修复剂羟基硅酸镁存在时钢摩擦副的摩擦磨损特性研究

1、第25卷第4期摩擦学学报V o l25,N o4 2005年7月TRIBOLOGY July,2005修复剂羟基硅酸镁存在时钢摩擦副的摩擦磨损特性研究杨鹤,李生华,金元生(清华大学摩擦学国家重点实验室,北京100084摘要:在实验室条件下,验证了主要组分为M g6Si4O10(O H8的金属磨损自修复剂在45#钢摩擦副表面形成修复保护层的能力,得到了厚36 m的反应层;采用F alex型摩擦磨损试验机进行了长达400h的摩擦磨损试验,研究了在M g6Si4O10(OH8润滑下45#钢摩擦副的摩擦磨损性能、摩擦副摩擦表面显微硬度和温度随时间变化的情况.结果表明:M g6Si4O10(O H8在润

2、滑过程中具有准周期性衰减振荡函数的特点,200h左右为1个准周期;反应层的显微硬度较45#钢基体提高1倍;修复层的C和O含量较高.关键词:钢摩擦副;摩擦磨损性能;准周期;修复层中图分类号:T H117.3文献标识码:A文章编号:1004-0595(200504-0308-04磨损导致摩擦副失效.目前存在的摩擦副表面强化与修复技术包括预防性修复、故障后修复和原位自修复13.与前2种磨损修复技术相比,摩擦副表面磨损原位自修复技术可以在机器运行过程中自动进行,因而是1种主动维修技术,可以节省大量人力物力.通常将修复添加剂加入到润滑油中,通过润滑油在机器系统中的循环将修复剂组分运送到磨损表面,在磨损区

3、域能量场和物质场作用下,修复剂组分与金属磨屑和润滑油降解产物发生力化学和摩擦化学反应,在磨损区域生成具有磨损补偿作用的第三体,以达到恢复磨损表面的配合状态和力学性能的作用46.M g6Si4O10(OH8是1种原位自修复剂组分,经铁路机车柴油机行车试验证明,其能够在铁基摩擦副表面生成高硬度、低摩擦修复层79.本文作者选择45#钢作为摩擦副材料,用M g6Si4O10(OH8进行长时间摩擦磨损试验,初步探索修复层的生成规律.1实验部分选择Falex1506型摩擦磨损试验机进行摩擦磨损试验.摩擦副为Falex1506标准止推环试样,材质均为45#钢,试样之间的接触面积为506mm2.润滑剂采用SD

4、/CC40汽油机、柴油机通用油和主要组分为M g6Si4O10(OH8的复合添加剂调配,添加浓度为1.56g/L.试验载荷通过标准砝码施加,载荷通过杠杆传递给摩擦副,杠杆比为101,接触表面的实际载荷为44.5222.5N,转速5003000r/m in.每个阶段逐渐升高载荷和转速,每个载荷转速组合运行10m in,最后在222.5N和3000r/min下运行250min.整个试验包含11个试验阶段,每个试验阶段4个工作日(36h,累计试验时间398h.每个试验阶段后采用精度为0.0001g的天平测量摩擦副的磨损质量损失并计算磨损率.在Falex止推环摩擦副下试样上切取部分以制作横断面金相试样

5、,利用CSEM-950型扫描电子显微镜(SEM观测腐蚀试样修复层断面的形貌.利用DM-400显微硬度计测量摩擦副表面显微硬度,随机选择8个位置测量并求其平均值.2结果与讨论2.1摩擦磨损性能图1为整个摩擦过程的摩擦系数曲线,图中每个点为每个试验阶段在充分跑合后的稳定摩擦系数.可见在11个试验阶段中,第一个试验阶段的摩擦系数最高,达0.17,其余10个试验阶段摩擦系数稳定在0.090.12的范围内.根据润滑机制的典型摩擦系数10,推断第一个摩擦试验阶段处于边界润滑状态,收稿日期:2004-11-23;修回日期:2005-02-21/联系人金元生,e-m ail:jinysmail.tsingh

6、.作者简介:金元生,男,1937年生,教授,博士生导师,目前主要从事摩擦化学和发动机化学设计研究.Fig 1Fr ictio n co efficient as a functio n o f time 图1摩擦副的摩擦系数随时间变化的关系曲线而后10个试验阶段则处于边界润滑与流体润滑共存的混合润滑状态.总体上,随着运行时间延长,摩擦系数逐渐降低,润滑机制由第一阶段的边界润滑逐渐过渡至边界润滑和流体润滑共存的混合润滑状态.图2分别示出了止推环摩擦副下试样的磨损质 Fig 2V ariatio n o f mass and w ear r ate w ithtime for the lo wer

