軸承組件是牙輪鉆頭、渦輪鉆具最關鍵和最薄弱的環節，其主要的失效形式是膠合，亦即嚴重的粘著磨損。膠合的特征是軸承滑動面沿摩擦方向形成撕痕、刮擦、涂抹和粘焊。粘著磨損一開始可能是輕微的和局部的，如果引起膠合的因素未解除并繼續惡化，則膠合將迅速擴展。

　　膠合開始發生在軸承組件摩擦面潤滑油膜遭到破壞而形成金屬直接接觸的部位，摩擦面粘著區沿摩擦方向受到剪切而撕傷、咬焊甚至卡死，造成井下渦輪鉆具或牙輪鉆頭徹底失效。膠合的條件首先是油膜破裂，然后才是兩金屬面的接觸粘焊。
　　在苛刻嚴酷的工況條件下，受尺寸和結構的嚴格限制，牙輪鉆頭、渦輪鉆具的軸承組件無法得到充分潤滑，這是膠合初始發生和擴展的主要原因之一。現文擬對牙輪鉆頭、渦輪鉆具軸承組件表面進行MoS2滑化處理，在軸承表面形成優異而特殊的滑化薄膜，在高速重載下發揮其優異的減摩及抑制膠合的功效。
　　1 滑化處理前試件的準備
　　試件采用牙輪鉆頭和渦輪鉆具軸承組件常用的優質合金滲碳鋼。
用優質合金滲碳鋼制造的試件參照GB12444.1-90《金屬摩擦磨損試驗方法MM型試驗機試樣規范》。上、下試樣滑化處理前進行滲碳滲硼處理，這是為了考察MoS2滑化處理對其他處理的影響，并使試件得到初始強化。上、下試件預備處理規程如下。
a)滲碳RJJ-75型井式爐，930℃，12h滲碳，入石棉箱自然冷卻。滲碳層深1.5～2.0 mm，表層碳濃度0.90%～1.05%，表面硬度HRC59～62。
b)回火180～190℃，保溫4h。
c)滲硼氣氛爐內910℃，6h固體滲硼，滲硼層深0.08～0.10mm，滲硼組織為單相Fe2B。
d)淬火保護氣氛爐中加熱至820 ～830℃，保溫2h，淬入90℃油中。
e)回火180℃，3h回火。
f)清理性噴砂。
　　2 MoS2滑化處理的依據
　　滑化處理是在軸承組件試件表面形成結合牢固，摩擦學性能優異的MoS2滑化膜，發揮減摩和抑制膠合發生的功效。MoS2滑化處理有其試驗基礎，也有其理論依據。
　　首先，對牙輪鉆頭滑動軸承及渦輪鉆具止推軸承粘著磨損的研究表明，摩擦因數f、粘著摩擦總力F、載荷、速度、摩擦熱溫升與膠合是邏輯相關的；粘著摩擦力主要由摩擦表面凸峰變形阻力、磨損顆粒及硬質點壓碾犁削力、凸峰粘焊親合力及滑動表面的粘著剪切力組成［1］。

F=Aτ，(1)

