Ni60AMoS2复合润滑涂层毕业论文.doc

I Ni60AMoS2 复合润滑涂层毕业论文复合润滑涂层毕业论文 目目 录录 摘摘 要要 I Abstract II 目 录 III 第一章 绪论 1 1 1 引言 1 1 2 等离子喷涂概述 1 1 2 1 等离子喷涂的发展 1 1 2 2 等离子喷涂原理 2 1 2 3 等离子喷涂工艺和特点 3 1 2 4 等离子喷涂的工艺流程 4 1 3 等离子喷涂的设备及工作过程 19 1 3 1 等离子喷涂的设备 19 1 3 2 喷涂设备工作过程 20 1 4 自润滑涂层及其研究现状 7 1 4 1 自润滑涂层的材料与结构 7 1 4 2 自润滑涂层制备技术 1 4 3 固体自润滑复合涂层研究概况 1 4 4 固体自润滑复合涂层研究内容 1 4 5 固体自润滑复合涂层研究意义和目的 11 第二章 MoS2自润滑涂层的设计和制备 13 2 1 二硫化钼的结构和性质 13 2 1 1 二硫化钼的结构 13 2 1 2 二硫化钼的性质 14 2 2 材料的选择 15 2 3 固体润滑材料的设计 16 2 3 1 设计依据 16 2 3 2 组成设计 17 2 3 3 结构设计 18 第三章 MoS2复合润滑涂层的性能测试 22 3 1 工艺参数对涂层性能的影响 22 3 2 涂层的硬度 24 涂层的硬度测试 3 3 涂层的耐磨性 24 3 4 涂层结合强度的测定 25 3 4 1 涂层结合强度测量方法 25 3 4 2 镍包石墨自润滑涂层结合强度的测定 27 第四章 摩擦磨损试验结果 28 II 4 1 摩擦磨损的基本理论 28 4 1 1 摩擦的机理 29 4 1 2 磨损机理 30 4 2 摩擦试验设备 30 4 3 磨损试验结果及分析 33 4 3 1 MoS2含量对涂层硬度的影响 33 4 3 2 MoS2对涂层磨损量的影响 34 4 3 3 MoS2对涂层摩擦系数的影响 35 4 3 4 MoS2对涂层摩擦力的影响 36 4 4 磨损表面形貌分析 38 4 4 1 不同阶段的 Ni60A MoS2摩擦磨损的表面形貌 38 4 4 2 不同含量 MoS2润滑耐磨涂层的表面形貌 40 展望 参考文献 54 致谢 56 1 第一章第一章 绪论绪论 1 1 引言引言 任何相互接触 相对运动的机构或零件都会产生摩擦磨损 磨损是机械零件失效最主 要方式之一 其占零件失效总量的 60 一 80 由此可见 机器零件的摩擦磨损 是构成 能源与材料大量损耗的主要因素 因此 防止机器零部件的磨损损失 是现代机械制造业 的重要任务 引起了世界各国科学工作者的广泛关注 49 润滑是减少摩擦 降低磨损的最为有效的措施 一般的方法是使用润滑油或润滑脂 但在高温 真空 低速 重载 不易形成润滑油膜或油膜易失效等恶劣特殊工况条件下 零部件一般不易采用润滑油或润滑脂进行润滑 此时固体润滑显示了其独特的优越性 固 体润滑是将固体物质涂 镀 于摩擦界面 以降低摩擦 磨损的措施 固体膜润滑剂又称干 膜润滑剂或固体润滑涂层 是固体润滑材料的主要类型之一 与常规的油脂润滑相比 固 体膜润滑剂可在高温 高负荷 超低温 超高真空 强氧化还原 强幅射等特殊环境条件 下有效地润滑 在家用电器 纺织机械 食品机械 精密机械 军工以及电工等工业获得 了广泛的应用 摩擦学直接关系到机器设备的可靠性 耐久性和能量利用率 现代科学技术的发展 特别是航天技术和空间技术的发展 使得材料在高温条件下的摩擦 磨损和润滑问题日益 受到重视 一般的润滑油和润滑脂由于在高温环境下都有容易蒸发的缺点 因而研究和发 展相适应的高温润滑剂和自润滑复合材料具有重要的意义 从而就使得高温摩擦学的研究 和发展成为目前摩擦学领域的研究重点之一 2 在保持零件母体材料原有性能的基础上 采用涂层技术在摩擦副表面制备高硬度 耐 磨损的自润滑涂层 已成为摩擦学领域一个新的发展方向 同时 自润滑材料也在涂层技 术中显示了独特的优越性 自润滑是由自润滑材料本身含有的润滑介质 在工作过程中逐 渐向配对副摩擦界面转移形成润滑转移膜实现的 实践证明 家用电器 纺织机械 食品 机械 制药机械 办公设备 精密机械以及冶金 宇航 军工等特殊领域的滑动轴承及其 他摩擦组件是自润滑材料最合适的应用领域 3 7 1 2 等离子喷涂概述等离子喷涂概述 1 2 1 等离子喷涂的发展 等离子喷涂 APS 是以电弧放电产生的等离子体为热源 以喷涂粉末材料为主的热喷 涂方法 等离子喷涂是热喷涂的一个重要分支 它是 20 世纪 50 年代随着现代航空航天和 原子能工业技术的出现而发展起来的 当时对高熔点 高纯度 高强度的涂层提出需求 促使人们对高热源 高喷速 改善喷涂气氛等方面进行了研究 从而在 50 年代末 美国 Plasma dyne 公司首先研制出等离子喷涂设备 等离子喷涂技术自其问世以来 一直受到 极大的关注 已成为现代工业和科学技术各个领域广泛采用的先进加工手段 1 2 由于等离子射流能够熔化几乎所有的固体材料 因此等离子喷涂技术可以形成涂层的 种类及其应用极其广泛 等离子喷涂技术的发展主要集中在喷枪功率的提高以及送进粉末 方式的改良两大方面 目前 特别是在轴向送粉方式等离子喷枪研制方面取得了巨大的进 展 20 世纪 80 年代以前 等离子喷涂技术的发展主要体现在等离子电弧的功率的提高 即最大功率从 50 年代的 20KW 