具有层状结构, 其晶体为六方晶系。
晶体结构决定了
易于滑动,可起到减摩作用。另一方面,mo原子与s原子间的离子键, 赋予
润滑膜较高的强度,可防止
润滑膜在金属表面突出部位被穿透。而s原子暴露在
晶体表面,对金属表面产生很强的粘附作用。
的化学性质稳定,可耐大多数酸和耐辐射。虽然
在空气中超过400 ℃时会产生氧化现象, 这可影响其润滑性及其对金属表面的粘附作用, 然而只有当整个
润滑层全部被氧化后,mo覆盖层才失去润滑作用。目前
的耐温性能已远远突破润滑油脂的耐温限。油脂的有效耐温范围为-60～350℃,而
在1133×10-3～1133×10-2pa真空条件下能在1 000 ℃使用并仍具有满意的摩擦学性能。在有水时
的润滑性能有所下降,但可弥补另一种固体润滑剂石墨引起的电化学腐蚀。
与石墨另一显著不同的地方是,
的摩擦因数在真空与空气中甚至在温度高达800 ℃时没太大差别。在高真空条件下,
仍保持很高的润滑性,这是十分有用的性质。因为在没有气体和蒸汽来保持润滑状态时,
粘合在金属上能承受极高的压力(高达30kpa),而其它润滑剂则已失效。由于
具有摩擦因数低,在真空和强辐射的环境下仍具有优良的摩擦性能, 因此在空间机械上有广泛的应用。
涂层的制备方法很多,主要有物理气相沉积、化学气相沉积、电镀、化学镀等。在过去很长一段时间里, 制备
薄膜的方法主要是真空等离子溅射技术。这种方法能严格控制薄膜的厚度, 且能提供较好的薄膜性能。但是, 它存在以下缺点:
(1) 它对溅射靶的质量要求相当严格, 一般在生产高质量的薄膜之前需要更换一个新靶, 耗费较大;
(2) 相对于特殊形状的基底需配置相应配套的溅射靶, 且为沉积形状复杂的薄膜而采用的复杂的真空设备及其过程的耗费相当大;
(3) 溅射法制备的薄膜较理想的保存方法是硫化处理, 但这会使薄膜表面产生许多小孔, 易受化学侵蚀, 导致薄膜的性能下降;
(4) 不适合于沉积形状复杂、大面积薄膜等。由于存在以上缺点, 所以人们开始寻求一种更好的方法来制备
薄膜。本文作者采用水煮法、刷镀法(喷涂法) 和电泳沉积法等3种
的涂覆方法, 制备了
涂层, 并比较了各种涂层的性能。
1实验部分
1、1
涂层的制备
试样选为低碳钢材料, 表面经过砂纸打磨, 去掉氧化层, 并对试样去油清洗, 用清水洗, 晾干, 然后制备
涂层。
1、1、1
水煮法
取50 g的
粉末, 置于瓷制煮皿, 加入十六烷基三甲基溴化铵1 g, 加水40 ml,将试件浸入其中。加热至95～100 ℃, 1 h, 并进行热处理180 ℃,1 h, 即可以获得
涂层。
1、1、2
刷镀法(喷涂法)
将
粉末用丙酮调成糊状放于器皿中, 然后将试件埋入其中, 晾干,入箱150 ℃, 1 h烘干, 然后用水冲洗, 即可形成
涂层。
1、1、3
电泳沉积法
电泳沉积除设备及其生产过程较简单外, 还存在许多优点, 如膜厚均匀, 薄膜与基底的附着好, 防腐性和耐潮湿性好, 可均匀涂敷复杂工件等, 在涂漆方面有广泛的应用。所以,
薄膜的电泳制备方法是一种极具应用
考虑到电泳沉积
受到很多因素影响, 比如沉积电压、沉积时间、
的含量、曲拉酮的含量等, 采用正交实验法来优化电泳沉积
