MoS_2基共溅射薄膜摩擦学性能的研究_孙晓军

　　DOI:10.16078/j.tribology.1998.01.004

　　第18卷　第1期

　　1998年3月研究论文(20～24)摩擦学学报TRIBOLOGYVol18,　No1March,1998

　　MoS2基共溅射薄膜摩擦学性能的研究*

　　孙晓军　汪晓萍　孙嘉奕　李陇旭　翁立军　于德洋

　　(中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑开放研究实验室　兰州　730000)

　　摘要　在球-盘滑动摩擦试验机上考察了法向载荷、盘转速、基体材料和环境气压及潮湿贮存时间对MoS2基共溅射薄膜的摩擦因数和耐磨寿命的影响.结果表明:在给定的试验条件下,法向载荷增大时薄膜的稳态摩擦因数有所减小,而耐磨寿命明显缩短;几种不同金属基体对其表面薄膜摩擦因数的影响基本一致,但对耐磨寿命的影响差别较大;盘转速加快使摩擦因数和摩擦因数波动幅值都减小;环境气压降低(特别在真空中)时薄膜的摩擦因数降低,摩擦稳定性提高,耐磨寿命延长;在潮湿大气中贮存后,薄膜的摩擦因数和耐磨寿命均无明显变化.关键词　MoS2基共溅射薄膜　摩擦学性能　潮湿贮存

　　分类号　O614.612

　　摩擦副的摩擦因数和耐磨寿命除与材料固有的性能有关外,还受试验条件的影响,这在空间机械运动部件精密摩擦副的摩擦学设计中是不可忽视的.纯MoS2溅射薄膜在真空

　　[1]中的摩擦因数非常低,以其润滑的空间机械高精度轴承具有非常低而稳定的摩擦力矩和

　　[2]较长的耐磨寿命,在其它精密运动部件上也显示出很好的润滑性能,是用于空间机械精

　　密运动部件的主要润滑材料之一[3].MoS2溅射薄膜的突出缺点是在大气(特别在潮湿大气)中容易氧化而发生润滑失效[4],影响了空间机械部件在地面的安装、调试和贮运.研究表明:在MoS2中添加Au可以增强其耐磨性[5];加入稀土化合物可以改善MoS2溅射薄膜

　　[6]的抗潮湿性能;以Au和稀土化合物作为复合添加剂的新型MoS2基共溅射薄膜,由于各

　　组元间产生了协同效应而具有更优良的摩擦学性能[7].作者利用球-盘滑动摩擦试验机,分别考察了法向载荷、盘转速、基体材料、环境气压和潮湿贮存时间对这种MoS2基共溅射薄膜摩擦因数和耐磨寿命的影响,旨在为空间机械摩擦学设计提供科学依据.

　　1　试验部分

　　试验在CZM球-盘摩擦试验机上进行,试验机的工作原理如图1所示.试验时球静止而盘作水平匀速转动,法向载荷p通过球施加至薄膜表面,转轴由稳速电机驱动,摩*国家自然科学基金资助项目/1996-02-17收到初稿,1998-01-05收到修改稿/本文通讯联系人孙晓军.

　　孙晓军　男,31岁,助理研究员,目前主要从事物理气相沉积薄膜摩擦学性能及其试验方法研究,发表论文10余篇.汪晓萍　女,40岁,实验师,目前主要从事物理气相沉积润滑薄膜工艺研究,发表论文10余篇.

　　孙嘉奕　男,25岁,在读硕士研究生,从事物理气相沉积薄膜摩擦学研究,发表论文4篇.

　　李陇旭　女,41岁,实验师,1973年起一直从事固体润滑薄膜工艺研究,发表论文10余篇.

　　翁立军　男,30岁,副研究员,目前主要从事物理气相沉积薄膜及其摩擦学研究,发表论文10余篇.

　　于德洋　男,59岁,研究员、硕士生导师,目前主要从事物理气相沉积薄膜及其摩擦学研究,发表论文60余篇.

　　第1期孙晓军等:　MoS2基共溅射薄膜摩擦学性能的研究21擦力F由力传感器转变为电信号,并且输入X-Y记录仪进行同步测量与记录.瞬时摩擦因数_根据_=F/p计算,启动磨合过程中的最大摩擦因数用_0表示,稳态滑动阶段的平均摩擦因数用_s表示,其波动范围记为Δ_s.将稳态滑动时的总转数称为耐磨寿命且用f表示.MoS2基共溅射薄膜试样的基体是 45mm8mm的金属圆盘,材料有空间机械常用的9Cr18,30CrMnSi,45钢和TC4.镀膜前将它们的镀膜表面研磨至Ra≤0.08μm,并依次浸入质量分数均不低于99.99%的丙酮和乙醇中进行超声波清洗,在用红外线烘干之后再进行溅射镀膜.镀膜设备是经过改装的JS-450型射频溅射仪,溅射镀膜所用的靶材系由MoS2,Au和稀土化合物混合而成,溅射薄膜的厚度控制在0.80～1.00μm的范围.偶件是 8.00mm的精密轴承用9Cr18球,表面粗糙度Ra≤0.08μm,硬度为HRC≥58.

　　试验#

　　Fig1　Schematicdiagramoftheball-on-diskfrictiontestingmachine

　　图1　球-盘摩擦试验装置简明示意框图

　　的法向载荷p在1.0～10.0N之间,盘转运速度n处于200～2000r/min的范围,环境气压pe有1.0105Pa,5.0Pa和5.010-3Pa的3种.潮湿贮存的相对湿度RH有50%和80%的2种,温度40℃,时间tms在5～60d的范围.

　　2　试验结果与讨论

　　2.1　法向载荷的影响

　　基体9Cr18表面MoS2基共溅射薄膜的摩擦因数和耐磨寿命随着法向载荷p的变化如图2所示.可以看出,当p从1.0N增至10.0N时,薄膜的摩擦因数和耐磨寿命都发生了比较明显的变化.其中,_0从0.08增大到0.12,_s和Δ_s分别从0.06和0.02减小到0.03和0.01,f由1.16106r缩短为4.68105r,这说明在法向载荷比较高的情况下,MoS2基共溅射薄膜的润滑性能更优异,摩擦状态更稳定,但耐磨性变差.因此,在进行空间机械的摩擦学设计中,必须重视选择适当的接触载荷,以保证同时获得低摩擦和长寿命.

　　2.2　盘转速的影响

　　盘的转动速度对基体9Cr18上MoS2基共溅射薄膜摩擦因数影响的试验结果如图3所示.可以看出,转动速度由200r/min增大至2000r/min时,_s和Δ_s分别从0.06和0.02下降至0.03和0.01,这表明薄膜在较高转速下的润滑性能更好,摩擦状态更稳定,可以较好地适应空间机械高速摩擦副的润滑需要.