到 60 年代的 40KW 70 年代的 80KW 级 采用水作为等离 子工作介质 使电弧电压大幅度提高 从而使电弧功率可以达到 250KW 80 年代中期超音 速等离子喷涂采用普通的工作气体如氩气 其功率也达到了 200KW 等离子电弧功率的提 高大幅度提高了等离子射流的热焓 这类高能等离子喷涂系统的主要特点应为涂层制备效 率高 用于高熔点陶瓷材料的喷涂成形更有效 当前 热喷涂技术已在航天 航空 机械 冶金 化工 石油 煤炭 铁道 纺织 交通运输等部门获得了越来越多的应用 取得了明显的技术经济效益 可以预见 随着我 国的工业进步 热喷涂技术会发挥越来越大的作用 可以解决过去传统加工方法无法解决 的问题 已经成为我国现代工业中不可或缺少的一中表面技术 1 2 2 等离子喷涂原理 1 1 等离子态和等离子体等离子态和等离子体 等离子态是指物质原子内的电子在高温下脱离原子核的吸引 使物质成为正负带电粒 子存在的状态 由于其具有独特的性能 被称为物质的第四态 等离子体是一种由自由电子 正离子 中性原子和分子组成的电离气体云 等离子体 的产生是由于有足够的能量传递给气体而引起其电离 例如 如果气体被加热到 50000C 以上 化学键会发生断裂而其原子进行非规则的运动 这就引起原子碰撞造成一些电子脱 离原子核 而失去了电子的原子核 就成为带正电荷的正离子 当气体经历了这一离子化 过程 就成为等离子体 在一定压力下 较高的温度使物质成为气态以后 如果温度继续升高 气体分子将会 发生 离解 和 电离 图 1 2 2 1 所谓 离解 是指构成气体分子的原子互相分 离 形成为独立的原子 如氮分子会分裂成两个氮原子 这种过程称为气体分子的 离 解 如果再进一步升高温度 原子中的电子就会从原子中剥离出来 成为带正电荷的原 子核和带负电荷的电子 这个过程称为原子的 电离 当这种电离过程频繁发生 使电 子和离子的浓度达到一定的数值时 物质的状态也就起了根本的变化 它的性质也变得与 原来的气体完全不同 为区别于固体 液体和气体这三种状态 故把物质的这种状态称为 物质的第四态 又因整个体系的阴 阳离子总电荷相等 故称为等离子态 而处于等离子 状态的物体就是等离子体 0 100 1000 温度 图 1 2 2 1 物质 水 的 4 中存在状态 固态 液态 气态和等离子态 固体 冰 液体 水 等离子体 电离气体 气体 水汽 3 2 2 等离子弧及其产生原理等离子弧及其产生原理 众所周知 等离子喷涂是通过等离子弧加热溶化喷涂粉末粒子而实现的 电弧是在两 电极间产生强烈而持久的一种气体放电现象 当用开关电器断开电流时 如果电路电压不 低于 10 20 V 电流不小于 80 100 mA 电器的触头间便会产出电弧 电弧本身是高 温导电率的游离气体 它的形成就是在电极触头之间的中性质点 分子和原子 被游离的 过程 开关触头分离时 触头间距离很小 如果电场强度 E U d 超过 3 106V m 阴极 表面将发生强电场发射 即阴极表面的电子被电场力拉出而形成触头空间的自由电子 然 后 这些自由电子和触头间原有的少数电子 在电场力的作用下向阳极作加速运动 并且 在途中不断地和中性质点相碰撞而打出电子 形成自由电子和正离子 碰撞游离 新形 成的自由电子又向阳极作加速运动 也会与中性质点碰撞而发生游离 碰撞游离连续进行 的结果是触头间充满了电子和正离子 具有很大的电导 在外加电压下 介质被击穿而产 生电弧 等离子弧属于压缩电弧 其发生装置如图 1 2 2 2 所示 电弧的阴极一般采用钨电极 通常是 W TH 或 W Ce 合金 阳极接喷嘴 前枪体 和 或工件 两者之间加上一个较高 的电压 经过高频振荡器的激发 使气体电离形成电弧 图 1 2 2 2 等离子弧发生装置示意 3 3 等离子体喷涂的基本原理等离子体喷涂的基本原理 等离子喷涂是采用刚性非转移型等离子弧为热源 以喷涂粉末材料为主的热喷涂方法 其基本原理如图 1 2 2 3 所示 产生等离子弧的设备是等离子喷枪 它由钨电极 前枪体 后枪体 送粉管 工作气体和气管 电源和控制器等部分组成 进行喷涂时 喷枪的钨电 极 阳极 和喷嘴 前枪体 阳极 分别接电源的负极和正极 工作气体 根据工艺需 要采用氮气 氩气或混入 5 15 的氢气等 经进气管进入喷枪 在弧柱区发生电离而形 成等离子体 但是 前枪体和钨电极之间是有一段距离隔开的 故电源的空载电压加上后 并不能立即产生电弧 而是要在前枪体和后枪体之间并联一个高频电源 接通后在钨电极 与前枪体间发生火花放电 才能引燃电弧 电弧引燃后 再把高频电路切断 工作气体在 引燃后电弧压缩作用 温度升高 喷射速度增大 形成高温高速等离子射流从喷嘴喷出 此时从送粉管送入粉状喷涂材料 使其在等离子焰流中被加热到熔融或半熔融状态 并被 4 加速而向经预处理的工件表面喷射和撞击 发生流散 变形和凝固 沉积于工件表面而形 成涂层 图 1 2 2 3 等离子喷涂基本原理图 等离子喷涂具有可以获得各项性能的涂层 涂层平整光滑 可精确控制厚度 涂层孔 隙率低 结合度高 涂层孔隙率小 涂层氧化物和杂质含量少 与电镀 电刷 渗碳 渗 氮相比 等离子喷涂层更厚 更硬 更具防腐效果 喷涂过程对基体的热影响小 基体组 织不会发生变化 可在塑料 油漆 玻璃 石棉布等非金属材料上喷涂的特点 从喷涂材料进入热源到形成涂层 喷涂的基本过程是 