2Cr13鋼滲氮層在真空干滑動和脂潤滑條件下摩擦學(xué)行為.pdf

1、2Cr13馬氏體型不銹鋼是空間摩擦副(如齒輪)常用的侯選材料，具有抗腐蝕、力學(xué)性能優(yōu)異及滲氮工藝性良好等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。針對2Cr13鋼滲氮層在空間應(yīng)用的需要，系統(tǒng)研究滲氮層在真空干滑動和脂潤滑條件下的摩擦學(xué)行為與磨損機(jī)制，將具有重要的理論與工程實(shí)際意義。本文利用銷-盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對2Cr13鋼氣體滲氮層和離子滲氮層進(jìn)行了系統(tǒng)的真空滑動摩擦磨損試驗(yàn)，研究法向載荷、滑動速度及脂潤滑對滲氮層摩擦學(xué)行為及磨損機(jī)制的影響，建立了磨損機(jī)制

2、圖，并揭示了磨損前后滲氮層的顯微組織、殘余應(yīng)力和顯微硬度的變化。此外，還針對潤滑脂在真空滑動試驗(yàn)過程中與離子滲氮層之間的相互作用特點(diǎn)進(jìn)行了分析，闡明了潤滑脂退化機(jī)理。
　　試驗(yàn)表明，2Cr13鋼氣體滲氮層和離子滲氮層與自身對磨時(shí)，在真空中不同載荷與較低滑動速度(0.2m/s-0.4m/s)條件下，摩擦力隨滑動距離變化呈現(xiàn)連續(xù)性波動的特征。在真空中高滑動速度和高載荷下，兩種滲氮層的摩擦力隨滑動距離變化均呈現(xiàn)間斷性的波動，且離子滲氮層

3、呈現(xiàn)較低的摩擦力波動幅度。在真空干滑動時(shí)兩種滲氮層的平均摩擦系數(shù)隨法向載荷和滑動速度的變化趨勢相似。在較低的滑動速度或載荷下，兩種滲氮層的體積磨損量均較小。當(dāng)超過一定的滑動速度或載荷時(shí)，兩種滲氮層的體積磨損量隨載荷或滑動速度的增加而迅速增加。離子滲氮層呈現(xiàn)較高的體積磨損量發(fā)生突變的臨界載荷。除高載荷90N與高滑動速度1.6m/s條件外，離子滲氮層的體積磨損量小于氣體滲氮層的體積磨損量。
　　在真空干滑動摩擦磨損試驗(yàn)條件下，隨著載荷

4、和滑動速度的增加，2Cr13鋼的氣體滲氮層和離子滲氮層均出現(xiàn)由輕微磨損向嚴(yán)重粘著磨損再向剝落磨損過渡。輕微磨損涉及微切削和輕微粘著磨損。離子滲氮層呈現(xiàn)較高的發(fā)生磨損機(jī)制轉(zhuǎn)變的臨界載荷和臨界滑動速度?；趦煞N滲氮層盤試樣的體積磨損量、磨損表面溫度及磨損表面和磨屑形貌特征，建立了氣體滲氮層和離子滲氮層在真空干滑動條件下的磨損機(jī)制圖。
　　在真空中高載荷90N與高滑動速度1.6m/s下，干滑動2000m后，2Cr13鋼的氣體滲氮層與離子

5、滲氮層試樣的擴(kuò)散層內(nèi)均出現(xiàn)裂紋和塑性變形流線，并且塑性變形區(qū)的顯微硬度明顯增高。在摩擦磨損過程中，兩種滲氮層磨損試樣均可在緊鄰化合物層的過渡薄層形成非晶態(tài)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，氣體滲氮層試樣表面的化合物層可在摩擦磨損過程中發(fā)生動態(tài)回復(fù)/再結(jié)晶，形成與基體襯度不同且有層錯亞結(jié)構(gòu)的γ′-Fe4N相新晶粒。
　　在真空脂潤滑摩擦磨損試驗(yàn)條件下，與滑動速度相比，載荷對2Cr13鋼離子滲氮層摩擦磨損行為的影響較為明顯。在低載荷(≤30N或10N)與不

6、同滑動速度條件下，摩擦力基本上保持不變；在較高載荷(>10N或>30N)時(shí)，摩擦力呈現(xiàn)波動性，并隨載荷增加波動幅度增大。在高載荷和滑動速度≥1.2m/s時(shí)，摩擦力的波動性表現(xiàn)為峰值與平臺交替出現(xiàn)，尤其在高載荷下更加明顯。平均摩擦系數(shù)隨載荷明顯增加，而隨滑動速度的增加有所降低(低載荷時(shí)除外)；并且，其降低幅度隨載荷增加而增大。在試驗(yàn)的載荷和滑動速度范圍內(nèi)，脂潤滑2Cr13鋼離子滲氮層在真空中的磨損機(jī)制均為輕微磨損。并且，隨著載荷和滑動速度

7、的增加，輕微磨損呈現(xiàn)出由具有微切削和輕微粘著特征的輕微磨損向具有微切削、輕微粘著、輕微疲勞點(diǎn)蝕和局部輕度剝落特征的輕微復(fù)合磨損機(jī)制轉(zhuǎn)變。通過綜合分析不同載荷與滑動速度的影響，建立了離子滲氮2Cr13鋼在真空中脂潤滑磨損機(jī)制圖。
　　試驗(yàn)分析表明，2Cr13鋼離子滲氮層與PFPE潤滑脂在真空摩擦磨損過程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成FeF3。所生成的FeF3可作為催化劑，促進(jìn)PFPE潤滑脂發(fā)生降解，形成酸性的氟化物。增加載荷和滑動速度會加速P