固體潤滑作為現(xiàn)代發(fā)展迅速的1種潤滑技術(shù)，可以有效降低邊界潤滑條件下摩擦副的磨損。而如何在脂潤滑條件下采用固體潤滑技術(shù)來提高摩擦副材料抵抗磨損的能力仍是需要探索的問題。JPAntony等研究了在潤滑脂中添加MoS2和石墨的協(xié)同作用，研究發(fā)現(xiàn)添加這2種固體潤滑材料可以產(chǎn)生很好的協(xié)同作用，能有效地提高潤滑脂的極壓性能。WJBartz研究了潤滑脂中添加不同量的MoS2和石墨對(duì)抗磨性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)在合適添加量下，固體潤滑微粒的存在能夠很好地改善潤滑介質(zhì)的摩擦學(xué)性能。SPalios等研究了含聚四氟乙烯的潤滑介質(zhì)邊界成膜性能及減摩抗磨性能，研究發(fā)現(xiàn)在潤滑油中添加微米聚四氟乙烯可以很好地減小摩擦。王廷梅等研究了聚酰亞胺/二硫化鉬插層復(fù)合材料作為潤滑脂添加劑的摩擦磨損行為，研究發(fā)現(xiàn)合成的PI/MoS2插層復(fù)合材料作為鋰基脂添加劑對(duì)鋼-鋼摩擦副表現(xiàn)出良好的減摩抗磨作用。近年來，低溫離子滲硫技術(shù)作為1種新型的固體潤滑薄膜的制備方法得到了較為廣泛的應(yīng)用與研究。有研究表明，鋼鐵材料在經(jīng)過低溫離子滲硫處理后在油潤滑和干摩擦的條件下，摩擦磨損性能均得到很好的提高。FeS作為1種性能優(yōu)良的固體潤滑材料，價(jià)格低廉，實(shí)際價(jià)格僅為MoS2的1.但是軸承鋼在脂潤滑條件下使用FeS固體潤滑材料的摩擦磨損性能很少報(bào)道。

本文通過2種方法將FeS固體潤滑材料應(yīng)用于脂潤滑下軸承鋼材料的摩擦過程中：通過低溫離子滲硫處理在軸承鋼表面制取滲硫?qū)樱瑢eS材料研磨成微米粉末添加到潤滑脂中。對(duì)比研究了軸承鋼滲硫?qū)雍褪褂肍eS微米粉末的摩擦學(xué)性能，并探討了其作用機(jī)理，以期為改善實(shí)際軸承的使用提供試驗(yàn)依據(jù)。

　　1實(shí)驗(yàn)部分1.1試驗(yàn)材料選用經(jīng)過淬火、低溫回火處理的GCr15軸承鋼（HRC61）為基礎(chǔ)圓盤試樣材料。選擇部分GCr15軸承鋼圓盤試樣利用低溫離子滲硫技術(shù)在表面制取滲硫?qū)印B硫處理工藝：將處理試樣放置在離子滲硫設(shè)備的陰極盤上，以固體硫作為滲硫處理的硫源，施加700800V的處理電壓，真空度控制在3070Pa，在150160的溫度下保溫4h.

　　基礎(chǔ)脂選用中國石化公司生產(chǎn)的3號(hào)通用鋰基脂，其理化指標(biāo)見。

　　選用化學(xué)分析純FeS作為原料，采用機(jī)械研磨的方式制取FeS細(xì)粉顆粒。將FeS原料浸入酒精中放入研磨機(jī)進(jìn)行研磨，研磨時(shí)間為12h.研磨完成后經(jīng)過濾干燥得到FeS顆粒。將制取好的FeS微粒按質(zhì)量分?jǐn)?shù)10加入鋰基脂中并混合均勻。

