（机械工程专业论文）纳米添加剂对gcr1545钢摩擦副磨损自修复性能影响研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 虽然润滑材料与润滑技术在不断更新，可是如何在更为苛刻的条件下让机械设备 持久稳定的工作，提高机械效率与交通车辆的安全性能，减少维护、修理与停工损耗， 节约能源与减少材料损耗等重大问题依旧没有从根本上得到解决。自从纳米材料在二 十世纪八十年代火热发展并取得了一些重大的应用成果，纳米材料开始被应用到磨损 自修复材料中。纳米态的材料由于其特殊的性能在润滑及磨损自修复方面取得了非常 好的效果。 论文以g c r l 5 # 4 5 钢为摩擦副，l c k c 2 2 0 齿轮油作为基础油系，采用纳米铜合 金、纳米氮化硅、纳米碳化钛、纳米氮化铝和纳米碳化硅作为自修复添加剂，在p l i n t d e l t a l a b n e n e 7 卧式电液伺服微动磨损试验机进行摩擦磨损试验，对比研究了五种 纳米添加剂的减摩、抗磨和磨损自修复性能。 论文通过研究得到以下几个结论： ( 1 ) 对比基础油系下的摩擦系数曲线，五种纳米添加剂使油溶液分散系的摩擦 性能发生了明显改变，前期的磨合阶段因不同的材料而有所不同，后期的稳定阶段摩 擦系数呈下降趋势。 ( 2 ) 对比基础油系下的磨斑形貌，除纳米碳化硅分散系下的磨斑略显严重之外， 其余四种添加剂下的分散系均使得磨斑的磨损程度减轻，并且油溶性纳米铜合金和纳 米氮化铝分散系下的磨斑甚至出现了磨损负增长，其减摩、抗磨性能比较为：油溶性 纳米铜合金 纳米氮化铝 纳米氮化硅 纳米碳化钛 纳米碳化硅 基础油系。 ( 3 ) 磨斑e d x 分析图中明显发现四种添加剂材料所含有的元素，通过比较磨斑 形貌，认为纳米氮化铝和油溶性纳米铜合金具有非常好的自修复性能，通过比较自修 复性能效果如下：纳米氮化铝 油溶性纳米铜合金 纳米氮化硅 纳米碳化钛 纳 米碳化硅。 ( 4 ) 五种纳米添加剂的总体减摩、抗磨及自修复性能为：油溶性纳米铜合金 纳米氮化铝 纳米氮化硅 纳米碳化钛 纳米碳化硅 基础油系。 关键词：纳米添加剂；摩擦磨损：磨损自修复；润滑 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t n o w a d a y s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，t h et e c h n o l o g i c a l l e v e lo fi n d u s t r i a lm a n u f a c t u r i n ga n dp r o c e s s i n gi n d u s t r yh a sb e e ni m p r o v e d h o w e v e r , c o m p a r e dt ot h eo v e r a l li m p r o v e m e n ti ni n d u s t r i a ls e c t o r ，t h es e r i o i l sd a m a g ed u et o m e c h a n i c a lf r i c t i o na n dw e a rh a sr e s t r i c t e dt h eo v e r a l ll e v e la n dr e q u i r e m e n to fe c o n o m i c d e v e l o p m e n t m a n yv i t a lp r o b l e m sh a v en o tb e e nf u n d a m e n t a l l ys o l v e d s u c ha sh o w t o k e e pt h em a c h i n e r ya n de q u i p m e n tw o r k i n gf o re n d u r i n ga n d s t a b l eu n d e rm o r ed e m a n d i n g c o n d i t i o n s h o wt oi m p r o v et h em e c h a n i c a le f f i c i e n c ya n dt r a f f i cs a f e t yp e r f o r m a n c eo f v e h i c l e s t or e d u c em a i n t e n a n c e r e p a i ra n dd o w n t i m el o s s e s t os a v ee n