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        粉末的摩擦機理與對比分析

        作者:翔宇粉末冶金制品

        發布時間:2020-08-24

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        導讀:翔宇粉末冶金制品有限公司為您提供粉末冶金技術、粉末冶金知識,讓客戶對粉末冶金制品的技術與知識有所了解。

          固體潤滑作為現代發展迅速的1種潤滑技術,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和石墨的協同作用,研究發現添加這2種固體潤滑材料可以產生很好的協同作用,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和石墨對抗磨性能的影響,研究發現在合適添加量下,固體潤滑微粒的存在能夠很好地改善潤滑介質的摩擦學性能。SPalios等研究了含聚四氟乙烯的潤滑介質邊界成膜性能及減摩抗磨性能,研究發現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/二硫化鉬插層復合材料作為潤滑脂添加劑的摩擦磨損行為,研究發現合成的PI/MoS2插層復合材料作為鋰基脂添加劑對鋼-鋼摩擦副表現出良好的減摩抗磨作用。近年來,低溫離子滲硫技術作為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用與研究。有研究表明,鋼鐵材料在經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種性能優良的固體潤滑材料,價格低廉,實際價格僅為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道。

          本文通過2種方法將FeS固體潤滑材料應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層,將FeS材料研磨成微米粉末添加到潤滑脂中。對比研究了軸承鋼滲硫層和使用FeS微米粉末的摩擦學性能,并探討了其作用機理,以期為改善實際軸承的使用提供試驗依據。

          1實驗部分1.1試驗材料選用經過淬火、低溫回火處理的GCr15軸承鋼(HRC61)為基礎圓盤試樣材料。選擇部分GCr15軸承鋼圓盤試樣利用低溫離子滲硫技術在表面制取滲硫層。滲硫處理工藝:將處理試樣放置在離子滲硫設備的陰極盤上,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.

          基礎脂選用中國石化公司生產的3號通用鋰基脂,其理化指標見。

          選用化學分析純FeS作為原料,采用機械研磨的方式制取FeS細粉顆粒。將FeS原料浸入酒精中放入研磨機進行研磨,研磨時間為12h.研磨完成后經過濾干燥得到FeS顆粒。將制取好的FeS微粒按質量分數10加入鋰基脂中并混合均勻。

          1.2試驗方法摩擦磨損試驗在自制GWL-1000型球-盤試驗機上進行,試驗之前先在圓盤表面均勻涂抹10mL潤滑脂,在試驗中每5min向摩擦表面補充2mL潤滑脂。磨損試驗選擇不同轉速與載荷進行1h試驗,試樣在選定轉速和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,圓盤轉速選擇600、800、1000、1200、1400r/min5種轉速;在固定轉速為800r/min時,載荷選擇為100、150、200、250、300N.試驗過程中記錄摩擦力的變化,試驗結束后利用LarkLAC-24電子天秤(精確度0.1mg)測量磨損量。

          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態,AES分析磨損表面元素隨深度的變化。

          2結果與討論2.1滲硫層與FeS微粒的分析GCr15軸承鋼滲硫層表面的掃描電鏡照片,可以看出滲硫層表面疏松多孔,并且呈層片堆垛結構。為滲硫層截面的掃描電鏡照片及線掃描結果,表面黑色層為滲硫層,厚度約為3m.滲層與基體之間有明顯的分界線。對滲硫層進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。

          所示為經過12h機械研磨的FeS顆粒的激光粒度分析結果??梢钥闯?,FeS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,FeS微粒主要呈片狀結構。

          2.2摩擦學性能研究在固定載荷為150N時,磨損失重隨轉速的變化??梢钥闯?,在不同轉速下,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脂潤滑的情況。在基礎脂潤滑下,基礎盤表面在轉速超過800r/min時產生擦傷。在較低的轉速下,基礎脂潤滑的滲硫表面體現出最好的抗磨性能。在600r/min和800r/min轉速下磨損失重不到1mg.但隨著轉速的增加,其抗磨損性能迅速降低。在含FeS粉末脂潤滑下的基礎盤表面在較低轉速下磨損量大于滲硫盤表面,但在高轉速下表現出良好的抗磨性能,當轉速達到1200r/min以上時,其磨損損失比滲硫盤表面低。

          在固定轉速為800r/min時,磨損失重隨載荷的變化??梢钥闯?,滲硫盤和使用FeS粉末的抗磨損性能均明顯優于不使用FeS材料時的基礎盤。

          在基礎脂潤滑下,基礎盤表面在載荷超過150N時即產生擦傷。當載荷小于300N時,基礎脂潤滑下的軸承鋼滲硫盤表面的抗磨性能最佳。當載荷達到300N時,在含FeS微粒脂潤滑下的基礎盤表面的抗磨性能則好于基礎脂潤滑下的滲硫盤表面。