被加热到熔融或半熔融状态的 涂层材料熔滴 受焰流或外加气流推动而雾化并向基体表面高速喷射 与基体发生猛烈碰 撞 变形 展平而沉积 随后急冷凝固 逐层堆垛而形成涂层 可见 在喷涂过程中 涂 层材料粒子经历的基本过程如图 1 2 2 4 所示 热喷涂是产生耐磨 抗热 抗氧化 耐腐 蚀涂层的重要方法 被用在密封 修复 再制造等许多方面 密封和耐磨材料是由金属 聚合物和陶瓷组成 应用在涡轮机械 泵或其他的旋转装置中 这些应用充分的利用了热 喷涂材料的多样性和能够难以应付的材料的能力 并取得了良好的经济效益 热喷涂成为 金属表面科学领域中一个十分活跃的学科 加热熔融 形成熔滴 熔滴雾化 加速 飞行 撞击基体 变形展平 凝固沉积 快速冷却 图 1 2 2 4 等离子喷涂中粒子经历的基本过程 1 2 31 2 3 等离子喷涂等离子喷涂工艺和特点工艺和特点 热喷涂技术是表面工程学的重要组成部分 它是一种材料表面强化和表面改性的新 技术 可以使基体表面具有耐磨 耐蚀 耐高温氧化 电绝缘 隔热 防辐射和减磨等 性能 原则上可在任何固体物质上喷涂 可喷涂的材料有金属 塑料 陶瓷 金属陶瓷 及其复合物等 等离子弧喷涂技术是获得材料表面功能涂层的有效手段 它能够大幅度 地提高材料的耐磨 耐蚀 抗氧化和耐冲击性能 即同时满足机械产品对结构性能 强度 韧性等 和环境性能 耐磨 耐腐蚀 耐高温等 的需要 这种工艺具有生产效率高 制备的 5 涂层质量好 喷除的材料范围广 成本低等优点 因而是热喷涂技术中应用最多的 1 1 等离子弧喷涂技术的特点等离子弧喷涂技术的特点 由于等离子弧温度高 能量集中 因而等离子弧喷涂陶瓷材料具有独特的优势 具 有涂层致密 结合性能好 气孔率低等优点 在国外己广泛应用生产 其比较其他热喷 涂技术方法 有许多优点 这由表 1 2 3 1 可看出 表 1 2 3 1 几种热喷涂方法的工艺对比 等离子弧喷涂是采用刚性非转移型等离子弧为热源 将金属或非金属加热到熔化或 半熔化状态 用高速气流将其吹成微小颗粒 喷射到经过处理的工件表面 形成牢固的 覆盖层 从而使工件表面具有不同硬度 耐磨 耐热 耐腐蚀 绝缘 润滑 以及其他 各种特殊物理化学性能 来满足不同工况的需求 00 沈阳工业大学的 等离子弧喷涂之所以受到人们如此重视 因为与火焰和电弧喷涂相比有许多优点 例 如 1 等离子喷涂时的焰流温度很高 热量集中 能够熔化一切高熔点和高硬度的粉末 材料 这是一般氧 乙炔火焰喷涂和金属电弧喷涂所不能达到的 2 喷涂粉体的速度可达 300 一 400m s 粉末微粒能获得较高的动能 所以喷涂后的 涂层致密度高 一般在 88 99 之间 涂层的粘合强度高达 30 80MPa 3 涂层厚度可按需要控制 一般可加工成 0 05 1mm 厚 误差可控制在士 0 025mm 喷涂后涂层平整 光滑 因此切削加工涂层时可直接采用精加工工序 4 等离子弧喷涂采用惰性气体作为工作气体时 能可靠地保护工件表面和粉末材料 不 受氧化 从而获得含氧化物少 杂质少的涂层 5 在等离子弧喷涂过程中 工件表面不带电 不熔化 再加上粉末的喷射速度高 工件与喷枪的相对位移速度快 所以对工件表面的热影响区很小 零件不会发生变形 这 对于薄壁件 细长杆以及一些精密零件的修复是十分有利的 6 由于等离子弧喷涂时的粉末具有高速的特点 所以每小时粉末的沉积率很高 在 采用高能等离子喷涂设备时 每小时粉末的沉积量为 8Kg 充分显示了等离子喷涂的高效 性 7 喷涂工艺规范稳定 调节性能好 容易操作 第二本书上的 6 除了上述一些优点 等离子弧喷涂也有其缺点 首先等离子喷涂设备投资大 成本较 高 工作气体纯度要求高 其次是小孔径内表面难以喷涂 这是因为喷枪尺寸及喷距的 限制 最后是高速等离子焰流产生的剧烈噪声 强光辐射 有害气体 如臭氧 氮氧化 合物等 金属蒸气粉尘等对人体有害 需采取防护措施 1 2 3 2 等离子弧喷涂工艺 等离子弧喷涂是利用等离子焰流的热能将引入的粉末加热到熔融或半熔融状态 并在 等离子焰流的作用下 高速撞击到基材表面 在这个过程中 粒子产生强烈的变形 覆盖 在工件的表面 形成涂层 涂层粒子之间的结合 以及涂层和基体之间的结合主要由机械 结合力 分子键力 化学键力三种力形成 00 1 等离子电弧的产生和基本形式 本实验采用的等离子电弧属于一种非转移电弧 即是通过高频引弧电路在阴极和喷嘴 即阳极 之间所产生的电弧 当电弧在阴极和阳极内 壁之间产生后 通过阴极和喷嘴之间的工作气体被电弧加热 造成全部或部分电离 但工 作气体本身不带电 而后由喷嘴喷出形成等离子弧 由于工作气体电离所产生的电弧在喷 嘴内壁的阳极点终止 在不向气体供给能量的条件下将等离子气体喷射出来 所以 这种 喷枪对基体材料的加热效率相对较低 因此 等离子弧喷涂虽然温度高 对喷涂粉末的热 传导性能好 但是传递到工件的热量却很少 这就避免了基体材料的热变形 等离子弧主 要有如下四个特点 0017 1 焰流速度高 进入喷枪中的工作气体被加热到上万度的高温 体积剧烈膨胀 因 而等离子焰流自喷枪中高速喷出 具有很大的冲击力 作为喷涂用的等离子弧的焰流速度 通常为每秒几百米 这对喷涂工艺是有利的 2 温度高 能量集中 对 400A 非转移弧温度的测量结果 氢气流量为 0 6m3弧 可知 在喷嘴口处中心温度可达 20000K 等离子弧温度高 