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粉末的摩擦机理与对比分析

文章出处:责任编辑:发表时间:2020-08-24【

  固体润滑作为现代发展迅速的1种润滑技术,可以有效降低边界润滑条件下摩擦副的磨损。而如何在脂润滑条件下采用固体润滑技术来提高摩擦副材料抵抗磨损的能力仍是需要探索的问题。JPAntony等研究了在润滑脂中添加MoS2和石墨的协同作用,研究发现添加这2种固体润滑材料可以产生很好的协同作用,能有效地提高润滑脂的极压性能。WJBartz研究了润滑脂中添加不同量的MoS2和石墨对抗磨性能的影响,研究发现在合适添加量下,固体润滑微粒的存在能够很好地改善润滑介质的摩擦学性能。SPalios等研究了含聚四氟乙烯的润滑介质边界成膜性能及减摩抗磨性能,研究发现在润滑油中添加微米聚四氟乙烯可以很好地减小摩擦。王廷梅等研究了聚酰亚胺/二硫化钼插层复合材料作为润滑脂添加剂的摩擦磨损行为,研究发现合成的PI/MoS2插层复合材料作为锂基脂添加剂对钢-钢摩擦副表现出良好的减摩抗磨作用。近年来,低温离子渗硫技术作为1种新型的固体润滑薄膜的制备方法得到了较为广泛的应用与研究。有研究表明,钢铁材料在经过低温离子渗硫处理后在油润滑和干摩擦的条件下,摩擦磨损性能均得到很好的提高。FeS作为1种性能优良的固体润滑材料,价格低廉,实际价格仅为MoS2的1.但是轴承钢在脂润滑条件下使用FeS固体润滑材料的摩擦磨损性能很少报道。

  本文通过2种方法将FeS固体润滑材料应用于脂润滑下轴承钢材料的摩擦过程中:通过低温离子渗硫处理在轴承钢表面制取渗硫层,将FeS材料研磨成微米粉末添加到润滑脂中。对比研究了轴承钢渗硫层和使用FeS微米粉末的摩擦学性能,并探讨了其作用机理,以期为改善实际轴承的使用提供试验依据。

  1实验部分1.1试验材料选用经过淬火、低温回火处理的GCr15轴承钢(HRC61)为基础圆盘试样材料。选择部分GCr15轴承钢圆盘试样利用低温离子渗硫技术在表面制取渗硫层。渗硫处理工艺:将处理试样放置在离子渗硫设备的阴极盘上,以固体硫作为渗硫处理的硫源,施加700800V的处理电压,真空度控制在3070Pa,在150160的温度下保温4h.

  基础脂选用中国石化公司生产的3号通用锂基脂,其理化指标见。

  选用化学分析纯FeS作为原料,采用机械研磨的方式制取FeS细粉颗粒。将FeS原料浸入酒精中放入研磨机进行研磨,研磨时间为12h.研磨完成后经过滤干燥得到FeS颗粒。将制取好的FeS微粒按质量分数10加入锂基脂中并混合均匀。

  1。2试验方法摩擦磨损试验在自制GWL-1000型球-盘试验机上进行,试验之前先在圆盘表面均匀涂抹10mL润滑脂,在试验中每5min向摩擦表面补充2mL润滑脂。磨损试验选择不同转速与载荷进行1h试验,试样在选定转速和90N载荷下跑合1min,然后每隔1min加载30N,直至加载到需要载荷。在固定载荷为150N时,圆盘转速选择600、800、1000、1200、1400r/min5种转速;在固定转速为800r/min时,载荷选择为100、150、200、250、300N。试验过程中记录摩擦力的变化,试验结束后利用LarkLAC-24电子天秤(精确度0。1mg)测量磨损量。

  制取的微米FeS粉末通过激光粒度分析仪分析粒度。利用SEM和EDS分析磨损表面的形貌和成分,XPS分析磨损表面边界润滑膜化合物的价态,AES分析磨损表面元素随深度的变化。

