45钢的黏结型激光微织构表面摩擦学性能及固体润滑机理分析.pdf

第４３卷第９期—２Ｏ１５年９月第３９４５页材料工程ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＶｏ１．４３Ｎｏ．９—Ｓｅｐ．２Ｏ１５ＰＰ．３９４５４５钢的黏结型激光微织构表面摩擦学性能及固体润滑机理分析ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＴｒｉｂｏｌｏｇｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｙａｎｄＭｅｃｈａｎｉｓｍｏｆ—ＳｏｌｉｄＬｕｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｎ４５ＳｔｅｅｌＢｏｎｄｔｙｐｅ—ＬａｓｅｒＭｉｃｒｏｔｅｘｔｕｒｅｄＳｕｒｆａｃｅ华希俊，王蓉，周万，刘凯，符永宏，纪敬虎（江苏大学机械工程学院，江苏镇江２１２０１３）—ＨＵＡＸｉｊｕｎ，ＷＡＮＧＲｏｎｇ，ＺＨＯＵＷａｎ，——ＬＩＵＫａｉ，ＦＵＹｏｎｇｈｏｎｇ，Ｊ１Ｊｉｎｇｈｕ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＪｉａｎｇｓｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ２１２０１３，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ）摘要：采用二极管泵浦声光调ＱＮｄ：ＹＡＧ激光器在４５钢表面进行织构化处理，对填充不同质量分数聚酰亚胺（ＰＩ）的ＭｏＳ复合固体润滑剂织构试样在销一盘线接触摩擦磨损试验机上进行了不同工况下的滚动摩擦性能实验。利用扫描电子显微镜观察和分析材料磨损形貌和元素分布。结果表明：填充黏结型ＭｏＳ复合固体润滑剂织构表面的摩擦因数均随着载荷和转速的增大而减小，其中ＭｏＳｚ＋２０（质量分数）ＰＩ复合润滑剂具有最佳的减摩性能。在线接触滚动过程中，存在氧化磨损、磨粒磨损和黏着磨损。高速重载能促进转移膜在对偶面形成，显示出良好的减摩性能。关键词：激光织构；复合固体润滑剂；线接触；滚动摩擦—ｄｏｉ：１０．１１８６８／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１４３８１．２０１５．０９．００７中图分类号：ＴＨ１１７．１文献标识码：Ａ———文章编号：１００１４３８１（２０１５）０９００３９０７———Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＱｓｗｉｔｃｈｅｄｄｉｏｄｅｐｕｍｐｅｄｓｏｌｉｄｓｔａｔｅＮｄ：ＹＡＧｌａｓｅｒｗａｓａｄｏｐｔｅｄｔｏｃａｒｒｙｏｕｔｔｅｘｔｕｒｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｏｎｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｏｆ４５ｓｔｅｅ１．ＲｏｌｌｉｎｇｆｒｉｃｔｉｏｎｐｒｏｐｅｒｔｙｔｅｓｔｏｆｔｅｘｔｕｒｅｄｓａｍｐｌｅｓｆｉｌｌｅｄｗｉｔｈＭｏＳ２—ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｏｌｉｄｌｕｂｒｉｃａｎｔｃｏｎｔａｉｎｉｎｇｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍａｓｓｆｒａｃｔｉｏｎｓｏｆＰ１ｗａｓｅｘａｍｉｎｅｄｂｙａｐｉｎｐｌａｔｅ１ｉｎｅｃｏｎｔａｃｔｆｒｉｃｔｉｏｎａｎｄｗｅａｒｔｅｓｔｅｒｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．ＷｅａｒｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｅｓａｎｄｅｌｅｍｅｎｔｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｗｅｒｅｏｂｓｅｒｖｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄｂｙＳＥＭ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆ——ｔｅｘｔｕｒｅｄｓｕｒｆａｃｅｗｈｉｃｈｉｓｆｉｌｌｅｄｗｉｔｈｂｏｎｄｔｙｐｅＭｏＳ２ｓｏｌｉｄｌｕｂｒｉｃａｎｔｄｅｃｒｅａｓｅｓａｓｔｈｅｌｏａｄａｎｄｓｐｅｅｄｉｎ—ｃｒｅａｓｅ，ａｎｄｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｌｕｂｒｉｃａｎｔｃｏｎｔａｉｎｉｎｇＭｏＳ２ｐｌｕｓ２０９／６（ｍａｓｓｆｒａｃｔｉｏｎ）ＰＩｈａｓｔｈｅｂｅｓｔａｎｔｉｆｒｉｃｔｉｏｎｐｒｏｐｅｒｔｙ．Ｔｈｅｔｅｘｔｕｒｅｄｓｕｒｆａｃｅｓｅｘｉｓｔｏｘｉｄａｔｉｏｎｗｅａｒ，ａｂｒａｓｉｖｅｗｅａｒａｎｄａｄｈｅｓｉｖｅｗｅａｒｉｎｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｌｉｎｅｃｏｎｔａｃｔｒｏｌｌｉｎｇ．Ｈｉｇｈｓｐｅｅｄａｎｄｈｅａｖｙｌｏａｄｃａｎｐｒｏｍｏｔｅｔｒａｎｓｆｅｒｆｉｌｍｓｆｏｒｍｉｎｇｏｎｔｈｅ—ｃｏｕｎｔｅｒｐａｒｔｆａｃｅ，ａｎｄｓｈｏｗｇｏｏｄａｎｔｉｆｒｉｃｔｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌａｓｅｒｔｅｘｔｕｒｅ；ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｏｌｉｄｌｕｂｒｉｃａｎｔ；ｌｉｎｅｃｏｎｔａｃｔ；ｒｏｌｌｉｎｇｆｒｉｃｔｉｏｎ激光表面织构化技术＿１］以其加工速度快，对环境无污染以及优良的表面织构控制能力等优点而得到广泛关注，目前的研究主要集中在织构化表面的流体介质润滑方面口］，而对其固体润滑的研究起步较晚，在许多特殊工况（如高温、重载、真空等）场合，固体润滑具有不可替代的作用３］。如今，一些国内外的学者对织构表面的固体润滑也作了一些初步的研究。在国外，Ｇｕｌｅｒｙｕｚ等研究了ＴｉＮ涂层织构表面的摩擦和润滑机理。Ｌｕｓｔｅｒ等ｊ通过溅射在织构表面沉积ＶＮ薄膜，结果表明：织构表面涂覆ＶＮ涂层改善了其摩擦润滑性能。Ｒａｐｏｐｏｒｔ等［６将ＭｏＳ颗粒分别涂覆在钢基材表面和激光织构面ＣｄＺｎＳｅ薄膜表面，结果表明：激光织构面ＣｄＺｎＳｅ＋ＭｏＳ。薄膜的摩擦和磨损特性明显优于同等条件下钢基材表面的摩擦和磨损特性。在国内，朱鹏等ｌ８］用热模压成型法制备了ＭｏＳ。改性聚酰亚胺材料，研究其摩擦磨损性能，结果表明：载荷的增大有利于减小摩擦因数。邓建新等在硬质合金表面加工出微凹槽，并在造型表面填充ＭｏＳ，结果表明：ＭｏＳ润滑的织构表面的摩擦因数比无润滑织构表面的摩擦第４３卷第９期４５钢的黏结型激光微织构表面摩擦学性能及固体润滑机理分析４１图３实验装置装配图Ｆｉｇ．３Ａｓｓｅｍｂｌｙｄｒａｗｉｎｇｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄｅｖｉｃｅ２结果与分析２．１ＰＩ质量分数对织构表面摩擦磨损性能的影响图４为填充了不同质量分数ＰＩ的复合固体润滑剂的织构表面摩擦因数，由图４可知，尽管织构表面的ＰＩ含量不同，但其摩擦因数变化趋势大体一致，均呈现先快速上升后逐渐趋于稳定的规律。