段隆臣，龐 豐，潘秉鎖，秦靜波，方小紅

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MoS2的電鍍工藝對低溫低壓下MoS2-Ni基金剛石鉆頭胎體摩擦性能的影響

段隆臣1, 2，龐 豐1, 2，潘秉鎖1, 2，秦靜波3，方小紅1, 2

(1. 中國地質(zhì)大學(xué)巖土鉆掘與防護(hù)教育部工程研究中心，武漢 430074；2. 中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院，武漢430074；3. 重慶交通大學(xué)，重慶 400074)

基于金剛石鉆頭干鉆時(shí)出現(xiàn)較高摩擦熱的現(xiàn)象，采用MoS2作為胎體潤滑劑，用電鍍法制備MoS2-Ni復(fù)合胎體材料，以減小胎體的摩擦因數(shù)、降低摩擦熱；并研究電鍍工藝對MoS2復(fù)合鍍層的顯微硬度和低溫低壓下復(fù)合鍍層對胎體摩擦性能的影響。結(jié)果表明：隨鍍液中MoS2濃度增大，鍍層的顯微硬度和胎體的摩擦因數(shù)降低，當(dāng)MoS2濃度大于0.5 g/L時(shí)，鍍層的顯微硬度和胎體的摩擦因數(shù)變化不大；隨鍍液pH增大，鍍層顯微硬度降低，胎體的摩擦因數(shù)先減小后增大，當(dāng)鍍液pH增大到4.0后，鍍層的顯微硬度變化不大，胎體摩擦因數(shù)達(dá)最小值；隨鍍液電流密度增大，鍍層顯微硬度和胎體摩擦因數(shù)先減小后增大，當(dāng)電流密度增大到2.5 A/cm2時(shí)，鍍層的顯微硬度和胎體摩擦因數(shù)達(dá)到最小值。摩擦磨損后的胎體材料形貌分析表明，控制好電鍍工藝條件，可實(shí)現(xiàn)低溫低壓下MoS2-Ni復(fù)合材料對胎體的潤滑作用。

低溫低壓；電鍍；MoS2；金剛石鉆頭；摩擦性能

為了有效利用地外資源，太空鉆探取樣技術(shù)及設(shè)備的研究一直是研究熱點(diǎn)。金剛石鉆頭在石油鉆井、地質(zhì)勘探、石材切割和工民勘察等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1?2]，其經(jīng)濟(jì)高效的特點(diǎn)極可能成為太空鉆進(jìn)的首選[3]。然而，太空的溫度和壓力環(huán)境制約了沖洗介質(zhì)的選擇[4]。雖然對太空鉆進(jìn)排屑方法的研究較多，且取得了一定的成果[5]，但對于高速的金剛石鉆進(jìn)而言，鉆進(jìn)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的摩擦熱，這嚴(yán)重依賴?yán)鋮s液的使用[6]。若在低功率、低轉(zhuǎn)速和低鉆壓下進(jìn)行鉆進(jìn)，或間歇鉆進(jìn)，則會(huì)嚴(yán)重降低鉆進(jìn)效率[7?8]。

