修復(fù)劑羥基硅酸鎂存在時鋼摩擦副的摩擦磨損特性研究

1、第25卷第4期摩擦學(xué)學(xué)報V o l25,N o4 2005年7月TRIBOLOGY July,2005修復(fù)劑羥基硅酸鎂存在時鋼摩擦副的摩擦磨損特性研究楊鶴,李生華,金元生(清華大學(xué)摩擦學(xué)國家重點實驗室,北京100084摘要:在實驗室條件下,驗證了主要組分為M g6Si4O10(O H8的金屬磨損自修復(fù)劑在45#鋼摩擦副表面形成修復(fù)保護層的能力,得到了厚36 m的反應(yīng)層;采用F alex型摩擦磨損試驗機進行了長達400h的摩擦磨損試驗,研究了在M g6Si4O10(OH8潤滑下45#鋼摩擦副的摩擦磨損性能、摩擦副摩擦表面顯微硬度和溫度隨時間變化的情況.結(jié)果表明:M g6Si4O10(O H8在潤

2、滑過程中具有準(zhǔn)周期性衰減振蕩函數(shù)的特點,200h左右為1個準(zhǔn)周期;反應(yīng)層的顯微硬度較45#鋼基體提高1倍;修復(fù)層的C和O含量較高.關(guān)鍵詞:鋼摩擦副;摩擦磨損性能;準(zhǔn)周期;修復(fù)層中圖分類號:T H117.3文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1004-0595(200504-0308-04磨損導(dǎo)致摩擦副失效.目前存在的摩擦副表面強化與修復(fù)技術(shù)包括預(yù)防性修復(fù)、故障后修復(fù)和原位自修復(fù)13.與前2種磨損修復(fù)技術(shù)相比,摩擦副表面磨損原位自修復(fù)技術(shù)可以在機器運行過程中自動進行,因而是1種主動維修技術(shù),可以節(jié)省大量人力物力.通常將修復(fù)添加劑加入到潤滑油中,通過潤滑油在機器系統(tǒng)中的循環(huán)將修復(fù)劑組分運送到磨損表面,在磨損區(qū)

3、域能量場和物質(zhì)場作用下,修復(fù)劑組分與金屬磨屑和潤滑油降解產(chǎn)物發(fā)生力化學(xué)和摩擦化學(xué)反應(yīng),在磨損區(qū)域生成具有磨損補償作用的第三體,以達到恢復(fù)磨損表面的配合狀態(tài)和力學(xué)性能的作用46.M g6Si4O10(OH8是1種原位自修復(fù)劑組分,經(jīng)鐵路機車柴油機行車試驗證明,其能夠在鐵基摩擦副表面生成高硬度、低摩擦修復(fù)層79.本文作者選擇45#鋼作為摩擦副材料,用M g6Si4O10(OH8進行長時間摩擦磨損試驗,初步探索修復(fù)層的生成規(guī)律.1實驗部分試驗載荷通過標(biāo)準(zhǔn)砝碼施加,載荷通過杠桿傳遞給摩擦副,杠桿比為101,接觸表面的實際載荷為44.5222.5N,轉(zhuǎn)速5003000r/m in.每個階段逐漸升高載荷和

4、轉(zhuǎn)速,每個載荷轉(zhuǎn)速組合運行10m in,最后在222.5N和3000r/min下運行250min.整個試驗包含11個試驗階段,每個試驗階段4個工作日(36h,累計試驗時間398h.每個試驗階段后采用精度為0.0001g的天平測量摩擦副的磨損質(zhì)量損失并計算磨損率.在Falex止推環(huán)摩擦副下試樣上切取部分以制作橫斷面金相試樣,利用CSEM-950型掃描電子顯微鏡(SEM觀測腐蝕試樣修復(fù)層斷面的形貌.利用DM-400顯微硬度計測量摩擦副表面顯微硬度,隨機選擇8個位置測量并求其平均值.2結(jié)果與討論2.1摩擦磨損性能圖1為整個摩擦過程的摩擦系數(shù)曲線,圖中每個點為每個試驗階段在充分跑合后的穩(wěn)定摩擦系數(shù).可

