（机械设计及理论专业论文）磨床主轴颈陶瓷涂层摩擦磨损机理研究.pdf

摘要 本文以磨床主轴颈轴瓦的应用为基本出发点，利用等离子喷涂工艺，着重以t i 0 2 涂 层为研究对象，以锡青铜和g c r l 5 钢为对摩材料，对涂层塌青铜、涂层g c r l 5 、2 0 c r ( 未 喷涂主轴) 锡青铜摩擦副在不同工况下的摩擦磨损性能进行了一系列系统、细致的研究。 利用维氏显微硬度计、万能试验机等工具，对涂层的显微硬度、厚度、结合强度、 表观气孔率等作了研究；利用扫描电镜和能谱仪等现代分析工具，对磨损前后涂层的微 观形貌和表面成份进行了分析、测定。 研究结果表明：( 1 ) 喷有涂层的主轴能有效的提高主轴的使用寿命，大大降低了主轴 的磨损率。( 2 ) 涂层锡青铜摩擦副特别适用于高载高速。( 3 ) 采用抗磨液压油，在低载情 况下能有效降低涂层和锡青铜的磨损率。( 4 ) 采用涂层g c r l 5 钢能有效的降低对磨材料的 磨损率。但是这在大多数情况下也造成了涂层磨损率的上升。 对涂层锡青铜摩擦副的摩擦磨损机理进行了重点研究，并且创建了接触模型、碰撞 模型、摩擦系数模型、磨损率模型这种系统分析其摩擦磨损特性的模型。该模型能够很 好的解释试验现象。在分析摩擦磨损机理的过程中，认为可以把真实接触表面分成转移 膜氧化膜、涂层氧化膜、涂层锡青铜三部分的共同作用，起支配作用的部分由涂层表 面的瞬时温度来确定。在模型中，引入了新鲜暴露涂层或金属表面率町、实际接触两表面 的剪切力f 和与载荷、温度有密切关系的参数f 等。 关键词等离子喷涂；t i 0 2 涂层；摩擦磨损机理；摩擦磨损模型 垩塑查兰三兰堡圭主竺丝苎 a b s t r a c t b a s eo nt h ea p p l i c a t i o no ft h es p i n d l ea n db u s h ，u s i n gp l a s m a - s p r a y i n gt e c h n o l o g y , t h e f r i c t i o n a la n dw e a rp r o p e r t i e so f t i 0 2 c o a t i n g t i nb r o n z e 、t i 0 2 c o a t i n g g c r l 5s t e e la n d2 0 c r s t e e llt i nb r o n z ew e r ei n v e s t i g a t e ds y s t e m i c a l l y t h em i c r oh a r d n e s s 、t h i c k n e s s 、b o n d i n gs t r e n g t ha n da p p a r e n tp o r o s i t yo fc o a t i n gw a s m e a s u r e d t h et o p o g r a p h yo f t h ew e a l c o a t i n gi si n v e s t i g a t e db ys e m a n dt h ee d a xi su s e dt o a n a l y z et h es t r u c t u r eo f t h em i c r o - c o n t a c ta r e a 矾c rt h ew e a re x p e r i l i i e m t h er e s u l t ss h o wt h a ts p i n d l e s , w h i c hw e r ec o v e r e db yt i 0 2c o a t i n g ，h a v et h el o n g e rl i f e ， t h el o w e rw e a rv e l o c i t ya n dt h eb e t t e rp r o p e r t i e s t i 0 2c o a t i n g t i nb r o n z ec a l lb eu s e du n d e rt h e h i g hp r e s sa n dh i g hv e l o c i t yc o n d i t i o n a n t i w e a rh y d r a u l i c o i lh a sa no b v i o u se f f e c to nr e d u c i n g t h ew e a rv e l o c i t yo f t i 0 2c o a t i n ga n dt i nb r o n z e i ti su s e f u lo f g c r l 5s t e e lt or e d u c et h ew e a r v e l o c i t ya st h eb u s hm a t e r i a l t h ep a p e rp r e s e n t e dam o d e lt oe x p l a i nt h ea b o v ef r i c t i o n a la n dw e a rm e c