  2结果与讨论2.1渗硫层与FeS微粒的分析GCr15轴承钢渗硫层表面的扫描电镜照片,可以看出渗硫层表面疏松多孔,并且呈层片堆垛结构。为渗硫层截面的扫描电镜照片及线扫描结果,表面黑色层为渗硫层,厚度约为3m.渗层与基体之间有明显的分界线。对渗硫层进行表面俄歇扫描分析,研究Fe和S元素随深度的变化(俄歇溅射速率为160nm/min)。为表面元素的俄歇溅射谱图,S元素富集在试件表面,随着溅射深度的增加,S含量迅速减少。

  所示为经过12h机械研磨的FeS颗粒的激光粒度分析结果。可以看出,FeS微粉平均粒度约为5m.所示为研磨后的FeS微粒的透射电镜照片,FeS微粒主要呈片状结构。

幸运飞艇官网  2.2摩擦学性能研究在固定载荷为150N时,磨损失重随转速的变化。可以看出,在不同转速下,轴承钢材料在脂润滑条件下使用FeS润滑材料的磨损损失都明显低于单纯使用基础脂润滑的情况。在基础脂润滑下,基础盘表面在转速超过800r/min时产生擦伤。在较低的转速下,基础脂润滑的渗硫表面体现出最好的抗磨性能。在600r/min和800r/min转速下磨损失重不到1mg.但随着转速的增加,其抗磨损性能迅速降低。在含FeS粉末脂润滑下的基础盘表面在较低转速下磨损量大于渗硫盘表面,但在高转速下表现出良好的抗磨性能,当转速达到1200r/min以上时,其磨损损失比渗硫盘表面低。

  在固定转速为800r/min时,磨损失重随载荷的变化。可以看出,渗硫盘和使用FeS粉末的抗磨损性能均明显优于不使用FeS材料时的基础盘。

  在基础脂润滑下,基础盘表面在载荷超过150N时即产生擦伤。当载荷小于300N时,基础脂润滑下的轴承钢渗硫盘表面的抗磨性能最佳。当载荷达到300N时,在含FeS微粒脂润滑下的基础盘表面的抗磨性能则好于基础脂润滑下的渗硫盘表面。

  和为摩擦系数随转速、载荷的变化。在基础脂润滑下的渗硫盘体现出较好的减摩性能,摩擦系数在较低转速(小于等于1000r/min)和各种载荷下都稳定在1个较低的水平。相比之下,含FeS微粒脂润滑下基础盘的摩擦系数比在基础脂润滑下的渗硫盘略高,但是在转速为1400r/min时其减摩性能则相对较好。在基础脂润滑下的基础盘的减摩性能在不同转速载荷下均最差。

  2。3分析与讨论磨损表面的扫描电镜照片及能谱分析。

  通过电镜照片可以看出,在基础脂润滑下的基础盘磨损较为严重,在表面出现明显的塑性变形并且黏附了大量的球状磨屑,呈现典型的应变疲劳磨损的特征。基础脂润滑下的渗硫盘表面和含FeS微粒脂润滑下的基础盘表面磨损程度较低,磨损表面比较平整。在对磨损表面的能谱分析上可以发现S元素,说明FeS润滑材料在磨损过程中对表面可起到很好的保护作用。

幸运飞艇官网  磨损表面边界润滑的XPS元素价态分析。在基础脂润滑下基础盘的磨损表面主要形成以FeO为主的边界润滑薄膜,这主要是由基体的Fe元素与空气中的O元素在摩擦热作用下发生反应而生成。与之相比,在基础脂润滑下的渗硫盘和在含FeS微粒脂润滑下的基础盘的磨损表面除了FeO之外还生成了FeS和FeSO4。在磨损过程中,轴承钢表面的渗硫层和润滑脂中存在的FeS微粒在摩擦热的作用产生分解,分解出来的S2-会与基体的Fe元素产生反应而生成FeS.同样S2-也会与空气中的O元

  素发生反应生成SO2-4。在表面起到润滑作用的主要是FeS,FeSO4是FeS的氧化产物,并不能对润滑产生作用。1为磨损表面S元素的价态随深度的变化谱,可以看出,不具备润滑作用的FeSO4只存在于表面,边界润滑膜的主要成分是FeS.