固體潤滑劑以其減阻降摩的作用應(yīng)運(yùn)而生，即在鉆頭胎體中加入具有潤滑作用的物質(zhì)，鉆進(jìn)過程中，可減小鉆頭與巖石間的摩擦因數(shù)，降低摩擦熱。鈷基材料以其高溫耐磨性和熱穩(wěn)定性而廣泛用于干鉆條件下的金剛石鉆頭胎體材料[9]。ZOUARI等[10]采用熱噴涂法在鋁基體噴涂上聚脂纖維-石墨涂層，其摩擦性能表明，隨涂層中石墨含量升高，摩擦副間的磨損降低，摩擦因數(shù)降低。GOPAL等[11]研究石墨作為固體潤滑劑在碳化硅磨削中的摩擦性能表明，與干磨相比，切削力、切削比能和工件熱損傷均明顯降低。YIN等[12]研究Cu-石墨復(fù)合材料的摩擦磨損性能表明，石墨顆粒的粒徑越小，摩擦因數(shù)越小。ZHAN等[13]對比研究碳化硅和石墨顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的摩擦磨損特性，表明混雜增強(qiáng)復(fù)合材料摩擦性能更優(yōu)。EUNYOUNG等[14]選用Cr2O3-Ag增強(qiáng)NiCr復(fù)合材料的研究表明，隨銀含量增加，摩擦因數(shù)降低，且固體潤滑劑顆粒的粒度越小，材料的摩擦因數(shù)越低。CHEN等[15]研究含SiC、石墨和h-BN的銅基復(fù)合材料的摩擦特性表明，隨石墨含量增加，材料的摩擦因數(shù)減小，磨損過程中石墨比六方氮化硼形成的潤滑膜更加緊密，更有利于提高材料的摩擦性能。HUANG等[16]研究BaF2·CaF2的含量對Cr3C2增強(qiáng)NiCr膜層顯微結(jié)構(gòu)和性能的影響表明，當(dāng)BaF2·CaF2的含量為10%時(shí)，摩擦性能最好。BHADURI等[17]在立方氮化硼砂輪表面鍍附MoS2-Ti涂層，其摩擦性能表明，MoS2-Ti涂層能夠有效降低摩擦副之間的摩擦因數(shù)和砂輪的磨損量。以上研究取得了一定成效，但未進(jìn)行以金剛石鉆頭胎體為研究對象，采用電鍍MoS2-Ni復(fù)合鍍層的方法來考察固體潤滑劑對金剛石鉆頭胎體摩擦性能影響的研究。復(fù)合鍍層是指將一種或數(shù)種微米級甚至亞微米級的化合物顆?；蚋叻肿泳酆衔铮ㄟ^金屬電沉積的方法分散于金屬或者合金基體中所形成的特殊鍍層[18]。通常情況下Ni的化合價(jià)為+2，Ti的化合價(jià)為+4，在相同的電鍍條件下，+2的Ni更易發(fā)生電沉積，提高電鍍效率。

本文采用電鍍MoS2-Ni復(fù)合鍍層的方法，研究低溫低壓下MoS2對金剛石鉆頭胎體磨損性能的影響，以期為低溫低壓無沖洗介質(zhì)條件下的金剛石鉆頭胎體設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

為模擬太空低溫低壓環(huán)境，自行研制低溫低壓摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)。采用液壓驅(qū)動(dòng)，通過真空泵和制冷系統(tǒng)提供低溫低壓環(huán)境，摩擦副采用立軸銷盤式設(shè)計(jì)，摩擦力矩信號用傳感器采集，通過單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的可視化。

為避免MoS2在高溫?zé)Y(jié)過程中喪失潤滑性，制備電鍍MoS2-Ni復(fù)合胎體材料，電鍍工藝參數(shù)如表1所列。

為屏蔽基體金屬對鍍層硬度的影響，采用HVS-1000顯微硬度儀測定復(fù)合鍍層的顯微硬度。應(yīng)用自行研制的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對鍍層胎體進(jìn)行摩擦磨損性能研究，常溫常壓和低溫低壓的實(shí)驗(yàn)條件分別為10 ℃，真空度0 kPa和溫度1 ℃，真空度?95 kPa。采用Quanta200型環(huán)境掃描電子顯微鏡(SEM)觀察摩擦磨損后胎體的表面形貌。

表1 MoS2-Ni復(fù)合材料電鍍工藝

2 結(jié)果與討論

2.1 低溫低壓(真空)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的研制

圖1為自主研發(fā)的低溫低壓(真空)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)實(shí)物圖。試驗(yàn)機(jī)由真空腔室、機(jī)臺總成、控制柜和計(jì)算機(jī)組成。該機(jī)集成了現(xiàn)代測試技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和工業(yè)計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行采集、存儲、顯示、分析和輸出，系統(tǒng)人機(jī)界面友好，操作簡便，各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)如表2所列。

通過試驗(yàn)機(jī)的輸出界面可得到試樣在進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)時(shí)的環(huán)境溫度、壓力和胎體所受到的鉆壓、轉(zhuǎn)速、扭力和摩擦溫度。

2.2 電鍍工藝對MoS2復(fù)合鍍層顯微硬度的影響

以Ni2+為載體，電路通電后，Ni2+向電極遷移運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)懸浮在鍍液中的MoS2顆粒運(yùn)動(dòng)，并在基體表面形成共沉淀。在基體材料表面鍍附MoS2-Ni復(fù)合鍍層，圖2所示為不同工藝條件下該鍍層的顯微硬度。

