表面織構(gòu)化與等效涂層協(xié)同處理對gcr15鋼表面摩擦學(xué)性能的影響

表面織構(gòu)化與等效涂層協(xié)同處理對gcr15鋼表面摩擦學(xué)性能的影響

全氟醚滑動是一種抗高血壓、抗炎、抗輻射、化學(xué)陰性等性能好的滑動液，廣泛應(yīng)用于宇宙飛機(jī)的機(jī)械零件的潤濕機(jī)械。它也廣泛應(yīng)用于化工、3d打印、食品加工等設(shè)備和準(zhǔn)確度。表面織構(gòu)化作為一種改善機(jī)械零件、微/納零件摩擦學(xué)性能的有效手段，可改善材料的表面形貌，這將直接影響界面的粘著和摩擦行為以往學(xué)者所做的研究主要集中在單一表面織構(gòu)化技術(shù)或DLC涂層技術(shù)的潤滑特性上，對幾種表面處理技術(shù)的交互作用在金屬基材表面的微/納摩擦學(xué)行為的研究較少，因此有必要研究PFPE基脂潤滑下織構(gòu)與DLC涂層表面固體潤滑技術(shù)對金屬表面摩擦學(xué)性能的影響。本文評價了在GCr15鋼盤表面做織構(gòu)化處理、鍍DLC膜以及兩種方法協(xié)同作用在PFPE潤滑脂下的微/納摩擦學(xué)特性。1實(shí)驗(yàn)1.1ptfe潤滑的制備首先將六方氮化硼微粉加入到JC1800全氟聚醚基礎(chǔ)油中，氮化硼和基礎(chǔ)油的質(zhì)量比為1∶65，在球磨機(jī)中球磨（常溫，12h,900r/min），獲得小粒徑并均勻分散的潤滑油懸浮液。將球磨后的油液和聚四氟乙烯（PTFE）微粉，按照33∶17的質(zhì)量比混和，將混合物在磁力攪拌機(jī)上進(jìn)行攪拌（60℃，20min,500r/min），攪拌均勻后，再采用球磨機(jī)將混合物球磨6h，進(jìn)行研磨脫氣，然后在200℃的真空干燥箱中真空下放置2h，抽氣并除去易蒸發(fā)的組分。最后取出靜置冷卻至室溫，制得實(shí)驗(yàn)所用的PTFE潤滑脂。該潤滑脂主要物理化學(xué)性質(zhì)如下:外觀為乳白色，密度為1.85g/cm1.2鍍層盤的制備采用球-盤摩擦副進(jìn)行摩擦性能評價。金屬盤的材料為GCr15軸承鋼，直徑為30mm，厚度為5mm。測試前將金屬盤打磨拋光至表面粗糙度為0.02μm左右。制備鍍DLC涂層的盤，本文采用磁控濺射打底、化學(xué)氣相沉積的方式。在拋光后的金屬盤上沉積鍍膜，鍍上3μm或1μm厚的DLC涂層。制備織構(gòu)盤，織構(gòu)選用常見的點(diǎn)陣、條紋凹坑織構(gòu)和一種仿生減阻織構(gòu)，即圓形織構(gòu)、線形織構(gòu)本文中線形織構(gòu)、圓孔織構(gòu)、V型織構(gòu)和微紋織構(gòu)分別記為T1.3試驗(yàn)條件及介質(zhì)實(shí)驗(yàn)前，計(jì)算膜厚比，評估實(shí)驗(yàn)狀態(tài)，通過計(jì)算最小油膜厚度與摩擦副表面粗糙度的比值，如（1）式所示，計(jì)算膜厚比λ。式中：h最終設(shè)定的摩擦實(shí)驗(yàn)條件為：初始溫度(25±5)℃，法向載荷5N，往復(fù)滑動的頻率2Hz，滑移距離6mm，滑動速度0.012m/s，測試時間30min。潤滑介質(zhì)為上文制備的PTFE潤滑脂，添加量約為1.5mL。采用同一批金屬球與經(jīng)過不同表面處理的金屬盤試樣，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，對比和分析實(shí)驗(yàn)所得的摩擦系數(shù)，由磨痕計(jì)算得到了磨損量，進(jìn)而研究協(xié)同表面處理方法對GCr15鋼盤在脂潤滑下的摩擦學(xué)性能。2結(jié)果和分析2.1圖1:美國專家系統(tǒng)中國下的使用為了進(jìn)一步表征織構(gòu)的三維形狀和尺寸，采用OSL4000激光共聚焦顯微鏡對織構(gòu)進(jìn)行觀測，四種織構(gòu)的表面形貌如圖3所示。