h a n i s m t h e m o d e li n c l u d i n gc o n t a c t , c o l l i s i o n ，f r i c t i o na n dw e a rc a ne x p l a i nt h ee x p e r i m e n t a ld a t aw e l l t h r e ec a t e g o r i e so fc o n t a c to nr u b b i n gs u r f a c e sa r ed i s t i n g u i s h e d ：t r a n s 南rf i l m o x i d ef i l m 、 c o a t i n g o x i d ef i l m 、c o a t i n g t i nb r o n z e e a c hc a t e g o r yo fc o n t a c t i so fap r o b a b i l i t y d i s t r i b u t i o no nt h er e a lc o n t a c ta r e ad u et oi t sr a n d o m n e s s i nt h em o d e l , s o m ep a r a m e t e r sa r e i n t r o d u c e di n , s u c ha s 町，w h i c hi st h en a s c e n t l ye x p o s e dm e t a l l i co rc o a t i n gs u r f a c ep r o b a b i l i t y ； f ，w l l j c hi ss h e a r i n gs t r e n g t hb e t w e e nt h ec o n t a c ts u r f a c e s ；a n df ，w h i c hh a st h er e l a t i o nw i t h t h et e m p e r a t u r ea n dt h ep r e s s k e y w o r d s ：p l a s m as p r a y i n g ；t i 0 2c o a t i n g ；f r i c t i o n a la n dw e a rm e c h a n i s m ；f r i c t i o n a la n d w e a l m o d e l ； 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 本人为获得江南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：缈 尹7 仪 吼寸乡月咖 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：导师签名： 日期：矽 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 摩擦学包含摩擦、磨损和润滑等领域。摩擦导致大量机械能损耗，而磨损则是机械 零件失效的一个重要原因n ， 磨损是由摩擦引起的、在日常生活和国民经济的各个领域中普遍存在的现象，像冶 金矿山、建材工业、电力工业、机械工业、农业机械、国防工业以及航天、航空等等， 处处存在摩擦，处处都有磨损嘲。 提高机器的可靠性和寿命是现在机器制造业的首要问题之一，其经济意义已很清 楚。导致机器失效的主要原因，不是机器的损坏，而是动联接和机件在摩擦力作用下的 磨损。工程师在设计新机器时，必定会对最重要的零件进行强度计算，然而几乎没有对 任何动联接进行耐磨校核。在设计和使用机器时，不一定会考虑具体工作条件而采用最 有效的方法来减轻磨损。因此，一些工业发达的国家要花费大量的材料来修理机器。修 理动联接时，要使机器停车，这样就造成了很大的损失，在很多工业部门中，每五个工 人中间就有一个修理工。为了修理，需要占用很大的场地来安放金属加工机床。要想应 用固体强度学的传统方法来解决摩擦磨损问题，看来是无效的 3 1 。 表面工程是经表面预处理后，通过表面涂敷，表面改性或多种表面技术复合处理， 改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力状态，以获得所需 要表面性能的系统工程。各种表面技术是表面工程的技术基础【4 】。近几十年来，表面技术 作为改善材料表面性能的方法，受到人们的日益关注。摩擦磨损属于表面行为，因此改 善表面技术无疑是改善材料摩擦磨损性能的有效手段。从材料表面来提高耐磨性：一是 研究具有良好机械特性的表面改性材料及工艺手段；二是具有非金属性质摩擦面的摩擦 磨损性能及其应用研究1 5 】。常用的表面技术有：堆焊技术，熔结技术，电镀、电刷镀及化 学镀技术，热喷涂技术( 火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂、高能超声速喷涂 等) ，涂装技术，物理与化学气相沉积技术( 真空蒸镀、离子溅射、离子镀等) ，以及化学 热处理、激光相变应化、激光非晶化、激光合金化、电子束相变硬化、离子注入等1 4 1 。 