車軸鋼表面涂層-改性層的轉動微動磨損研究.pdf

1、轉動微動是在交變載荷下接觸副發(fā)生微幅轉動的相對運動。轉動微動現象在工業(yè)各領域普遍存在，其損傷大大縮短了零部件的使用壽命。表面工程技術，作為一種經濟、方便和性能優(yōu)異的減緩微動損傷的措施，可使基體材料得到很好地保護。但尚未見有關表面工程技術抗轉動微動磨損的研究報道。因此，系統(tǒng)研究粘結MoS2固體潤滑涂層、超音速火焰噴WC-17Co、WC-27CrNi涂層和激光淬火層的轉動微動磨損性能和損傷機理，不僅在揭示表面涂層/改性層轉動微動磨損機理具有

2、重要的理論意義，而且在指導表面工程技術抗轉動微動損傷的應用中也有重要的工程意義。
　　 本文在自主開發(fā)的高精度微動磨損試驗機上，采用球/平面接觸方式，在不同法向載荷、角位移幅值和循環(huán)周次下，對基材(LZ50車軸鋼)和四種涂層/改性層(粘結MoS2固體潤滑涂層、超音速火焰噴WC-17Co、WC-27CrNi涂層和激光淬火層)進行了轉動微動試驗。采用顯微硬度儀、光學顯微鏡(OM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、電子能譜儀(EDX)、X射

3、線衍射儀(XRD)、X射線光電能譜(XPS)和表面形貌儀等微觀分析手段，結合微動磨損動力學特性分析，系統(tǒng)研究了四種涂層/改性層的微動運行行為和損傷機理。獲得的主要結論如下：
　　 1.MoS2涂層的轉動微動磨損特性MoS2涂層具有易滑性的晶體結構，極易在切向力作用下發(fā)生微動運行區(qū)域的改變，使其滑移區(qū)向小角度位移幅值方向移動，部分滑移區(qū)運行范圍大幅度縮小，即滑移區(qū)運行范圍擴大。摩擦系數曲線的演變規(guī)律與所處的微動區(qū)域有關。摩擦耗散能

4、隨循環(huán)周次變化呈“上升-穩(wěn)定”兩個階段。在部分滑移區(qū)，MoS2涂層接觸區(qū)仍保留原始的顆粒狀特征，僅呈現受壓痕跡，幾乎無損傷；在滑移區(qū)，轉移膜和塑性流動層在接觸副之間形成，塑性流動層在磨損過程中發(fā)生加工硬化和摩擦氧化是涂層失效的主因。磨損機制為磨粒磨損、摩擦氧化和剝層。在完全滑移狀態(tài)下接觸中心具有“隆起”現象，但不明顯，主要是涂層太軟且具有良好流變特性。
　　 2.超音速火焰噴涂層的轉動微動磨損研究涂層由于高硬度、優(yōu)異的抗粘著性能

5、，在增加切向剛度的同時，在同樣工況下降低了接觸面積，促使涂層在更小角度位移幅值發(fā)生滑移，從而改變了基材的微動區(qū)域。摩擦系數曲線的演變規(guī)律與所處的微動區(qū)域有關。摩擦耗散能隨循環(huán)周次變化呈“起始-上升-峰值-穩(wěn)定-下降”五個階段。微動運行于部分滑移區(qū)時，WC-17Co涂層磨損十分輕微。微動運行于滑移區(qū)時，由于涂層高硬度抑制了接觸中心“隆起”現象的發(fā)生，損傷仍然輕微，且排屑能力好，而對磨副GCr15鋼球損傷較嚴重。超音速火焰噴涂WC-27Cr

6、Ni涂層的微動磨損特性與WC-17Co涂層相似，具有良好的抗微動磨損能力，但WC-27CrNi涂層的硬度較低，因此磨損相對嚴重。磨損機制為磨粒磨損、氧化磨損和剝層。
　　 3.激光淬火層的轉動微動磨損研究與基材相比，激光淬火層的滑移區(qū)向小角度位移幅值方向移動。摩擦系數與耗散能的演變規(guī)律具有一定的對應關系。在部分滑移區(qū)，微滑發(fā)生在接觸區(qū)邊緣，淬火層損傷輕微，磨損機制是磨粒磨損和氧化磨損。在滑移區(qū)，隨法向載荷的增加，其磨損機制由磨粒

7、磨損和氧化磨損向磨粒磨損、氧化磨損和剝層轉變?；茀^(qū)中心未觀察到“隆起”現象，這可能是基材經過激光淬火處理，硬度升高，塑性降低，在轉動微動運動過程中，不易產生塑性變形，而是直接發(fā)生剝落形成磨屑。
　　 4.四種涂層/改性層的轉動微動運行行為和損傷機理對比四種涂層/改性層的動力學曲線均只有直線型和平行四邊形型兩種形狀。MoS2涂層、超音速火焰噴涂層、激光淬火層通過降低切向剛度、降低摩擦系數、改變表面化學性能、增加表面硬度和引入殘余

8、壓應力改變了基材的微動運行區(qū)域。在不同角位移幅值下，四種涂層/改性層的摩擦系數由低到高依次是MoS2涂層、激光淬火層、WC-17Co、WC-27CrNi；隨著法向載荷的增加，四種涂層/改性層的摩擦系數逐漸降低，降低的速率由低到高依次是MoS2涂層、WC-17Co、激光淬火層、WC-27CrNi。四種涂層/改性層的摩擦耗散能隨角位移幅值的增加而增加。四種涂層/改性層的損傷均按剝層機制呈片狀剝落，其中僅有粘結MoS2涂層存在“隆起”現象，其