的参数。根据正交试验的要求, 电泳沉积主要受到4个因素的影响, 因此选择4 因素3 水平正交试验表l9 (34 ) , 如表1所示。根据表1, 需要试验9次, 试验结果见表2。通过以上正交试验, 选定了以下试验方案:
(1)
粉末粒径为2～3μm。
(2) 配置200 ml电泳沉积液, 在去离子水中加入适量
粉末, 然后加入011 g曲拉酮, 用电磁搅拌器搅拌60 min, 使
颗粒分布均匀。
(3) 极板间距115 mm,加电沉积,沉积电压为140v,沉积时间为2min。
(4) 用清水清洗试样表面,除去多余物质,放入炉中加热至180℃,保温时间为60 min。
1、2
涂层的测量
通过fm2300型显微硬度仪观察涂层前后试样的表面形貌和测量涂层前后试样的硬度, 并测量处理后表面的表面粗糙度。
2 结果及讨论
2、1
涂层表面形貌
未涂层前低碳钢表面经过砂纸打磨, 有很多滑痕, 这些滑痕可提高
涂层与基底的结合性。采用水煮法和刷镀法(喷涂法) 涂层后, 光亮的低碳钢表面变成黑色, 有很多黑色小颗
粒, 如图1 ( b) 、( c) 所示, 而采用电泳沉积法涂层后, 光亮的低碳钢表面变成紫黑色, 经过显微镜放大后观察有很多黑色小颗粒。
2、2
涂层厚度测试
用塑料镶嵌试件, 以保证磨面与涂层表面的垂直, 并防止毛刺或棱角磨圆的现象发生, 然后对试样的边缘进行打磨, 不能伤及
涂层,以便能够看出膜层厚度, 通过显微镜观察, 在每个视场以相等的间隔至少测量5个点, 以平均值或最小值作为涂层的厚度。表3为采用3种方法制备的涂层的厚度。
2、3
涂层硬度分析
表4为试样涂层前后表面硬度的对比。从表4可知, 采用水煮法和刷镀法(喷涂法) 进行表面处理后, 试样表面形貌发生了变化, 但表面硬度几乎没有变化, 未涂层的表面硬度为hv 161133, 水煮法和刷镀法(喷涂法) 涂层后表面硬度均为hv 165147, 即由于膜层比较薄, 对试样的表面硬度未产生影响。而经过电泳沉积
后, 涂层后表面硬度增大为hv 229143, 即经过电泳沉积
涂层后增大了基体的硬度, 从而提高了基体的耐磨性。
2、4
涂层结合强度分析
采用2种方法定性分析
与基底的结合强度情况。
2、4、1
淬火试验
将制备好的
涂层试件放入热处理炉子中加热至280℃, (因
在350 ℃会发生氧化而失去润滑效果, 所以温度限制在280 ℃),时间为20 min, 保温结束后, 立即将试样放入冷水中急冷至室温, 然后取出试样观察是否有裂纹或局部隆起。
2、4、2
胶带撕拉试验
准备多种试验胶带, 按胶带的粘结强度分好等级, 然后用胶带粘结在试样表面, 保证粘结牢固, 而后用手撕拉胶带, 使胶带从试样上面撕下, 检查胶带上
涂层的脱落量。经上述2种方法试验发现, 在淬火试验中, 3种涂层方法都形成了牢固的
固体润滑膜, 没有一个试样的涂层从基体上脱落。而采用胶带撕拉试验时, 3种涂层上撕下的胶带上
的含量各不相同, 其中水煮法涂层的脱落量最多, 电泳法涂层的脱落量最少, 因此电泳法制备的涂层膜基强度最大, 刷涂法制备的涂层膜基强度次之, 水煮法制备的涂层膜基强度最小。