能量集中的特点有很大的应用价值 在喷涂或焊接 堆焊时 它可以融化任何金属或非金属 获得很高的生产率 也可以减少 工件变形 减少热影响区 3 调节性好 压缩型电弧可以调节的因素很多 在很广的范围内均可以稳定的工作 从而满足等离子工艺要求 这是自由电弧所不能达到的 4 稳定性好 由于等离子弧是一种压缩型电弧 弧柱挺拔 电离度高 因而电弧位 置 形状以及电弧电压 电弧电流都比自由电弧稳定 不宜受外界因素干扰 2 等离子喷涂工艺参数 等离子弧喷涂过程中 影响涂层质量的工艺参数很多 工 艺的优化非常复杂 需经过反复实验才能获得 等离子弧喷涂工艺参数主要有 输入功率 和电参数 工作气体的种类和流量 送粉器的种类 送粉量 喷涂距离和角度 喷枪与工 件的相对运动速度 在涂层结构和材料确定的条件下 对涂层性能影响的主要工艺参数是 最佳功率值 即粉末的熔化程度 其次是涂层厚度 0018 1 输入功率和电参数 输入功率大小的选择首先要确保粉末熔化良好和防止出现生粉 另外要防止功率过大导致粉末过热和烧损 根据等离子焰流能量利用系数 一般为 nf 10 25 可估算出等离子弧的功率 PD gf nf 最后按喷枪效率 n 估算出所需的输入功 率 P IU PD 0 24n 0 24 为热功当量 由此可知 输入功率主要取决于喷枪的结构 其影 响系数 nf和 n 粉末的熔点和粒度 送粉量等因素 当功率一定时 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 但对于高熔点和粗粒粉末喷涂时 应选用较大电流 以使粉末充分加热 2 等离子气体的选择和流量 产生等离子弧的工作气体称为等离子气体 其选择原则 主要是可用性和经济性 可用性是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 经济性即尽可能价廉 氦气是一种来源方便 价格便宜的双原子等离子气体 等离子弧喷涂常采用该种气体 但氦气保护性能差 喷涂易氧化粉末时不宜使用 在氦气 中加入 5 一 20 的氢气作为等离子气体 将有助于提高等离子弧的工作电压和喷枪的使用 7 寿命 氢气也是双原子气体 具有较高的热焙值 气体在分解和电离过程中吸收的总热量 即等离子体所蕴涵的热量 由于氢气价格较贵 一般不单独作为等离子气体使用 在喷 涂高熔点粉末时 往往在等离子气体中加入一定量的氢气 以提高等离子弧的温度 加入 氢气还可防止融粒氧化 氢气是单原子气体 其没有分离过程 易于引弧且等离子弧稳定 氢气还具有很好的保护作用 在喷涂易氧化粉末和防止粉末脱碳时 如喷涂 Cr2O3 WC TiC ZrC 等 选用氢气作为等离子气体最为适宜 但氢气弧焰较短 适于小 件和薄件的喷涂 3 供粉速率 供粉速率是影响涂层结构 性能和喷涂效率的重要工艺参数 供粉速率 必须与输入功率相适应 送粉气流量应与等离子气体流量相匹配 一般送粉气流量为等离 子气体流量的 1 5 左右 若供粉速率过大 则未熔化或未完全熔化的粉粒增多 涂层组织 疏松 气孔率增大 涂层的性能降低 但供粉速率过低 则喷涂效率降低 喷涂费用增加 而且易造成涂层过热 4 喷涂距离和喷涂角 喷涂距离对喷涂质量有显著影响 喷距过小 则粉末在焰流中 未能得到充分的加热和加速 易导致涂层疏松和性能下降 而且易造成涂层和基材过热 当喷距过大 将使到达基材和涂层的融粒温度和速度降低 导致融粒变形不充分 涂层结 合强度降低 喷涂金属粉末时 喷距常为 75 一 130mm 喷涂陶瓷粉末时 喷距常取 50 一 100mm 喷涂时焰流轴线与被喷涂工件表面间的角度即喷涂角不应小于 450 以 450 900的 角度对工件表面进行喷涂 对涂层结构不会产生很大的变化 然而当喷涂角度小于 45 时 由于遮蔽效应的影响 会导致涂层气孔率增大 涂层疏松 此外 在陡直的方形肩角 处 也会因遮蔽效应而难以喷涂 当遇到这种情况时 常采用先以 450左右的角度喷涂拐 角处 然后再以直角喷涂两侧平面 5 喷枪与工件的相对移动速度 喷枪与工件的相对移动速度在一定范围内对涂层质量 无明显的不良影响 移动速度以保证一次喷涂厚度不超过 0 05mm 为宜 在保证获得均匀 涂层的前提下 一般来说移动速度快些为好 这样可防止一次喷涂过厚导致涂层内应力过 大 涂层结合强度降低 另外可避免局部过热现象发生 1 2 4 等离子喷涂的工艺流程 喷涂工艺术包括以下四个基本工序 表面预处理 预热 喷涂 涂层后处理 其基本 工艺流程如图 1 2 4 所示 现将各工序的主要内容简述如下 图 1 2 4 热喷涂基本工艺流程 1 2 4 1 工件表面预处理 为使涂层与基体材料很好的结合以及满足喷涂工艺的需求 基材表面必须进行预处理 包括表面预加工 净化 粗糙化和黏结底层等几步操作 因此 在喷涂之前对基材表面进 工件表面预处理 表面预加工 净化 粗糙化 黏结底层 涂层后处理 封孔 加工 预热 喷涂 8 行表面预处理是十分重要的一步 其处理质量直接影响到涂层的质量好坏 也往往关系到 整个工艺的成败 净化和粗化的方法有多种多样 方法的选择要根据涂层的设计要求及基材材质 形状 厚薄 原始表面状态及施工条件而定 对于承受高应力的机械零件 如汽车发动机曲轴 在预处理钱要进行探伤检查 以确定基材内是否有裂纹等确陷 工件中的缺陷会导致涂层 受损 而且 热喷涂不能修复工件中已有的裂纹 也不会提高工件的整体强度 