表面纳米化中碳钢磨合磨损性能研究

第 29 卷 第 5 期 哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 29 . 52008 年 5 月 008表 面 纳 米 化 中 碳 钢 磨 合 磨 损 性 能 研 究李 国 宾 1 ,关 德 林 1 ,王 宏 志 1 ,张 明 星 2(1. 大 连 海 事 大 学 轮 机 工 程 学 院 ,辽 宁 大 连 116026 ;2. 昆 士 兰 大 学 材 料 系 ,昆 士 兰 洲 澳 大 利 亚 49085)摘 要 :为 研 究 表 面 纳 米 化 中 碳 钢 在 润 滑 条 件 下 的 磨 合 性 能 ,用 环 2盘 摩 擦 磨 损 试 验 机 进 行 磨 合 磨 损 试 验 . 分 析 在 不同 载 荷 下 摩 擦 系 数 和 摩 擦 振 动 信 号 多 重 分 形 谱 参 数 的 变 化 ,通 过 磨 损 表 面 形 貌 探 讨 表 面 纳 米 化 影 响 中 碳 钢 磨 损 行为 的 原 因 . 结 果 表 明 :在 低 、 中 负 荷 作 用 下 ,表 面 纳 米 化 处 理 的 中 碳 钢 摩 擦 系 数 和 振 动 信 号 多 重 分 形 谱 参 数 较 未 处 理的 有 所 降 低 ,其 较 高 的 表 面 活 性 可 更 好 地 吸 附 润 滑 油 以 形 成 油 膜 . 因 此 ,在 低 、 中 负 荷 条 件 下 ,表 面 纳 米 化 可 提 高 中碳 钢 磨 合 磨 损 性 能 词 :中 碳 钢 ;表 面 纳 米 化 ;磨 合 磨 损 ;润 滑中 图 分 类 号 : T 5 文 献 标 识 码 :A 文 章 编 号 :100627043 (2008) 0520518204of on of . 16026 , 2. 49085 In to s of s a t he of f of f of t he of by s t of of f to of t he t he is a is t of be by of 日 期 : 简 介 : 李 国 宾 ( 19702) ,男 ,副 教 授 , 材 料 表 面 纳 米 化 是 利 用 纳 米 材 料 的 优 良 性能 ,在 传 统 的 工 程 金 属 材 料 表 面 制 备 出 一 层 具 有 纳 米晶 体 结 构 的 表 面 层 ,通 过 对 表 面 结 构 的 改 良 提 高 材 料的 综 合 力 学 性 能 . 迄 今 为 止 ,已 经 成 功 地 对 包 括 纯铁 123 、 低 碳 钢 324 、 奥 氏 体 不 锈 钢 628 、 有 色 金 属 9 和中 碳 钢 10214 在 内 的 多 种 金 属 材 料 进 行 了 表 面 纳 米 化 磨 损 性 能 是 材 料 的 重 要 使 用 性 能 之 一 ,研究 纳 米 材 料 的 摩 擦 磨 损 性 能 是 研 究 纳 米 材 料 的 特性 、 推 进 纳 米 材 料 实 用 化 不 可 或 缺 的 工 作 . 中 碳 钢 是工 业 生 产 中 广 泛 应 用 的 金 属 材 料 ,因 此 对 其 进 行 表面 纳 米 化 处 理 具 有 重 要 的 实 用 价 值 . 目 前 ,中 碳 钢 表面 纳 米 化 的 研 究 多 限 于 表 面 纳 米 层 的 组 织 结 构 、 微观 结 构 及 形 成 机 理 等 的 研 究 10214 ,而 对 纳 米 层 摩 擦磨 损 性 能 的 研 究 还 较 少 见 . 