1 2 课题的研究背景及意义 磨床主轴颈与轴瓦之间的摩擦磨损问题一直困扰着磨床的生产制造企业，因为摩擦 磨损速率过快会导致主轴和轴瓦的磨损超限，从而造成磨床切削效率和加工精度的下 降，如果无法再进行调整时，就需要成套更换，导致较高的维修费用和耗费大量的工 i 江南大学工学硕士学位论文 时。一般情况下，1 年左右就需更换一次磨床的主轴。为此无锡开源集团在国内进行了公 开招标，我们通过对当前的表面处理工艺进行分析，提出了采用等离子喷涂工艺在主轴 颈上喷涂陶瓷以解决此项难题，得到了无锡市科技局和开源集团的认可，并受到了无锡 市科技局产学研基金的资助( d y 0 5 0 0 0 7 ) 。 在磨床主轴上喷涂陶瓷材料，既可以充分发挥陶瓷材料的高硬度、高耐磨性、较高 的化学稳定性和耐磨损抗腐蚀性能，又可以利用金属材料的高强度、高韧性等特点，从 而能够有效的提高设备的使用性能。 1 3 等离子喷涂技术 1 3 1 等离子喷涂的原理及特点 等离子喷涂是采用压缩电弧作为热源，工作气体常用n 2 或 - r ，再加入5 一1 0 的 h 2 ，工作气体进入电极腔的弧状区后，被压缩电弧加热离解形成等离子体，其中心温度 高达1 5 0 0 0 k 以上，同时经孔道高压压缩后呈高速等离子射流喷出。载有喷涂粉末的气体 进入等离子焰流，使粉末很快呈熔化或半熔化状态，；并高速喷打在零件表面产生塑性变 形，粘附在零件表面。各粉末之间也依靠塑性变形而相互钩接，从而获得结合良好的层 状致密涂层。等离子喷枪的结构图见图1 1 。 绝缘套 图1 1 等离子喷枪结构图 其中压缩电弧是由普通电弧经热压缩、机械压缩和自磁压缩而产生m 。 a 热压缩 由于受到水冷作用，喷嘴孔道内壁面温度很低。气体连续地流过孔道， 靠近壁面的气流受到冷却，形成很薄的冷气流层。由于这一冷气壁温度低，电离度低， - 2 - 第l 章绪论 几乎不能通过电流，迫使电弧电流向电离度高的中心部位流过，就使得电弧向中心部位 压缩。 b 机械压缩 在等离子弧弧柱周围的冷气壁，是依附在喷嘴孔道壁面上，因此喷嘴 孔径的大小就基本决定了环形冷气壁的直径，也就相应确定了等离子弧弧柱的粗细。这 是通过机械的几何尺寸对电弧进行强行压缩。显然，喷嘴孔径越小，孔道越长，对电弧 压缩越甚。 c 自磁压缩电弧电流有一定的流向，弧柱相当于一束电流方向相同的平行导体。 每根通电导体在其周围产生磁场，在磁场作用下每根导体受到的电磁力都是指向这一束 导体的中心。这就使电弧弧柱在自身磁场产生的电磁力的作用下，受到一个指向弧柱轴 心的压缩力，从而使电弧受到压缩。 与其它热喷涂方法相比，等离子喷涂具有以下特点： 1 1 、可喷涂的材料极为广泛。由于等离子喷涂时的焰流温度很高，其中心可高达 1 5 0 0 0 k 以上，理论上这样的高温几乎能熔化所有的高熔点和高硬度的材料，很适合陶瓷 和高熔点物质的喷涂，从而可喷涂更多种的材料，这是其它热喷涂技术难以实现的； 2 ) 、涂层致密，结合强度高。由于等离子弧能量十分集中，能使粉末获得较大的动 能，且粉末温度高，所以能获得致密度高，与基体结合性能良好的涂层； 3 1 、喷涂效率高。采用高能等离子喷涂设备，粉末沉积效率可达8 k g h ； 4 1 、对工件的热影响小。等离子喷涂不会引起基体材质的组织变化，基体部件不变 形，因此对一些高强度钢材以及薄壁零件、细长零件可以实施喷涂1 8 j ； 喷涂过程不会引起基体氧化，不影响基体原来的力学性能，可对精密工件进行喷涂1 9 】； 5 ) 、喷涂材料和基体可以自由选择和组合； 6 ) 、涂层厚度可以控制。误差可以控制在0 0 2 5 m m 范围之内1 0 l 。 7 ) 、工艺稳定，涂层质量高【1 0 】。 1 3 2 影响等离子涂层质量的主要工艺参数 等离子喷涂是一项比较复杂的技术，影响涂层质量的因素很多，是否选择较佳的工 艺参数是能否获得优质涂层的重要保证。 1 3 2 1 表面预处理i l l l 要使涂层和基体有良好的结合，基体表面的预处理是一个非常重要的影响因素，它 关系到制备出来的涂层的成败。其表面预处理的要求就是表面必须清洁，并要有一定的 粗糙度，因此，喷涂前基体一定要进行表面净化和粗化的加工处理。 江南大学工学硕士学位论文 ( 1 ) 净化处理净化处理的目的是除去工件表面的所有污垢，如氧化皮、油渍、油漆 及其他污物，关键是除去工件表面和渗入其中的油脂。 ( 2 ) 粗化处理粗化处理是在净化后的基体表面形成凹凸不平的粗糙表面，并控制其 粗糙度，使涂层与基体有更大的结合面，产生更多表面的“抛锚效应”点，并使涂层产 生压应力，减少涂层的宏观残余应力，使涂层与基体产生更强的结合。 1 3 2 2 送粉量与喷涂功率 送粉量与喷涂功率是两个相互联系且需经常变动的参数。在确定这两个工艺参数 时，必须保证两者的恰当匹配。送粉量一定，若喷涂功率过小，则粉末熔化不完全，涂 层中夹杂的未熔粉末多，粉末不能在基体表面充分铺展，并有较多的粉末弹跳损失，致 沉积效率低且与基体结合不牢。反之，若喷涂功率过大，虽然粉末熔化完全且可以充分 铺展，但粉末受氧化、烧损太多，使涂层中夹杂着太多的烟尘，同样会使沉积效率降 低，结合强度不高。