　　1.2試驗(yàn)方法摩擦磨損試驗(yàn)在自制GWL-1000型球-盤試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)之前先在圓盤表面均勻涂抹10mL潤滑脂，在試驗(yàn)中每5min向摩擦表面補(bǔ)充2mL潤滑脂。磨損試驗(yàn)選擇不同轉(zhuǎn)速與載荷進(jìn)行1h試驗(yàn)，試樣在選定轉(zhuǎn)速和90N載荷下跑合1min，然后每隔1min加載30N，直至加載到需要載荷。在固定載荷為150N時(shí)，圓盤轉(zhuǎn)速選擇600、800、1000、1200、1400r/min5種轉(zhuǎn)速；在固定轉(zhuǎn)速為800r/min時(shí)，載荷選擇為100、150、200、250、300N.試驗(yàn)過程中記錄摩擦力的變化，試驗(yàn)結(jié)束后利用LarkLAC-24電子天秤（精確度0.1mg）測(cè)量磨損量。

　　制取的微米FeS粉末通過激光粒度分析儀分析粒度。利用SEM和EDS分析磨損表面的形貌和成分，XPS分析磨損表面邊界潤滑膜化合物的價(jià)態(tài)，AES分析磨損表面元素隨深度的變化。

　　2結(jié)果與討論2.1滲硫?qū)优cFeS微粒的分析GCr15軸承鋼滲硫?qū)颖砻娴膾呙桦婄R照片，可以看出滲硫?qū)颖砻媸杷啥嗫?，并且呈層片堆垛結(jié)構(gòu)。為滲硫?qū)咏孛娴膾呙桦婄R照片及線掃描結(jié)果，表面黑色層為滲硫?qū)樱穸燃s為3m.滲層與基體之間有明顯的分界線。對(duì)滲硫?qū)舆M(jìn)行表面俄歇掃描分析，研究Fe和S元素隨深度的變化（俄歇濺射速率為160nm/min）。為表面元素的俄歇濺射譜圖，S元素富集在試件表面，隨著濺射深度的增加，S含量迅速減少。

　　所示為經(jīng)過12h機(jī)械研磨的FeS顆粒的激光粒度分析結(jié)果?？梢钥闯?，F(xiàn)eS微粉平均粒度約為5m.所示為研磨后的FeS微粒的透射電鏡照片，F(xiàn)eS微粒主要呈片狀結(jié)構(gòu)。

　　2.2摩擦學(xué)性能研究在固定載荷為150N時(shí)，磨損失重隨轉(zhuǎn)速的變化。可以看出，在不同轉(zhuǎn)速下，軸承鋼材料在脂潤滑條件下使用FeS潤滑材料的磨損損失都明顯低于單純使用基礎(chǔ)脂潤滑的情況。在基礎(chǔ)脂潤滑下，基礎(chǔ)盤表面在轉(zhuǎn)速超過800r/min時(shí)產(chǎn)生擦傷。在較低的轉(zhuǎn)速下，基礎(chǔ)脂潤滑的滲硫表面體現(xiàn)出最好的抗磨性能。在600r/min和800r/min轉(zhuǎn)速下磨損失重不到1mg.但隨著轉(zhuǎn)速的增加，其抗磨損性能迅速降低。在含F(xiàn)eS粉末脂潤滑下的基礎(chǔ)盤表面在較低轉(zhuǎn)速下磨損量大于滲硫盤表面，但在高轉(zhuǎn)速下表現(xiàn)出良好的抗磨性能，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到1200r/min以上時(shí)，其磨損損失比滲硫盤表面低。

　　在固定轉(zhuǎn)速為800r/min時(shí)，磨損失重隨載荷的變化?？梢钥闯觯瑵B硫盤和使用FeS粉末的抗磨損性能均明顯優(yōu)于不使用FeS材料時(shí)的基礎(chǔ)盤。

　　在基礎(chǔ)脂潤滑下，基礎(chǔ)盤表面在載荷超過150N時(shí)即產(chǎn)生擦傷。當(dāng)載荷小于300N時(shí)，基礎(chǔ)脂潤滑下的軸承鋼滲硫盤表面的抗磨性能最佳。當(dāng)載荷達(dá)到300N時(shí)，在含F(xiàn)eS微粒脂潤滑下的基礎(chǔ)盤表面的抗磨性能則好于基礎(chǔ)脂潤滑下的滲硫盤表面。