在实验初始阶段，摩擦因数上升较快，随着实验的进行，对磨面的微凸体与微孔中的复合润滑剂接触，由于润滑剂硬度低，对磨面的挤压和摩擦热的共同作用使其析出微凹腔，从而在织构表面形成自润滑膜，在对偶表面形成转移膜。机械应力和热应力的共同作用使得摩擦副之间形成自润滑膜的生成、破损、脱落与再生的循环过程，当磨损进入稳定阶段时，摩擦因数也随之保持稳定。图５为织构表面摩擦因数随ＰＩ质量分数的变化曲线，由图５可知，不同质量分数的ＰＩ对织构表面摩擦因数的影响是不同的。当ＰＩ质量分数较低时，随着ＰＩ质量分数的增加织构表面的摩擦因数有所减小，但当ＰＩ含量超过２０（质量分数，下同）后，随着ＰＩ质量分数的增加表面摩擦因数反而增大了。这主要是因为ＰＩ质量分数较低时（小于１０），ＭｏＳ颗粒分散不均匀，部分ＭｏＳｚ颗粒之间会出现彼此相连而无聚合物黏结现象，结合不好的ＭｏＳ。颗粒在摩擦过程中极易脱落，膜的耐磨性差，缺陷多，在循环应力作用下，润滑膜的不均匀导致了摩擦因数的升高；ＰＩ质量分数较高时（大于２０），ＭｏＳ。在黏结剂中的分布呈高度弥散状态，复合膜与对偶面对磨时，ＰＩ在摩擦接触区所占的面积相当大，润滑膜的摩擦性能主要取决于ＰＩ的性质，润滑作用不明显，摩擦因数相对较大。且摩擦热会增加润滑膜的黏性，局部熔融而发生剧烈磨损，摩擦因数产生较大的波动。而当复合润滑剂含２０ＰＩ时，对偶件表面形成的转移膜较致密，ＭｏＳ颗粒在润滑膜中分布也较均匀，与对偶件表面的结合力较强，在摩擦过程中不易从对偶件表面脱落，从而提高了复合润滑剂的减摩效果，因此ＭｏＳｚ＋２０ＰＩ复合润滑剂在微织构表面表现出较佳的减摩性能。图４不同复合润滑剂织构表面的摩擦因数变化曲线（载荷：２００Ｎ；转速：１００ｒ／ｒａｉｎ）Ｆｉｇ．４Ｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｃｈａｎｇｅｃｕｒｖｅｓｏｆｔｈｅｔｅｘｔｕｒｅｄｓｕｒｆａｃｅｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｍｐｏｓｉｔｅｌｕｂｒｉｃａｎｔｓ（１ｏａｄ：２００Ｎ；ｒｏｔａｔｉｎｇｓｐｅｅｄ：ｌＯＯｒ／ｍｉｎ）８Ｅ８亡＿。堇图５织构表面摩擦因数随ＰＩ质量分数的变化曲线Ｆｉｇ．５ＴｈｅｃｕｒｖｅｏｆｆｒｉｃｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｔｈｅｔｅｘｔｕｒｅｄｓｕｒｆａｃｅｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍａｓｓｆｒａｃｔｉｏｎｏｆＰＩ２．２不同载荷对黏结型结构表面摩擦因数的影响图６为１００ｒ／ｒａｉｎ的转速条件下，载荷对填充了２０％ＰＩ的复合润滑剂织构表面摩擦因数的影响。结图６织构表面摩擦因数随载荷的变化曲线Ｆｉｇ．６ＴｈｅｃｕｒｖｅｏｆｆｒｉｃｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｔｈｅｔｅｘｔｕｒｅｄｓｕｒｆａｃｅｕｎｄｅｒｖａｒｉｏｕｓｌｏａｄｓｌｕｏＩ。￡ｍｏ：ｖｃｏ一芍ｌＪ！Ｉ第４３卷第９期４５钢的黏结型激光微织构表面摩擦学性能及固体润滑机理分析４５水性环氧树脂黏结固体润滑涂层的摩擦磨损性能［Ｊ］．摩擦学学报，２０１０，３０（６）：５７７～５８３．————ＷＡＮＧＹＨｅｍｅｉ。ＺＨＯＵＨｕｉｄｉ，ＣＨＥＮＪｉａｎｍｉｎ，ｅｔａ１．Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎａｎｄｆｒｉｃｔｉｏｎａｎｄｗｅａｒｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｗａｔｅｒｂｏｒｎｅｅｐｏｘｙｒｅｓｉｎ－ｂａｓｅｄｂｏｎｄｅｄｓｏｌｉｄｌｕｂｒｉｃａｎｔｃｏａｔｉｎｇｓＥＪ］．