不同工况条件下纳米添加剂抗磨减摩性能分析❋

2015-12-31左维琦

机械工程与自动化 2015年1期

关键词：磨斑法向因数

左维琦，袁吉，黑棣

（陕西铁路工程职业技术学院，陕西渭南 714000）

0 引言

微动摩擦试验中法向载荷、频率的变化对材料摩擦性能的变化有较大的影响［1－2］，纳米添加剂［3］以其良好的摩擦性能在现代工业中得到较为广泛的应用。为了更好地利用纳米氧化铝添加剂，需要探索纳米添加剂最适合的工作条件，本文对此进行了试验分析。

1 试验条件

1.1 试验材料

本试验用油为中负荷工业闭式齿轮油L－CKC220［4］。试验中为了使纳米氧化铝添加剂更好地与基础油相混合，采用聚乙二醇（PEG）作为分散剂。本试验中，选用GCr15滚珠轴承钢作为球体试验材料，其具体参数为：直径为Φ40mm，表面粗糙度为0.02μm；平面材料选用45钢，其尺寸为35mm×10 mm×10mm，经砂纸打磨后，利用抛光机抛光至粗糙度约为0.03μm～0.04μm。

1.2 试验仪器

本试验均在PLINT Deltalab－NENE－7卧式电液伺服微动磨损试验机［5］上进行，主要使用光学显微镜和带能谱分析仪的分析扫描电镜（EDX）对磨斑进行观测，使用JB－5C粗糙度轮廓仪对表面轮廓进行测量。

1.3 试验参数

振幅为0.1mm；频率为1Hz、2Hz和5Hz；循环次数为10 000次；法向载荷为100N和200N。

2 试验结果与分析

2.1 频率对摩擦磨损性能的影响

图1为在振幅0.1mm，法向载荷为100N，添加剂质量分数为5%，工作频率分别为1Hz、2Hz和5 Hz时的摩擦因数对比图。由图1可以看出：摩擦因数均经历跑合期、上升期、稳定期3个阶段；2Hz工作条件下，跑合期与上升期时间最长，但3个频率下工作到1 000次后摩擦因数都趋于稳定；最终1Hz、2Hz和5 Hz工作条件下摩擦因数分别稳定在0.18，0.17和0.15左右，可知在其他条件保持一致的条件下，随着频率的增加，摩擦因数减小。

图1 不同频率工况下摩擦因数对比图

图2为在振幅0.1mm，法向载荷为100N，添加剂质量分数为5%，工作频率分别为1Hz、2Hz和5 Hz时的摩斑轮廓对比图。由图2可以看出：当频率为1Hz时，磨斑宽度方向由－300μm延伸至400μm，总共达700μm左右，最大磨痕深度为15μm；当频率为2Hz时，磨斑深度处达到14μm，但磨斑宽度有较大变化，磨损严重区域仅从－100μm延伸至200μm，较1Hz时有显著减小；频率为5Hz工作条件下，磨斑宽度相对较大，磨斑整体较浅，最深处的磨斑也仅为10μm，但分布宽度较广。整个磨损体积由大及小依次是1Hz、2Hz、5Hz工作条件，频率增大的同时，磨斑体积在变小，磨损情况减弱，抗磨性能增强。

图3、图4和图5分别为不同频率工作条件下磨斑的扫描电镜图，磨斑分为粘着区和滑移区。由图3（c）图可以看出：1Hz工作条件下磨斑粘着区不仅出现磨坑，还出现大量的片状剥离。由图3（d）图可以看出：磨痕滑移区塑性变形明显，整体磨损严重。由图4（c）可以看出，其中心部位出现片状剥离，还出现了一些小小的点蚀，磨斑边缘区域不太光滑，边缘有一定的撕扯，在加载过程中造成了严重的塑性变形。由图5可以看出，整个磨损情况较弱，磨痕中心只出现轻微的块状剥落，磨斑边缘有一定的塑性变形。对3组图进行分析可知，随着频率的增大，磨斑的磨损情况减弱。

2.2 法向载荷对摩擦磨损性能的影响

图6为不同法向载荷工况下摩擦因数对比图。通过图6可知，法向载荷变化对材料的摩擦磨损情况影响较大。在200N法向载荷工作条件下，跑和期、上升期、稳定期3个阶段的摩擦因数均大于100N工作条件下的值。100N工作条件下，经过短暂的跑合期摩擦因数上升至峰值0.4左右，而后快速下降稳定在0.17左右。200N法向载荷下，跑和期内摩擦因数迅速增加，上升期时间也较短，摩擦因数迅速增加至峰值0.44，而后迅速下降，趋向于稳定，最终稳定在0.2左右，因此推断随着法向载荷的增加，试件表面更容易被破坏，摩擦力显著增大。对比不同法向载荷下的摩擦因数曲线，可知随着法向载荷的增加，摩擦因数变大。

图2 不同频率工况下磨斑轮廓对比图

图4 2Hz工作条件下磨斑扫描电镜图

图5 5Hz工作条件下磨斑扫描电镜图

图6 不同法向载荷工况下摩擦因数对比图

图7为不同法向载荷工况下磨斑轮廓对比。由图7可知：200N法向载荷下整个磨斑宽度由－400μm延伸至400μm，宽度约为800μm，最深处磨斑为11 μm；100N工作条件下，整个磨斑由－300μm延伸至300μm，宽度约为600μm，但磨痕最深处深度反而增加为14μm。由磨斑轮廓图分析可知，在试验范围内，法向载荷的增加会导致磨斑体积变大，但整体磨损情况会减弱。