由圖2(a)可知，隨鍍液中MoS2濃度增加，復(fù)合鍍層的顯微硬度逐漸降低，當(dāng)濃度達(dá)到0.5 g/L時(shí)降低較小。當(dāng)鍍液中未添加MoS2時(shí)，胎體表層為Ni層，Ni可以提高材料的強(qiáng)度和韌性，故胎體鍍層顯微硬度最大，沉積的MoS2-Ni復(fù)合材料作為胎體的軟質(zhì)相可降低鍍層硬度。當(dāng)鍍液中MoS2濃度較小時(shí)，鍍層中MoS2的含量隨鍍液中MoS2濃度升高快速增加，因而顯微硬度快速下降。當(dāng)鍍液中MoS2濃度增大到一定程度后，鍍層中MoS2的含量增加緩慢，胎體的顯微硬度下降幅度變小。由圖2(b)可知，隨鍍液pH增大，胎體鍍層材料的顯微硬度降低，當(dāng)pH大于4時(shí)降低較小。鍍液中pH增大，陰極電流效率提高，有利于MoS2的沉積；而且隨pH增大，容易產(chǎn)生氫氧化物沉淀，造成鍍層材料粗糙，導(dǎo)致鍍層材料顯微硬度下降，但pH過低又會(huì)產(chǎn)生針孔、漏鍍的現(xiàn)象，因而在電鍍過程中需根據(jù)實(shí)際情況控制好鍍液的pH。由圖2(c)可知，隨鍍液電流密度增大，胎體鍍層顯微硬度先減小后增大，當(dāng)電流密度為2.5 A/cm2時(shí)，鍍層顯微硬度最低。隨電流密度增大，電場力增大，增強(qiáng)了電極對離子顆粒的吸引，加速了微粒的遷移運(yùn)動(dòng)，有利于提高電鍍效率，加速M(fèi)oS2的沉積，因而降低胎體鍍層顯微硬度。如果電流密度過大，陰極的吸氫現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致Ni2+的遷移速率遠(yuǎn)大于MoS2微粒的遷移速率，結(jié)果MoS2來不及被包裹到基體中而含量下降，因而胎體鍍層顯微硬度反而增大。

圖1 低溫低壓摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)實(shí)物圖

通過上述實(shí)驗(yàn)分析可知，鍍層材料中MoS2的含量越高，鍍層顯微硬度越低。而電鍍工藝條件中的MoS2濃度、鍍液pH和電流密度均會(huì)影響鍍層中MoS2的含量。

表2 低溫低壓試驗(yàn)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

The maximum drilling distance/mmMeasuring accuracy/kgFrictiontemperature/℃Samplingfrequency/sEquipment/103kg 2000～100±1.50～80011

圖2 MoS2的含量、pH和電流密度對鍍層顯微硬度的影響

2.3 低溫低壓下MoS2對胎體摩擦性能的影響

MoS2屬六方晶系的層狀結(jié)構(gòu)，層與層之間以較弱的分子力連接，MoS2極易在層與層之間發(fā)生滑移，因此具有良好的固體潤滑性能。通過摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)可獲得試樣在摩擦磨損過程中的摩擦力和載荷，由=/可計(jì)算出試樣在摩擦磨損過程中的摩擦因數(shù)，即可考察胎體材料的摩擦性能。

圖3為低溫低壓下，不同工藝條件的電鍍MoS2-Ni復(fù)合材料對胎體摩擦性能的影響。由圖3(a)、(b)和(c)可知：隨鍍液中MoS2濃度增加，胎體的摩擦因數(shù)降低，當(dāng)MoS2濃度達(dá)到0.5 g/L后摩擦因數(shù)降低較??；隨鍍液pH和電流密度增大，胎體的摩擦因數(shù)先減小后增大，當(dāng)鍍液的pH達(dá)到4.0時(shí)，電流密度達(dá)到2.5 A/ cm2時(shí)，胎體的摩擦因數(shù)最小。

圖3 低溫低壓下MoS2的含量、pH和電流密度對胎體摩擦性能的影響

綜上可知，電鍍過程中鍍液中MoS2濃度升高可以增加復(fù)合鍍層中MoS2的含量，適宜的鍍液pH和電流密度也有助于MoS2在基體材料上沉降，因此，對應(yīng)圖2中的(a)、(b)和(c)可以得出胎體中MoS2含量的增加可以降低胎體材料的摩擦因數(shù)，說明MoS2對胎體材料具有減摩潤滑作用。胎體中MoS2含量增加使得胎體與巖樣進(jìn)行研磨時(shí)，鍍層中的MoS2微粒在應(yīng)力作用下被擠出，可在摩擦表面形成一層連續(xù)的薄 膜——潤滑膜，即在摩擦表面形成轉(zhuǎn)移膜，轉(zhuǎn)移了胎體試樣與巖石的直接接觸摩擦。