Ｔｒｉｂｏｌｏｇｙ，２０１０，３０—（６）：５７７５８３．［１５］徐进，朱吴，刘捍卫，等．湿度、温度及润滑油对粘结ＭｏＳ２固体润滑涂层微动磨损寿命的影响ＦＪ３．机械工程材料，２００３，２７（９）：２１２３．ＸＵｊｉｎ，ＺＨＵＨａｏ，ＬＩＵＨａｎｗｅｉ，ｅｔａ１．Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｒｅｌａｔｉｖｅｈｕｍｉｄｉｔｙ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｏｉｌｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｎｔｈｅｆｒｅｔｔｉｎｇｗｅａｒｌｉｆｅｏｆｂｏｎｄｅｄｓｏｌｉｄｌｕｂｒｉｃａｎｔｃｏａｔｉｎｇＥＪ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓｆｏｒＭｅｃｈａｎｉｃａｌ—Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００３，２７（９）：２１２３．［１６１罗军，王运动，蔡振兵，等．粘结ＭｏＳｚ固体润滑涂层的转动微动磨损特性［Ｊ］．机械工程学报，２０１２，４８（１７）：１００１０５．——ＬＵＯＪｕｎ，ＷＡＮＧＹｕｎｄｏｎｇ，ＣＡＩＺｈｅｎｂｉｎｇ，ｅｔａ１．Ｒｏｔａｔｉｏｎａｌｆｒｅｔｔｉｎｇｗｅａｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｂｏｎｄｅｄｍｏｌｙｂｄｅｎｕｍｄｉｓｕｌｆｉｄｅｓｏｌｉｄｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎｃｏａｔｉｎｇ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１２，４８（１７）：ｌ０Ｏ一１Ｏ５．基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１３７５２１１，５１３０５１６８）；国家重大科技成果转化项目（２０６０４０３）；镇江市工业科技支撑项目（ＧＹ２０１２０３９）—收稿日期：２０１４０５０８；修订日期：２０１５－０３２６通讯作者：华希俊（１９６６一），男，教授，工学博士，主要从事激光表面改性与摩擦学设计、固体润滑等方面的研究，联系地址：江苏省镇江市京—口区学府路３０１号江苏大学机械工程学院（２１２０１３），Ｅｍａｉｌ：ｘｊｈｕａ＠ＵｊＳ．ｅｄｕ．ｃｎ米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米中国（深圳）国际无人系统技术成果交易展览会将于深圳举行１１月１７日一２０日，中国（深圳）国际无人系统技术成果交易展览会将于深圳大运中心举办。本届展览会将作为深圳高交会分会场，与高交会共享组织架构、客户资源、媒体支持、专家支持、服务支持，是中国国际化的专业无人系统展览。展览会计划邀请境内外参展商１１０家以上，参会客商５万人次以上。展会拥有静态展１Ｏ０００ｍ，室外飞行展演场地１５０００ｍ。同时展览会也是中国境内具有正规飞行表演临时空域报批手续的专业展览会，届时会举办精彩的无人机飞行表演及飞行比赛。——展览的承办单位高博特广告有限公司拥有１０年的无人机展览深厚资历和６次成“——”功的无人机展览经验，其品牌展览尖兵之翼中国无人机大会暨展览会是国内规模较大的专业无人机展览会。我们有理由期待，此次无人系统展览必将再创辉煌！