MoS2添加量对MoS2/Ni60A固体自润滑涂层显微组织和性能的影响

     以Ni60A合金粉末和MoS ₂ 粉末为熔覆材料，采用激光熔覆技术在35CrMnSi钢基体 表面制备MoS ₂ /Ni60A固体自润滑涂层，研究了MoS ₂ 添加量(质量分数1%，3%，5%，7%，9%) 对涂层物相组成、显微组织、显微硬度和摩擦磨损性能的影响。结果表明：不同MoS ₂ 添加量的涂 层表面成形良好，均与基体达到冶金结合，涂层主要物相组成为MoS ₂ 、γ-Ni、NiS、Cr ₂ B，其中，上部 显微组织主要由短棒状、鱼骨状和放射状的树枝晶组成，底部与熔合线处的组织由平面晶和粒状晶 组成。随着MoS ₂ 添加量的增加，涂层的显微硬度降低，磨损质量损失增多，摩擦因数先降低后增 大。当MoS ₂ 添加量为3%时，涂层的摩擦因数最小，为0.43，磨损表面形成完整的固体自润滑膜， 产生的犁沟较少，主要磨损机理为轻微的磨粒磨损。

   基体选用尺寸为100mm×50mm×10mm的 35CrMnSi钢板，熔覆前用砂轮机对基体表面进行打 磨，并用酒精清洗，烘干待用。熔覆材料为Ni60A自 熔性合金粉末和MoS ₂ 粉末， 平均粒径均为74μm，其中 Ni60A合金粉末的化学成分(质量分数/%)为16Cr， 3.5B，4.5Si，≤15.0Fe，0.8C，余Ni。按照MoS ₂ 粉末的 质量分数分别为1%，3%，5%，7%，9%进行配料，采 用全方位行星式球磨机进行干法球磨，磨 球材料为不锈钢，球料质量比为2∶1，球磨时间为 0.5h。将球磨后的粉末均匀铺在基体表面，铺粉厚度 为1mm，使用光纤激光器系统进行激 光熔覆试验， 制备了长度100mm、厚 度1mm的单道单层涂层试样。

       采用X射线衍射仪(XRD)对涂 层物相进行分析。 采用扫描电 子显微镜(SEM)观察涂层不同位置的截面微观形 貌，采用附带的能谱仪(EDS)进行微区成分分析。 采用显微硬度计测试截面显微硬 度，从涂层表面向 基体每隔0.25mm取点测试，距涂层表面相同距离 处测3点取平均值。采用微机控制万 能摩擦磨损试验机进行室温干滑动摩擦磨损测试， 试验装置如图1所示，试样与对磨环为面接触，试样 为圆柱状，对磨环材料为淬火45钢， 采用分析电 子天平称取磨损前后试样的质量，计算磨损质量损 失。采用光学显微镜观察磨损形貌。

2.1 对宏观形貌的影响

      由图2可以看出：不同MoS ₂ 添加量的MoS ₂ / Ni60A 涂层成形良好，没有产生明显的宏观裂纹或 气孔。但是随着MoS ₂ 添加量的增加，涂层表面逐 渐粗糙，特别是含质量分数7%，9%MoS ₂ 的涂层。 这是由于过多的MoS ₂ 粉末容易发生团聚，导致激光熔覆过程中熔池的流动性降低造成的。

2.2 对物相组成的影响

    由图3可见，不同MoS ₂ 添加量的MoS ₂ /Ni60A 涂层均存在γ-Ni固溶体、MoS ₂ 、Cr ₂ B和NiS相。NiS 相是由于激光熔覆过程中熔池温度高达3000K，造成 部分MoS ₂ 分解为钼元素和硫元素，在熔池液体流动 过程中硫元素与镍元素反应而生成。当MoS ₂ 添加 量(质量分数，下同)为1%时，MoS ₂ 衍射峰不明显， 可能是MoS ₂ 分解后含量太低，未检测到。

2.3 对显微组织的影响

      由图4可见，基体与涂层之间形成了一条光亮 且完整无缺陷的熔合线，说明涂层与基体之间形成 了良好的冶金结合。熔合线附近的组织为近垂直于 基体方向定向生长的平面晶和柱状晶，这是因为熔 合线附近温度梯度较大，过冷度较大，金属液的形核 方式为非均匀形核，而涂层的凝固速率较低，使温度 梯度与凝固速率的比值较大，导致晶粒的长大速率 大于形核速率，因此形成了粗大的平面晶和柱状 晶。不同MoS ₂ 添加量涂层的相应部位的组织 基本相似，底部由柱状晶和平面晶组成，中部和上部 由短棒状、鱼骨状和放射状的树枝晶组成。涂层底 部的组织最粗大，该区域是熔池中温度梯度最大且 成分过冷最小的区域,因此晶粒的长大速率最快；涂 层中部的温度梯度较大，树枝晶的生长条件较好，因 此该区域形成了粗大的树枝晶；涂层上部的温度梯 度最小，成分过冷最大，温度梯度与凝固速率的比值 较小，晶粒的形核速率大于长大速率，因此该区域的 组织较细小。