5、見在11個試驗階段中,第一個試驗階段的摩擦系數(shù)最高,達0.17,其余10個試驗階段摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.090.12的范圍內(nèi).根據(jù)潤滑機制的典型摩擦系數(shù)10,推斷第一個摩擦試驗階段處于邊界潤滑狀態(tài),收稿日期:2004-11-23;修回日期:2005-02-21/聯(lián)系人金元生,e-m ail:jinysmail.tsingh .作者簡介:金元生,男,1937年生,教授,博士生導(dǎo)師,目前主要從事摩擦化學(xué)和發(fā)動機化學(xué)設(shè)計研究.Fig 1Fr ictio n co efficient as a functio n o f time 圖1摩擦副的摩擦系數(shù)隨時間變化的關(guān)系曲線 Fig 2V ariatio n

6、 o f mass and w ear r ate w ithtime for the lo wer tr ibopair圖2摩擦副下試樣磨損質(zhì)量損失和磨損率隨時間變化的關(guān)系曲線量損失以及磨損率隨時間變化的關(guān)系曲線.可見,隨著運行時間的延長,下試樣磨損質(zhì)量損失逐漸減小,不同試驗階段的磨損率不相同:階段1由于原始摩擦副表面粗糙度較高,磨損率最大;從階段1至階段2,下試樣磨損質(zhì)量損失減小較快,磨損率較高;但在階段3至階段5期間,下試樣磨損質(zhì)量損失變化不大,磨損率維持在相對穩(wěn)定的較低值,約為5×10-5g /h ,據(jù)此推測,階段3至階段5是反應(yīng)層形成并保持動態(tài)平衡的時期;從階段6至階段11

7、,磨損率發(fā)展趨勢與階段1至階段5期間的一致,但前者的磨損率曲線較為平緩.比較2個時期的相應(yīng)階段,階段6的磨損率 遠小于階段1,在經(jīng)過1個過渡階段后,階段8至階段10的磨損率大于階段3至階段5的磨損率,而在每個時期的最后階段,磨損率曲線總是出現(xiàn)上升.在本文試驗條件下,由于修復(fù)劑的存在,導(dǎo)致摩擦副試樣的磨損率表現(xiàn)出準(zhǔn)周期衰減振蕩函數(shù)的基本特征,即在所運行的時間內(nèi),隨著運行時間延長,磨損率曲線的振幅總體呈持續(xù)下降趨勢,200h 為1個周期.準(zhǔn)周期內(nèi)各個階段磨損率的變化趨勢不是1個穩(wěn)定值,即磨損率歷經(jīng)第一階段急劇下降、第二階段緩慢過渡、第三、四階段基本穩(wěn)定、第五階段又上升來完成1個準(zhǔn)周期過程.在每個準(zhǔn)

8、周期的最后1個階段出現(xiàn)磨損質(zhì)量損失減小較快的情況,意味著修復(fù)層的形成在準(zhǔn)周期內(nèi)經(jīng)歷了形成-動平衡-(輕微破壞的變化的動力學(xué)特征.磨損率變化歷程的特征性與修復(fù)層形成過程的動力學(xué)特征一致.2.2磨損表面顯微硬度圖3是各個試驗階段后摩擦副下試樣磨損表面Fig 3V ar iat ion in micr o -hardness w ith t imefo r low er tribo lo gical sample圖3摩擦副下試樣表面顯微硬度隨時間變化的關(guān)系曲線的顯微硬度隨時間變化的關(guān)系曲線,圖中圓點為平均硬度值,其上下的方點分別表示各試驗階段后摩擦表面顯微硬度測量值中的最大值和最小值.可以看出,與4

9、5#鋼基材相比,各個試驗階段摩擦副磨損表面的顯微硬度均有較大提高,最高達780H V ,最低為564H V ,分別是基材顯微硬度的2.62倍和1.89倍.這是由于在磨損表面的不同區(qū)域所生成的反應(yīng)層厚度不均勻,局部區(qū)域生成的反應(yīng)層較薄,使得顯微硬度的測量過程中容易受到45#鋼體相材料較軟的影響,所測量的硬度值偏低.從磨損全過程來看,摩擦副磨損表面的平均顯微硬度隨著運行時間的延長而呈現(xiàn)上下起伏的態(tài)勢,但總趨勢為隨著運行時間的延長,磨損表面顯微硬度有所降低.2.3試樣溫度圖4所示為摩擦副下試樣的溫度隨時間變化的309第4期楊鶴等:修復(fù)劑羥基硅酸鎂存在時鋼摩擦副的摩擦磨損特性研究F ig4V ar i