  所示为在基础脂润滑下的渗硫盘和在含FeS微粒脂润滑下基础盘的磨损表面元素随溅射时间变化的AES分析谱图。可以看出,在含FeS微粒脂润滑下基础盘的磨损表面的S元素含量随着溅射时间逐渐减少,当溅射时间超过5min时,其表面的S元素含量几乎消失。与之相比,基础脂润滑下的渗硫盘的磨损表面的S含量始终保持在1个较高的水平。

  2种盘磨损表面的O元素变化趋势与S元素类似。

  FeS是1种典型的固体润滑材料,呈密排六方结构,具有类似石墨的层状结构,受力时易沿{0001}滑移面产生滑移,具有低剪切强度和高熔点(1100),硬度为HV50100.将FeS粉末作为添加剂加入到基础脂中,可以起到分担载荷的作用,从而提高润滑脂的极压性能。在摩擦过程中,润滑脂中的FeS微粒能够吸附到摩擦表面上,形成固体润滑薄层,这层吸附层可以保护表面,避免受到严重的破坏。当FeS添加微粒在磨损过程中破碎解体时,其分解出来的S2-可以在摩擦热的作用下与基体反应继续生成FeS,从而延长FeS固体润滑的作用。

  通过低温离子渗硫技术所制取的表面渗硫层具有良好的减摩抗磨作用,是通过含FeS的改性层来实现的,但是其作用机理与使用FeS粉末有所不同。

  通过化学热处理形成的渗硫层与基体是冶金结合,比FeS微粒在表面形成的吸附层相比,与金属基体之间有更强的结合力,可以更好地抵抗磨损。所以基础脂润滑下的渗硫盘磨损表面的S2-的含量及影响深度都比使用FeS粉末的基础盘磨损表面更高更深。由于表面较高的S元素含量可以促使表面氧化膜的形成,较厚的氧化膜也可以有效地提升硫化层的抵抗磨损的性能。因此在较低的转速与载荷下,渗硫盘磨损表面的含氧量也较高,并体现出较好的摩擦磨损性能。此外,渗硫层在较高的摩擦温度下会产生分解,分解出来的S元素可与基体产生反应补充所形成的FeS边界润滑膜从而延长固体润滑的作用,但是渗硫层在磨损过程对于表面S元素的补充作用比FeS润滑脂添加剂弱。当载荷不是很高的情况下,表面的润滑脂可支撑较长的时间,FeS微粒在表面的吸附速度会随着转速的增加而加快,所以含FeS微粒脂润滑下的基础盘的抗磨性能在转速超过1200r/min时更好。随着载荷的进一步增加,渗硫盘表面的渗硫层会迅速被破坏,而这种破坏属于不可修复性的。但是只要接触表面之间存在润滑脂,润滑脂中的FeS微粒的吸附保护作用就会继续,所以含FeS微粒脂润滑下的基础盘的抗磨性能在较高载荷下要好于基础脂润滑下的渗硫盘。

  3结论a.在脂润滑条件下,在材料表面制取渗硫层和使用FeS粉末均可有效地提升轴承钢材料的减摩抗磨性能。

  b.当FeS微粒作为添加剂加入到基础脂中,润滑脂的极压性能明显提高。FeS微粒在磨损过程中能够吸附到摩擦表面上形成固体润滑薄层,这层吸附层可以起到很好的固体润滑作用。表面渗硫层可与基体之间形成冶金结合,比使用FeS微粒所形成的吸附层在表面有更高含量的S元素。渗硫层在较低的转速载荷下体现出较好的摩擦磨损性能。渗硫层在磨损过程对于表面S元素的补充作用比FeS润滑脂添加剂弱,在较高转速载荷下渗硫层的抗磨性能不如使用含FeS微粒的润滑脂。

幸运飞艇官网  c.FeS材料在摩擦过程中会产生分解,由于分解而释放出来的活性S元素在较高的摩擦温度下可以与基体发生反应形成的FeS边界润滑薄膜,从而延长固体润滑的作用。


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