　　和為摩擦系數(shù)隨轉(zhuǎn)速、載荷的變化。在基礎(chǔ)脂潤滑下的滲硫盤體現(xiàn)出較好的減摩性能，摩擦系數(shù)在較低轉(zhuǎn)速（小于等于1000r/min）和各種載荷下都穩(wěn)定在1個(gè)較低的水平。相比之下，含F(xiàn)eS微粒脂潤滑下基礎(chǔ)盤的摩擦系數(shù)比在基礎(chǔ)脂潤滑下的滲硫盤略高，但是在轉(zhuǎn)速為1400r/min時(shí)其減摩性能則相對(duì)較好。在基礎(chǔ)脂潤滑下的基礎(chǔ)盤的減摩性能在不同轉(zhuǎn)速載荷下均最差。

　　2.3分析與討論磨損表面的掃描電鏡照片及能譜分析。

　　通過電鏡照片可以看出，在基礎(chǔ)脂潤滑下的基礎(chǔ)盤磨損較為嚴(yán)重，在表面出現(xiàn)明顯的塑性變形并且黏附了大量的球狀磨屑，呈現(xiàn)典型的應(yīng)變疲勞磨損的特征?；A(chǔ)脂潤滑下的滲硫盤表面和含F(xiàn)eS微粒脂潤滑下的基礎(chǔ)盤表面磨損程度較低，磨損表面比較平整。在對(duì)磨損表面的能譜分析上可以發(fā)現(xiàn)S元素，說明FeS潤滑材料在磨損過程中對(duì)表面可起到很好的保護(hù)作用。

　　磨損表面邊界潤滑的XPS元素價(jià)態(tài)分析。在基礎(chǔ)脂潤滑下基礎(chǔ)盤的磨損表面主要形成以FeO為主的邊界潤滑薄膜，這主要是由基體的Fe元素與空氣中的O元素在摩擦熱作用下發(fā)生反應(yīng)而生成。與之相比，在基礎(chǔ)脂潤滑下的滲硫盤和在含F(xiàn)eS微粒脂潤滑下的基礎(chǔ)盤的磨損表面除了FeO之外還生成了FeS和FeSO4。在磨損過程中，軸承鋼表面的滲硫?qū)雍蜐櫥写嬖诘腇eS微粒在摩擦熱的作用產(chǎn)生分解，分解出來的S2-會(huì)與基體的Fe元素產(chǎn)生反應(yīng)而生成FeS.同樣S2-也會(huì)與空氣中的O元

　　素發(fā)生反應(yīng)生成SO2-4。在表面起到潤滑作用的主要是FeS，F(xiàn)eSO4是FeS的氧化產(chǎn)物，并不能對(duì)潤滑產(chǎn)生作用。1為磨損表面S元素的價(jià)態(tài)隨深度的變化譜，可以看出，不具備潤滑作用的FeSO4只存在于表面，邊界潤滑膜的主要成分是FeS.

　　所示為在基礎(chǔ)脂潤滑下的滲硫盤和在含F(xiàn)eS微粒脂潤滑下基礎(chǔ)盤的磨損表面元素隨濺射時(shí)間變化的AES分析譜圖?？梢钥闯觯诤現(xiàn)eS微粒脂潤滑下基礎(chǔ)盤的磨損表面的S元素含量隨著濺射時(shí)間逐漸減少，當(dāng)濺射時(shí)間超過5min時(shí)，其表面的S元素含量幾乎消失。與之相比，基礎(chǔ)脂潤滑下的滲硫盤的磨損表面的S含量始終保持在1個(gè)較高的水平。

　　2種盤磨損表面的O元素變化趨勢(shì)與S元素類似。

　　FeS是1種典型的固體潤滑材料，呈密排六方結(jié)構(gòu)，具有類似石墨的層狀結(jié)構(gòu)，受力時(shí)易沿{0001}滑移面產(chǎn)生滑移，具有低剪切強(qiáng)度和高熔點(diǎn)（1100），硬度為HV50100.將FeS粉末作為添加劑加入到基礎(chǔ)脂中，可以起到分擔(dān)載荷的作用，從而提高潤滑脂的極壓性能。在摩擦過程中，潤滑脂中的FeS微粒能夠吸附到摩擦表面上，形成固體潤滑薄層，這層吸附層可以保護(hù)表面，避免受到嚴(yán)重的破壞。當(dāng)FeS添加微粒在磨損過程中破碎解體時(shí)，其分解出來的S2-可以在摩擦熱的作用下與基體反應(yīng)繼續(xù)生成FeS，從而延長FeS固體潤滑的作用。

