不同工況條件下納米添加劑抗磨減摩性能分析?

左維琦，袁 吉，黑 棣

（陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000）

0 引言

微動(dòng)摩擦試驗(yàn)中法向載荷、頻率的變化對(duì)材料摩擦性能的變化有較大的影響［1－2］，納米添加劑［3］以其良好的摩擦性能在現(xiàn)代工業(yè)中得到較為廣泛的應(yīng)用。為了更好地利用納米氧化鋁添加劑，需要探索納米添加劑最適合的工作條件，本文對(duì)此進(jìn)行了試驗(yàn)分析。

1 試驗(yàn)條件

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)用油為中負(fù)荷工業(yè)閉式齒輪油L－CKC220［4］。試驗(yàn)中為了使納米氧化鋁添加劑更好地與基礎(chǔ)油相混合，采用聚乙二醇（PEG）作為分散劑。本試驗(yàn)中，選用GCr15滾珠軸承鋼作為球體試驗(yàn)材料，其具體參數(shù)為：直徑為Φ40mm，表面粗糙度為0.02μm；平面材料選用45鋼，其尺寸為35mm×10 mm×10mm，經(jīng)砂紙打磨后，利用拋光機(jī)拋光至粗糙度約為0.03μm～0.04μm。

1.2 試驗(yàn)儀器

本試驗(yàn)均在PLINT Deltalab－NENE－7臥式電液伺服微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)［5］上進(jìn)行，主要使用光學(xué)顯微鏡和帶能譜分析儀的分析掃描電鏡（EDX）對(duì)磨斑進(jìn)行觀測(cè)，使用JB－5C粗糙度輪廓儀對(duì)表面輪廓進(jìn)行測(cè)量。

1.3 試驗(yàn)參數(shù)

振幅為0.1mm；頻率為1Hz、2Hz和5Hz；循環(huán)次數(shù)為10 000次；法向載荷為100N和200N。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 頻率對(duì)摩擦磨損性能的影響

圖1為在振幅0.1mm，法向載荷為100N，添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，工作頻率分別為1Hz、2Hz和5 Hz時(shí)的摩擦因數(shù)對(duì)比圖。由圖1可以看出：摩擦因數(shù)均經(jīng)歷跑合期、上升期、穩(wěn)定期3個(gè)階段；2Hz工作條件下，跑合期與上升期時(shí)間最長(zhǎng)，但3個(gè)頻率下工作到1 000次后摩擦因數(shù)都趨于穩(wěn)定；最終1Hz、2Hz和5 Hz工作條件下摩擦因數(shù)分別穩(wěn)定在0.18，0.17和0.15左右，可知在其他條件保持一致的條件下，隨著頻率的增加，摩擦因數(shù)減小。

圖1 不同頻率工況下摩擦因數(shù)對(duì)比圖

圖2為在振幅0.1mm，法向載荷為100N，添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，工作頻率分別為1Hz、2Hz和5 Hz時(shí)的摩斑輪廓對(duì)比圖。由圖2可以看出：當(dāng)頻率為1Hz時(shí)，磨斑寬度方向由－300μm延伸至400μm，總共達(dá)700μm左右，最大磨痕深度為15μm；當(dāng)頻率為2Hz時(shí)，磨斑深度處達(dá)到14μm，但磨斑寬度有較大變化，磨損嚴(yán)重區(qū)域僅從－100μm延伸至200μm，較1Hz時(shí)有顯著減??；頻率為5Hz工作條件下，磨斑寬度相對(duì)較大，磨斑整體較淺，最深處的磨斑也僅為10μm，但分布寬度較廣。整個(gè)磨損體積由大及小依次是1Hz、2Hz、5Hz工作條件，頻率增大的同時(shí)，磨斑體積在變小，磨損情況減弱，抗磨性能增強(qiáng)。