因 此 ,该 选 择 45 # 钢 作 为表 面 纳 米 化 材 料 ,采 用 高 能 喷 丸 方 法 对 其 进 行 表 面纳 米 化 处 理 ,利 用 环 2盘 摩 擦 磨 损 试 验 机 研 究 其 在 润滑 条 件 下 的 磨 合 磨 损 行 为 ,探 讨 表 面 纳 米 化 对 中 碳钢 磨 合 磨 损 性 能 的 影 响 实 验 部 分1. 1 试 验 材 料试 验 材 料 选 用 调 质 态 45 # 钢 ,化 学 成 分 (质 量 分数 , %)为 :C 0. 494 ,. 268 ,. 660 ,P 0. 0136 ,S 0. 026 , 0. 25 , 0. 30 , 0. 25 ,其 余 为热 处 理 工 艺 为 860 保 温 水 淬 , 220 保 温 回火 ,其 组 织 为 回 火 马 氏 体 组 织 . 采 用 高 能 喷 丸 表 面 处理 技 术 对 试 样 表 面 进 行 纳 米 化 处 理 ,所 用 设 备 为型 高 能 喷 丸 试 验 机 ,弹 丸 选 用 直 径 8 陶 瓷 球 ,振 动 频 率 50 k 室 温 下 轰 击 45 # 钢 表 面30 采 用 X 射 线 衍 射 分 析 处 理 后 表 面 2 试 验 方 法图 1 式 万 能 摩 擦 磨 损 实 验 机 原 理 图1 试 验 在 济 南 实 验 机 厂 生 产 的 式 万 能 摩 擦 磨 损 试 验 机 上 进 行 ,图 1 为 该 试 验 机 的原 理 图 . 采 用 环 2盘 摩 擦 偶 件 . 环 试 样 通 过 专 用 夹 具安 装 于 主 轴 的 下 端 部 ,盘 试 样 安 装 在 托 盘 内 并 通 过托 盘 下 的 施 力 系 统 对 试 样 加 载 ,主 轴 在 直 流 电 机 的驱 动 下 带 动 销 试 样 作 旋 转 运 动 . 环 试 样 选 用 较 硬 的 ,显 微 硬 度 510 其 尺 寸 为 “28 “25 4 盘 试 样 均 用 线 切 割 的 方 法 从 试 验材 料 上 截 取 ,其 尺 寸 为 “31. 7 20 试 验 条件 :选 用 普 通 的 浸 油 润 滑 ,转 速 600 r/ 滑 动 速 度 0. 833 m/ s ,接 触 面 积 125 载 荷 分 别为 50、 100、 150、 200、 250、 300 N ,每 一 载 荷 下 磨 损30 用 带 像 头 的 光 学 显 微 镜 对 磨 损 前 后的 盘 试 样 表 面 进 行 观 察 并 获 取 数 字 化 图 像 . 采 用 司 生 产 的 灵 敏 度 为103. 4 g、 量 程 为 50 g p k (峰 值 ) 的 38630 型 速 度 传 感 器 测 量 摩 擦 振 动 ,将 其 水 平 固 定 在托 盘 下 方 . 用 比 利 时 L 司 生 产 的 型 前 端 数 据 采 集 系 统 将 来 自 加 速 度 传 感 器 的 摩 擦 振动 信 号 以 数 据 文 件 形 式 存 入 计 算 机 . 摩 擦 力 矩 从 试验 机 上 直 接 读 取 ,再 根 据 试 样 尺 寸 计 算 摩 擦 系 数 . 用M 微 硬 度 仪 测 量 材 料 的 表 面 硬 度 ,载 荷 10 g ,加 载 时 间 10 s. 表 面 粗 糙 度 用 粗 糙 度 仪测 量 . X 射 线 衍 射 在 日 本 产 理 学 D/ 衍 射 仪 上 进 行 . 试 验 采 用 ,管 压 为 40 管 流为 40 试 验 温 度 290 1 . 对 有 衍 射 峰 的 角 度范 围 进 行 测 量 ,步 进 为 0. 02 ,步 长 为 5 结 果 与 分 析2. 1 磨 损 试 验 前 表 面 形 貌磨 损 试 验 前 原 始 试 样 和 纳 米 化 后 试 样 表 面 形 貌图 像 如 图 2. 