以上分析表明, 电泳法涂层的强度最大, 电泳法可以提高表面硬度, 从而提高试样的耐磨性, 而且通过测定摩擦因数表明, 电泳法得到的涂层的摩擦因数最小, 因此电泳法优于其它2种方法。但是电泳法依然存在不足, 如电泳法只能在一个表面形成涂层, 无法在试样整体形成均一的涂层, 这方面就不如刷涂法和水煮法。
2、5
膜涂层形成机制分析
对于固体润滑
涂层, 形成涂层的原因可能有扩散结合、机械结合和物理结合3种。
2、5、1
扩散结合
所谓
扩散是指原子、离子或分子因热运动而发生的迁移。固体的扩散是通过固体中原子、离子或分子的相对位移来实现的。原子在多晶体中扩散可按晶格扩散、表面扩散、晶界扩散和位错扩散4种不同的途径进行。其中表面扩散(即原子在晶体表面的迁移) , 所需的扩散激活能最低。许多金属的表面扩散所需要的热能大约为6217 kj /mol。随着温度的升高,越来越多的表面原子可以得到足够的激活能得以使它与近邻原子的键断裂而沿表面运动。在试验中, 对
涂层进行轻微打磨, 当漏出基体的时候, 发现基体已经不是原来的光亮色, 而是浅黑色, 经过清洗, 依然保持浅黑色不变, 这表明在基体中同样存在
颗粒, 虽然很少, 但说明了扩散现象的存在。即在试验过程中, 当
分子与基材表面形成紧密接触时, 由于变形或者加热等作用, 在涂层与基材间就会产生微小的扩散, 增加涂层与基材间的结合强度。
2、5、2
机械结合
机械结合是
涂层的主要形成方式, 当
分子与基体接触时, 由于基体表面比较粗糙,
分子就会沉积在由于表面粗糙而形成的表面微凸体上, 从而形成机械结合。机械结合的强度主要取决于表面的粗糙程度。
为了验证上述结论, 本文作者采用不同预处理方法的低碳钢基底材料进行了涂层实验。首先, 对低碳钢进行砂纸打磨, 去掉表面氧化层,再用抛光机进行抛光处理, 然后采用上述3种涂层方法在试样表面涂覆
涂层, 并测出涂覆前后试样的表面粗糙度。
试样经抛光后也形成了
涂层。但是经显微镜放大后观察表明, 试样表面形貌很差, 只有很少的一部分区域有
存在, 其它地方都是低碳钢原来的颜色。另外,
涂层结合强度很差, 经过水流冲洗擦试后, 发现
大部分已脱落。因此实验结果表明, 提高试样表面光洁度后, 虽然可使更多的
分子与基体分子接触, 从而形成更加多的分子间作用力, 但是却不能形成很好的
涂层。究其原因, 主要是由于温度限制, 因温度不能超过
的氧化温度350 ℃, 温度不能达到分子激活能, 所以扩散结合和物理结合就不能成为
固体润滑膜的主要形成方式, 这与多弧离子镀不同。
2、5、3
物理结合
物理结合有点类似于扩散作用, 就是当
分子与基体紧密接触后, 因为
的特殊结构, 在最外层是硫原子, 当分子之间距离足够小的时候, 就会在基体原子与硫原子之间形成了共价键, 所以在基体上可以形成牢固的
固体润滑膜。然而, 通过上面的实验发现, 表面足够光洁, 虽然可以形成涂层, 但是效果却不是很好, 可见物理结合虽然存在却不是主要结合方式。综合以上分析表明, 采用水煮法、电泳沉积法和刷涂法3种方法制备涂层时,
与基体的结合方式主要有物理结合、扩散结合和机械结合3 种形式, 其中以机械结合为主, 扩散结合次之, 物理结合最少。
3 结论
(1) 采用电泳沉积法、水煮法和刷涂法制备了
涂层。其中电泳法涂层的强度最大, 表面硬度最高。
(2)
电泳沉积法、
水煮法和刷涂法主要以机械结合方式形成涂层。