由圖3(a)可知，當(dāng)鍍液中MoS2濃度較低時(shí)，在摩擦界面難以形成連續(xù)的潤滑膜，潤滑效果不明顯，因?yàn)檫@種潤滑膜是逐漸形成的，減摩潤滑作用也是逐漸加強(qiáng)的。當(dāng)鍍液中不含MoS2時(shí)，純Ni鍍層具有較高的摩擦因數(shù)，主要發(fā)生疲勞磨損和粘著磨損。當(dāng)MoS2濃度增大后，有利于形成完整的潤滑膜，潤滑效果增強(qiáng)，顯著降低摩擦因數(shù)。但這種降低不是無限制的，摩擦因數(shù)隨潤滑膜厚度的增加先減小后增大，如果潤滑膜太薄，其作用不明顯；而太厚，則又因?yàn)闈櫥檐涃|(zhì)相，表面較軟而實(shí)際接觸面積增大，摩擦因數(shù)反而增大。圖3(b)和3(c)中pH和電流密度對胎體摩擦因數(shù)的影響均是通過電鍍工藝的變化導(dǎo)致鍍層中MoS2含量和狀態(tài)的變化而影響胎體性能。其中pH通過影響鍍層的沉積效率、鍍液穩(wěn)定性、Ni2+的沉積、陰極電流效率和氫氧化物沉淀等因素影響胎體材料摩擦性能。電流密度通過影響電場力、離子遷移速率和MoS2的沉積量等因素影響胎體材料的摩擦性能。

因此，考慮胎體材料的摩擦性能宜選用的最佳電鍍工藝條件為：MoS2為0.5 g/L、pH為4.0和電流密度為2.5 A/cm2。

2.4 摩擦磨損后胎體材料的表面形貌

圖4為低溫低壓下試樣摩擦磨損后的表面形貌，其中圖4(a)、(b)、(c)和(d)為考慮胎體材料摩擦性能選取的3因素中2個(gè)最佳的電鍍工藝條件，圖4(e)為3因素均為最佳的電鍍工藝條件，圖4(f)為未經(jīng)摩擦磨損的鍍層。

由圖可知在非最佳工藝條件下的胎體摩擦磨損后表面形貌不光滑平整，當(dāng)電流密度為1 A/cm2時(shí)試樣的摩擦表面有較多突起(如圖4(a)中環(huán)形所示)，且有片狀結(jié)構(gòu)相互疊加(如圖4(a)中矩形所示)，當(dāng)電流密度為 3.5 A/cm2時(shí)磨痕清晰可見，有眾多條狀長槽(如圖4(b)中矩形所示)，且有塊狀脫落(如圖4(b)中環(huán)形所示)。當(dāng)胎體中未添加MoS2時(shí)，主要進(jìn)行純Ni的摩擦磨損，磨損后表面出現(xiàn)大面積塊狀剝落和溝痕(如圖4(c)中矩形所示)，且未剝落區(qū)域亦凹凸不平(如圖4(c)中環(huán)形所示)，純Ni的摩擦因數(shù)較高，造成嚴(yán)重的粘著磨損，使得材料軟化和粘著剝落。Ni具有較好的室溫摩擦性能，然而在干摩擦下產(chǎn)生的高溫摩擦熱更易產(chǎn)生嚴(yán)重的粘著磨損，降低材料的摩擦性能。并且Ni在低速下可以改善材料的摩擦性能，然而在高速下改善不明顯。當(dāng)鍍液pH為2時(shí)胎體的摩擦磨損表面粗糙，凹凸不平，形貌狀況類似圖4(a)，也分布較多突起(如圖4(d)中環(huán)形所示)和相互疊加的片狀結(jié)構(gòu)，且有斷層出現(xiàn)(如圖4(d)中矩形所示)。當(dāng)采用最佳的電鍍工藝所得胎體材料的摩擦磨損形貌，既無明顯的掉塊、溝痕、斷層和長槽，也無明顯的凹凸不平和層狀結(jié)構(gòu)，僅有少量的點(diǎn)狀突起(如圖4(e)中環(huán)形所示)和塊狀結(jié)構(gòu)(如圖4(e)中矩形所示)，表面光滑平整，摩擦磨損輕微，如圖4(e)所示。圖4(f)為摩擦磨損前的鍍層形貌圖，圖中眾多饅頭狀突起為電沉積Ni層，MoS2包裹其中。

