自润滑涂层在基架和滚轮上的应用研究
作者：王明军
来源：《中国科技博览》2013年第23期
中图分类号：TU276.91 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）23-0284-02
一、课题背景
俄制300MW超临界机组，由于轴承箱承载整个机组的重量，机组在膨胀做功时会导致轴承箱在基架上的往复运动，润滑油在重载下经过轴承箱的反复运动后局部发生硬化失效，继而将阻碍轴承箱的运动。

因此，需要在基架表面制备出性能良好的自润滑涂层来满足实际工况需求。

二、分析内容和测试方法
本项目采用的结构分析测试方法及相应的分析内容有：采用飞利浦公司X’Pert 型X-射线衍射仪，分析涂层的物相组成；采用电子探针，分析各元素的空间分布；采用扫描电镜，分析涂层的组织结构和微区成分；采用PHI公司ESCA型X射线光电子谱仪，测量涂层中各元素的化学态。

采用自制的球盘式摩擦磨损实验机，对三种自润滑涂层的摩擦系数和耐磨性进行了对比分析，磨擦副为直径5 mm的GCr15钢球，载荷为200 gf，转速为100 转/min，磨损时间为60 h。

如上所述，对三种自润滑涂层进行了物相，成分，组织结构分析及摩擦性能对比。

这三种涂层分别是国外箱体支架自润滑涂层（No.1），国外衬套自润滑涂层（No.2）和国产自润滑涂层（No.3）。

三、三种涂层的物相、成分及组织结构
1、涂层的物相组成
图1a）和图1b）分别是No.1和No.2自润滑涂层的XRD物相扫描结果。

No.1涂层的物相组成为MoS2，CuSn合金， No.2涂层的物相组成分别为Pb3O4，PbO，Pb，CuSn合金。

2、涂层的厚度、组织和元素分布
涂层的厚度、组织和元素分布可以用电子探针测量。

可知，No.1，No.2和No.3涂层的厚度分别约为400 ？m，250 ？m和180 ？m。

三种涂层的组织相同，都是以球形颗粒作为承载骨架，其间填充自润滑材料。

由国外自润滑涂层的组织结构特征可以判断，该涂层是DU型自
润滑涂层，其制备工艺过程为首先在钢板上电镀一层铜，然后在镀层上撒上青铜粉，在9000C 烧结形成多孔承载层，最后将自润滑材料，主要是聚四氟乙烯粉或聚四氟乙烯与其他润滑材料的混合粉，涂在青铜骨架上在380 0C烧结制成自润滑涂层。

图2a）和2b）分别是No.1和No.3涂层球形颗粒的能谱测量结果，可知球形颗粒为CuSn 合金，即锡青铜合金。

涂层No.1填充的自润滑材料区域的成分的能谱分析结果，其中包括碳、氟、硫和钼四种元素；钼和硫元素的电子探针面扫描结果，钼和硫的元素分布区域是一致的，该物质应该是MoS2。

而另一种含有碳和氟元素的润滑材料可能为聚四氟乙烯。

填充自润滑材料区域白色部分对应MoS2，而黑色部分区域为聚四氟乙烯。

MoS2和聚四氟乙烯的重量比例约为3：7。

No.2自润滑涂层的电子探针背散射电子面扫描结果，图像上亮度不同的区域对应不同的元素，亮度越亮的区域，元素的原子序数越大。

结合X射线衍射结果可知，No.2涂层中亮度最大的区域应该对应着铅元素。

3、涂层化学态分析
通过No.1和No.2号涂层的X-射线衍射，电子探针和能谱分析结果，我们推知，涂层No.1的自润滑填料是MoS2和聚四氟乙烯；涂层No.2的自润滑填料是Pb和聚四氟乙烯。

为了进一步验证我们的推测，我们采用X-射线光电子谱仪对涂层中各元素的化学态进行了分析。

图3a），b），c）和d）分别是涂层No.1不同深度位置碳，氟，钼和硫元素的结合能峰位。

在X-射线光电子谱分析中，钼元素是以双峰形式存在，也就是说图3c）中的钼元素双峰对应的是一种化学状态，而不是两种。

通过对图3中各元素的结合能峰位进行标定，并且和标准的聚四氟乙烯与MoS2的结合能峰位比较，可知涂层No.1中的氟碳化合物为聚四氟乙烯，另一种润滑材料则是MoS2。

图4a），b）和c）分别是涂层No.2不同深度位置碳，氟，铅元素的
X-射线光电子谱结合能峰位。

和钼元素一样，铅元素也是双峰结构。

图4a）和b）中碳和氟的结合能峰位表明涂层No.2中的氟碳化合物为聚四氟乙烯；图4c）表明在涂层No.2内部的铅元素以单质铅的形式存在，而X-射线衍射的结果表明涂层No.2中存在铅的各种氧化物，综合X-射线衍射和X-射线光电子谱的结果，可知铅的氧化物应该只存在于涂层表层，是原始单质铅氧化的产物。

那么涂层No.2中自润滑材料的配方应该是单质铅和聚四氟乙烯，氧化铅是涂层长时间放置氧化产物，不是原始成分。

四、三种涂层的摩擦系数和耐磨性比较
图5是三种不同涂层的摩擦系数，No.1，No.2和No.3三种涂层的摩擦系数分别是0.16，0.14，0.16。

表明三种涂层的摩擦系数基本一致。

图6是其对应的磨损量，可知国产自润滑涂层的耐磨性最好。

五、结论
通过分析可知涂层No.1的自润滑填料是聚四氟乙烯+ MoS2，其重量百分比为聚四氟乙烯：MoS2=7：3；涂层No.2的自润滑填料是聚四氟乙烯+铅，其重量百分比为聚四氟乙烯：铅=9：1。

针对上诉分析结果我们选择了国内相应的自润滑涂层，并对三种自润滑涂层的摩擦系数和耐磨性进行了对比分析。

结果表明，国产自润滑涂层的摩擦系数与国外自润滑涂层相当，都约为0.16，而国产自润滑涂层的耐磨性要优于国外自润滑涂层，在相同磨损实验条件下其磨损量约为国外涂层的1/2。