一般说来，功率一定时应尽可能选用高电压、低电流以减轻喷嘴的 烧损和延长喷枪的使用寿命。但对于高熔点和粗颗粒粉末喷涂时，应选用较大电流以使 粉末充分加热熔化。 1 3 2 3 等离子气体的选择和流 等离子气体是用来产生等离子弧的工作气体，也称之为主气。气体选择原则主要是 可用性和经济性。可用性指不与工件和喷涂材料发生有害反应且能满足喷涂的基本要 求；经济性指在满足工作要求的条件下，应尽可能价格便宜在等离子喷涂中常用n 2 或 a r ( 混入5 i 0 的h 2 ) 作为等离子气体氮气来源广、价格低，但保护性能差。所以在喷 涂易氧化粉末时不宜使用。氢气具有很好的保护作用，但氢气弧火焰较短，更适合于小 件和薄件的喷涂。在主气中加入少量的价格较高的氢气以提高等离子弧的温度且可防止 熔粒受到氧化。 等离子气流量直接影响到等离子焰流的温度，热焓和流速。流量过大，等离子浓度 降低，且过量的气体冷却了等离子焰流，使热焓、温度下降，粉末熔化不完全、不均 匀，喷涂效率降低，气孔增加。反之，若气流量太小，等离子焰流能量小、弧长短、温 度下降，且容易烧坏喷嘴、阴极，沉积率下降。 1 3 2 4 喷涂角度 进行喷涂时，等离子焰流轴线与被喷涂工件表面切线之间的角度( 即喷涂角度) 不应小 于4 5 。，角度太大或太小均会产生“遮蔽效应”，导致涂层气孔率增大，涂层疏松。一般 喷涂角度为6 0 。9 0 。【”】。 1 3 2 5 喷枪与工件的相对移动速度1 1 3 l 第1 章绪论 在喷涂速率和沉积效率确定的条件下，喷枪和工件的相对移动速度决定了每变喷涂 的厚度。为了得到均匀的涂层组织，一般每遍喷涂厚度火焰喷涂控制在0 1 加5 m m ，等离 子喷涂控制在o 0 5 r a m 左右。喷枪移动太慢容易引起基体过热，要得到厚涂层应通过多次 喷涂来实现，喷枪和工件的相对移动速度一般控制在7 1 8 m m i n 。 1 3 3 等离子喷涂涂层性能检测及研究 涂层检测的性能一般包括：硬度、孔隙率、结合强度、弹性模量、残余应力和耐磨 损、耐腐蚀、耐高温、抗氧化、抗热冲击及电性能等。而涂层的硬度、孔隙率、残余应 力和结合强度对其它性能有着重要的影响，故较多的研究集中在此方面。根据j b 厂r7 7 0 3 - 9 5 的要求，用于耐磨的陶瓷涂层需要检验厚度、结合强度和硬度。 ( 1 ) 涂层外观的测定目检有效表面，应色调均匀，不允许有龟裂、疙瘩、结合力不 牢以及异物的附着或其它对使用上有害的缺陷。 ( 2 ) 厚度的测定 采用量具直接测量涂层的厚度，或用金相法测量涂层横断面的厚 度，或用无损测厚仪测量。按g b 6 4 6 7 或g b i1 3 7 4 的规定执行。厚度应满足协议要求。 ( 3 ) 涂层结合强度的测定【1 4 】涂层结合强度的大小是评定其质量的最重要的指标之 一。若结合强度达不到所需的要求，将产生严重的剥落和开裂现象，就谈不上工程应 用。 压痕法将喷涂后的试样在一定的载荷或不同的固定载荷作用下施压，当载荷足 够高时，会出现一个横向裂纹并沿着涂层一基体界面开裂扩展。横向裂纹的长度随压痕 载荷的增加而增加，可用裂纹的长度或有关参量来表示结合强度【l ”。 超声波测定法此法是一种无损检测法，但只能用来定性测定。它利用超声反射 波在涂层试样中的反射强度或传播速度来评价结合强度。反射强度或传播速度高则表明 结合强度较好。 ( 4 ) 涂层显微硬度的测定喷涂涂层的硬度，是涂层的一个重要的物理性能指标，它 对于喷涂层在抗摩擦磨损领域中的应用有重要意义。 喷涂陶瓷涂层，特别是氧化物类陶瓷涂层，由于陶瓷材料的化学键很强，其晶体的 硬度一般都比金属材料高得多。喷涂的陶瓷颗粒，其化学键并末发生变化，因此，喷涂 陶瓷涂层的硬度一般仍保持原用陶瓷材料的硬度。但由于陶瓷涂层含有一定的气孔，使 得测出的陶瓷涂层的硬度要比原用材料偏低，例如，致密的a h 0 3 涂层的硬度( h v 0 3 ) 为 1 0 0 0 ，而疏松的a 1 2 0 3 涂层的硬度( h v o3 ) 则为7 0 0 。这种硬度值的降低，不应认为是涂层 材料硬度的降低，而是因为孔隙的存在影响了硬度测量值。但是，当喷涂的陶瓷涂层发 垩堕查兰三兰婴主堂垒笙苎 生晶型转变时，涂层和原用材料的硬度就可能发生变化。例如，等离子喷涂电熔a h 0 3 粉 末，原用材料的晶体结构为弘_ a 1 2 0 3 ，其莫氏硬度值为9 0 3 ( 金刚石为1 0 ) ，而喷涂涂层 的晶体结构则主要为亚稳态的y a 1 2 0 3 其莫氏硬度值为8 0 ，涂层硬度值明显低于原用 陶瓷材料的硬度“6 1 。 涂层硬度与材料的性质是分不开的，但涂层的硬度又不同于所喷涂材料的硬度。除 了涂层中孔隙的影响之外。一些等离子喷涂工艺参数对涂层的显微硬度也有显著的影响 【 1 。即使是同一种材料，因涂层组织的非均匀性、致密性和氧化物含量的不同，涂层硬 度也是不同的。由于涂层厚度不是非常大，故常测其微观硬度。一般而言，硬度越高， 耐磨性就越好。 ( 5 ) 涂层表观气孔率的测定测定涂层气孔率的方法很多，大致可以分为直接观测法 和间接测量法。