钢铁材料的硫化物自润滑涂层

由摩擦造成的磨损是各种机械零件失效的主要因素，润滑是减少摩擦和磨损的主要措施。润滑可分为流体润滑和固体润滑，流体润滑适用的温度范围有限，在高温条件下，流体润滑性能不仅会下降还会产生环境污染，而固体润滑在这些方面则具有明显的优势。硫化物是固体润滑材料中重要的一种，如FeS,WS2,MoS2等，呈六角形晶体层状结构，分子层之间结合力较弱，因而界面分子层极易滑动形成良好润滑性能。在钢铁材料表面涂覆一层固体润滑膜，可对摩擦表面起到很好的润滑作用，在摩擦的过程中，涂覆于基体表面的固体润滑膜容易转移到对偶材料的表面，形成转移膜，这样可使摩擦发生在转移膜和润滑膜之间，减小了摩擦系数，起到有效的保护作用，减少基体金属的磨损。
  随着绿色制造对干切削加工技术的要求，干切削加工对刀具的综合性能要求越来越高。通过固体自润滑涂层技术，在刀具表面涂覆一层自润滑材料，实现刀具的自润滑，提高刀具减摩润滑性能，是实现刀具干式切削的关键技术。而硫化物固体润滑涂层材料，由于其特有的晶体结构特征和成本优势，不仅适用于常规条件下的润滑，还可以应用高压、高真空、高负荷、高温和腐蚀介质等严峻条件下的润滑，因此具有良好的应用空间和市场前景。目前已有一些成功的硫化物固体润滑涂层的制备方法。
  一、激光熔覆表面处理。
  据报道，利用激光熔覆技术可在碳钢基体上熔覆一层Fe/FeS 复合固体自润滑涂层，该复合涂层具有硬度高，组织细密的特点，铁基激光熔覆层厚度为0.3~1.5mm，渗硫层厚度为0.001~0.01mm。摩擦磨损试验表明，复合固体润滑涂层表面摩擦系数、磨痕深度等均较小，具有良好的抗摩擦及减摩润滑的作用。
  二、超音速火焰喷涂。
  该技术利用丙烷、丙烯等燃气或煤油与高压氧气在燃烧室燃烧产生的高温高速燃烧焰流来喷涂粉末。据报道，利用这种技术在碳钢表面喷涂一层WS2/CaF2自润滑复合涂层。在载荷 40N和速率2m/s的磨损测试下，其室温摩擦系数为 0.31~0.41; 且自润滑复合涂层在400°C以下具有良好的抗磨性能。
  三、等离子体增强化学气相沉积。
  这是采用高频等离子体驱动的气相沉积技术，反应温度低，对涂层材料体系的热影响小，可以应用在低熔点金属薄膜上沉积，并有良好的台阶覆盖能力。据报道，采用该技术在刀具表面制备自润滑 MoS2/Ti复合涂层，测试显示，涂覆后的刀具可以在干式切削加工中应用，效果良好; 在正常的切削速度下，刀具寿命提高1.5~2倍。
  四、非平衡磁控溅射。
  这是一种在非平衡磁场分布下的镀膜过程，其沉积温度低，对基体影响很小，高效的离子清洗使膜层与基体间结合力加强。据报道，采用该技术在硬质合金刀片表面制备出 MoS2/Zr自润滑涂层，其硬度和与基体的结合力明显提高，摩擦系数和磨损率明显减小。