　　通過低溫離子滲硫技術(shù)所制取的表面滲硫?qū)泳哂辛己玫臏p摩抗磨作用，是通過含F(xiàn)eS的改性層來實(shí)現(xiàn)的，但是其作用機(jī)理與使用FeS粉末有所不同。

　　通過化學(xué)熱處理形成的滲硫?qū)优c基體是冶金結(jié)合，比FeS微粒在表面形成的吸附層相比，與金屬基體之間有更強(qiáng)的結(jié)合力，可以更好地抵抗磨損。所以基礎(chǔ)脂潤滑下的滲硫盤磨損表面的S2-的含量及影響深度都比使用FeS粉末的基礎(chǔ)盤磨損表面更高更深。由于表面較高的S元素含量可以促使表面氧化膜的形成，較厚的氧化膜也可以有效地提升硫化層的抵抗磨損的性能。因此在較低的轉(zhuǎn)速與載荷下，滲硫盤磨損表面的含氧量也較高，并體現(xiàn)出較好的摩擦磨損性能。此外，滲硫?qū)釉谳^高的摩擦溫度下會(huì)產(chǎn)生分解，分解出來的S元素可與基體產(chǎn)生反應(yīng)補(bǔ)充所形成的FeS邊界潤滑膜從而延長固體潤滑的作用，但是滲硫?qū)釉谀p過程對(duì)于表面S元素的補(bǔ)充作用比FeS潤滑脂添加劑弱。當(dāng)載荷不是很高的情況下，表面的潤滑脂可支撐較長的時(shí)間，F(xiàn)eS微粒在表面的吸附速度會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的增加而加快，所以含F(xiàn)eS微粒脂潤滑下的基礎(chǔ)盤的抗磨性能在轉(zhuǎn)速超過1200r/min時(shí)更好。隨著載荷的進(jìn)一步增加，滲硫盤表面的滲硫?qū)訒?huì)迅速被破壞，而這種破壞屬于不可修復(fù)性的。但是只要接觸表面之間存在潤滑脂，潤滑脂中的FeS微粒的吸附保護(hù)作用就會(huì)繼續(xù)，所以含F(xiàn)eS微粒脂潤滑下的基礎(chǔ)盤的抗磨性能在較高載荷下要好于基礎(chǔ)脂潤滑下的滲硫盤。

　　3結(jié)論a.在脂潤滑條件下，在材料表面制取滲硫?qū)雍褪褂肍eS粉末均可有效地提升軸承鋼材料的減摩抗磨性能。

　　b.當(dāng)FeS微粒作為添加劑加入到基礎(chǔ)脂中，潤滑脂的極壓性能明顯提高。FeS微粒在磨損過程中能夠吸附到摩擦表面上形成固體潤滑薄層，這層吸附層可以起到很好的固體潤滑作用。表面滲硫?qū)涌膳c基體之間形成冶金結(jié)合，比使用FeS微粒所形成的吸附層在表面有更高含量的S元素。滲硫?qū)釉谳^低的轉(zhuǎn)速載荷下體現(xiàn)出較好的摩擦磨損性能。滲硫?qū)釉谀p過程對(duì)于表面S元素的補(bǔ)充作用比FeS潤滑脂添加劑弱，在較高轉(zhuǎn)速載荷下滲硫?qū)拥目鼓バ阅懿蝗缡褂煤現(xiàn)eS微粒的潤滑脂。

　　c.FeS材料在摩擦過程中會(huì)產(chǎn)生分解，由于分解而釋放出來的活性S元素在較高的摩擦溫度下可以與基體發(fā)生反應(yīng)形成的FeS邊界潤滑薄膜，從而延長固體潤滑的作用。