转左右时升高到最大值，约为0.12，最后趋于稳定。此载荷下石墨/Z.硫化钼涂层疲劳磨损破坏的循环次数约为50 000转。

从图 (c)可见，在载荷 180 N情况下，石墨/二硫化钼涂层在 16 000转前，处于磨合阶段，因此摩擦因数波动较大，初始时，摩擦因数约为 0.067，在16 000转左右时升高到最大值 ，约为 0.15，最后趋于稳定。此载荷下石墨/Z.硫化钼涂层疲劳磨损破坏的循环次数约为40 000转。

从图 (d)可见，在载荷 220 N情况下，随着循环次数的增加 ，石墨/二硫化钼涂层 的摩擦因数由初始时的0.07逐渐升高到 20 000转时的0.12，摩擦因数上升了约 71%。此载荷下石墨/二硫化钼涂层疲劳磨损破坏的循环次数约为75 000转。

从图 (e)可见，在载荷 260 N情况下 ，随着循环次数的增加 ，石墨/二硫化钼涂层 的摩擦因数由初始时的0.075逐渐升高到 15 000转时的0.125，摩擦因数上升了约67%。此载荷下石墨/二硫化钼涂层疲劳磨损破坏的循环次数约为 15 000转。

2.2 载荷对平均摩擦因数的影响载荷 w/N图3 石墨/二硫化钼涂层在不同载荷下平均摩擦 因数变化 曲线Fig 3 The average friction coeficient of grophite/MoS2 film underdiferent loads冲击疲劳磨损是磨料磨损、黏着磨损、断裂、表面疲劳 和摩擦化学磨损等多种磨损 机制的综合作用 。由图 3中可以看 出在冲击 载荷条件下，石墨/Z.硫化钼涂层的平均摩擦因数随载荷的增加 出现先升高后降低的趋势。载荷从 100 N增加到 180 N时，平均摩擦 因数从 0.093上升到 0.13，增长了约39.8%。在反复冲击磨损过程中，必将有-个 由点接触向面接触的变化过程 ，由于存在法向载荷和冲击力的双重作用，在较低载荷时，摩擦开始时两试样表面间存在微小点接触导致接触面间应力非常大，同时塑性变形抗力很大，造成两接触面微凸体间相互阻碍，摩擦阻力增大，平均摩擦因数升高。另外，反复冲击过程中产生很多的磨料，在摩擦副表面产生切削和堆积等形式 ，也是摩擦 因数升 高的原 因。当载荷从180 N增加到260 N时，平均摩擦因数从0.13降低到0.092，降低了约29.2%，这是因为随着时间推移，载荷的增加，跑和行程逐渐减少，加速了点接触向面的转变，所以平均摩擦因数逐渐降低。

2.3 载荷对磨损率的影响图4示出了石墨/Z.硫化钼涂层磨损率随载荷 的变化曲线∩以看出，石墨/Z.硫化钼涂层在冲击运动条件下，磨损率随载荷的增加呈上升趋势。当载荷为 100，140，180 N时，磨损率分别为 1.85，2.16，3.23 g/r，磨损率增 幅不大 ；当载 荷增加 到 220，260 N时 ，磨损率迅速增至5.5，8.5 Ig/r。这是因为在较大载荷 (220，260 N)下，试样间接触应力非常大，从而影响涂层与基体的结合强度 ，并使得石墨/二硫化钼涂层接触表层过早出现疲劳，产生表层塑性变形和表面疲劳裂纹，最终剥离出大碎片。从图3中也可以看出，220，260 N情况下疲劳破坏的循环次数很低，摩擦因数上升较快，涂层过早产生破坏，因此磨损率较大。

载荷wiN图4 石墨/二硫化钼涂层磨损率随载荷的变化曲线Fig 4 Variation of wear rate of graphite/MoS2 film of with loads2.4 试样磨损后的表面形弥析由图 5示出了石墨/二硫化钼涂层在不同载荷下磨损形貌SEM照片∩以看出，试样在不断冲击运动的条件下，石墨/Z.硫化钼涂层表面产生冲击硬化，2013年第3期 张 亮等：冲击载荷下石墨/二硫化钼涂层的疲劳磨损行为 75根据图中疲劳曲线，求出涂层 F-Ⅳ曲线的数学表达式 ：F · Ⅳ 5. 765×103 结论(1)冲击载荷条件下 ，石墨/Z.硫化钼涂层的平均摩擦因数随载荷的增加出现先升高后降低的趋势。

(2)石墨/二硫化钼涂层磨损率随载荷的增加呈上升趋势 ，低载时，磨损率增幅不大，高载时，磨损率迅速增加。

(3)冲击载荷条件下，石墨/二硫化钼涂层为撞击磨损，低载时，涂层表面形貌较光滑，塑性变形不大，有很多微裂纹，高载时涂层表面塑性变形严重，同时还有因变形产生的堆积台阶。

(4)根据涂层在不同载荷下所对应的疲劳磨损破坏循环次数，绘出疲劳磨损 F -Ⅳ曲线 ，求出其数学表达式为 F ”N 5.765 x 10 。