表1 图5中不同位置的EDS分析结果

      以添加质量分数3%MoS ₂ 的涂层为例，对其 中部不同位置的微区成分进行分析。由图5和表1 可以看出：涂层中白色和灰色的树枝晶(位置A和 位置D)的微区成分基本相同，以镍元素和铁元素为 主，并含有少量铬元素和硅元素，其中铁元素一部分 来源于基体，另一部分来源于Ni60A合金粉末；黑 色树枝晶(位置B)中含量最高的是铬元素，同时还 存在钼元素和硫元素，推测黑色树枝晶中含有 MoS ₂ 、NiS硫化物，随着MoS ₂ 添加量的增加，涂层 中的黑色区域增多；基体(位置C)的主要形成元素 为镍元素，可知树枝晶分布在γ-Ni固溶体上。

2.4 对显微硬度的影响

      由图6可见，涂层的显微硬度均远高于基体，这 是因为涂层内部存在Cr ₂ B硬质化合物，同时基体 对涂层的稀释起到固溶强化的效果。随着MoS ₂ 含量的增加，涂层的硬度呈现出下降的趋势，其原因 是MoS ₂ 作为一种固体自润滑剂其硬度极低，因此 会降低涂层的显微硬度。在结合区内除MoS ₂ 添加 量为1%的涂层外，其他涂层的显微硬度均随着 MoS ₂ 含量的增加呈先升高后降低的趋势。先上升 的原因为，在激光熔覆的过程中MoS ₂ 会分解成为 钼元素和硫元素，钼元素能够固溶到组织内部，表现 出固溶强化的效果；后下降的原因为结合区下部靠 近基体，被基体稀释的程度太大导致显微硬度下降。

2.5 对摩擦磨损性能的影响

      添加质量分数1%，3%，5%，7%，9%MoS ₂ 的 涂层的平均磨损质量损失分别为9.9，15.8，22.0， 26.0，27.6g，均远低于基体的平均磨损质量损失 (40.8g)。随着MoS ₂ 添加量的增加，涂层的磨损质 量损失增大，这主要归因于显微硬度的降低，显微硬 度越低，则耐磨性越差。由图7可以看出：基体的摩 擦因数曲线波动剧烈，平均摩擦因数为0.45；当 MoS ₂ 质量分数为1%和3%时，涂层的摩擦因数曲 线波动较小，当MoS ₂ 质量分数为3%时，摩擦因数 最低，其平均值为0.43；当MoS ₂ 质量分数为5%， 7%和9%时，涂层摩擦因数曲线波动较明显，且当 MoS ₂ 质量分数为7%和9%时的曲线波动最剧烈， 分析认为当MoS ₂ 含量过高时，涂层内部出现MoS ₂ 团聚现象，在摩擦磨损过程中当对磨环与MoS ₂ 团 聚体接触时，摩擦因数会急剧降低，当团聚体被消耗 后摩擦因数又再一次升高。由表2可知，随着 MoS ₂ 添加量的增加，涂层的平均摩擦因数呈先减 小后增大的趋势，这是因为随MoS ₂ 添加量增加，涂 层中NiS和MoS ₂ 含量增加，NiS具有很好的减摩 性能，而MoS ₂ 又是天然的固体自润滑材料， 因此摩擦因数降低；但是当MoS ₂ 含量增加至一定 量后，涂层的显微硬度降低，在摩擦磨损过程中涂层 表面会存在剧烈的磨粒磨损，磨粒在涂层表面和摩 擦副之间运动会阻碍摩擦过程的进行，因此摩擦因数又升高。

表2 添加不同质量分数MoS ₂ 的MoS ₂ /Ni60A涂层 的平均摩擦因数

     由图8可见，基体的磨损表面产生了较深的犁 沟，且黏着和氧化现象严重，其磨损形式为剧烈的磨 粒磨损、黏着磨损和氧化磨损。当添加质量分数为 1%的MoS ₂ 时，涂层表面形成了局部的固体润滑 膜，磨损表面存在一些微小的犁沟，主要磨损形式为 磨粒磨损。当添加质量分数为3%的MoS ₂ 时，固 体自润滑膜分布在整个磨损表面，表面存在少量的 犁沟，磨损机理为轻微的磨粒磨损。当添加质量分 数为5%，7%，9%的MoS ₂ 时，虽然在磨损表面上 也形成了润滑膜，但是由于涂层的显微硬度较低，磨 损表面产生了大量粗且深的犁沟以及剥落坑，这是 由于对磨环对涂层表面的反复摩擦和挤压使涂层次 表面萌生了疲劳裂纹，同时摩擦磨损过程中产生的 热量无法及时消散，导致对磨环与涂层表面之间产 生了黏着效应，最终在黏着力和机械剪切力的反复 作用下，涂层脱落形成剥落坑；此时涂层的主要磨损 形式为剧烈的磨粒磨损和黏着磨损。

     (1) 采用激光熔覆技术制备的添加质量分数分 别为1%，3%，5%，7%，9% MoS ₂ 的MoS ₂ /Ni60A 涂层表面成形良好，与35CrMnSi钢基体形成了良 好的冶金结合。涂层的主要物相为MoS ₂ 、γ-Ni固 溶体、NiS、Cr ₂ B。涂层底部与熔合线处的组织为粗 大的平面晶和柱状晶，而涂层中、上部组织主要为短 棒状、鱼骨状和放射状的树枝晶。

      (2) 随着MoS ₂ 添加量的增加，涂层的显微硬 度呈降低趋势，磨损量增加，摩擦因数先减小后增 大，当MoS ₂ 质量分数为3%时，涂层的摩擦因数波 动最小，且平均摩擦因数最小，为0.43，其主要磨损 机理为轻微的磨粒磨损。