e r g ya n dr e d u c e m a t e r i a l l o s s a l t h o u g ht h el u b r i c a t i n gm a t e r i a l sa n dl u b r i c a t i o nt e c h n o l o g yi sc o n t i n u a l l y u p d a t e d a n dn a n om a t e r i a l sh a v eb e e na p p l i e dt ow e a rs e l f - h e a l i n gm a t e r i a l ss i n c ee i g h t i e s o ft h et w e n t i e t hc e n t u r y , b e c a u s eo fi t se x c e p t i o n a lp e r f o r m a n c ei nt h ei u b r i c a t i o na n dw e a r o fs e l f - h e a l i n g t h ef r i c t i o na n dw e a re x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u tu s i n gap l i n td e l t a l a b n e n e 7 h o r i z o n t a l e l e c t r o h y d r a u l i ct e s t e r t h em e d i u md u t y i n d u s t r i a lc l o s e dg e a r o i l s l c k c 2 2 0w a su s e dt ol u b r i c a n to i l t h en a n o c o p p e ra l l o y ( d n c u 11 n a n o s i l i c o n n i t r i d e n a n o t i t a n i u mc a r b i d e n a n o a l u m i n u mn i t r i d ea n dn a n o s i l i c o nc a r b i d ew e r eu s e d t os e l f - r e p a i r i n ga d d i t i v e s t h es e l f - r e p a i r i n gp e r f o r m a n c eo fd i f f e r e n ta d d i t i v e sw e r eb e e n i n v e s t i g a t e di nd e t a i l t h em a i nc o n c l u s i o n sa r er e a c h e da sf o l l o w ( 1 ) c o m p a r e dw i t ht h ef r i c t i o nt o e f f i c i e n t c u r v eu n d e rt h eb a s eo i l t h ef r i c t i o n b e h a v i o ro fd i s p e r s e do i ls o l u t i o nh a v ec h a n g e dw h e na d d i n gn a n om a t e r i a l s a te a r l y b r e a k i n g i ns t a g e ，t h ec h a n g ei s d u et od i f f e r e n tm a t e r i a l s f u r t h e r m o r e t h ef r i c t i o n c o e f f i c i e n td r o p sa tl a t e rs t a b l es t a g e ( 2 ) c o m p a r et h eg r i n d i n gs p o tm o r p h o l o g yu n d e rt h eb a s eo i l o n l yn a n o - s i l i c o n c a r b i d ed i s p e r s i o nh a das e r i o u sg r i n d i n gs p o t t h ed e g r e eo fw e a ro fo t h e ra d d i t i v e sw e r e r e l i e v e d