可 以 看 出 ,表 面 纳 米 化 后 其 上 的 犁 沟 、凹 坑 等 加 工 痕 迹 显 著 减 少 或 消 失 ,表 面 状 态 明 显 改善 . 测 量 45 # 钢 表 面 纳 米 化 前 后 的 显 微 硬 度 ,其 值 分别 为 385 773 可 见 ,纳 米 化 后 ,其 表 面硬 度 显 著 提 高 . 测 得 的 表 面 粗 糙 度 别 为2. 44 . 12 表 明 表 面 纳 米 化 后 表 面 粗 糙度 亦 显 著 减 小 ,这 是 因 为 弹 丸 撞 击 使 表 面 的 机 加 工沟 壑 填 平 ,同 时 表 面 硬 度 的 提 高 使 弹 丸 撞 击 表 面 产生 的 凹 坑 尺 寸 减 小 ,因 而 面 粗 糙 度 降 低 .(a)原 始(b)纳 米 化图 2 试 样 磨 损 前 表 面 形 貌 (400 )2 of 00 )采 用 衍 射 仪 分 析 磨 损 前 原 始 试 样 和 纳 米化 后 试 样 表 面 结 构 ,并 用 程 计 算晶 粒 尺 寸 15 为 纳 米 化 前 后 试 样 的 图 .915第 5 期 李 国 宾 ,等 :表 面 纳 米 化 中 碳 钢 磨 合 磨 损 性 能 研 究可 以 看 出 ,纳 米 处 理 后 试 样 的 衍 射 峰 宽 化 效 果 比 较 明显 . 测 得 的 45 # 钢 纳 米 化 试 样 表 面 层 (穿 透 深度 在 5 m 左 右 )的 平 均 晶 粒 直 径 约 为 68 试 样 磨 损 前 的 射 图 谱3 of 2 摩 擦 系 数采 集 试 验 过 程 中 不 同 载 荷 下 的 摩 擦 力 矩 ,每 一载 荷 下 等 时 间 间 隔 采 集 6 次 ,取 平 均 值 后 计 算 摩 擦系 数 ,表 面 纳 米 化 前 后 样 品 的 摩 擦 系 数 与 载 荷 的 关系 如 图 4 所 示 . 可 以 看 出 ,在 任 一 载 荷 下 , 配副 在 表 面 纳 米 化 和 未 纳 米 化 样 品 上 的 摩 擦 系 数 有 着相 同 的 变 化 趋 势 . 二 者 的 摩 擦 系 数 都 随 载 荷 从 50 150 N 时 呈 上 升 趋 势 ,载 荷 150 N 以 后 ,基 本保 持 不 变 . 但 表 面 纳 米 化 的 摩 擦 系 数 在 150 N 以 前均 小 于 未 纳 米 化 的 ,150 N 以 后 与 未 纳 米 化 的 基 本接 近 . 摩 擦 系 数 的 变 化 表 明 表 面 纳 米 化 可 改 善 中 碳钢 在 中 、 低 等 载 荷 下 的 磨 合 磨 损 性 能 中 碳 钢 表 面 纳 米 化 前 后 的 摩 擦 系 数 随 载 荷 的 变 化4 of 3 摩 擦 振 动采 集 不 同 载 荷 下 试 样 磨 损 时 振 动 信 号 ,每 一 载荷 下 等 时 间 间 隔 采 集 6 次 ,应 用 多 重 分 形 理 论 ,参考 文 献 15 的 多 重 分 形 谱 算 法 分 别 计 算 摩 擦 振 动 信号 多 重 分 形 谱 参 数 和 f 其 均 值 与 载 荷 的 关 系如 图 5 所 示 .(a) 多 重 分 形 谱 (b) 多 重 分 形 谱 f 中 碳 钢 表 面 纳 米 化 前 后 摩 擦 振 动 信 号 多 重 分 形谱 参 数 随 载 荷 的 变 化5 of 5 可 以 看 出 ,二 者 的 摩 擦 振 动 信 号 多 重 分形 谱 参 数 均 随 载 荷 增 加 而 增 大 ,且 表 面 纳 米 化 样 品的 多 重 分 形 谱 参 数 均 低 于 原 始 样 品 的 ,其 中 在 载 荷低 于 200 N 时 ,二 者 相 差 较 大 ,而 当 载 荷 增 至 200 ,表 面 纳 米 化 后 的 多 重 分 形 谱 参 数 逐 渐 靠 近 原始 样 品 的 . 