爱华网二硫化钼具有优异的润滑性能,它在金属表面的处理技术是当前摩擦润滑领域中的研究热点之一。综述了金属表面二硫化钼的处理方法,总结了该领域近年来的研究进展,评价了溅射沉积、热喷镀、电沉积等方法的性能及优缺点,并对今后的研究作了进一步展望。
二硫化钼(MoS2)由于具有特殊的层状结构,所以它的承载力高、摩擦因数低,是最常用的固体润滑剂之一。二硫化钼早在1950年已用于军事,1965年已列入美国现行的MIL标准,如今已被广泛应用于国防、机械、超高真空等领域,尤其在航空航天工业中更有着巨大的潜力。随着科技进步,固体润滑膜的性能尤其是在耐磨损及结合强度方面都迫切需要提高,因此,长期以来MoS2在金属表面的处理技术一直受到人们的关注。
MOS2镀膜的方法
MoS2 最大的缺点是它在大气中400℃开始被氧化成MoO3 ,540℃急剧氧化,所以MoS2膜的润滑性能随着氧化程度及空气湿度的增大而降低,导致摩擦因数增大、寿命缩短。此外,当机器高速运转时,MoS2膜剥落现象严重,且耐磨损性能大幅下降。这些方面的问题都亟待解决,因而也就成为了近年来固体润滑领域中的研究热点。
(1)溅射沉积法
所谓溅射,是指在真空室中,利用荷能离子(正离子)轰击靶材,使得靶材表面原子或原子团逸出,逸出的原子在基体表面形成与靶材成分相同的薄膜。溅射法又可分为磁控管溅射和离子束溅射两种基本方法。
(2)磁控管溅射镀膜法
磁控管溅射是70年代迅速发展起来的一种"高速低温溅射技术" , 如今在MoS2镀膜方面应用广泛。用磁控溅射法将MoS2 /金属或金属化合物共沉积在金属表面是最常用的工艺。所采用的与MoS2共沉积的金属及化合物有Ti、Cr、Zr、Ni、Mo、TiB2、TiN、CrN等其中使用频率最高且效果最好的为Ti及其化合物。因为Ti及其化合物质地较硬,当它们沉积后会形成超硬的六角形嵌入金属表面,可增加MoS2的硬度与耐磨损性能。M. Steinmann等人用磁控溅射法将MoS2、C和TiB2共同溅射沉积在钢表面,所得复合涂层在一定比例范围内能够结合MoS2 与DLC ( diamond2likecarbon)的优点,耐磨性好,摩擦因数不受相对湿度的影响,但磨损速率随着相对湿度的增加而增加。非平衡磁控溅射法也可以改善沉积薄膜的性能。磁控溅射沉积方法还可以结合其它沉积手段来提高润滑薄膜的性能。例如N.M. Renevier等人使用PVD与磁控溅射相结合的方法将少量的Ti沉积到MoS2膜中,使镀有MoS2/Ti膜的铣床工件寿命延长到只使用纯MoS2 时的1. 5～2倍,不过在速度极高的条件下MoS2/Ti膜的优势因温度过高而明显下降。但是,这种方法对车削机床没有改善。结果表明,用PVD磁控溅射法所镀的MoS2/Ti膜由于抗氧化性较差,所以可能只适用于短时性接触的间歇式高速操作。
(3)离子束溅射镀膜法
离子束溅射镀膜法是真空蒸镀技术与电离技术相结合的产物,其最大特色在于材料粒子以离子的形式飞抵基片,由于受到电场的加速作用其动能很高,而且化学活性高,有利于MoS2膜与金属表面发生化学反应,从而提高膜的结合强度。刘道新等人将离子束增强沉积技术与离子束溅射沉积技术相结合,在钛合金表面制备了MoS2/Ti复合膜。该类膜层不但比纯溅射膜结合强度高、致密性好,而且改善了膜层的耐久性,但也使其摩擦因数增大。
