1引言 相对运动或有相对运动趋势的物体接触面之间存在着摩擦.物体的摩擦性能与使用条件以及材料本征 性能相关.在许多工程应用场合,如何降低接触面之间的摩擦显得很重要;但是,也有一些场合需要利用摩擦,达到工程应用目的.为使摩擦副的摩擦性能满足工程的需要,可采用不同的成膜工艺,对基材进行表面改性.等离子喷涂 工艺制备的涂层材料不仅与基材具有较高的结合强度,而且,通过控制原料的颗粒度等方法可调节 摩擦副的表面粗糙度,获得可满足实用的摩擦性能盛选禹等
采用等离子喷涂技术制备的A1 203一TIO:涂层与TSA组成摩擦副,在6MPa压强条件下,可获得0.4以上的静摩擦 系数,满足了制动器用摩擦性能的要求.童兆和等研究了不同粒度的原料制备的WC涂层自 配对摩擦副在低载荷(0、0.2MPa)条件下的摩擦性能,获得了较高的静摩擦系数;可惜的是,高载荷条件下,WC涂层摩擦副的摩擦性能未有报道.sikorski<3}指出金属材料的弹性模量、显微硬度、表面能及重结晶温度越高,材料的摩 擦系数越低,反之亦然.粗糙表面硬质颗粒相对偶件软质表面的犁削作用是提高摩擦系数的一个重 要因素【”一6〕.本项研究采用等离子喷涂工艺制备粗糙的wc涂层,分别与铝合金(LY12 Cz)、钦合金(TC4)、真空等离子喷涂钦涂层(Ti(VPS))、大气等离子喷涂钦涂层 (Ti(APS))、NIAI合金涂层、阳极氧化A12O3膜以及电镀Zn膜和Ni膜等组成 摩擦副,测定了它们的静摩擦系数;探讨对磨材料性能、表面粗糙度和载荷等对摩擦副静摩擦系数的影响.2实验2.1材料等离子喷涂原料为市售WC一12Co(平均粒径:80.2拼m)、NIAI合金(平均粒径:50.2ltm)和Ti(平均粒径:37.2赵m)等粉末.采用Sulzer Metco公司的等离子喷涂系统制备涂层.基材为TC4钦合金.试样尺寸分别为15mm火30 mmxZmrn和必、L3ommx功二IOmm、10,nm.洽尽制备前,用刚玉砂对TC4钦合金基材进行喷砂处理,涂层喷涂工艺列于表1中.以LY12CZ铝合金为基材,采用电镀工艺分别制备Ni、Zn镀层,镀层厚度约为10赵m.另外,在铝合金表面进行阳极化处理,形成A12 03膜,膜厚约为30户m. 表1等离子喷涂工艺参数 1,巨ble 1 Plasma spr即ing parametersWC一Co Ti(ApS)Ti(VpS)NIAI﹄了︵七5巳40 10240 103住 Od40 102primary plasma gas,Ar/slpmSeeondary plasma gas,HZ/slpmCarrier gas,Ar/slpmpowder flow rate/g·min一‘P lasma jet tyPeSpr叮power/kwSpray distanee/mm14.717.337.4F4一VBF4一MBF4一VBF4一MB44.3110Tests以rfaeesliding obleet图1静摩擦力测试装置Fig.1 Sehematie diagram of frietion measure-Inent2.2静摩擦系数测量 静摩擦系数的测定分别在自行设计制造的二种静摩擦测试装置上进行.低压应力的测试装置示意图见 图1,压应力F垂直加载于摩擦副的上试样,可在O、98N范围内调节.平面摩擦副材料置于光 滑的测试平面上,下侧偶件通过止滑块固定于测试平面上,以防止其与平面间产生相对滑动.摩擦 试件质量(m)较小,可忽略不计.牵引力W由量砂器加人.当摩擦副发生相对滑动时,此刻的牵引力即为静摩擦力,摩擦副的静摩擦系数拼。按下列公式计算:(1)W一F一一 脚 高压应力(2940N)条件下静摩擦系数的测量见图2.试验分两步执行:(l)加载压应力,摩 擦副由3个吟卜30mm“功内IOmmx10mm的圆柱状滑块组成,同种表面材质的两个滑块 嵌于夹具中,中间的滑块双面加有WC涂层通过螺栓垂直加载压应力F,并由压力传感器及外接仪 表显示应力值.每次测量前,传感器用L6n型6000N二等测力机标定.(2)测量静摩擦力 .当F加载完毕后,将夹具横卧于材料试验机的测试平台上,通过顶头逐步施加推动力T,直至中 间滑块移动,记录此刻的推力T,按公式(2)可计算出高载荷条件下摩擦副的静摩擦系数.赵“=丽其中F=2940NPreSSuresensorto digital meterS!iding body with WC eoatings图2静摩擦力测试装置F 19.2 Sehematie diagram of frietion measurement under high一aPplied load2.3涂层表面粗糙度和显微硬度 试样表面粗糙度采用德国Hommel超声清洗. 