CN102732880A - 一种复合硫化物固体润滑膜层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合硫化物固体润滑膜层及其制备方法，采用的技术方案是：一种复合硫化物固体润滑膜层，其特征在于：所述复合硫化物固体润滑膜层包括首先对基体进行激光熔覆所得的激光熔覆层和渗硫处理所得的渗硫层。有益效果在于：本发明为激光熔覆Ni基金属陶瓷涂层经渗硫后其上形成的复合硫化物固体润滑膜层，且二者之间没有明显界限，因此其结构紧密，与熔覆层结合能力强；Ni基金属陶瓷激光熔覆层可以实现与基体的冶金结合；熔覆层中富含Fe、W、Mo元素，渗硫后得到含有FeS、WS2及MoS2复合硫化物固体润滑膜层，其摩擦系数和磨痕深度都较小，并且其结构紧密，具有良好的耐磨、耐蚀及减摩润滑的性能。

Description

一种复合硫化物固体润滑膜层及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属材料表面处理技术领域，尤其是涉及一种复合硫化物固体润滑膜层及其制备方法。
背景技术
为了提高零部件的减摩耐磨性能及使用寿命，通常的方法是增加表面硬度和添加润滑油，然而这些措施并不总是可行的。一方面，工件表面硬度的增加会使对偶件的磨损加剧；另一方面高硬度会引起韧性下降，不利于抵抗疲劳磨损。而且在高温、高压、真空等特殊情况下，润滑油不能发挥作用。采用固体润滑是克服以上不足的一种有效方法。
固体润滑是指利用固体粉末、涂层或复合材料等代替润滑油(脂)来隔离相互接触的摩擦面，依靠固体润滑剂材料本身或其转移膜的低剪切特性，以达到减少运动副间的摩擦和磨损的目的。固体润滑所用的固体粉末、涂层或复合材料统称为固体润滑剂。常用的固体润滑剂有层状结构的晶体(石墨、FeS、WS2、MoS2)，质地较软的金属(Ag、Pb、Sn、In)，金属氧化物、氟化物、磷酸盐等。
激光熔覆指以不同的添加方法在被熔覆的基体上放置选择的涂层材料，经高能密度激光束照射加热，使之和基体表面熔化，并快速凝固，从而在基材表面形成与基体为冶金结合的表面涂层的工艺过程。激光熔覆采用大功率激光束扫描金属表面，将选定的材料熔化到金属表面，形成具有硬度高、耐磨性好、抗腐蚀等特性的涂覆层。Ni基合金具有较高的硬度与耐磨性，可显著改善材料的性能，在提高零件性能上已获得了广泛的应用
FeS、MoS2、WS2等硫化物属密排六方结构，其变形抗力小，易沿密排面滑移，塑性流变能力强，可以作为固体润滑剂使用。硫化物润滑膜层可由多种方法制备，如热喷涂、低温离子渗硫、低温电解渗硫等，不同工艺方法形成的硫化物层的结构和摩擦学性能也有较大的不同。
随着科学技术的发展，现有的FeS润滑涂层多为直接在钢铁基体上或者在铁的涂层上进行渗硫得到，而这种工艺加工出来的固体润滑涂层的润滑性能已经不能满足一些特殊工况的要求，因此，固体润滑涂层的制备方法有待于创新拓展。
本发明根据摩擦理论，理想的摩擦表面应当是最表层软，具有良好的润滑性能，而亚表层硬并能形成与基体的良好过渡，给最表层以有效的支撑并不发生层状剥落。Ni基激光熔覆金属陶瓷涂层可以与基体形成冶金结合，其中镍基合金保证熔覆层的强度和耐蚀性，金属陶瓷相可以提高熔覆层的硬度，可以为渗硫层提供一个较硬并稳固的基体。激光熔覆快热快冷的特点使得金属陶瓷涂层组织细密、晶体缺陷多，对硫元素的吸附和扩散有促进的作用。熔覆层中富含Fe、W、Mo元素，通过渗硫处理，可以在其表面合成含有FeS、WS2和MoS2的复合硫化物固体润滑膜层。
发明内容
本发明的目的在于提出一种具有良好减摩耐磨性能的复合硫化物固体润滑膜层，本发明的另一目的在于提供一种上述固体润滑膜层的制备方法，采用的技术方案是：一种复合硫化物固体润滑膜层，其特征在于：所述复合硫化物固体润滑膜层包括首先对基体进行激光熔覆所得的激光熔覆层和渗硫处理所得的渗硫层。
本发明的技术内容还有：所述的激光熔覆层为富含Fe、W、Mo元素的Ni基金属陶瓷熔覆层。
本发明的技术内容还有：所述的渗硫层为含有FeS、WS2及MoS2的复合硫化物膜层。
本发明的技术内容还有：所述的基体为金属材料。
本发明的技术内容还有：所述的金属材料为钢铁材料。
本发明的技术内容还有：(1)对所述基体进行激光熔覆处理，得到激光熔覆层；
(2)在所述激光熔覆层上进行表面处理；
(3)对表面处理过的激光熔覆层进行渗硫处理得到渗流层。
本发明的技术内容还有：所述的步骤(1)中激光熔覆处理用粉末包括Ni、Fe、Cr、Mo、WC，化学成分以重量百分比计：WC为10％～35％，Fe为5％～20％，Cr为5％～15％，Mo为2％～10％，其余为Ni60。
本发明的技术内容还有：所述的步骤(2)中表面处理包括精磨、机械抛光及超声波清洗，非渗硫面要进行覆盖、屏蔽处理。
本发明的技术内容还有：所述的步骤(3)中渗硫处理为离子渗硫、液体渗硫、气体渗硫或固体渗硫。