          和為摩擦系數隨轉速、載荷的變化。在基礎脂潤滑下的滲硫盤體現出較好的減摩性能,摩擦系數在較低轉速(小于等于1000r/min)和各種載荷下都穩定在1個較低的水平。相比之下,含FeS微粒脂潤滑下基礎盤的摩擦系數比在基礎脂潤滑下的滲硫盤略高,但是在轉速為1400r/min時其減摩性能則相對較好。在基礎脂潤滑下的基礎盤的減摩性能在不同轉速載荷下均最差。

          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,在基礎脂潤滑下的基礎盤磨損較為嚴重,在表面出現明顯的塑性變形并且黏附了大量的球狀磨屑,呈現典型的應變疲勞磨損的特征?;A脂潤滑下的滲硫盤表面和含FeS微粒脂潤滑下的基礎盤表面磨損程度較低,磨損表面比較平整。在對磨損表面的能譜分析上可以發現S元素,說明FeS潤滑材料在磨損過程中對表面可起到很好的保護作用。

          磨損表面邊界潤滑的XPS元素價態分析。在基礎脂潤滑下基礎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生反應而生成。與之相比,在基礎脂潤滑下的滲硫盤和在含FeS微粒脂潤滑下的基礎盤的磨損表面除了FeO之外還生成了FeS和FeSO4。在磨損過程中,軸承鋼表面的滲硫層和潤滑脂中存在的FeS微粒在摩擦熱的作用產生分解,分解出來的S2-會與基體的Fe元素產生反應而生成FeS.同樣S2-也會與空氣中的O元

          素發生反應生成SO2-4。在表面起到潤滑作用的主要是FeS,FeSO4是FeS的氧化產物,并不能對潤滑產生作用。1為磨損表面S元素的價態隨深度的變化譜,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.

          所示為在基礎脂潤滑下的滲硫盤和在含FeS微粒脂潤滑下基礎盤的磨損表面元素隨濺射時間變化的AES分析譜圖??梢钥闯?,在含FeS微粒脂潤滑下基礎盤的磨損表面的S元素含量隨著濺射時間逐漸減少,當濺射時間超過5min時,其表面的S元素含量幾乎消失。與之相比,基礎脂潤滑下的滲硫盤的磨損表面的S含量始終保持在1個較高的水平。

          2種盤磨損表面的O元素變化趨勢與S元素類似。

          FeS是1種典型的固體潤滑材料,呈密排六方結構,具有類似石墨的層狀結構,受力時易沿{0001}滑移面產生滑移,具有低剪切強度和高熔點(1100),硬度為HV50100.將FeS粉末作為添加劑加入到基礎脂中,可以起到分擔載荷的作用,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表面,避免受到嚴重的破壞。當FeS添加微粒在磨損過程中破碎解體時,其分解出來的S2-可以在摩擦熱的作用下與基體反應繼續生成FeS,從而延長FeS固體潤滑的作用。

          通過低溫離子滲硫技術所制取的表面滲硫層具有良好的減摩抗磨作用,是通過含FeS的改性層來實現的,但是其作用機理與使用FeS粉末有所不同。

          通過化學熱處理形成的滲硫層與基體是冶金結合,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的結合力,可以更好地抵抗磨損。所以基礎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。因此在較低的轉速與載荷下,滲硫盤磨損表面的含氧量也較高,并體現出較好的摩擦磨損性能。此外,滲硫層在較高的摩擦溫度下會產生分解,分解出來的S元素可與基體產生反應補充所形成的FeS邊界潤滑膜從而延長固體潤滑的作用,但是滲硫層在磨損過程對于表面S元素的補充作用比FeS潤滑脂添加劑弱。當載荷不是很高的情況下,表面的潤滑脂可支撐較長的時間,FeS微粒在表面的吸附速度會隨著轉速的增加而加快,所以含FeS微粒脂潤滑下的基礎盤的抗磨性能在轉速超過1200r/min時更好。隨著載荷的進一步增加,滲硫盤表面的滲硫層會迅速被破壞,而這種破壞屬于不可修復性的。但是只要接觸表面之間存在潤滑脂,潤滑脂中的FeS微粒的吸附保護作用就會繼續,所以含FeS微粒脂潤滑下的基礎盤的抗磨性能在較高載荷下要好于基礎脂潤滑下的滲硫盤。

          3結論a.在脂潤滑條件下,在材料表面制取滲硫層和使用FeS粉末均可有效地提升軸承鋼材料的減摩抗磨性能。

          b.當FeS微粒作為添加劑加入到基礎脂中,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。表面滲硫層可與基體之間形成冶金結合,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。滲硫層在較低的轉速載荷下體現出較好的摩擦磨損性能。滲硫層在磨損過程對于表面S元素的補充作用比FeS潤滑脂添加劑弱,在較高轉速載荷下滲硫層的抗磨性能不如使用含FeS微粒的潤滑脂。

          c.FeS材料在摩擦過程中會產生分解,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生反應形成的FeS邊界潤滑薄膜,從而延長固體潤滑的作用。


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