圖3、圖4和圖5分別為不同頻率工作條件下磨斑的掃描電鏡圖，磨斑分為粘著區(qū)和滑移區(qū)。由圖3（c）圖可以看出：1Hz工作條件下磨斑粘著區(qū)不僅出現(xiàn)磨坑，還出現(xiàn)大量的片狀剝離。由圖3（d）圖可以看出：磨痕滑移區(qū)塑性變形明顯，整體磨損嚴(yán)重。由圖4（c）可以看出，其中心部位出現(xiàn)片狀剝離，還出現(xiàn)了一些小小的點(diǎn)蝕，磨斑邊緣區(qū)域不太光滑，邊緣有一定的撕扯，在加載過程中造成了嚴(yán)重的塑性變形。由圖5可以看出，整個(gè)磨損情況較弱，磨痕中心只出現(xiàn)輕微的塊狀剝落，磨斑邊緣有一定的塑性變形。對(duì)3組圖進(jìn)行分析可知，隨著頻率的增大，磨斑的磨損情況減弱。

2.2 法向載荷對(duì)摩擦磨損性能的影響

圖6為不同法向載荷工況下摩擦因數(shù)對(duì)比圖。通過圖6可知，法向載荷變化對(duì)材料的摩擦磨損情況影響較大。在200N法向載荷工作條件下，跑和期、上升期、穩(wěn)定期3個(gè)階段的摩擦因數(shù)均大于100N工作條件下的值。100N工作條件下，經(jīng)過短暫的跑合期摩擦因數(shù)上升至峰值0.4左右，而后快速下降穩(wěn)定在0.17左右。200N法向載荷下，跑和期內(nèi)摩擦因數(shù)迅速增加，上升期時(shí)間也較短，摩擦因數(shù)迅速增加至峰值0.44，而后迅速下降，趨向于穩(wěn)定，最終穩(wěn)定在0.2左右，因此推斷隨著法向載荷的增加，試件表面更容易被破壞，摩擦力顯著增大。對(duì)比不同法向載荷下的摩擦因數(shù)曲線，可知隨著法向載荷的增加，摩擦因數(shù)變大。

圖2 不同頻率工況下磨斑輪廓對(duì)比圖

圖4 2Hz工作條件下磨斑掃描電鏡圖

圖5 5Hz工作條件下磨斑掃描電鏡圖

圖6 不同法向載荷工況下摩擦因數(shù)對(duì)比圖

圖7為不同法向載荷工況下磨斑輪廓對(duì)比。由圖7可知：200N法向載荷下整個(gè)磨斑寬度由－400μm延伸至400μm，寬度約為800μm，最深處磨斑為11 μm；100N工作條件下，整個(gè)磨斑由－300μm延伸至300μm，寬度約為600μm，但磨痕最深處深度反而增加為14μm。由磨斑輪廓圖分析可知，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，法向載荷的增加會(huì)導(dǎo)致磨斑體積變大，但整體磨損情況會(huì)減弱。

圖7 不同法向載荷工況下磨斑輪廓對(duì)比圖

圖8為200N工作條件下磨斑掃描電鏡圖。由圖8可知，在200N工作條件下，磨痕粘著區(qū)域僅存在一些點(diǎn)蝕，無裂紋及塊狀剝落，分析其原因是納米氧化鋁在重載作用下作為添加劑進(jìn)行了自修復(fù)反應(yīng)，自修復(fù)膜出現(xiàn)，減弱了磨損。磨斑邊緣滑移區(qū)仍有較嚴(yán)重的塑性變形，但相對(duì)100N工況下，整體磨損減弱。

3 試驗(yàn)結(jié)論

研究了納米添加劑潤(rùn)滑條件下，頻率、法向載荷和添加劑濃度對(duì)摩擦學(xué)性能的影響。結(jié)果顯示在試驗(yàn)范圍內(nèi)，頻率的增加會(huì)導(dǎo)致摩擦因數(shù)減小，磨斑體積也隨之減小，磨損減弱；法向載荷的增加會(huì)導(dǎo)致摩擦因數(shù)增大，但隨著自修復(fù)反應(yīng)的發(fā)生，磨斑體積隨之變小，磨損減弱。

圖8 200N工作條件下磨斑掃描電鏡圖

［1］高玉周，張會(huì)臣，王亮，等.自修復(fù)材料在鋼球磨損表面成膜的機(jī)理分析［J］.大連海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，31（3）：62－65.

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