由以上分析表明，控制好電鍍工藝條件，可實(shí)現(xiàn)MoS2對胎體材料的潤滑作用，降低胎體的摩擦磨損。復(fù)合鍍層中Ni相比MoS2對胎體的摩擦性能作用較小，且受到摩擦溫度和轉(zhuǎn)速的影響較大。

圖4 試樣摩擦表面的掃描電鏡照片

2.5 討論

固體表面的摩擦性能受表面狀態(tài)的影響，其幾何形態(tài)、表面物理和化學(xué)狀態(tài)均是影響摩擦學(xué)行為和過程的重要因素[19]。

宏觀上，胎體與巖樣進(jìn)行干摩擦過程中，出現(xiàn)了高頻低幅的振動(dòng)現(xiàn)象，這是躍動(dòng)效應(yīng)所致，由于摩擦運(yùn)動(dòng)并非連續(xù)平穩(wěn)的滑動(dòng)，而是摩擦副間斷續(xù)的滑動(dòng)，躍動(dòng)現(xiàn)象的劇烈程度可區(qū)別干摩擦和潤滑摩擦，胎體中加入MoS2后躍動(dòng)現(xiàn)象減弱。經(jīng)摩擦后的胎體和巖石表面表觀較為平整，但在顯微鏡下可見表面凹凸不平，由連續(xù)的粗糙峰構(gòu)成，滑動(dòng)摩擦是能量在摩擦副表面間的粗糙峰相互嚙合、碰撞和彈塑變形上的損耗。加入MoS2后，作為軟質(zhì)相的MoS2先于胎體基體材料脫落，由于與金屬間的附著力很強(qiáng)，脫落后被轉(zhuǎn)移到金屬表面，且優(yōu)先填補(bǔ)于粗糙峰間，使得粗糙峰現(xiàn)象和嚙合效應(yīng)減弱，緩和摩擦磨損。機(jī)械嚙合作用使得表面實(shí)際接觸面積遠(yuǎn)小于表觀接觸面積，因而接觸峰承受很大的應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到材料的屈服極限時(shí)，發(fā)生塑性變形，摩擦表面處于塑性接觸狀態(tài)后應(yīng)力不再變化，但接觸面積增大以承受更大的載荷，加入MoS2后，摩擦副間的接觸面積增大。然而接觸點(diǎn)的應(yīng)力值為摩擦副中軟材料MoS2的屈服強(qiáng)度，當(dāng)載荷一定時(shí)，屈服強(qiáng)度與摩擦副接觸面積成反比，材料越軟，壓入越深，摩擦磨損越嚴(yán)重。摩擦副表面間粗糙峰的嚙合作用如圖5所示。

圖5 摩擦副表面間粗糙峰的嚙合作用

摩擦副表層分子的活性和分子力作用使得固體表面黏附在一起產(chǎn)生黏著效應(yīng)。干摩擦?xí)r，摩擦副中胎體表面的粗糙峰在法向載荷的作用下嵌入巖石表層，產(chǎn)生兩種性質(zhì)的接觸，一種是胎體表面與巖石表面的黏著接觸，即面接觸，摩擦?xí)r發(fā)生剪切；另一種是胎體粗糙峰擠入巖石材料，產(chǎn)生犁溝效應(yīng)。當(dāng)摩擦副間發(fā)生黏著摩擦?xí)r，摩擦力是黏著效應(yīng)和犁溝效應(yīng)產(chǎn)生的阻力總和，摩擦副表面間的黏著效應(yīng)與犁溝效應(yīng)如圖6所示。加入MoS2后，由于MoS2附著在金屬胎體表面，使得胎體壓入巖石表面的作用大幅減弱，即犁溝效應(yīng)減弱，且MoS2改變了原來金屬胎體與巖石的黏著作用，當(dāng)MoS2與巖石發(fā)生剪切滑移時(shí)，其層狀結(jié)構(gòu)使得摩擦副面與面接觸時(shí)的滑動(dòng)阻力減小。然而，當(dāng)胎體中加入金剛石后，犁溝效應(yīng)明顯，堅(jiān)硬的金剛石在載荷的作用下推擠入巖石中，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)使巖樣發(fā)生塑性流動(dòng)并犁出一條溝槽，摩擦磨損嚴(yán)重。