(4)热喷镀法
热喷镀是一种表面处理技术,自1982年由德国人发明以来近20年迅速发展,它采用专用设备,利用等离子体、电弧或火焰等热源将某种线装或粉状的喷涂材料加热到熔化或半熔化状态,并高速喷向基体材料表面,形成覆盖涂层。现已出现脉冲激光沉积、等离子弧喷镀、火焰喷镀等方法处理MoS2/金属润滑层。
(5)脉冲激光沉积法
脉冲激光沉积法(PLD)最早应用于高温超导材料的研制,随着对PLD技术的研究和高功率脉冲激光技术的发展,这种方法制备的薄膜范围也越来越广,如今已能满足薄膜研究的发展以及多种薄膜制备的需要。PLD是将准分子脉冲激光器所产生的高强度脉冲激光束聚焦于靶材料表面,使靶材料表面产生高温及熔蚀,并进一步产生高温高压等离子体(T≥104K),这种等离子体的定向局域膨胀发射并在基片上淀积而形成薄膜。沉积薄膜可以是外延层,也可以是非晶膜,取决于投射速率、衬底温度及结构。将MoS2与金属制成靶材经脉冲激光作用便可在基材上得到MoS2 /金属沉积薄膜。J. J. Nainap rampil等人用激光脉冲法在钢表面制备了MoS2 /Al复合润滑膜,经测试, Al
的加入不能够提高复合膜的硬度,但它的存在可以使得润滑膜在潮湿环境中提高耐磨损性能。
(6)等离子弧喷镀法
等离子弧喷镀主要通过工作气体(如氩、氢、氦或氮气)通过气路系统进入喷枪,MoS2及金属粉末借助送粉气流(一般用氩气或氮气)送入喷枪。工作时,在电极和喷嘴间的工作气体被电离,产生高温等离子弧(其中的正、负离子数相等),从而熔化粉末跟随高速火焰流喷镀到金属基材表面,形成润滑涂层。WangHaidou等人用多弧离子喷镀法将金属Mo镀于钢表面,再将Mo低温硫化生成MoS2。所得薄膜的底层为金属Mo,而上层为MoS2,成功地实现了MoS2 膜的原位合成,而且减磨耐磨能力明显增强,但是在极端条件下薄膜易剥落。为了能够在车削装置中更好地使用MoS2润滑膜,出现了一种新方法———非平衡纳米复合等离子体镀膜法(NCUPP) 。Yang Jing等人使用NCUPP的方法将TiN与MoS2 进行精细纳米复合制备成TiN2MoS2 与TiN2MoS2/Ti分别沉积在金属上。当湿度达到60%～70%时TiN2MoS2 失效,但TiN2MoS2/Ti在此环境中性质相对稳定,并具有良好的润滑性能。
火焰喷镀法
火焰喷镀聚合物粉末技术适用于材料表面防护、表面强化等方面,火焰喷镀聚合物粉末技术可在多种金属表面喷镀添加MoS2的聚合物,获得附着力高、厚度均匀可控的MoS2 润滑涂层。Xu Haiyan等人利用这种技术,以聚酰胺为喷镀材料,以MoS2为耐磨减摩润滑剂来制备复合涂层,所得复合涂层在Mo含量小于3%时具有高的硬度及好的抗磨损性能。
(1) 电沉积法
电沉积制备MoS2 /金属润滑膜主要方法是将MoS2微粒均匀悬浮在金属镀液中,通过复合电沉积工艺使微粒和金属在阴极共沉积,从而制取润滑薄膜沉积法具有可在常温下进行制备、易于进行大面积沉积、易于调控薄膜的组成和厚度、操作简单安全等优点,而且利用这种方法可以制备出结晶良好,均匀致密的MoS2薄膜。此外,电沉积法使复合润滑膜的成分呈现梯度分布,将润滑膜的减摩性能赋予金属基体。J iangWenping等人用静电喷镀的方法将MoS2 /ZnO纳米粉体沉积在金属基材表面,使金属基材具有良好的自润滑性。