1 表面预加工 是在喷涂之前对工件进行车削和磨削等表面加工 以清除工件上的原 喷涂层 其他表面层 淬火层 渗碳层等 各种损伤和毛刺 修正表面的不均匀磨损 预留喷涂层厚度等 以保证提供合适的基体表面和工件喷涂后的尺寸精度 2 净化处理 目的是除去工件表面所有的污物 如氧化皮 油渍 油漆及其它污物 等 其中有代表性的是油脂和锈迹 故简单的说 净化处理中的关键是除油和除锈 除油 的方法很多 常用的除油方法有 溶剂清洗 碱液清洗和加热脱脂等 溶剂清洗法是利用 有机溶剂可以溶解有机油脂的特性 清洗基材表面 除去油脂 常用的溶剂有汽油 煤油 柴油 丙酮 酒精 三氯乙烯 四氯化碳 碱液清洗是将工件表面放到氢氧化钠或碳酸钠 等碱性溶液中 待工件表面的油脂溶解后 再用水冲洗干净 碱洗法是一中廉价的清洗方 法 对除去油脂的污物很有效 加热脱脂是为了除去疏松工件中的油脂 除对表面进行清 洗除油外 还要将工件表面加热到 250 400 C 的温度 使油脂渗出表面 挥发烧掉 然 后再加以清除 除锈的主要方法则有化学除锈 电化学除锈 火焰除锈 机械除锈 喷砂 滚光 手工及机动工具除锈 等 3 粗化处理 目的是增加涂层和基材之间的接触面 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 提高涂层与基材的结合强度 同时 基材表面粗化还 可改变涂层中残余应力的分布 对提高涂层的结合强度也是有利的 粗化处理的方法有 喷砂 机械加工法 如车螺纹 滚花 电拉毛 喷涂自粘结材料作中间过渡层 喷砂处 理是本文中采用的粗化处理 下面介绍有关喷砂处理的内容 喷砂处理是采用压缩空气为动力 以形成高速喷射束将喷料 铜矿砂 石英砂 金 刚砂 铁砂 海砂 高速喷射到被需处理工件表面 使工件表面的外表面的外表或形状发 生变化 由于磨料对工件表面的冲击和切削作用 使工件的表面获得一定的清洁度和不同 的粗糙度 喷砂处理不仅能清除表面的污物 并能使工件表面产生残余压应力 还可使工 件表面的机械性能得到改善 因此提高了工件的抗疲劳性 增加了它和涂层之间的附着力 延长了涂膜的耐久性 也有利于涂料的流平和装饰 喷砂还能使工件表面活化 有助于提 高喷涂层的结合强度 所以 一般粗化处理多采用喷砂处理工艺 喷砂产生的粗糙度 决定于磨料的类型和粒度 喷砂用的设备 压缩空气压力及工件 表面的硬度 对喷砂用的磨粒都要求清洁 干燥 不含油和杂质 锋利 坚硬及有棱角的 砂粒可获得最好的喷砂效果 喷砂磨料一般是金属粒料或砂粒 金属粒料主要是钢砂或冷硬铸铁砂 砂粒则包括有 9 石英砂 氧化铝 碳化硅 河砂等 此外还有用炉渣 玻璃球 塑料粒和玉米棒等其他非 金属磨料的 选择磨料时 对其种类和粒度主要考虑工件因素和磨料因素两个方面 工件因素包括 尺寸 形状 材质 硬度和喷砂要求等 而磨料因素则是磨料的硬度 密度 粒度和形状 等 此外 为降低成本和节约资源 磨料的循环使用次数也是应考虑的重要因素 表 1 2 4 1 表 1 2 4 1 磨料类型及循环使用次数 磨料类型棕刚玉砂冷硬铸铁砂铸钢砂白刚玉砂 循环使用次数10151007 通常 对于硬度较低的基体 如塑料和铜 铝等有色金属 宜选用较细的磨料 薄壁 件则应选用细粒度的刚玉砂 而不宜选用钢砂 避免因冲击力大而使工件变形 钢砂和 冷硬铸铁砂等金属类磨料 喷砂时破碎率低 使用寿命长而能重复使用 故在批量钢铁工 件的预处理中经常应用 特别是对于较软的钢铁件 45HRC 时则用刚玉砂和碳化硅砂等非金属硬磨料 在非金属磨料中 棕刚玉砂比较 常用 因其硬度高而破碎率低 故喷砂质量好且效率高 对基体的污染也少 碳化硅等磨 料虽然硬度高 净化和粗化效果较好 但其破碎率较高 且易嵌入基体 故用得少 因热喷涂预处理要求被处理表面有足够的粗糙度 故对于磨料的几何形状一般不用球 丸类而是用多角形磨料 此外 对喷砂磨料还要求清洁和具有棱角 喷砂时应注意以下几点 喷砂距离的选择取决于喷砂方式 空气压力大小以及工件的形状和材料 选取合适的 距离 既能使表面达到一定的粗糙度 又有较高的喷砂效率 同时 要避免磨粒给表面造 成很大的压应力和避免工件发生变形 一般喷砂距离应控制在 100 300mm 的范围内 压 力式喷砂的距离要比射吸式的大一些 喷砂角度是指砂粒喷射方向与基材表面夹角 应保持在 60 80 的范围内 避免 90 方向喷砂 以防砂粒嵌入工件表面 压缩空气应经过分离器处理 以保证清洁 干燥 无油 以免玷污工件和影响涂层结 合强度 压缩空气的压力与工件尺寸和材质 所要求的表面粗糙度 砂粒特性 重量 粒 度 流动性 等因素有关 因此 压力的选定要考虑到砂粒的粗细 工件的厚薄及表面粗 糙度的要求 吸入式喷砂为 0 5 0 6MPA 压力式喷砂一般为 0 345 0 5 MPA 喷砂后的工件应注意避免新鲜表面的污染和退化 轻微腐蚀 甚至被氧化 对不需 喷砂的部位要用橡胶带包扎 有油孔的要用石棉绳堵住 喷砂后工件表面的活性很大 极 易氧化 故必须避免用手触摸和黏附油迹 防止湿气凝聚而引起腐蚀 最好保持在湿度 60 以下 同时掌握在新鲜表面被氧化之前进行喷涂 以保证喷涂质量 4 黏结底层 是在喷涂一些与基材黏结不好的涂层材料时 先选择一种与基材黏 10 结好的材料喷涂一层过渡层 以加强涂层与基体的结合 常用作黏结底层的材料有 Mo NiAl NiCr 