圖6 摩擦副表面間的黏著效應(yīng)與犁溝效應(yīng)

微觀上，摩擦的本質(zhì)是摩擦副間分子或原子碰撞時(shí)的能量耗散，如圖7所示。當(dāng)胎體中的金屬原子同時(shí)撞擊層狀結(jié)構(gòu)的MoS2分子和巖樣中的化合物分子(如：SiO2、CaO、Al2O3等，含量越高撞擊幾率越大)時(shí)，由于SiO2等分子晶體間作用力遠(yuǎn)大于MoS2分子晶體間作用力，MoS2首先發(fā)生滑移，表現(xiàn)為潤滑作用。胎體表面金屬原子處于不平衡狀態(tài)，易與巖樣表面分子形成較強(qiáng)的原子結(jié)合力或離子結(jié)合力，由于MoS2在胎體表面附著，摩擦副間原有的結(jié)合力被較弱的范德華力代替，降低了表面分子作用力，減弱摩擦磨損。摩擦過程中胎體表面金屬原子易與周圍介質(zhì)作用形成表面膜，真空環(huán)境下介質(zhì)稀薄，表面膜經(jīng)一段時(shí)間后發(fā)生破裂，胎體中的MoS2連續(xù)從胎體中脫落，潤滑膜可再生，保證潤滑減摩效果。

圖7 摩擦副表面間分子或原子的碰撞作用

3 結(jié)論

1) 隨鍍液中MoS2濃度和pH增大，鍍層顯微硬度逐漸降低。當(dāng)鍍液中MoS2濃度達(dá)到0.5 g/L和pH達(dá)到4.0后鍍層的顯微硬度變化不大。隨鍍液電流密度增大，鍍層顯微硬度先降低后增大，當(dāng)電流密度為2.5 A/cm2時(shí)，鍍層顯微硬度最小。

2) 低溫低壓下胎體的摩擦因數(shù)遠(yuǎn)大于常溫常壓下的摩擦因素。隨鍍液中MoS2濃度增大，胎體的摩擦因數(shù)減小，當(dāng)MoS2濃度達(dá)到0.5 g/L后胎體的摩擦因數(shù)變化不大。隨鍍液pH和電流密度增大，胎體的摩擦因數(shù)先減小后增大，當(dāng)pH為4.0和電流密度為2.5 A/cm2時(shí)，胎體摩擦因數(shù)最小。

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(編輯 高海燕)

Effect of MoS2electroplating technique on friction performance of MoS2-Ni matrix materials of diamond bits under low temperature and low pressure

DUAN Long-chen1, 2, PANG Feng1, 2, PAN Bing-suo1, 2, QIN Jing-bo3, FANG Xiao-hong1, 2

(1. Engineering Research Center of Rock-Soil Drilling ＆ Excavation and Protection,Ministry of Education, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China; 2. Faculty of Engineering, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China;3. Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

Based on the high friction heat produced when diamond bits drilling in dry condition, a new thought of preparing the MoS2-Ni composite with electroplating method by adopting MoS2as lubricant is presented and then accomplished to decrease the matrix friction coefficient and the friction heat. The effect of the electroplating process on the micro-hardness of MoS2composite coating, and the coating on the friction performance of the matrix under low temperature and low pressure were studied. The results show that the micro-hardness of the coating and the friction coefficient of the matrix decrease gradually with increasing MoS2concentration, while the micro-hardness of the coating and the friction coefficient of the matrix decrease little when the concentration of MoS2reaches 0.5 g/L. With increasing plating solution’s pH, the micro-hardness of the coating decreases gradually and the friction coefficient of the matrix decreases firstly then increases. The micro-hardness of the coating decreases little and the friction coefficient of the matrix reaches the minimum when the pH reaches 4.0. With increasing current density, its micro-hardness of the coating and the friction coefficient of the matrix decrease firstly then increase, and the minimum values of which are obtained when the current density reaches 2.5 A/cm2. The feature analysis of the matrix after friction and wear showthat the MoS2-Ni composite can lubricate the matrix under low temperature and low pressure if the electroplating technique is well controlled.

low temperature and low pressure; electroplating; MoS2; diamond bit; friction performance

TE921; TG74+9

A

1673-0224(2015)3-456-08

國家自然科學(xué)青年基金資助項(xiàng)目(50904052)

2014-04-22；

2014-12-30

段隆臣，教授，博士。電話：027-67883657；Email: duanlongchen@163.com