t h eg r i n d i n gs p o t su n d e ro i ls o l u b l en a n o - c o p p e ra l l o ya n dn a n o - a l u m i n u m n i t r i d ed i s p e r s i o n se v e nd i s a p p e a r e dw e a rn e g a t i v eg r o w t h t h e nw eg o tt h ec o m p a r i s o no f a t t r i t i o na n da n t i w e a rf u n c t i o n ：o i ls o l u b l en a n o c o p p e ra l l o y l l a n o - a l u m i n u mn i t r i d e n a n o s i l i c o nn i t r i d e n a n o t i t a n i u mc a r b i d e b a s eo i l n a n o s i l i c o nc a r b i d e ( 3 ) t h r o u g ha n a l y s i st h ee d xs p e c t r u mu n d e rt h ef i v ed i s p e r s i o n s ，w ec a ng e tt h e e l e m e n t so ff o u ra d d i t i v em a t e r i a l si nt h ee d xs p e c t r u ma p p a r e n t l y b yc o m p a r i n gt h e g r i n d i n gs p o ta n dc o n f i r m i n gt h a tn a n o - a l u m i n u mn i t r i d ea n do i ls o l u b l el l a n o c o p p e ra l l o y h a v e g o o ds e l f - h e a l i n gp r o p e r t i e s ，w ec a no b t a i n t h e c o m p a r i s o no fs e l f - h e a l i n g ： n a n o a l u m i n u mn i t r i d e o i l s o l u b l en a n o c o p p e ra l l o y n a n o s i l i c o nn i t r i d e n a n o t i t a n i u mc a r b i d e n a n o s i l i c o nc a r b i d e ( 4 ) a c c o r d i n gt oa b o v e ，w eg o tt h eo v e r a l la t t r i t i o n ，a n t i - w e a ra n ds e l f - h e a l i n g f u n c t i o no f 也ef i v en a n o a d d i t i v e s ：o i ls o l u b l el l a n o c o p p e ra l l o y n a n o ：a l u m i n u mn i t r i d e n a n o s i l i c o nn i t r i d e n a n o - t i t a n i u mc a r b i d e b a s eo i l n a n o s i l i c o nc a r b i d e k e y w o r d ：n a n o - a d d i t i v e ；f r i c t i o na n dw e a r ；w e a rs e l f - r e p a i r i n g ；l u b r i c a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 摩擦与磨损 1 1 1 摩擦 第1 章绪论 在外力作用下，一个物体相对于另一物体运动或有运动趋势时，两物体的接触面 间产生阻碍物体运动的切向阻力称为摩擦力。这种在两物体接触区产生阻碍运动井消 耗能量的现象，称为摩擦。1 9 6 6 年，国际上首次使用摩擦学这一术语，并且从1 9 8 5 年开始，在全世界范围内，用这一术语描述这一领域的活动【l 2 】。