硫化物自润滑涂层的制作方法

 面对摩擦和磨损, 我们可以采用有效的润滑来控制。所谓润滑就是向承载的两个摩擦表面之间引入润滑剂, 以减小摩擦力和磨损等表面破坏的一种措施。润滑可分为流体润滑和固体润滑, 前者已广泛地应用在齿轮、滚动轴承等机械零部件中, 但在真空、高温、接触面积大等的表面则表现出了相当大的局限性, 而后者在这些方面则表现出了相当的活力。在众多的固体润滑剂中, 硫化物是重要的一种。它在摩擦副之间呈现出了优越的减磨和抗咬效果, 从而可以达到润滑的目的。纳米化的硫化物又兼有了纳米材料的小尺寸效应和表面效应, 所以表现出了更加优良的润滑性能。常用的硫化物主要有FeS、MoS₂、WS₂和NbS₂等, 其中MoS₂以优异的摩擦学性能和较低的成本成为应用最广泛的涂敷成膜材料, 而FeS则由于其与基体的良好的结合性能、优异的摩擦学性能以及低廉的成本, 成了钢铁材料表面理想的润滑剂, 随着热喷涂技术的发展, 成本低廉的FeS可以更加广泛的应用到各种金属、非金属以及复合材料上。由FeS二元相图可知, 硫在铁中的溶解度极小,故渗硫层中的硫只能以硫铁化合物的形式存在, 因此,FeS自润滑涂层多数都采用渗硫的方法制得。在钢铁表面上形成硫化物的低温电解渗硫法是由法国液力机械研究所发明的, 已在法国、日本、印度和中国等国家广泛应用。该法是在一个熔融盐浴槽中进行阳极硫化, 目的是在钢铁表面上形成一层很薄的硫化亚铁(FeS、Fe1-xS)薄层。具有低温、快速、无氢脆的优点, 可用于除不锈钢以外的各种钢铁材料。然而, 其存在的一个最大弊端就是所用的大多盐浴成分都是有害物质, 如NaCNS、KNCS、KCN 等。即使在200℃以下操作, 也会产生一些有害气体或液体。加之渗硫后零部件的清洗也溶解掉许多残盐, 从而产生大量有害废水,这些都不利于环境保护和人类健康。另一缺点是熔盐的失效, 即使用一段时间后就得更换新盐, 而废盐几乎不能再用, 这也给环保带来了问题。此外, 渗硫件易被未清洗掉的残盐腐蚀破坏, 且该方法不适用于铬含量高于12%的钢, 更不能用于处理非铁金属材料。离子渗硫技术经过20多年的研究开发, 现已用于生产实际, 并收到良好效果。使用与离子渗氮相类似的装置, 在两极之间作用500～600V的电压, 反应气体为纯硫的蒸发态, 可制得4～12μm渗硫层。与低温电解渗硫相比, 具有硫化物层稳定可靠、生产过程易控制、不产生污染等优点。不尽人意之处在于渗层薄,处理时间长, 工件大小受炉子尺寸限制。MoS₂是另一种重要的固体润滑材料。有人使用电泳沉积法制作MoS₂固体润滑膜。通过将MoS₂颗粒(平均粒度为1.2μm) 、有机树脂、交联剂、中和剂以及去离子水混合并搅匀形成稳定的活性MoS₂胶体溶液, 在电极间加20～120V直流电压, 可在2min后形成1～2μm的MoS₂膜层, 该膜层在大气中的摩擦系数为0.05～0.20, 且还有极强的防锈及抗氧化能力。此技术生产过程简单, 但对基体材料要求较高, 使用范围较窄, 而且润滑效果一般, 涂层易产生缺陷甚至裂纹。通过溅射沉积的方法可在基体表面获得MoS₂涂层。使用不同的溅射沉积设备都可制得MoS2涂层,且实验测得涂层的摩擦系数很低, 约在0.01～0.10, 条件不同得到的涂层有所差异。只是涂层的生产效率低,通常溅射沉积20min仅能得到1.3～1.7μm的涂层,而且对生产条件要求较高, 所需设备昂贵。用涂抹和擦涂等方法也能在材料表面形成硫化物的涂层, 只是在结合稳定性上或生产成本等方面存在欠缺。

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