圖3a、3b和3c三種大尺寸織構(gòu)，由于激光加工的缺陷，部分熔化的金屬熔融物會在織構(gòu)內(nèi)部堆積。此外，由于激光的熱沖擊效應(yīng)，在織構(gòu)周邊產(chǎn)生隆起由激光掃描測算可知，圓形織構(gòu)的深度為(105±5)μm，線形織構(gòu)和V形織構(gòu)的深度分別為(24±2)μm和(50±3)μm，微紋織構(gòu)的表面粗糙度為(0.25±0.05)μm。2.2表面處理對摩擦學(xué)行為的影響2.2.1潤滑最佳溫度的確定圖4為相同實(shí)驗(yàn)條件下，四種織構(gòu)表面盤在PFPE脂潤滑下的摩擦系數(shù)曲線。由圖4可知，拋光盤試樣，在前200s處于磨合階段，摩擦系數(shù)呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢，在200～400s處于穩(wěn)定摩擦階段，摩擦系數(shù)趨于平緩。但是，在400s左右，摩擦系數(shù)迅速增大，并且在后續(xù)實(shí)驗(yàn)時間內(nèi)，摩擦系數(shù)呈現(xiàn)持續(xù)的波動。說明隨著摩擦的進(jìn)行，潤滑脂受到接觸壓力的作用，從摩擦副的接觸區(qū)被擠出，且潤滑脂流動性差，無法及時補(bǔ)充潤滑油膜，導(dǎo)致潤滑膜破損，潤滑失效并處于乏油潤滑狀態(tài)?？棙?gòu)可以改善潤滑脂的分布狀態(tài)，彌補(bǔ)了潤滑脂流動性的不足。在實(shí)驗(yàn)中，織構(gòu)的凹坑結(jié)構(gòu)會存儲一部分潤滑脂，當(dāng)受到載荷作用時，接觸區(qū)發(fā)生變形，存留在凹坑中的潤滑脂，隨著彈性形變的發(fā)生，一部分潤滑脂會重新進(jìn)入接觸區(qū)域，實(shí)現(xiàn)二次潤滑，因此在實(shí)驗(yàn)時間內(nèi)，摩擦系數(shù)較低且數(shù)值穩(wěn)定。從圖4可知，T圖5為無織構(gòu)盤和四種織構(gòu)配副球的表面磨損形貌。從圖5a中可以看出，相比T如圖5d所示，T表面織構(gòu)可以存儲潤滑介質(zhì)，促進(jìn)潤滑脂重新轉(zhuǎn)移并鋪展成低剪切強(qiáng)度的保護(hù)層2.2.2材料厚度對磨斑性能的影響選用1μm和3μm厚DLC膜的盤在相同實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，由圖4可見，由于DLC膜的減摩性質(zhì)，鍍DLC膜的盤在摩擦磨損實(shí)驗(yàn)中，摩擦系數(shù)比織構(gòu)盤低0.04。鍍1μm的DLC膜試樣的摩擦系數(shù)為0.085，而鍍3μm的DLC膜試樣的摩擦系數(shù)為0.075。圖6為不同DLC膜厚的試樣在摩擦實(shí)驗(yàn)后的磨斑圖像。對比可知，DLC-3試樣的磨斑直徑較大，即磨損量較大，表明同種實(shí)驗(yàn)條件，厚度對DLC涂層在脂潤滑下的摩擦性能存在影響。相同實(shí)驗(yàn)條件下，相比鍍1μm的DLC膜試樣，鍍3μm的DLC膜試樣的減摩性能更好，但是磨損量更大。采用硬度儀和粗糙度儀對無織構(gòu)盤、兩種厚度涂層盤表面進(jìn)行測定。DLC涂層表面和拋光盤的硬度與表面粗糙度如表1所示，幾種盤的表面粗糙度接近，但是硬度相差較大，較厚涂層表面受襯底的影響小，整體表面硬度大，等效彈性模量增大和泊松比減小。在這種情況下，較厚涂層試樣的赫茲接觸壓力大，因而摩擦球的變形量增大，DLC涂層的石墨化進(jìn)程加快。此外，較厚的DLC涂層比較薄的涂層具有更強(qiáng)的絕熱效果，而且薄膜硬度受襯底硬度的影響較小圖7為實(shí)驗(yàn)前后DLC薄膜的拉曼光譜的變化及其高斯分解圖。