2Cr13鋼滲氮層在真空干滑動和脂潤滑條件下摩擦學行為.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、力學性能優(yōu)異及滲氮工藝性良好等優(yōu)點，應用前景廣闊。針對2Cr13鋼滲氮層在空間應用的需要，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行為與磨損機制，將具有重要的理論與工程實際意義。本文利用銷-盤式摩擦磨損試驗機對2Cr13鋼氣體滲氮層和離子滲氮層進行了系統(tǒng)的真空滑動摩擦磨損試驗，研究法向載荷、滑動速度及脂潤滑對滲氮層摩擦學行為及磨損機制的影響，建立了磨損機制

2、圖，并揭示了磨損前后滲氮層的顯微組織、殘余應力和顯微硬度的變化。此外，還針對潤滑脂在真空滑動試驗過程中與離子滲氮層之間的相互作用特點進行了分析，闡明了潤滑脂退化機理。
　　試驗表明，2Cr13鋼氣體滲氮層和離子滲氮層與自身對磨時，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。當超過一定的滑動速度或載荷時，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/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，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，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(低載荷時除外)；并且，其降低幅度隨載荷增加而增大。在試驗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、輕微疲勞點蝕和局部輕度剝落特征的輕微復合磨損機制轉(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制圖。
　　試驗分析表明，2Cr13鋼離子滲氮層與PFPE潤滑脂在真空摩擦磨損過程中發(fā)生化學反應，生成FeF3。所生成的FeF3可作為催化劑，促進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