及铝青铜等 底层的厚度一般是 0 08 0 18um 2 预热 目的是为了消除工件表面的水分 提高喷涂时涂层 基体界面温度 减少基 材与涂层材料的热膨胀差异造成的残余应力 以避免涂层开裂和提高涂层与基材的结合强 度 预热湿度取决于工件的大小 形状和材质以及涂层材料的热膨胀系数等因素 预热温 度一般情况下控制在 60 C 120 C 之间 这样的温度不影响原材质的热处理状态 所以 基材的性能不会发生变化 预热的方法可以采用氧乙炔火焰加热 一般要采用中性焰 也可以用电炉 高频炉加 热 加热应均匀 避免局部温度过高使表面产生黄色和蓝色薄膜 而影响涂层的结合强度 3 喷涂 这是整个喷涂工艺的主体和关键工序 其他的工序都是为了保证此步而进 行的 喷涂的操作主要是选择喷涂方法和确定喷涂参数 喷涂的方法有多种 而且目前还 在发展 采用何种喷涂方法进行喷涂主要取决于选用的喷涂材料 工件的工况及对涂层质 量的要求 例如 喷涂陶瓷材料最好选用等离子喷涂 喷涂碳化物金属陶瓷涂层可采用高 速火焰喷涂 若是喷涂塑料则只能采用火焰喷涂 而若要在户外进行大面积防腐工程的喷 涂的话 采用灵活高效的电弧喷涂或丝材火焰喷涂是较佳的选择 总之 喷涂方法的选择 一般来说是多样的 但对某种应用来说总有一种方法是最好的 喷涂工艺参数要根据涂层 种类 喷枪性能和工件的当时情况而定 对于不同的喷涂方法都有相应的喷涂参数 控制 喷涂参数的目的是为了提高喷涂速率 增加涂层的致密度 提高涂层的结合强度 得到高 质量的涂层 4 涂层的后处理 有些涂层在喷涂后不能直接使用 而须进行各种后续处理 例如 对于防腐涂层 为了防止腐蚀介质渗入涂层的孔隙而腐蚀基体需进行封孔处理 对于承受 高应力载荷或冲击磨损的工件 要对喷涂层进行重熔处理 使疏松多孔与基材主要靠机械 结合的涂层变为与基材呈冶金结合的致密喷焊层 有尺寸精度要求的工件要进行机械加工 等 由于喷涂层的结构和界面结合的特点 以及常具有的高硬度和高耐磨性 其机械加工 与整体材料的加工有显著区别 喷涂层有微孔 不利于散热 而涂层本身的强度较低 不 能承受很大的切削力 但是 涂层中又有很多较硬的硬质点 对刀具的磨损很快 这就形 成了喷涂层难以加工的矛盾 所以 必须选用合理的加工方法和相应的工艺参数 主要是 适当控制切削用量和注意冷却润滑液的使用 才能保证机械加工的顺利进行和所要求的尺 寸精度 9 11 1 3 等离子喷涂的设备及工作过程等离子喷涂的设备及工作过程 00 1 3 1 等离子喷涂的设备 图2 4 等离子喷涂系统示意图 本实验选择 DH 1080 型高能束等离子喷涂设备 37 如图 2 5 全套设备共有 7 部分组 成 分别是 DH 1080 型机装枪 电源 控制柜 送粉器 气电转接箱 冷热交换器 水 电缆 气管 如下表 2 6 图2 5 DH 1080 型等离子喷涂机 12 表2 6 DH 1080型 等离子喷涂机设备组件 组件性能特点 DH 1080 DY电源 具有恒流源和电压陡降特性 保证等离子喷涂系 统能够有效 稳定地运行 DH 1080 KZ控制柜 能实现喷涂过程的全自动控制 点火 关机的软 启动 软关闭功能 工作时电压 电流可调 并 具有水温 水压 气压的自动保护功能 DH 1080 SF送粉器可实现单筒独立送粉和双筒同时送粉 DH 1080 ZU气电转接箱水 电结合 电缆对接和 高频点火的统一 DH 1080 H 制冷热交换器 可按需要调节水温 水压 具有自动水温调节功 能 1 3 2 喷涂设备工作过程 等离子喷涂设备的工作过程如下 在打开气阀和冷却水后 打开等离子弧喷涂设备的 电源 利用高频引弧电路在枪体的钨极 阴极 和喷嘴 阳极 之间瞬间产生上千伏的高压 产生火花放电 当引弧成功后 由控制柜的控制电路断开高频引弧电路 并连接到设备的 主电路维弧 这是由于工作主电路电流较大 而避免时间过长损坏高频装置 引燃后的电 弧在孔道中受到三种压缩效应 温度升高 喷射速度加大 当采用手动调节时 此时应当 调节设备上的电流旋钮和导通工作气体及送粉气体的气体流量计 当调整到最佳的工艺参 数后 打开送粉控制器并通过枪体前的外送粉装置中送粉 使粉末进入高温度的等离子弧 中 将粉末加热到熔融状态或半熔融状态 然后进行喷涂操作 设备工作流程可由图 2 5 所示 图2 6 喷涂设备工作流程图 13 1 4 自润滑涂层及其研究现状自润滑涂层及其研究现状 118 1 4 1 自润滑涂层的材料与结构 材料的摩擦与磨损均发生在材料表面 因此改善机械零部件表面的摩擦性能是一种经 济有效的技术手段 近几十年来 表面技术作为一种改善材料表面性能的方法 受到人们 的日益关注 从材料表面来研究 提高耐磨性能有两种途径 一是研究具有良好机械特性 的表面改性材料及工艺手段 二是研究具有非金属性质的摩擦面 例如石墨 二硫化钼等 的摩擦磨损性能和应用方法 在力学性能的诸多指标中 与摩擦磨损关系最密切的性能参 数是硬度 在大多数情况下磨损率都会随硬度的提高而降低 目前对于提高材料表面硬度 的研究已经取得了很多成果 但是高硬度并不是影响耐磨性的唯一因素 高硬度往往会带 来高的摩擦系数 从摩擦学的基本理论出发 要降低材料的摩擦系数和磨损率 就必须使 材料的表面同时具有高硬度和低剪切强度 事实上很难获得这种性能的单一材料 这只能 通过在高硬度的基体上制备一层低剪切强度的薄膜来实现 这种薄膜不仅要有利于降低材 