10、ation in tempera ture w ith timefor low er tr ibo lo gical sample圖4摩擦副下試樣溫度隨時間變化的關(guān)系曲線關(guān)系曲線,圖中曲線上的點表示各試驗階段穩(wěn)定運行時的溫度,箭頭所指方向為溫度變化趨勢.可見試驗第一階段至試驗第五階段,摩擦副下試樣的溫度經(jīng)歷了先降低繼而升高的過程,根據(jù)磨損率曲線分析,試驗階段3、4和5是反應(yīng)層形成的動態(tài)平衡期,在此期間,摩擦釋放能上升,導(dǎo)致摩擦副溫度上升.試驗階段611的摩擦副下試樣溫度變化趨勢與試驗階段1 5的溫度變化趨勢具有重復(fù)性,其溫度變化趨勢較為平緩,這也佐證了整個摩擦過程具有準(zhǔn)周期性衰減振蕩函數(shù)的特點

11、.2.4修復(fù)層微觀結(jié)構(gòu)圖5(a所示為樣品橫斷面腐蝕后的二次電子SEM照片.可以看出在基體表面生成了致密的修復(fù)層,厚度約36 m,修復(fù)層生長在珠光體和鐵素體上,其中A處為沿珠光體生長的修復(fù)層,B處是在鐵素體上生長的修復(fù)層,其均與基體形成緊密的冶金結(jié)合,沒有明顯的物理界面.圖5(b為圖5(a中修復(fù)層的EDAX能譜分析圖譜.可以看出,修復(fù)層中C含量比45#鋼中的高得多,其來自于潤滑油的分解;同時修復(fù)層中O含量也很高,其來自于潤滑油添加劑以及金屬磨損自修復(fù)材料主體成分Mg6Si4O10(OH8的分解.同時可見修復(fù)層中不含M g,Si與基體的EDAX數(shù)據(jù)結(jié)果一致8,這說明在準(zhǔn)周期性修復(fù)層形成的摩擦過程中

12、, M g6Si4O10(OH8只起到了促生成的作用,沒有參與修復(fù)層的生成,而修復(fù)層中也沒有發(fā)現(xiàn)潤滑油中抗磨添加劑ZDTP的3種功能元素S、P和Zn以及分散劑璜酸鈣中的Ca元素,這可能是M g6Si4O10(OH8優(yōu)先與45#鋼磨損表面和/或潤滑劑中磨屑發(fā)生力化學(xué)/摩擦 化學(xué)反應(yīng),抑制了上述傳統(tǒng)添加劑形成摩擦反應(yīng)膜的功效.(aSEM image(2000×(bEDA X r esults o f pr ot ective layerFig5SEM imag e and EDA X results o f cr o ss-sectiono f the recov er ed layer

13、 with etching圖5修復(fù)層腐蝕斷面形貌的SEM照片與ED AX能譜分析結(jié)果3結(jié)論a.Mg6Si4O10(OH8參與的摩擦過程具有準(zhǔn)周期性衰減振蕩函數(shù)的特點,在200h左右為1個準(zhǔn)周期.b.M g6Si4O10(OH8可以使45#鋼摩擦副表面形成厚36 m的反應(yīng)層,隨著摩擦?xí)r間的延長,反應(yīng)層在摩擦表面覆蓋趨于均勻化,反應(yīng)層的顯微硬度比45#鋼的硬度提高1倍.c.在修復(fù)層中含有較高的元素C和元素O, M g6Si4O10(OH8沒有參與修復(fù)層的生成,只起到促生成的作用.參考文獻:1張緒壽,余來貴,陳建敏.表面工程摩擦學(xué)研究進展J.摩擦學(xué)學(xué)報,2000,20(2:156-160.Zhang

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20、,JIN Yuan-sheng(S tate K ey L abor atory of T r ibology ,T sing hua U niv er sity ,B eij ing ,100084Abstract :Tr ibolo gical behaviors of 45#steel-steel pair under presence of M g 6Si 4O 10(OH8as an additive dis-persed in API SD/CC/SAE40eng ine oil w ere investig ated.Tribolog ical experiments w ere carr ied out on a Falex friction and w ear tester in r ing -o n -ring contact co nfiguratio n for about 400h including 11ex perimental stages.Wear and m icro -hardness of the w orn surface w ere measured after every ex perimental s