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矿石粉体作为自修复添加剂的摩擦学作用机理研究

陈文刚  
【摘要】: 金属磨损自修复技术是一项具有创新性的表面工程领域新技术。这项技术可以显著改善磨擦表面的接触力学特性和物理化学特性;选择性地补偿磨损表面,降低机械损耗;可对各种机器的金属磨损表面进行不拆卸的原位修复,使摩擦振动显著降低,从而降低能耗,并大幅度地延长装备的使用寿命。本文对自修复添加剂的热处理、制备、在润滑油中的分散性、自修复机理与影响因素以及混合粉体作为润滑油添加剂的抗磨减摩性能进行了系统的研究,得出主要结论如下: 1.借助X射线衍射仪、差热—热重分析仪和红外光谱对经不同温度热处理的蛇纹石进行分析的结果表明:在800℃左右煅烧后,蛇纹石发生相变,生成了镁橄榄石及顽火辉石,其化学反应式为:Mg_3Si_2O_5(OH)_4→Mg_2SiO_4+MgSiO_3+2H_2O。使用行星式球磨机在不同条件下制备蛇纹石粉体,采用不同的表面改性剂对蛇纹石微细粉体在润滑油中的分散性进行研究。结果表明:制备出的蛇纹石粉体粒径小于10μm,同时使用油酸和钛酸脂偶联剂修饰的粉体可以长时间悬浮于润滑油中。 2.采用扫描电镜(SEM)和能谱分析(EDXP)研究了在MM200试验机上45~#钢环表面上成膜过程及特性,结果表明自修复膜的形成过程是循序渐进的,在摩擦磨损时间很短时就开始出现了自修复膜层,成膜过程与磨损过程同时进行。随着摩擦磨损时间的增加,自修复膜在金属磨损表面形成的愈加均匀和完好。 3.在不同试验条件下对金属摩擦副之间的成膜特性进行的研究发现:在相对较高载荷下(大于600N)成膜现象较为明显;蛇纹石微粒在润滑油中的加入量为2%质量百分比时对金属摩擦副的抗磨性较为理想;在润滑油中加入蛇纹石粉的同时加入碳粉会降低金属摩擦副的摩擦系数,但对自修复膜的形成没有促进作用;550℃热处理和900℃热处理后粉体作为润滑油添加剂可以在磨损的金属表面形成一层带有大量显微孔洞的保护膜;在含有自修复添加剂的润滑条件下,在摩擦磨损过程中,渗碳金属表面可以形成一层自修复膜层,抑制表面裂纹的萌生与扩展,从而避免脆性剥落。 4.为改善添加剂粉体的减摩效果,研究了一种混合粉体作为润滑油添加剂的抗磨减摩特性,结果表明:这种蛇纹石和催化剂粉体的混合物粉体作为润滑油添加剂可以显著的降低摩擦副的摩擦系数,使摩擦系数达到0.006~0.007,同时可以降低摩擦副的磨损量。 5.采用多种微观分析手段系统的研究了添加剂粉体对磨损后表面的自修复特性及不同摩擦磨损时间后表面自修复膜的成膜特性和膜层的结构和元素组成,从而归纳出自修复膜成膜的机理为:(1)当悬浮于润滑油中的蛇纹石粉体与对磨摩擦副微凸体相接触时,添加剂粉体微粒会被相对运动的摩擦副微凸体剪切、挤压和研磨,产生粒度减小的添加剂粉体。同时,摩擦副上的微凸体相互运动,发生粘着和剪切,产生具有活化表面的磨屑和基体表面;(2)产生的具有活性表面的粉体微粒和基体表面发生吸附作用,粉体微粒吸附在基体表面上,同时一部分具有活性表面的粉体微粒和同样具有活性表面的磨屑相互吸附,沉积在摩擦副的凹坑处或悬浮在润滑油中,还有一部分粒度较大的粉体微粒同样沉积在摩擦副的凹坑处;(3)在机械力学作用和摩擦化学作用下,吸附在表面和沉积在摩擦副凹坑处的微粒发生摩擦化学作用,在局部区域生成自修复膜层;(4)在持续的机械力学作用和摩擦化学作用下,添加剂粉体继续在摩擦副表面铺展,压延,直至形成覆盖摩擦副表面的自修复膜层,之后摩擦磨损和自修复膜成膜达到动态平衡。


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