磁控溅射辅助低温离子渗硫固体润滑薄膜的组织结构与摩擦学性能

摘要

摩擦磨损是机器零部件的主要失效形式之一。为了提高零部件的性能和使用寿命，传统的方法是使用油润滑。但油润滑在一些苛刻的条件下就会失去作用，如高温、高压、高速、真空。而在这些情况下，使用固体润滑是一种有效的途径，可以显著减少材料的摩擦磨损。 本文通过磁控溅射W+低温离子渗硫、磁控溅射Mo+低温离子渗硫、磁控溅射W/Mo多层膜+低温离子渗硫、磁控溅射Fe/Mo多层膜+低温离子渗硫分别在45钢和M2钢表面制备了含固体润滑剂WS2，MoS2和FeS的六类固体润滑薄膜。作为FeS薄膜的对比，本文还研究了固态FeS的组织结构。利用T-11摩擦磨损试验机和MMS-1G高温高速摩擦磨损试验机分别考察了各类薄膜在干摩擦及油润滑条件下的摩擦学性能。利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射仪分别测定了固态FeS和薄膜的形貌、相结构，并利用X射线应力仪和纳米压痕仪分别测定了薄膜表面的残余应力和纳米力学性能。 试验结果表明，六类固体润滑薄膜与基体结合良好，具有优异的纳米力学性能。各类薄膜无论在干摩擦还是油润滑条件下都具有较好的减摩耐磨性能，明显优于未经固体润滑处理的材料表面。并且，固体润滑多层膜的摩擦学性能明显优于单一薄膜。 WS2，MoS2和FeS都具有密排六方的晶体结构，具有较低的剪切力，易沿密排面滑移，因此具有较低的摩擦系数。在摩擦过程中，固体润滑薄膜被碾压并粘附于对偶件表面，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因其优异的减摩耐磨性能而具有明显的节能、节材、环保、减排的作用，有着广阔的应用前景。