直接测量可使用光学显微镜、扫描电镜、透射电镜、x 射线散射仪来测量 开放或封闭的孔隙，配合专门的计算软件加以分析。间接测量法包括直接称量法、浮力 法、水银孔隙仪、放射线照相法等。这里主要介绍一种a r c h i m e d e 法测定涂层的表观气孔 率。 首先将清洗干净的试样在烘箱中于1 0 5 l l o 下烘1 2 小时至恒重。取出置于干燥器 中冷却到室温。测量试样的干态重量w o ，而后将试样置于干燥的容器中抽真空2 5 分钟将 开气孔中的空气排除，注入蒸馏水将试样淹没，继续抽真空3 0 分钟，使试样饱吸水。取 出试样后，先测量其在水中的重量w 1 ，然后再测量试样在空气中的饱和湿态重量w 2 。 依据公式( 1 ) 进行计算，即可得出涂层表观气孔率p 【1 8 】。 p ：w 2 - w o 1 0 0 ( 1 1 ) 一川 1 3 4 等离子喷涂的发展及其前景 等离子喷涂技术作为一种先进的工业技术，在近代工业中地位越来越重要，应用范围也 在随着高新技术的发展而不断扩展【伸l 。在传统的耐磨、耐热、抗氧化倩蚀方面已经有了 广泛的应用，近年来正试图在生物、超导和复合材料等高科技领域发挥特长，而且取得 了一定的应用。 等离子涂层所显示的独特优越性己经引起越来越多的工业部门的重视，故在航空、 冶金、机械、机车车辆等部门得到广泛的应用【2 咐”。但目前等离子喷涂仍存在许多问题 需要解决，主要有以下几方面的发展趋势或方向哪埘1 ： ( 1 ) 研制全方位微电脑控制的高能、高速、高焓的新型等离子喷涂设备。深入研究探 6 第l 章绪论 索新的诊断技术，利用现代测试技术，探索应用神经网络和模糊控制策略，实现等离子喷涂 过程的智能控制，完善喷涂过程的实时诊断。 ( 2 ) 合理选择喷涂工艺，优化工艺参数，改善粉末受热和熔化状态，减少环境对高温粒 子的污染和氧化，从而形成性能优异的涂层。利用激光、超声波等现代技术，研究并应用 复合工艺。使涂层结构更趋完善。 ( 3 ) 进一步研究涂层的形成机理、孔隙形成机理，寻求消除或减少孔隙率的方法。以及 研究涂层与基体的结合机理等，提高涂层结合强度。 ( 4 ) 等离子弧或等离子火焰产生时，发出强烈的噪声损伤操作人员听觉器官，并辐射出红 外、紫外线等，对人眼、皮肤伤害极大。因此，需研究开发出能有效防止光辐射、高噪音、 有害衍生气体、粉尘及有害物质的新型等离子喷涂机，从而从根本上改善工作环境。 1 4 材料摩擦磨损的研究现状 1 4 1 摩擦磨损的基础理论研究 1 4 1 1 摩擦 两个相对滑动的固体表面摩擦只与接触表面的的相互作用有关，而与固体内部状态 无关，此称为外摩擦。液体或者气体中各个部分之间相对移动而发生的摩擦，成为内摩 擦。而边界润滑状态下的摩擦是吸附膜或者其它表面之间的摩擦，也属于外摩擦【2 8 】。 摩擦按摩擦副的运动形式分为滑动摩擦、滚动摩擦和滚滑摩擦；按摩擦副的表面润 滑状态分为真实干摩擦、干摩擦、流体摩擦、边界摩擦和混合摩擦。干摩擦是指名义上 无润滑的摩擦，其表面上通常具有从周围介质上吸附来的气体、水汽和油脂的薄膜【2 9 l 。 1 4 1 2 磨损 磨损是相对运动的接触固体表面上，材料逐渐分离和损耗的过程。鉴于摩擦学问题 的复杂性，西德的c z i c h o s 教授提出了摩擦学系统分析的概念和理论，即强调材料磨损是 受摩擦学系统一系列因素影响的系统问题，必须对其进行综合分析，才能找到真正引起 磨损失效的原因【”。 磨损是一个广泛的领域，可以说每一种磨损都有几种性质不同、互不相关的机理存 在，因此分类上也常出现混乱现象【3 1 1 。根据磨损的破坏机理，1 9 5 7 年鲍威尔提出了将磨 损分为粘着磨损、磨粒磨损、表面疲劳磨损、腐蚀磨损等四种类型。 ( 1 ) 粘着磨损粘着磨损是由于粘着作用使材料由一表面转移到另一表面所引起的磨 损。由于表面上存在粗糙度，所以表面问的接触是不连续的，即只有少数几个微凸体产 生接触。因此接触面积很小，在外载荷作用下，局部压力很高，可超过材料的屈服极 限，于是接触点便产生了塑性变形。这时，如果没有表面膜，或者随有表面膜，但在切 江南大学工学硕士学位论文 向运动时发生了破裂，那么，在常温下也可发生“冷焊”；另外，在高速、重载和摩擦产 生高温的情况下，表面膜极易破坏，金属之间便直接接触，在接触点局部发生软化或熔 化而产生“热粘着”，形成粘着点。在其后的相对运动中，粘着点被减断，与此同时又形 成新的粘着点，于是就出现了粘着点的形成与减断的循环，并发生材料转移，因而出现 粘着磨损。 ( 2 ) 磨粒磨损磨粒磨损是指磨粒或硬微凸体对软摩擦面上的微切削。大部分磨粒是 用负前角进行微切削的。当磨粒或硬微凸体有钝角的时候，摩擦面还会产生塑性变形， 所以在磨粒磨损中，微切削和变形是同时发生的。在此时，表面层要经受多次；b - t - 硬 化。 ( 3 ) 疲劳磨损疲劳磨损是由于交变应力使摩擦表面接触区内材料的微观体积反复产 生变形，造成累积损伤而导致疲劳裂纹的萌生和扩展，最后使表面分离出粒状或片状磨 屑，并留下凹坑的一种破坏形式。疲劳裂纹常常在材料表层有缺陷的地方产生，裂纹产 生的确切位置受夹杂物、表面缺陷以及孔隙等因素的影响。 ( 4 ) 当摩擦副工作时，表面金属与周围介质发生化学或电化学反应并生成反应产物， 与此同时，还有机械作用使反应物脱落，这种以腐蚀为主导的磨损即位腐蚀磨损。 1 4 2 耐磨涂层材料摩i 囊磨损性能的研究 用于喷、镀和离子注入的涂层材料有许多，陶瓷材料和自润滑材料是其中最具有应用 前景的材料。在现代材料研究中陶瓷己成为品种、功能极多的一个材料大家族。陶瓷材 料具有高熔点、高硬度、高刚度及高化学稳定性3 2 】，近年来对陶瓷材料韧性化的深入研究 又在定程度上克服了陶瓷材料加工困难和容易发生脆性断裂的不足，使得陶瓷材料用作 涂层材料很有发展前景1 3 3 j 。 1 4 2 1a 1 2 0 3 陶瓷涂层i 蚓 氧化铝粉末材料可以直接用作各种等离子喷涂的陶瓷涂层材料，也可用作复合粉末 的组分材料、包覆型复合粉末的芯核颗粒材料、管状填充芯复合丝材的填充芯材料、柔 性复合丝材的骨架材料，也是火焰喷涂棒材的重要品种材料之一因此，氧化铝粉末是 最基本的热喷涂陶瓷材料之一，只是不同形状的喷涂材料所用氧化铝的粒度和配比不 同。 最适于喷涂氧化铝粉末的热喷涂工艺是等离子喷涂工艺，特别是水稳等离子喷涂和 超音速等离子喷涂，能获得优质的氧化铝涂层。超音速火焰喷涂、爆炸喷涂、火焰喷涂 ( 用压缩空气加速) 也可以喷涂氧化铝涂层。 f e r n a n d e zj e 等研究了等离子喷涂a 1 2 0 3 涂层与a i s i d 2 钢配副的磨损性能 3 5 1 ，结 8 果表明： ( 1 ) a 1 2 0 3 涂层的磨损与载荷和滑动速度有关，且存在一个最大磨损量的载荷。如在干 摩擦条件下，发生最大磨损量的载荷是8 8 5 n ；在油润滑条件下，最大磨损量的载荷是 1 3 6 9 n 。 ( 2 ) 在干摩擦条件下，产生最小磨损量和最大磨损量的滑动速度分别为l m s 。1 和5 m s 一：在油润滑条件下，滑动速度超过l m s - 时，磨损量剧增。总体来讲，a 1 2 0 3 涂层磨损量 很小。 w a n gy i n g l o n g ，j i ny u a n s h e n g 在相同条件下用滚筒一块摩擦磨损试验机研究了等离子 喷涂c r 2 0 3 、c r 3 c 2 、t i 0 2 、w c l 8 c o 、a 1 2 0 3 涂层的摩擦磨损性能f 3 6 】。试验结果如表 1 - 1 。 可见，( 1 ) 在润滑条件下，喷涂层摩擦因数大约为0 1 ，而在于摩擦条件下，摩擦因数 增至0 5 左右。 ( 2 ) 在润滑条件下，c r 2 0 3 一c r 2 0 3 配副的磨损量很小，在于摩擦条下，c r 2 0 3 - - 2 a 1 2 0 3 配 副的抗咬合能力最差。 ( 3 ) 在润滑条件下，涂层材料的耐磨性从大到小为：c r 3 c 2 c r 2 0 3 t i 0 2 w c l 8 c o 2 0 ，o 表1 - t 块试样- 与c r 2 0 3 滚筒对磨时的试验结果 任靖日，赵德金利用球一盘接触式摩擦磨损试验机，在室温、大气和润滑摩擦条件下 研究了越2 0 3 涂层n i c r 粘结涂层与舢2 0 3 涂层的摩擦磨损特性，并用拉伸试验方法测定了涂 层与基体之间的粘结强度b ”们。结果表明： ( 1 ) a 1 2 0 3 涂层n i c r 粘结涂层的耐磨性能比a 1 2 0 3 涂层好； ( 2 ) 基体的表面粗糙度对涂层的粘结强度影响较大； 9 - 扛南大学工学硕士学位论文 ( 3 ) 在此研究试验条件中对磨损特性最佳的涂层厚度为3 0 0um ； ( 4 ) a 1 2 0 3 涂层n i c r 粘结涂层的磨损机理受残余应力的影响很大； ( 5 ) 粘结喷涂对减少涂层中的残余应力起着很重要的作用。 1 4 2 2t i o z 陶瓷涂层 金红石型t i 0 2 具有很好的喷涂工艺性能，粉末沉积效率高，与基体的粘结强度高，涂 层气孔率低，十分致密，硬度适中，莫氏硬度6 级，涂层韧性好，又容易加工，可以磨削 到很高的表面光洁度，因此也是重要的耐腐蚀磨损涂层，特别适合钛及钛合金、铝及镁 合金喷涂高耐磨涂层的性能。 w w d a i ，c x d i n g ，j f l i 等利用环块摩擦磨损试验机研究了载荷、速度变化下的 t i 0 2 涂层与不锈钢的摩擦磨损机制4 h ”，研究表明： ( 1 ) 随着载荷的增加t i 0 2 涂层的磨损量增大。在轻载作用下，磨损机制主要为f e 2 0 3 氧 化膜的生成、疲劳磨损和粘着磨损。在重载作用下，磨损主要为磨粒磨损和微观剥层磨 损。摩擦系数对磨损量没有呈现出明显的影响。 ( 2 ) t 1 0 2 涂层的磨损量随着速度的增加而降低。这是一方面是由于f e 2 0 3 f e 3 0 4 薄膜的 形成，另一方面是由于磨擦产生的高温软化了t i 0 2 涂层，减少了磨粒磨损。在较高载荷作 用下的h 0 2 涂层在高速时磨损机理主要是塑性变形和胶合磨损；在低度时磨损机制主要是 氧化、疲劳和粘着磨损。 1 4 2 3 a 1 2 0 3 - t i o z 陶瓷涂层1 4 2 1 t i 0 2 的熔点比a 1 2 0 3 低，莫氏硬度值比舢2 0 3 低，熔融的t i 0 2 对钢、钛、铝等金属基体 的润湿性比熔融a 1 2 0 3 更好，因此有更好的粘结性能。 