式中，A為實際接觸面積；F為粘著摩擦總力；τ為粘著點的總剪應力。

粘著凸峰的形變為塑性變形，于是有：

A=F′/σm，（2）

式中，F′為載荷；σm為材料的塑性流變應力。

而摩擦因數f=F/F′。結合式(1)和式(2)有f=τ/σm。可見，材料的抗剪切強度愈低，抗壓強度愈高，則摩擦因數愈小。這也是近年牙輪鉆頭軸承材料由軟向硬過渡的依據，如硬質合金材料的應用［2］，鋼結構硬質合金的應用［5］，H13鋼的應用［3］。
　　MoS2的抗壓強度與合金鋼接近，而抗剪強度卻低得多，所以MoS2滑化膜的摩擦因數極小。
　　MoS2的減摩與其內在結構聯系密切。MoS2晶體結構和石墨一樣。屬六方晶系鱗片狀晶體，如圖1所示，為層狀結構，每個MoS2分子層又分為3個原子層，中間是Mo原子層，上下是S原子層，每個Mo原子被6個S原子包圍，只有S原子暴露在分子層的表面，每個分子層的厚度為6.26。
　　由于Mo原子與S原子結合力強，而S原子之間相互結合力弱。故MoS2分子層之間產生一個剪切力平面，當分子之間受到切應力時，沿分子層很容易產生斷裂，形成滑移面，如圖2所示。每微米的MoS2滑化膜存在1 660個分子層。這些眾多的滑移面使得金屬表面的直接摩擦運動轉化為MoS2分子層之間的相對滑動，層序減緩了摩擦剪切力，降低了摩擦因數，抑制了膠合，減輕了磨損。其功能類似于動物關節接合處的骨頭膜的軟組織，故稱做MoS2滑化處理。
　　研究表明，MoS2和軸承試件之間不是化學結合，而是機械錨固締合。在分子層相對滑移和摩擦過程中，MoS2能自動被離析而擠入對磨表面的凹坑。又因S原子與金屬有較強的親合力，故可使MoS2與金屬表面產生較強的吸附作用。在潤滑條件下，摩擦因數會更低。
　　MoS2潤滑膜可耐pmax為35 MPa的極限壓力和vmax為40 m/s的極限速度［4］，表現出極高的pv值和較好的高速重載性。
　　MoS2在室溫至350 ℃區間，物理、化學及摩擦學特征很穩定，400 ℃時開始氧化，溫度更高時性能才開始惡化。而牙輪鉆頭、渦輪鉆具軸承工作溫度遠低于350 ℃，故處于良好的潤滑狀態。
　　3 MoS2滑化處理
　　MoS2滑化處理的工藝流程為去油清洗→敷MoS2→烘干→清洗→浸漬。目前較成熟的滑化處理工藝有噴涂法、水煮法和刷涂法3種。
　　3.1噴涂法
　　80g的MoS2粉末，7g石墨粉末，50g水玻璃和60mL水配成滑化液，用噴槍噴至經噴砂及清洗的試件表面，噴厚0.3mm。入箱烘干2h，然后升溫至140℃烘烤2h。出爐后再清洗并浸入CS2液中。得到藍色光澤的MoS2滑化膜，即完成噴涂滑化處理。
　　3.2水煮法
　　取100g的MoS2粉末，紗布包裹，置于瓷制煮皿，加水400mL，將試件浸入其中。加熱至95～100℃，1h，清洗后浸入CS2液中，并在熱氣氛中干燥，即完成水煮法滑化處理。
　　3.3刷涂法
　　將MoS2粉末用丙酮調成糊狀，用毛刷涂在試件表面，刷厚1.5 mm，晾干刷去疏松層，入箱115 ℃，1h烘干，清洗后入CS2液中，即完成刷涂滑化處理。
　　4 滑化膜性能測試
　　4.1滑化膜厚度測定及分析
　　試件經不同滑化處理方法處理后，用磁阻法測定滑化膜厚度，
由表2可知，刷涂滑化處理可得到較厚的MoS2滑化膜，對試件W18Cr4V滑化膜測試及分析表明，試件成膜的厚度和材料中W、Cr、Ni、V等合金元素的含量有關。這是因為這些合金元素的電負性均小于鐵，與硫原子之間有更強的親合力。
　　4.2硬度測試及分析
　　用維氏顯微硬度儀測試經MoS2滑化處理后試件的表面硬度，測定結果與滑化處理前的硬度值無差異。這是因為1～4 μm厚的滑化膜不至于影響試件預處理所獲得的硬度值。滑化處理對其他處理方法無排它性。然而，正是那極薄的MoS2滑化膜，乃是一層性能優良的固體潤滑膜，具有優異的減摩抗粘功能。
　　4.3MM-200型磨損機試驗結果
　　以不同材料，經不同工藝處理的上、下試件裝于MM-200型摩擦磨損試驗機上進行試驗，20號機油點滴潤滑。試驗結果見表3。可見，經MoS2滑化處理的試件表現出優異的摩擦學性能。經MoS2滑化處理的試件，在Falex試驗機和Amsler試驗機上同樣表現出優良的減摩性和抗膠合性。
　　5 結語
　　對于優質合金滲碳鋼滑動軸承或止推軸承，經滲碳、滲硼或其他硬化強化處理后，通過MoS2滑化處理，在其表面形成厚約1～4 μm的MoS2滑化薄膜，由于其特異的結構和性質，表現出優異的摩擦學特性。它的摩擦因數極小，耐高壓、耐高速及具有較高的極限pv值，而且對原處理無任何影響。類似于骨關節接頭硬骨端部的軟質薄層，是一種極好的固體潤滑膜。與基體材料有較強的吸附成膜能力，而且層間有較低的剪切強度，使摩擦發生在潤滑膜內部。其優異的減摩抗粘著性能，必然能有效地保障牙輪鉆頭滑動軸承及渦輪鉆具止推軸承的潤滑性、可靠性和使用壽命，相應提高了鉆具的耐用度和使用壽命。這點對于機械鉆速和鉆井時效的提高均具有積極的意義。