(2)其它镀膜法
溅射沉积、热喷镀、电沉积的方法在金属表面制备MoS2薄膜中使用比较早,工艺也较成熟。还有一些处理技术如热扩散、粘结、微粒喷砂等方法正在逐渐发展中,它们都具有一定的发展潜力,有待进一步的完善。
(3)热扩散法
热扩散法是在金属表面加热原料,通过升高温度加剧扩散作用使其与金属表面粘结成膜。在金属表面利用热扩散制备MoS2膜的方法易操作,而且成本要低于溅射或气相沉积等方法。Smorygo O等人将MoS2固体润滑涂层通过热扩散法沉积在高速钢和硬质合金基材表面。经测试,MoS2 涂层可以使硬质合金刀具的寿命延长1. 5倍。为了使MoS2膜的粘结度提高,Voronin S等人采用先在钢板上加热MoO3 而后将其硫化的方法在钢板表面合成了比用一般沉积薄膜更厚的MoS2膜,而且粘结强度较高。目前用热扩散法制备MoS2 润滑膜的工艺只能用作纯MoS2成膜,还没有出现金属掺杂的复合膜,因此膜的硬度要低于其它方法制备出的MoS2 /金属薄膜。
(4)粘结法
在MoS2粉体中加入胶黏剂及其它添加剂,将其制成减摩胶。减摩胶的作用机理是利用表面粘涂技术通过物理2化学反应在摩擦表面以胶的固化涂层方式起到减摩、磨损修复及预保护等作用。张卫红在二硫化钼中添加环氧树脂作为黏料,使用低分子聚酰胺树脂作为固化剂,并在其中添加石墨和三氧化二铝等辅料制成减摩胶。由此制成的减摩胶具有使用寿命长,适用工况范围宽等优点,但是在高速摩擦状况下磨损仍然明显。
(5)微粒喷砂法
MoS2喷砂处理是利用二硫化钼微粒,通过高速压缩空气流对工件进行投射加工,可完全不用粘结剂而将高纯度二硫化钼涂覆于滑动表面,其滑阻降低效果明显,而且成本低、处理时间短。处理时的排放物只有空气和破碎的MoS2颗粒,并且这种破碎的MoS2颗粒可以回收。因此,从完全不产生废物、保护环境以及不需要废物处理设备、减少设备费用的观点来看,该项技术比较实用。
综上所述,不同的金属表面处理MoS2的方法具有各自的优缺点。例如,近年来的溅射沉积大部分是通过金属掺杂物以及复合膜的底层复合溅射法来改善润滑膜的性能。虽然溅射沉积镀膜法无论是在技术上还是在工业规模化生产上都存在很大的优势,但暂时无法解决高温高速下的易氧化、磨损速率大等问题。热喷涂方法具有多样性、制备涂层的广泛性和应用上的经济性的特点,但一般涂层的结构不均匀,且在分次喷涂间歇期会有污染夹杂物造成层状结构,导致结合力弱。热扩散法易操作而且可以得到较厚的润滑涂层,但目前不能通过金属掺杂来提高硬度,而且对于最佳成膜参数鲜有报道使之暂时不能应用于实践。
概括而言,只有根据具体工况采用相符合的镀膜技术才能够达到理想的效果。值得注意的是,采用PVD与磁控溅射相结合方法可以提高薄膜的结合强度,采用离子束增强沉积与离子束溅射沉积相结合的镀膜技术膜层不但比纯溅射膜结合强度高、致密性好,而且改善了膜层的耐久性。可以说,将两种或两种以上镀膜技术结合使用能够得到意想不到的效果。因此,MoS2的镀膜技术的走向应是朝着多种镀膜方法相结合的发展方向。