根 据 振 动 信 号 多 重 分 形 谱 参 数 的 物 理 意义 可 知 , 反 映 的 是 振 动 信 号 的 波 动 程 度 ,即 不 均匀 程 度 ,从 而 映 射 摩 擦 磨 损 过 程 的 平 稳 程 度 ,即 反 映表 面 磨 损 的 不 均 匀 程 度 ,其 值 愈 小 ,振 动 信 号 振 幅 分布 愈 均 匀 ,表 面 磨 损 亦 愈 均 匀 . f 的 是 振 动 剧烈 程 度 ,与 表 面 磨 损 的 剧 烈 程 度 有 关 ,其 值 愈 小 ,振动 愈 轻 微 ,表 面 磨 损 亦 愈 小 . 表 面 纳 米 化 样 品 的 多 重分 形 谱 参 数 在 载 荷 低 于 200 N 时 较 小 ,表 明 其 在 这一 载 荷 范 围 内 表 面 磨 损 均 匀 . 而 在 200 N 以 上 ,其 磨损 程 度 增 加 ,接 近 原 始 样 品 的 分 析 表 明 表 面 纳 米 化 明 显 改 善 了 中 碳 钢 在中 、 低 等 载 荷 下 的 磨 合 磨 损 性 ,但 高 载 荷 其 磨 合 磨 损性 与 原 始 样 品 接 近 4 表 面 纳 米 化 中 碳 钢 的 磨 损 机 制图 6 为 试 样 在 不 同 载 荷 下 浸 油 润 滑 磨 损 30 磨 损 表 面 形 貌 纳 米 化 的 磨 损 表 面 与 未 纳 米化 的 相 比 较 可 以 看 出 :在 载 荷 低 于 200 N 磨 损 时 ,纳米 化 磨 损 表 面 虽 出 现 磨 损 痕 迹 ,但 表 面 的 犁 沟 少 而025 哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 第 29 卷窄 ,凹 坑 少 而 小 ,未 出 现 明 显 的 磨 损 脱 落 痕 迹 ;当 载 荷高 于 200 N 磨 损 时 ,纳 米 化 磨 损 表 面 出 现 明 显 的 磨 损脱 落 痕 迹 ,出 现 较 大 的 犁 沟 和 凹 坑 ,与 未 纳 米 化 的 表面 磨 损 状 态 逐 渐 靠 近 . 其 原 因 是 :表 面 纳 米 化 的 中 碳钢 材 料 具 有 较 高 的 表 面 活 性 ,在 润 滑 条 件 下 ,能 够 更好 地 吸 附 润 滑 油 以 形 成 油 膜 . 在 载 荷 低 于 200 N 时 ,油 膜 可 以 很 好 地 保 持 ,其 磨 损 表 面 质 量 好 ;当 载 荷 高于 200 N 时 ,油 膜 很 可 能 被 破 坏 ,其 润 滑 状 态 发 生 改变 ,与 原 始 样 品 的 润 滑 状 态 接 近 ,其 磨 损 表 面 质 量 下降 状 态 的 变 化 可 从 摩 擦 系 数 和 摩 擦 振 动 信 号 多重 分 形 谱 参 数 得 到 证 实 . 上 文 分 析 可 知 ,摩 擦 系 数 和摩 擦 振 动 信 号 多 重 分 形 谱 参 数 呈 现 一 致 的 变 化 规 律 ,均 可 表 明 载 荷 在 200 N 以 上 磨 损 时 ,纳 米 表 面 磨 损 状态 逐 渐 恶 化 ,与 润 滑 状 态 的 分 析 结 果 一 致 . 该 文 仅 从磨 损 表 面 形 貌 初 步 探 讨 表 面 纳 米 化 中 碳 钢 的 磨 损 机制 ,其 磨 损 机 理 仍 需 深 入 研 究 .