料的摩擦系数 而且还必须可以阻止材料表面微凸体与对偶件的直接接触 增大承载面积 使垂直于滑行方向的压应力和接触点处的正交切应力都降低 从而抑制接触区域萌生裂纹 降低材料的磨损率 自润滑材料的研究与进展在某些方面与固体润滑剂的研究与发展相关 某些物质 尤 其是一些固体润滑剂 可作为添加剂加入到材料中形成复合材料 从而实现其自润滑效果 固体润滑剂的种类有很多 有晶体为层状结构的石墨 MoS2 WS2 MoSe2和 BN 等 有 质地较软的金属 如 Ag Pb Sn 和 In 等 有金属氧化物 氟化物和磷盐酸等 这些固体 润滑剂必须根据外界条件选择合适的固体润滑剂才能达到应有的减磨效果 10 把机械强度较好的金属作为基材 采用粉末冶金 液体冶金 镀覆 镶嵌和粘结烧结 等工艺制备的金属基复合材料 具有较好的机械性能和摩擦学性能 这种材料能够有效地 发挥固体润滑剂的润滑作用 因而在许多情况下具有自润滑性能 可以实现无油或少油条 件的对磨 而且有较宽的工作温度范围 能适应恶劣工况下工作 其中的某些特殊材料就 是为了适应高温 高强度或高真空等苛刻要求而研制的 广泛应用于航天 航空 汽车等 工业部门 以满足轻质 高性能的需要 在许多领域都具有广泛的应用前景 影响金属基自润滑复合材料的摩擦磨损性能的因素很多 包括基体合金的组织和成分 固体润滑剂的性质 颗粒尺寸 形状及其在复合材料中所占的含量 固体润滑剂在复合材 料中的分布状态和界面的性质与特征 合成方式等 因此需要深入研究的方面很多 11 根据基体材质不同大致可将固体自润滑复合材料分为金属基 陶瓷基 和非金属基等 三大类 12 金属基自润滑复合材料是以具有高强度的耐热合金作为基体 以固体润滑剂作为分散 相 通过一定工艺制备而成的具有一定强度的复合材料 其中合金基体起支撑负荷和粘结 作用 固体润滑剂起减摩作用 常用的合金基体为耐热合金 如镍基高温合金 钴基高温 14 合金及 Ni Cr 基合金等 一些难熔金属如 W Mo Nb 及 Ta 等 作为基体材料在真空中 的使用效果较好 自润滑复合材料的制备先后出现了以 Mo Nb W Ta 等难熔金属为基 材 加入 MoS2 石墨 PbO 等润滑相 和以 Ag 合金 为基兼具有低接触电阻低接触噪声 等优异性能的自润滑复合材料 目前 在 Ni 基 Co 基 Ni Cr 基等高温耐热合金中添加 润滑剂制备的自润滑复合材料应用研究较多 已有商品化的轴承保持架 密封环 干摩擦 轴承 轴瓦 滑块等 BaF2 CaF2共晶体的镍铬合金 还有将活性元素 S 以 MoS2形式添 加到镍基合金中制备的自润滑材料 它们在高温环境下都具有很好的润滑性能 陶瓷材料具有高硬度 高强度 低密度和高刚度 以及优异的化学稳定性和高温力学 性能等特点 在摩擦学领域得到了相当广泛的应用 但其摩擦因数一般都比较高 0 7 0 8 很难实现无油自润滑的目的 因此 有关陶瓷基自润滑复合材料及其摩擦学性能的研究日 益受到重视 已经成为当前材料科学和摩擦学领域的前沿课题之一 非金属材料主要指一些高分子聚合物材料 由于聚合物本身重量轻 具有较低的摩擦 因数 优良的机械性能及耐腐蚀性等优点 特别是各种填料的加入使其耐磨性显著提高 正在被广泛的应用到减摩自润滑材料领域 从固体润滑涂层的结构和制造工艺发展看 固体润滑涂层经历了单层单组分涂层 多 层多组分梯度涂层 超晶格纳米结构涂层和智能涂层四个阶段 12 一般来说 单层单组分的固体润滑涂层性能不能同时满足低摩擦因数和磨损速率的要 求 只有极少数的单层单组分的润滑涂层得到了工业应用 其制造工艺一般比较简单 但 制造设备条件要求比较高 涂层一般具有一 二种相结构 厚度在几十个微米以下 工作 时 润滑转移膜在 1 m 13 左右 目前商业上比较成功的润滑涂层有单层的 MoS2涂层 或 者掺杂了 Ni Au Pb 等元素 金刚石和类金刚石 12 DLC 结构涂层 软金属 或其氧化 物 和部分高分子材料等 像 MoS2 石墨 BN 某些硼酸盐等 它们有着类似的层状晶 体结构 层与层之间移动的范德华力比较小 导致他们具有较低的摩擦因数 但是它们的 摩擦性能受环境 水蒸气 氧气等 的影响 具有优良综合性能的涂层基本上是多层多组分涂层或者是多组分的梯度结构涂层 一 般通用模型是 最低层为硬度比较高的材料 中间层为韧性好而且耐腐蚀 氧化的材料 最上层为润滑涂层 如果基材比较软 底层的硬质相是必须的 它在摩擦磨损的过程中起 着耐磨且支撑润滑相的作用 因此设计涂层涉及到的支撑相材料可以是硬质润滑剂 也可 以是其它较硬的材料 如碳化物 氮化物 硼化物 例如 SiC Cr3C2 13 14 等 梯度涂层厚 度一般从几十微米到几百微米 其制造工艺除了真空沉积技术外 还有超音速火焰喷涂 HVOF 等离子喷涂 激光熔覆等工艺 周静等 15 采用等离子喷涂技术 以碳化铬 Cr3C2 为硬质相 分别从高 中 低温固体润滑剂中选取了 Ag CaF2 石墨 C MoS2 BN 作为润滑的组元 制备了相容性极佳的高温润滑涂层 其梯度结构优于单层结 构 最大优点是缓和了涂层内部的物理性能差异 不仅使涂层的硬度得到平稳过渡 而且 使涂层的综合机械性能大大提高 15 纳米结构材料在固体自润滑涂层中的应用将会为高温润滑涂层的发展带来革命性的影 响 16 纳米级的颗粒决定了其具有更高的比表面积 易于制造高强度 高韧性 