本发明的技术内容还有：所述离子渗硫是将激光熔覆后的基体接阴极，炉壁接阳极，当真空度达到1Trro时，在阳极和阴极之间加高压直流电，渗硫温度为170℃～300℃，含硫气体为H2S，电压为500V～900V，渗硫时间为1h～3h。
本发明复合硫化物固体润滑膜层具有良好的减摩润滑性能，可以用于较高载荷的干摩擦及有水或油润滑条件下的摩擦副。
本发明的优点及有益效果：
1、本发明为激光熔覆Ni基金属陶瓷涂层经渗硫后其上形成的复合硫化物固体润滑膜层，且二者之间没有明显界限，因此其结构紧密，与熔覆层结合能力强。
2、Ni基金属陶瓷激光熔覆层可以实现与基体的冶金结合，其中镍基合金保证熔覆层的强度和耐蚀性，陶瓷相可以提高熔覆层的硬度，金属陶瓷可以为渗硫层提供一个较硬并稳固的基体。金属陶瓷涂层组织细密、晶体缺陷多，对硫元素的吸附和扩散有促进的作用。
3、熔覆层中富含Fe、W、Mo等元素，渗硫后得到含有FeS、WS2及MoS2等硫化物的复合硫化物固体润滑膜层，其摩擦系数和磨痕深度都较小，并且其结构紧密，具有良好的耐磨、耐蚀及减摩润滑的性能。
附图说明
图1为复合硫化物固体润滑膜层的制备流程图。
图2为激光熔覆后低温离子渗硫处理得到的复合硫化物固体润滑膜层的剖面结构示意图。(a)表示基体，(b)表示激光熔覆层，(c)表示复合硫化物固体润滑膜层。
图3为低温离子渗硫前后的摩擦系数随时间变化的曲线。
具体实施方式
本发明的实施工艺步骤如下：
1.自制富含Fe、W、Mo的Ni基金属陶瓷粉末，烘干后在45号钢基体表面预置1.5mm～2.5mm厚的粉末，然后进行激光熔覆处理，具体工艺参数为：5kW横流CO2激光加工系统，功率为3400W～3600W，扫描速度为180mm/min～200mm/min。
2.对激光熔覆层进行表面处理，包括精磨、机械抛光及超声波清洗，非渗硫面要进行覆盖、屏蔽等处理。
3.对激光熔覆层进行低温离子渗硫处理，其是将激光熔覆后的基体接阴极，炉壁接阳极，当真空度达到1Trro时，在阳极和阴极之间加高压直流电。渗硫温度为170℃～220℃，含硫气体为H2S气体，电压在500V～600V，渗硫时间为90min。
经过以上工艺后，获得富含Fe、W、Mo元素的Ni基金属陶瓷熔覆层，其厚度为0.8mm～1.5mm。渗硫后得到含有FeS、WS2及MoS2的复合硫化物膜，其厚度为0.001mm～0.01mm。
比较金属陶瓷熔覆层渗流前后干摩擦条件下的摩擦学性能。测试结果：如图3所示为金属陶瓷熔覆层和复合硫化物固体润滑膜层在干摩擦条件下摩擦系数随时间变化曲线。从图3可以看出，复合硫化物固体润滑膜层的摩擦系数初始值很小，然后随时间逐渐增大，最终趋于稳定状态，此时μ＝0.65。并且在整个实验过程中，复合硫化物固体润滑膜层的摩擦系数始终低于金属陶瓷熔覆层。
当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种复合硫化物固体润滑膜层，其特征在于：所述复合硫化物固体润滑膜层包括首先对基体进行激光熔覆所得的激光熔覆层和渗硫处理所得的渗硫层。
2.按照权利要求1所述的复合硫化物固体润滑膜层，其特征在于：所述的激光熔覆层为富含Fe、W、Mo元素的Ni基金属陶瓷熔覆层。
3.按照权利要求1所述的复合硫化物固体润滑膜层，其特征在于：所述的渗硫层为含有FeS、WS2及MoS2的复合硫化物膜层。
4.按照权利要求1所述的复合硫化物固体润滑膜层，其特征在于：所述的基体为金属材料。
5.按照权利要求4所述的复合硫化物固体润滑膜层，其特征在于：所述的金属材料为钢铁材料。
6.按照权利要求1所述的复合硫化物固体润滑膜层的制备方法，其特征在于：所述制备方法的步骤包括：
(1)对所述基体进行激光熔覆处理，得到激光熔覆层；
(2)在所述激光熔覆层上进行表面处理；
(3)对表面处理过的激光熔覆层进行渗硫处理得到渗流层。
7.按照权利要求5所述的复合硫化物固体润滑膜层的制备方法，其特征在于：所述的步骤(1)中激光熔覆处理用粉末包括Ni、Fe、Cr、Mo、WC，化学成分以重量百分比计：WC为10％～35％，Fe为5％～20％，Cr为5％～15％，Mo为2％～10％，其余为Ni60。
8.按照权利要求5所述的复合硫化物固体润滑膜层的制备方法，其特征在于：所述的步骤(2)中表面处理包括精磨、机械抛光及超声波清洗，非渗硫面要进行覆盖、屏蔽处理。
9.按照权利要求5所述的复合硫化物固体润滑膜层的制备方法，其特征在于：所述的步骤(3)中渗硫处理为离子渗硫、液体渗硫、气体渗硫或固体渗硫。
10.按照权利要求9所述的复合硫化物固体润滑膜层的制备方法，其特征在于：所述离子渗硫是将激光熔覆后的金属基体接阴极，炉壁接阳极，当真空度达到1Trro时，在阳极和阴极之间加高压直流电，渗硫温度为170℃～300℃，含硫气体为H2S，电压为500V～900V，渗硫时间为1h～3h。
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