涂层截面金相试样的显微硬度采用显微硬度为20个测量数据的平均值.T8000表面粗糙度仪进 行分析.测试前,试样经丙酮Viekers压头,载荷l.96N,保荷时间一55.每个试样的3结果和讨论3.1静摩擦系数与材质和载荷的关系等离子喷涂WC涂层与不同偶件材料组成摩擦副,在不同载荷条件下的摩擦性能如表2所示.可以看 出,wC涂层与Zn镀层和铝合金配对具有较高的静摩擦系数;与Ni镀层、NIAI涂层、A1 2O3阳极氧化层和真空等离子喷涂Ti涂层配对的静摩擦系数次之;与TC4钦合金和大气等离 子喷涂Ti涂层配对的静摩擦系数为最小.根据Goddard和Wllman的理论.对于本试验中特定的摩擦副材料,硬质wC颗粒的:和0已相对确定,但不同的偶件材料,由 于材料显微硬度的差别,造成、值的差异.图4给出了NIAI涂层与TC4钦合金分别与WC涂 层对磨后的划痕形貌.材质越软,二值越大,因而,在一定范围内可使犁削项拼p增大,提高了摩擦副的静摩擦系数·在9.8、98N低载荷条件下,随着载荷的增加,各摩擦副的静摩擦系数不断减小.这是由于粗糙 的WC涂层表面的硬质颗粒嵌入偶件材料内部,随着载荷的增加,导致偶件材料内部产生塑性变形 和塑性流动比6>,因而,静摩擦系数随载荷增加而减小.在2940N的高载荷条件下,各摩擦 副的静摩擦系数比98N载荷条件下的静摩擦系数略低,这表明当载荷>98N表2摩擦副在不同载荷下的静摩擦系数压hble2 Statie frietion eoemeient of frietion Pairs under various loadsHv .200Load/NRietion Pair/GPa9 .819,649.02940Q口O门八匕一了 .…nUn︺no9801 .01 .2O八OJ :︸.1,1q‘n︺ :q‘八乙八匕11 :n︺曰.工1 .61,40 .6﹃匕脚了OQ︺︸a月以︸ :,…nll CLJ 11 0 Clj CUnJ njdl了一从11 .-…1止1工nU 0 1.1一勺,曰 ,.曰.1闷.1只9 :曰.上1立娜了OJJ.上︸.上、VC1 .62 .3140 .80 .74 OJ :n flU丹匕4 :0 CU︵h奋a -.n nUQ曰只︶ :1上n︺ Zn Plate 1入尸12CZ alloy Ni plateNIAI alloy eoatingAnodized A12O3Ti eoating(VpS) TC4 alloyTi Coating(ApS)0 .7q乙只 :OJ只2乌.一韶沂了尸 那“一 .,.,,!…,}}.,,.,,,.t二门曰八U艺。一。石。0。uo一七仁陈1010解w夺 图3不同表面颗粒形貌硬质材料与偶件材料组成摩擦副的摩擦系数<’1Fig.3 Frietion eoeffieient as a funetion of the ratio of the groove width to the tip radius of a hard eonieal partiele for different eone angles<4>后,载荷的进一步提高并未使摩擦副的静摩擦系数发生明显的变化.根据海曼一里格涅提出的摩擦能量模型,摩擦系数拼可由下式表示: 户=二t几加/N(3) 式(3)中二为变形区的平均宽度;t为变形层的厚度;几为稳定状态时的剪应变;加为稳定状态时的剪应力;N为法向载荷. 法向载荷的增加导致了变形区的宽度和厚度的提高,为此,当载荷为98、294ON范围时,各摩 擦副的静摩擦系数未发生明显的变化.巴墓雄渔筋脸肥鹅进户毛仍万劲皿胭泌酮渡过1以继滥兀.双团监确绷即锹)吧肠姗冷巡幽割心贷怡吧双彭甜璐翻澎幽田理编勤必份玛撇鉴目泌城住口岛胭尸图4(a)TC4合金和(b)NIAI合金涂层与WC涂层对磨后的划痕形貌 Fig.4 Seanning eleetron mierographe of worn盯ooves on(a)TC4 all叮and(b)NIAI all叮coating, Ploughed by Plasma sPrayed WC eoating 表3列出了不同表面粗糙度的TC4/wC摩擦副的静摩擦系数·可以看出,较高表面粗糙度的WC 涂层,摩擦副的静摩擦系数较大;TC4材料的表面粗糙度越低,与WC涂层构成摩擦副的静摩擦 系数越高.这是由于粗糙硬质WC涂层材料在光洁的TC4表面的相对接触面积大于粗糙的TC4表面的接触,犁削作用显著,为此,提高了摩擦副的静摩擦系数.表3 WC/TC4摩擦副不同粗糙度表面的摩擦性能 肠 ble 3 Coemeient of stat
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