高耐磨性 的涂层 可以使润滑涂层的厚度大大降低 从而不影响产品的精度 但是控制纳米级润滑 涂层的结构和成形是比较困难的 这也是高温固体润滑涂层研究的热点之一 智能涂层 17 是一种人造的 能够对某一外部刺激 比如 温度 应力 应变或环境等 有选择提供 作出 最佳反应的涂层系统 智能涂层的理论研究在国际上引起人们的广泛的 兴趣 已经成为纳米科学技术和材料学研究的热点之一 1 4 2 自润滑涂层制备技术 目前自润滑涂层制备技术主要有烧结 热喷涂 电镀 化学镀 激光熔覆技术等 其中热喷涂技术是制备自润滑涂层的有效途径之一 主要开发出的有爆炸喷涂 火焰 喷涂 等离子喷涂等 而等离子喷涂应用最广泛 其原因在于等离子火焰气流的热量高度 集中 流速高 气氛可控 可获得高质量的涂层 无论是涂层与工件表面的结合强度 以 及涂层本身的强度 密度和纯洁度 还是喷涂时的沉积效率和沉积率都比较高 热喷涂主要根据热源分类 采用不同的热源加热熔化不同形式的喷涂粉末 线材 形 成一系列的热喷涂方法 具体分类如下 18 熔棒式喷涂 火焰喷涂粉末式喷涂 气体加热喷涂 熔线式喷涂 爆炸喷涂 气体等离子喷涂 热喷涂 等离子喷涂水稳等离子喷涂 减压喷涂 电弧加热喷涂 线爆喷涂 电弧喷涂 激光熔覆技术是一种新发展起来的表面工程技术 它是通过在基材表面添加熔覆材料 并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层熔凝在一起的一种方法 它对基体和涂层材 料无限制 能实现在低熔点的工件上熔覆一层高熔点的合金 能控制稀释 可局部熔覆 微观结构细致 热影响区小 并使涂层材料快速熔化和冷却而与基体材料形成良好的冶金 结合 结合强度高 在制备耐磨 耐蚀 抗氧化 热障 生物涂层等方面 激光熔覆技术 都获得了很成功的应用 但在制备自润滑涂层方面目前很少有人做过 开展激光熔覆自润 滑涂层的研究 充分利用激光熔覆技术的特点 丰富材料体系 在更大的领域发挥潜力是 日后一个值得研究的领域 16 1 4 3 固体自润滑复合涂层研究概况 459 减摩材料是往涂层材料中加入弥散分布的固体润滑颗粒 如石墨 MoS2等 其目的 是通过降低摩擦副的摩擦系数来减少滑动摩擦磨损 这类涂层在无润滑条件下也有良好的 减摩性 因此又称为自润滑复合涂层 从已有文献看 与金属基或陶瓷基整体自润滑材料 相比 涂层材料具有制备工艺简单 成本低 适用于各种尺寸的工件等优点 因而在材料 的研究和开发中占有重要地位 19 多层多组分结构和梯度结构可以更好地抑制单组分的缺 点 通过添加其它相来提高涂层的质量 优化涂层 获得比单组分性能更好的固体自润滑 涂层 周静 曹兴 20 进等人通过选取具有优异高温性能和一定自润滑性能的高温镍基合金 作为复合涂层基体材料 采用等离子喷涂技术研究出具有极佳相容性的高温润滑涂层 认 为相容性好的原因是由于涂层的梯度结构优于单层结构 梯度结构缓和了涂层内部的物理 性能差异 不仅使涂层的硬度得到平缓过渡 而且使涂层的结合强度大大提高 为了扩大 复合润滑涂层的使用范围 Ozkan Sarikaya 21 等人采用等离子喷涂工艺在柴油机马达上喷 涂了AlSi B4C复合润滑涂层 并研究了其摩擦学性能 结果表明 在AlSi基材等离子喷涂 AlSi合金粉末后 涂层的摩擦系数比基材的摩擦系数会高一点 但使用AlSi合金粉末中加 入B4C颗粒进行等离子喷涂后 涂层的摩擦系数比AlSi基材要低 而且随着B4C颗粒在AlSi 合金粉末中成份的增加而显著降低 认为这是因为B4C具有与石墨相似的润滑性能 在材 料表面制备硬质耐磨涂层可以改善材料的耐磨性 但随着表面硬度的提高 摩擦副中对磨 件的磨损会增加 使摩擦副的寿命降低 在这种情况下 通过在基体表面制备低剪切应力 的固体润滑涂层改善摩擦副的磨损状态 来提高摩擦副的寿命是一种有效的方法 王海斗 等人 22 用二硫化钼固体润滑剂利用低温离子渗硫和高速火焰喷涂的方法制备了FeS固体 润滑涂层 在MM 200和QP 100磨损实验机上对比研究了这两种涂层的摩擦磨损行为 结 果表明 两种FeS层具有不同的摩擦磨损性能 离子渗硫FeS层的减摩性和耐磨性好 抗擦 伤性较好 喷涂FeS层的抗擦伤性很好 减摩性良好 耐磨性较好 王春明等人 23 则用具 有优异减摩性能的过渡金属层状硫化物FeS作为软质基 结合纳米SiC的优异物理性能 采 用大气等离子喷涂工艺制备出掺杂纳米SiC的硫化物复合涂层 发现FeS SiC复合涂层在不 同程度降低干摩擦条件下的摩擦系数 含30 SiC的复合涂层由于纳米SiC提供了足够的承 载能力和耐磨性 使得该涂层具有低的摩擦系数和优良的抗粘着磨损的能力 MoS2属层 状结构 层间结合力很弱 表现出自润滑性能 但MoS2质软 力学性能差 肖宏滨等人 选用金属Ni包覆MoS2 采用等离子喷涂方法得到了四种不同MoS2含量的Ni MoS2涂层 并 在干滑动摩擦条件下对其摩擦学性能进行了试验和探讨 结果表明 所得复合材料既具有 金属的机械强度和塑性 又能提供充足的润滑源 MoS2的质量分数为30 时磨损率最小 磨损机制主要为磨粒磨损 为了研究激光重熔对等离子喷涂涂层组织和摩擦学性能的影响 曹兴进 周静 24 等人采用激光重熔等离子喷涂涂层的方法设计和制备了NiCr基复合润滑 涂层 并对其摩擦学性能进行了研究 结果表明 激光重熔过程中