然而，对摩擦现象 的科学描述，却可以追溯到1 6 世纪的文艺复兴时期( l e o n a r d od av i n c i ) ，之后的 a m o n t o n 3 和c o u l o m b 4 等又相继提出了摩擦学三条定律【5 1 。但是那时的研究工作始 终集中在个别方面，从而忽略了其中比较重要的一些过程。一般来讲，一个摩擦系统 ( t r i b o s y s t e m ) 由四个基本单元组成1 6 ：一个接触件、对应接触件( 材料接触副) 、上 述两者之间的界面和界面上的介质以及环境，见图1 1 。由于摩擦系统的复杂性，目 前国际上还没有对摩擦现象做出专业并且统一的解释，但是在摩擦过程中的磨损和能 量损失始终是一个重要的问题。 相互作用参数：接 图1 1h c z i c h o s 的摩擦系统结构 按照不同的分类方式，摩擦可以分成很多类不同的摩擦。按照摩擦副的运动形式 可以分为滑动摩擦、滚动摩擦和自旋摩擦；按照摩擦副的运动状态可以分为静摩擦和 动摩擦；按照摩擦副的表面润滑状况可以分为干摩擦、边界摩擦、流体摩擦和混合摩 擦等等【7 ，8 】。 目前，国际上对于摩擦的发生机理，还没有统一的认识。不过经过专家学者多年 的研究，其中的一些理论正在逐步成熟，慢慢被大家认可，如分子一机械理论【9 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼量曼量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼鼍曼曼曼曼曼曼曼曼曼, ,i i i i i 一, 曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼皇量量曼曼曼皇曼曼曼! 曼曼曼曼 1 1 2 磨损及危害 磨损是指摩擦副的对偶表面相对运动时工作表面物质不断损失或产生残余变形 的现象【9 】。在通常意义上来讲，磨损就是指的零部件几何尺寸( 体积) 变小。 按照表面破坏机理特征l l ，磨损可以分为粘着磨损、磨料磨损、表面疲劳磨损、 微动磨损等i l l j 和腐蚀磨损。前三种是摩擦磨损的基本形势，后两种只有在一定条件下， 才会伴随前三种的摩擦磨损发生【1 2 a 3 。 磨损是材料和设备破坏和失效的三种主要形式之一f 1 4 】。一般地，机械零件的表面 磨损后，通常会降低设备精度，使得机械需要维护和修理，导致生产率降低与材料消 耗，因此停工而损失一定的经济效益。所以人们对关于磨损的问题非常重视，并不断 的对摩擦磨损现象进行研究与分析，找出影响磨损机理与磨损的因素，从而寻找增强 使用寿命与零件耐磨性以及控制并减少磨损的相关措施，减少维护、修理与制造费用。 各类机器在工作时，各零件相对运动的接触部分都存在着摩擦，于是摩擦磨损成 为了机器运转过程中不可避免的物理现象。摩擦不仅会损耗材料，而且磨损使机械运 转消耗更大的能量，甚至导致机械零件的失效。据统计，世界上有1 3 m l 2 的能 源消耗在摩擦上，而各种机械零件因磨损失效的也占全部失效零件的一半以上。据相 关资料表明，“2 0 0 6 年全国因设备润滑不良和摩擦磨损所导致的能源、材料与设备损 失达9 5 0 0 亿元。如果正确运用摩擦与润滑技术知识，可以节省的人民币估计可达3 2 7 0 亿元，占g d p 的1 5 5 。” 1 5 1 6 1 1 2 润滑技术与润滑剂 1 2 1 润滑 磨损是摩擦的结果，润滑则是减少摩擦和磨损的有力措施，这三者是相互联系不 可分割的。所谓润滑，就是指用润滑介质减少摩擦副接触面之间的摩擦和磨损和其他 表面损坏的措施。润滑学是摩擦学研究中非常重要的内容，主要是通过改善摩擦副之 间的摩擦状态来降低摩擦力，并减缓摩擦磨损的相关技术措施。 润滑的基本目的是通过在机械设备的摩擦磨损接触面之间加入特定的润滑剂以 减少摩擦阻力、减少能源消耗和减缓表面磨损，确保机械设备正常运转，并延长机械 的使用寿命。润滑的作用主要有以下几个方面1 1 7 】：降低摩擦、减少磨损、冷却作用【1 8 】、 防止腐蚀。此外，某些特定的润滑剂还可以将机械设备的冲击振动转变成液压能，起 缓冲、阻尼和减震作用。在润滑过程中通过润滑剂流动，还可以将摩擦表面的磨屑、 污染物等冲洗并带走。有的润滑剂还可以起到密封作用 1 9 2 0 ，防止灰尘、冷凝水等其 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 他的杂质进入。 机械摩擦副表面间的润滑状态和类型，可以根据摩擦副接触面间形成润滑膜的特 征与机理1 2 1 j 分为如下几种： ( 1 ) 流体动压润滑：通过依靠摩擦副之间的滑动表面形状，在相对滑动时形成 具有一定压力的流体效应膜，将两摩擦面分离开的 ( 2 ) 流体静压润滑：也叫做外供压润滑，就是通过外部流体的压力源，将具有 足够压力的润滑油输入到支承油腔内，形成有一定静压力的流体润滑膜来支撑载荷， 并将摩擦表面分离开的一种润滑状态。 ( 3 ) 弹性流体动压润滑：主要应用在凸轮、滚动轴承、齿轮等高负荷的运动副 润滑中，理论比对复杂，概括来讲，弹性流体动压润滑就是两个相对运动表面间弹性 变形与润滑剂的压黏、温黏效应对其摩擦与油膜起着重要作用的润滑状态。 ( 4 ) 边界润滑：当摩擦副接触面非常靠近，两表面间的微凸体接触较多时，润 滑剂形成的膜的流体动压和黏度对降低摩擦所起的作用比较小，甚至不起作用，因此 摩擦系数急剧升高，此时的润滑状态即为边界润滑。 在实际的工程应用中，随着工况参数的改变，可能导致润滑状态的转化，润滑膜 的结构特征发生变化，摩擦系数也随之发生改变，处理问题的方法也有所不同【勿。判 断这几种润滑状态，通常可以根据所形成的润滑膜的厚度与表面粗糙度综合值借助斯 特里贝克( s t r i b e c k ) 摩擦曲线1 2 3 j 进行对比，正确的判断其润滑状态，合理的选择解 决方式。 1 2 2 润滑剂 润滑就是在通过摩擦副接触面之间填充润滑剂，使之生成润滑膜，把干摩擦变为 润滑剂的分子内摩擦，以降低磨损、减少摩擦，并延长机械设备的使用寿命【2 4 1 。因 此，对润滑剂的正确使用并发挥其的功效对于持久正常的运转机械设备非常重要。按 照润滑剂的物理状态，可分为固体润滑剂、半固体润滑剂、液体润滑剂和其他特别润 滑剂四大类。其主要性能特点和适用范围见图1 2 。 虽然润滑剂的类型较多，但是基本功能可以归纳为以下五点：冷却降温、减少磨 损、控制摩擦、阻尼振动和密封隔离。针对这五点基本功能，润滑剂一般应该具有以 下基本性能【1 3 】： ( 1 ) 摩擦性能：尽可能要求润滑剂具有小的摩擦系数，以保证机械设备运行的 平稳而敏捷，并减少能耗。 ( 2 ) 适宜的黏度：黏度是液体润滑剂最重要的性能之一，选择润滑剂时应该首 先考虑其黏度是否合适。高黏度容易形成动压油膜，油膜较厚，可以支承较大载荷， 防止或减缓摩擦磨损，但是内摩擦也较高，使摩擦热增大，升高摩擦面的温度，并且 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 皇曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量量曼曼置量曼量曼舅曼曩量曼曼曼曼曼曼曼量曼曼皇曼皇曼鲁曼量曼曼皇曼i i 曼曼曼曼曼曼量皇曼皇曼曼曼曼曼笪曼曼曼曼量曼舅量曼曼蔓曼曼曼曼曼曼 高黏度的液体润滑剂在低温下不容易流动，不利于低温启动；低黏度的润滑剂机械运 行敏捷，摩擦阻力小，温升低，能耗低，但是产生的油膜太薄，承载负荷的能力小， 容易产生渗漏流失，并且容易造成磨损，在渗入到疲劳裂纹中之后会加速设备的疲劳 扩展，从而加速疲劳磨损，降低零件的使用寿命。 厂融漓潜剂 氮化硅 氮化铝。 2 4 试验环境及试验参数 2 4 1 试验中的受力分析 试验过程中的受力分析简图如下图所示。力学分析采用赫兹理论( h e r t z ) 计算弹 性接触应力和变形。在利用赫兹理论的时候，要首先满足一下条件( 基本假设) ： ( 1 ) 变形属于弹性变形的范围，应力和应变符合胡克定律； ( 2 ) 两个接触物体的接触面尺寸与接触点的曲率半径相比非常小； ( 3 ) 接触体之间的压力垂直作用于接触面，并不考虑接触面上的摩擦力，且接 触体间无润滑剂，不考虑流动性效应； ( 4 ) 表面光滑，没有微观不平。 图2 7 试验中的受力分析 赫兹理论的基本推导原理为，根据几何原理，原为点接触的物体，在受力变形后， 接触面变为椭圆形( 特殊情况下为圆形) ；因为材料是线性弹性的，所以在接触面中心 处压应力为最大；由接触面压应力的变化规律求得的合应力等于所有的外载荷。本试 验中的球面接触的力学分析在计算中进行了简化和假设，粗略的估算了它的静态受 力情况。在本试验中，经典赫兹理论具有一定的局限性，将会产生一定的误差，但是 误差非常小，可以忽略不计。 2 4 2 试验参数的设定 在参考了大量文献资料之后，可以得出摩擦系数在随着速度( 频率) 的提高( 一 定范围内) 而减小，随着载荷的提高( 一定范围内) 而增大。结合本次微动试验的自 修复特点，选用以下试验参数：振幅0 1i t u t i ：时间1 0 0 0 0 次；载荷9 0 n ：频率2 h z 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 在选用以上试验参数的同时，使用不同的润滑剂( 纳米添加剂分散系) 来观察试 验结果，进行摩擦系数和磨斑的对比分析，从而得出不同纳米添加剂对摩擦行为的影 响；之后将试样清洗