t i 0 2 粉末的特点，使其与砧2 0 3 组成的复合粉末的热喷涂涂层具有以下特点： ( 1 ) 随着a 1 2 0 3 - t i 0 2 复合粉末中t i 0 2 含量增加，喷涂层的孔隙率降低，致密性增加。 ( 2 ) t i 0 2 组分的加人，有助于提高喷涂舢2 0 3 涂层与基体材料的粘结强度，提高涂层中 a 1 2 0 3 颗粒之间的粘聚强度，从而提高涂层的力学性能。因此，含n 0 2 的氧化铝涂层与纯 砧2 0 3 涂层相比，具有更好的韧性和较高的抗冲击载荷强度。 ( 3 ) 由于t i 0 2 在等离子喷涂的高温射流中的还原作用，t i 0 2 涂层具有半导体特性。 舢2 0 3 t i 0 2 复合粉末中，当t i 0 2 含量超过2 0 9 6 时，a 1 2 0 3 t i 0 2 涂层就显示出半导体性质。 ( 4 ) 含t i 0 2 超过1 3 的a h 0 3 t i 0 2 复合粉末涂层，呈黑色表面，与纯a 1 2 0 3 涂层具有低 的热辐射率不同，显示出高的热辐射率特性。 ( 5 ) 由于含有t i 0 2 组分，喷涂态的a 1 2 0 3 t i 0 2 涂层，显示均匀细密的表面形貌，呈橘 皮状，稍加抛光处理，就可获得比较理想的耐纤维磨损特性。 1 0 第1 章绪论 ( 6 ) 喷涂的a 1 2 0 3 一t i c ) ：涂层，经磨削、精密、研磨和抛光处理，表面粗糙度可达两个 光程差，即达到镜面光洁度。 f e r v e lv ，n o r m a n db 研究了等离子喷涂a 1 2 0 3 、a h 0 3 t i o ：、a 1 2 0 3 一t i 0 2 一c u 涂层与 a h 0 3 4 0 t i 0 2 材料摩擦时的干摩擦学特性f 4 3 】，结果表明： ( 1 ) 在a 1 2 0 3 中加入t i 0 2 涂层的硬度降低，但是韧性提高，所以耐磨性提高： ( 2 ) 在a 1 2 0 3 中加入1 3 w t t i 0 2 和1 3 w t c u ，能降低摩擦系统的磨损率和摩擦系数，磨 损率降低y 4 倍，摩擦系数由原来的0 7 5 下降到0 2 5 。 杨元正，刘正义，庄育智研究了等离子喷涂a 1 2 0 3 - 1 3 w tt i 0 2 陶瓷涂层组织结构及 其耐磨性m 舶】，发现： ( 1 ) 以刚玉岱一a 1 2 0 3 和金红石结构的t i 0 2 为原始粉末经等离子喷涂后形成的陶瓷涂层 主要以y - a 1 2 0 3 亚稳相存在。同时有部分的伍一a 1 2 0 3 存在，喷涂后t i 0 2 也仅以金红石结 构存在。 ( 2 ) 等离子喷涂a t 陶瓷涂层呈富a 1 2 0 3 区和富t i 0 2 区交迭出现的层状组织。涂层有良好 的致密性。富a 1 2 0 3 区和富t i 0 2 区之间存在成分相互扩散。 ( 3 ) 涂层设计对陶瓷涂层的硬度有一定的影响。涂层的耐磨性不仅与涂层的硬度有 关，而且与涂层的致密性、结合状态有关，t i 0 2 的引入明显的提高了涂层的耐磨性。 任靖日，赵德金研究了a c 4 c 铸铝合金表面等离子喷涂a 1 2 0 3 4 0 t 1 0 2 和c r 2 0 3 陶瓷粉 末涂层的滑动摩擦磨损特性；采用划痕试验方法测定了涂层与基体之间的结合强度；用 扫描电子显微镜观察分析了磨痕形貌和涂层显微组织特征【4 7 棚】。试验结果表明： ( 1 ) c r 2 0 3 涂层的结合强度高于a 1 2 0 3 4 0 t i 0 2 涂层； ( 2 ) c r 2 0 3 涂层的摩擦系数及磨损率均小于a 1 2 0 3 4 0 t 1 0 2 涂层，a 1 2 0 3 4 0 t 1 0 2 涂层的 磨损率随其厚度的增加而增加，其最佳厚度约为3 0 0ui n ； ( 3 ) a h 0 3 - 4 0 t 1 0 2 涂层的磨损机理主要表现为塑性变形和层状剥离，而c r 2 0 3 涂层的 磨损机理主要为磨粒磨损，在较大载荷下，c r 2 0 3 涂层的磨损呈现脆性断裂特征。 焦素娟，周华，龚国芳，杨华勇针对纯水液压元件摩擦副实际工况，研究了水润滑 状态下a 1 2 0 3 ( a ) 、a h 0 3 1 3 w tt i 0 2 ( a t ) 等离子喷涂试环分别于整体烧结a 1 2 0 3 块的摩擦 磨损特性，考察了摩擦系数以及试环磨损量随时间的变化，利用扫描电镜观察了磨痕的 表面形貌，利用x 射线能量色散谱仪分析了磨痕表面的元素组成 4 9 珈1 。研究结果表明： ( 1 ) 水润滑条件下的两种摩擦副的磨痕表面是由光滑的磨痕和少量大小不等的脆断 面、气孔、蹋坑、微裂纹等组成，磨损机理主要为脆性断裂、微切削和腐蚀磨损。 ( 2 ) a a 摩擦副在磨损过程中和水发生反应，化学反应生成物起到润滑作用，降低了摩 1 1 江南大学工学硕士学位论文 擦系数。 ( 3 ) 在a h 0 3 粉末中掺入t 她可以减少孔隙率、提高强度、韧性和耐磨性。但在水润滑 条件下a 1 2 0 3 - 1 3 w tt i 0 2 涂层的磨损量和摩擦系数却高于a h 0 3 。 ( 4 ) 整体烧结a 1 2 0 3 陶瓷块的磨损量非常小且随时间的变化比较稳定，相对a t a 摩擦 副而言，a a 摩擦副更适合做纯水液压的摩擦副材料。 1 5 课曩主要研究内容 磨损和腐蚀是机械设备零部件表面的两大主要失效形式，涉及工农业生产和人民生 活的各个领域。它们所导致的经济损失十分惊人。根据一些发达国家的统计，每年由于 磨损和腐蚀所造成的直接损失约占国民生产总值的1 q ，这无疑给国民经济增长造成 了巨大的损失。 在某些情况下，选用贵金属或合金制造模具或零部件，也可以满足工作条件的要 求，但这将大幅增加生产的成本，从经济上看，是不可行的。更何况在许多情况下也难 以找到一_ 种能够同时满足整体和表面要求的材斟。而先进的材料表面技术就可以兼顾材 料心部和表面的性能要求，同时具有低的成本。因此，材料的表面技术得到了大量的研 究和应用。等离子喷涂应用于工件的强化和防护可以极大地提高其寿命；更为重要的是 涂层的厚度可以从几十微米到几个毫米，这是其他的表面处理方法所不能比拟的。因此 可以对因磨损、腐蚀丽失效或加工超差的工件进行再修复，将废物回收利用，这也被称 之为“再制造工程”。它会使生产成本大大降低，大大降低原材料和能源消耗，显然提高 了经济效益，符合二十一世纪所提倡的“绿色生产”的潮流删l 。 本课题的主要工作内容有以下几个方面： ( 1 ) 涂层的物理性能即结合强度、孔隙率、显微硬度、厚度等进行测试分析。 ( 2 ) 在摩擦磨损试验机上对涂层进行摩擦磨损试验，探讨涂层轴瓦材料配副的磨损机 理，为涂层最终应用于实际的生产提供理论依据，并且初步确定轴瓦所应选择的材料； ( 3 ) 考察f d 一7 和2 2 4 抗磨液压油这两种润滑油在摩擦磨损中的表现，选择适合生产的 润滑油； ( 4 ) 对喷涂前后主轴和轴瓦的磨损特性进行比较分析。 第2 章试验方案 第2 章试验方案 2 1 喷涂试样的制备 基体试样采用经渗碳淬火回火处理的4 0 c r 钢，尺寸为咖6 9 m i n x 7 m m 。 在喷砂前，利用丙酮、无水乙醇对基体试样进行了净化处理。 用2 0 - 4 0 目的纯石英砂对试样进行了喷砂处理，目的是增加涂层与基材间的接触面。 增大涂层与基材的机械咬合力，使净化处理过的表面更加活化，以提高涂层与基材的结合 强度；同时改变涂层中残余应力的分布，提高涂层的结合强度。利用c m d 7 5 0 m 型开放式 喷砂机进行了喷砂，喷砂时压缩空气的压力为0 6 m p a ，喷砂角度保持在6 0 7 5 。角的范围 内。喷砂完成后，在保持试样表面清洁的前提下，马上转入了喷涂工序。为了保证耐磨 涂层的性能及厚度的均匀性，喷涂分2 3 次完成，每次喷涂厚度在0 2 m m 左右。 热喷涂陶瓷涂层的表面粗糙度r 0 值，一般超过3 7 5um 。而许多应用要求更小的表面 粗糙度，这可采用磨削精饰来达到。陶瓷涂层的磨削精饰，是喷涂陶瓷涂层制品工艺流 程的最终关键环节，处理不当，就会前功尽弃。由于陶瓷涂层具有质脆、与基体的结合 强度较低、涂层薄、涂层含有一定的气孔等特点，因此，陶瓷涂层的磨削与整体材料的 磨削有显著的区别。砂轮线速度和进给量都以较小为宜。陶瓷涂层磨削时，为防止任何 局部过热，应使用大流量的冷却液。最好选用含缓蚀剂的水作冷却液，不要使用水基乳 化油冷却液，后者易使涂层污染变色。 在喷涂完毕后，选用含缓蚀剂的水作冷却液，利用金刚石砂轮采用较小的线速度和 进给量对涂层表面进行了精磨处理。 2 2 涂层性能的测定 2 2 1 涂层硬度的测定 应用m h 3 型维氏显微硬度计测试了涂层的硬度，为了保证测出的陶瓷涂层的硬度更 加接近实际，避免气孔对测定的硬度值造成的影响，对每个试样均进行了多次测量，利 用多次测量的均值来表示涂层的硬度。其结果见下表2 1 。 表2 1 涂层与基体的硬度 江南大学工学硕士学位论文 2 2 2 涂层厚度、表观气孔率的测定 按g b 6 4 6 7 或g b l l 3 7 4 的规定，采用量具直接测量了涂层的厚度，其厚度值为 0 9 5 m m 。应用a r e h i m e d e 法对涂层的表观气孔率进行了测定，其气孔率为2 。 2 2 3 涂层结合强度的测定 涂层与基体的结合强度在3 0 0 千牛顿液压万能试验机上进行。拉伸试样的大小如图2 1 所示，直径大的端面上有涂层，其厚度与磨损试样相同。试验时，将试样的粘结面磨平 并用丙酮清洗，然后采用“3 0 2 ”磐石胶将带有涂层和没有涂层的两试样粘起来，固化2 4 小时后进行拉伸性能试验。试验值为3 0 m p a 。 图2 1 抗拉强度试样 2 2 4 涂层微观形貌分析及磨损前后表面成份测定 应用荷兰f e i 公司生产的q u a n t a - 2 0 0 型扫描电子显微镜和日本电子公司生产的j s m - 6 3 6 0 l v 型扫描电子显微镜观察了磨损前后涂层的表面形貌。应用美国e d a x 生产的 g e n e s i s 2 0 0 0 订s 6 0 型能谱仪测定了磨损前后涂层的表面成分。 7 2 3 滑动磨损试验 试验是在清华大学研制的球盘式摩擦磨损试验机进行的，其基本原理如图2 2 所示。 试验中上面滚柱试样保持不动，通过下面圆盘试样的旋转来实现相对滑