根據(jù)高斯分布擬合計(jì)算出峰的位置和I碳原子在金剛石中被sp2.3復(fù)合表面處理方法2.3.1織構(gòu)盤及摩擦學(xué)性能綜合評價表面織構(gòu)主要是通過緩釋潤滑脂、補(bǔ)充油膜并減少磨屑的方式改善潤滑。而DLC涂層則是通過表面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，形成更有利于潤滑的石墨結(jié)構(gòu)，代替油脂成膜，實(shí)現(xiàn)減摩的作用?；贒LC薄膜以及織構(gòu)化的兩種潤滑特性，設(shè)計(jì)了兩種加工方法，研究兩種表面處理方法對潤滑脂摩擦性能的協(xié)同效果。方法一是在加工好的織構(gòu)盤試樣表面鍍上DLC膜，記為T/DLC；方法二是在鍍有DLC涂層的金屬盤上加工四種織構(gòu)，記為DLC/T。其中，T表示四種織構(gòu)類型，DLC表示兩種厚度的DLC涂層。圖8為經(jīng)過兩種方法處理的盤在實(shí)驗(yàn)中的摩擦系數(shù)曲線及實(shí)驗(yàn)后的磨斑尺寸圖。由圖8a可見，DLC/T，即方法二可以較好地改善接觸表面的摩擦性能。采用方法二處理的試樣，在實(shí)驗(yàn)中的摩擦系數(shù)較低，減摩性能好，兩種處理方法下的摩擦系數(shù)差值在0.3左右。而由圖8b可見，復(fù)合表面處理下，膜厚對于磨損的影響小，不同織構(gòu)對磨損的影響較為明顯。對比可知，復(fù)合表面處理中，采用方法二處理的表面摩擦學(xué)性能較好。實(shí)驗(yàn)選用的T2.3.2涂層處理方式對表面粗糙度的影響圖9為經(jīng)過T采用粗糙度儀對處理后的表面進(jìn)行測量，結(jié)果如表2所示。由表2可知，采用在微紋織構(gòu)上沉積涂層的方式處理的表面，相比無織構(gòu)表面和織構(gòu)表面，表面粗糙度大，并且存在較大尺寸波動。表明沉積的DLC涂層表面質(zhì)量不好，DLC膜表面沒有形成類似的紋理織構(gòu)，表面粗糙度反而較大，凹坑邊緣可能存在鋒利的邊緣。在摩擦實(shí)驗(yàn)中，這些硬質(zhì)凸起會刮除轉(zhuǎn)移材料來中和摩擦膜的形成，導(dǎo)致轉(zhuǎn)移膜損失，使得潤滑性能變差2.3.3通過織構(gòu)化和涂層由圖9a可知，DLC/T圖10為DLC/T總的來說，采用DLC涂層上加工微紋織構(gòu)的方式處理形成的表面，減摩抗磨性能較好，相比僅織構(gòu)處理或僅涂層處理的表面，摩擦系數(shù)和磨斑尺寸減小，說明這種處理方式下，織構(gòu)化與涂層在改善表面潤滑性能方面產(chǎn)生了協(xié)同作用。在載荷作用下，涂層結(jié)構(gòu)發(fā)生石墨化轉(zhuǎn)變，因此摩擦系數(shù)穩(wěn)定并保持較低的數(shù)值。此外微紋織構(gòu)通過存儲潤滑介質(zhì)，保證了油膜的厚度和完整性，提高了油膜承載，減少了摩擦表面之間直接接觸，保護(hù)了摩擦表面，因此磨損量減小。3在微紋織構(gòu)上鍍投解劑1）四種織構(gòu)中，微紋織構(gòu)表面性能較好，相比線形織構(gòu)、圓形織構(gòu)和V形織構(gòu)，微紋織構(gòu)可以更好地提升PFPE脂潤滑下的GCr15軸承鋼盤的減摩抗磨性能，實(shí)驗(yàn)中所得的摩擦系數(shù)和磨損量最小。2)DLC涂層試樣中，較厚的涂層表面受襯底影響小，整體表面硬度高，接觸區(qū)域的接觸壓力大。因此，3μm厚的DLC涂層試樣在實(shí)驗(yàn)中，石墨化程度高，因而減摩性能好，摩擦系數(shù)較低，磨損量大。3）在織構(gòu)上鍍DLC膜的復(fù)合表面處理方法，相較于僅織構(gòu)盤，摩擦系數(shù)和磨損量均增大，說明這種方法下，織構(gòu)與DLC涂層產(chǎn)生了拮抗作用。4)DLC薄膜上加工微紋織