(a) 载 荷 50 N(b) 载 荷 150 N(c) 载 荷 250 试 样 在 不 同 载 荷 下 磨 损 后 表 面 形 貌 (400 )6 of 400 )3 结 论1)在 润 滑 条 件 下 ,表 面 纳 米 化 提 高 了 中 碳 钢 在低 载 荷 及 中 等 载 荷 作 用 下 的 磨 合 磨 损 性 ,并 明 显 地降 低 了 磨 合 过 程 的 摩 擦 系 数 和 摩 擦 振 动 信 号 多 重 分形 谱 参 数 面 纳 米 化 的 中 碳 钢 材 料 具 有 较 高 的 表 面 活性 ,在 润 滑 条 件 下 ,能 够 更 好 地 吸 附 润 滑 油 以 形 成 油膜 ,使 其 在 低 载 荷 及 中 等 载 荷 作 用 下 的 磨 合 表 面 质量 提 高 文 献 : 1 P , R , B , et . 2003 , 299 :6862688.2 R , M L , L U J , et of by J 1999 ,11 :4332440.3 R , Z B , W P , et An of e by J . 2002 , 50 :460324616. 4 L , S C , F , et by . 2001 , 44 :179121795.5 雍 兴 平 , 刘 刚 , 吕 坚 , 等 . 低 碳 钢 表 面 纳 米 化 处 理及 结 构 特 征 J . 金 属 学 报 , 2002 , 38 (2) : L L U et of . 2002 , 38(2) :1572160.6 L , L U J , L U K. by . 2000 , 91295.7 吕 爱 强 , 张 洋 , 李 瑛 , 等 . 表 面 纳 米 化 对 316L 不 锈 钢性 能 的 影 响 J . 材 料 研 究 学 报 , 2005 ,19 (2) :U L I et on 16 J . 2005 , 19 (2) :1182124.8 巴 德 玛 , 马 世 宁 , 李 长 青 , 等 . 超 音 速 微 粒 轰 击 38 面 纳 米 化 的 研 究 J . 材 料 工 程 , 2006 , 17 (12) : L I et of 8 . 2006 , 17 (12) :327. 9 , , Y , et of in J . 2002 , 50 :2075 2 2084.10 赵 新 奇 , 熊 天 英 , 徐 政 , 等 . 40 表 面 纳 米 化 的 研究 J . 同 济 大 学 学 报 , 2004 , 32 (2) : et of to of 0in . 2004 , 32 (2) : 2182221.125第 5 期 李 国 宾 ,等 :表 面 纳 米 化 中 碳 钢 磨 合 磨 损 性 能 研 究11 赵 新 奇 , 徐 政 , 张 俊 宝 , 等 . 40 表 面 纳 米 层 的 微 观 结构 J . 材 料 科 学 与 工 程 学 报 , 2003 , 21(5) : J et of 0 . 2003 , 21 (5) : 7062710.12 宋 洪 伟 , 刘 志 文 , 张 俊 宝 , 等 . 表 面 纳 米 化 40 的 组织 特 征 J . 机 械 工 程 材 料 , 2004 , 28 (1) : L J et of 0Cr . 2004 , 28 (1) :35237.13 赵 新 奇 , 徐 政 , 熊 天 英 , 等 . 40 表 面 纳 米 层 形 成机 理 的 研 究 J . 同 济 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 ) , 2005 ,33 (2) : et on of 0Cr J . , 2005 , 33 (2) : 1962200.14 赵 新