車軸鋼表面涂層-改性層的轉(zhuǎn)動微動磨損研究.pdf

1、轉(zhuǎn)動微動是在交變載荷下接觸副發(fā)生微幅轉(zhuǎn)動的相對運動。轉(zhuǎn)動微動現(xiàn)象在工業(yè)各領(lǐng)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(shù)，作為一種經(jīng)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(guān)表面工程技術(shù)抗轉(zhuǎn)動微動磨損的研究報道。因此，系統(tǒng)研究粘結(jié)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(zhuǎn)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(zhuǎn)動微動磨損機理具有

2、重要的理論意義，而且在指導(dǎo)表面工程技術(shù)抗轉(zhuǎn)動微動損傷的應(yīng)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(jié)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(zhuǎn)動微動試驗。采用顯微硬度儀、光學(xué)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(jié)合微動磨損動力學(xué)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(jié)論如下：
　　 1.MoS2涂層的轉(zhuǎn)動微動磨損特性MoS2涂層具有易滑性的晶體結(jié)構(gòu)，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(shù)曲線的演變規(guī)律與所處的微動區(qū)域有關(guān)。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(xiàn)受壓痕跡，幾乎無損傷；在滑移區(qū)，轉(zhuǎn)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(xiàn)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(zhuǎn)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(shù)曲線的演變規(guī)律與所處的微動區(qū)域有關(guān)。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(xiàn)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(zhuǎn)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(shù)與耗散能的演變規(guī)律具有一定的對應(yīng)關(guān)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(zhuǎn)變?；茀^(qū)中心未觀察到“隆起”現(xiàn)象，這可能是基材經(jīng)過激光淬火處理，硬度升高，塑性降低，在轉(zhuǎn)動微動運動過程中，不易產(chǎn)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(zhuǎn)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(xué)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(shù)、改變表面化學(xué)性能、增加表面硬度和引入殘余

8、壓應(yīng)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(shù)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(shù)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(jié)MoS2涂層存在“隆起”現(xiàn)象，其