7、 tr ibopair图2摩擦副下试样磨损质量损失和磨损率随时间变化的关系曲线量损失以及磨损率随时间变化的关系曲线.可见,随着运行时间的延长,下试样磨损质量损失逐渐减小,不同试验阶段的磨损率不相同:阶段1由于原始摩擦副表面粗糙度较高,磨损率最大;从阶段1至阶段2,下试样磨损质量损失减小较快,磨损率较高;但在阶段3至阶段5期间,下试样磨损质量损失变化不大,磨损率维持在相对稳定的较低值,约为5×10-5g /h ,据此推测,阶段3至阶段5是反应层形成并保持动态平衡的时期;从阶段6至阶段11,磨损率发展趋势与阶段1至阶段5期间的一致,但前者的磨损率曲线较为平缓.比较2个时期的相应阶段,阶段

8、6的磨损率 远小于阶段1,在经过1个过渡阶段后,阶段8至阶段10的磨损率大于阶段3至阶段5的磨损率,而在每个时期的最后阶段,磨损率曲线总是出现上升.在本文试验条件下,由于修复剂的存在,导致摩擦副试样的磨损率表现出准周期衰减振荡函数的基本特征,即在所运行的时间内,随着运行时间延长,磨损率曲线的振幅总体呈持续下降趋势,200h 为1个周期.准周期内各个阶段磨损率的变化趋势不是1个稳定值,即磨损率历经第一阶段急剧下降、第二阶段缓慢过渡、第三、四阶段基本稳定、第五阶段又上升来完成1个准周期过程.在每个准周期的最后1个阶段出现磨损质量损失减小较快的情况,意味着修复层的形成在准周期内经历了形成-动平衡-(

9、轻微破坏的变化的动力学特征.磨损率变化历程的特征性与修复层形成过程的动力学特征一致.2.2磨损表面显微硬度图3是各个试验阶段后摩擦副下试样磨损表面Fig 3V ar iat ion in micr o -hardness w ith t imefo r low er tribo lo gical sample图3摩擦副下试样表面显微硬度随时间变化的关系曲线的显微硬度随时间变化的关系曲线,图中圆点为平均硬度值,其上下的方点分别表示各试验阶段后摩擦表面显微硬度测量值中的最大值和最小值.可以看出,与45#钢基材相比,各个试验阶段摩擦副磨损表面的显微硬度均有较大提高,最高达780H V ,最低为564

10、H V ,分别是基材显微硬度的2.62倍和1.89倍.这是由于在磨损表面的不同区域所生成的反应层厚度不均匀,局部区域生成的反应层较薄,使得显微硬度的测量过程中容易受到45#钢体相材料较软的影响,所测量的硬度值偏低.从磨损全过程来看,摩擦副磨损表面的平均显微硬度随着运行时间的延长而呈现上下起伏的态势,但总趋势为随着运行时间的延长,磨损表面显微硬度有所降低.2.3试样温度图4所示为摩擦副下试样的温度随时间变化的309第4期杨鹤等:修复剂羟基硅酸镁存在时钢摩擦副的摩擦磨损特性研究F ig4V ar iation in tempera ture w ith timefor low er tr ibo

11、lo gical sample图4摩擦副下试样温度随时间变化的关系曲线关系曲线,图中曲线上的点表示各试验阶段稳定运行时的温度,箭头所指方向为温度变化趋势.可见试验第一阶段至试验第五阶段,摩擦副下试样的温度经历了先降低继而升高的过程,根据磨损率曲线分析,试验阶段3、4和5是反应层形成的动态平衡期,在此期间,摩擦释放能上升,导致摩擦副温度上升.试验阶段611的摩擦副下试样温度变化趋势与试验阶段1 5的温度变化趋势具有重复性,其温度变化趋势较为平缓,这也佐证了整个摩擦过程具有准周期性衰减振荡函数的特点.2.4修复层微观结构图5(a所示为样品横断面腐蚀后的二次电子SEM照片.可以看出在基体表面生成了致

12、密的修复层,厚度约36 m,修复层生长在珠光体和铁素体上,其中A处为沿珠光体生长的修复层,B处是在铁素体上生长的修复层,其均与基体形成紧密的冶金结合,没有明显的物理界面.图5(b为图5(a中修复层的EDAX能谱分析图谱.可以看出,修复层中C含量比45#钢中的高得多,其来自于润滑油的分解;同时修复层中O含量也很高,其来自于润滑油添加剂以及金属磨损自修复材料主体成分Mg6Si4O10(OH8的分解.同时可见修复层中不含M g,Si与基体的EDAX数据结果一致8,这说明在准周期性修复层形成的摩擦过程中, M g6Si4O10(OH8只起到了促生成的作用,没有参与修复层的生成,而修复层中也没有发现润滑

13、油中抗磨添加剂ZDTP的3种功能元素S、P和Zn以及分散剂璜酸钙中的Ca元素,这可能是M g6Si4O10(OH8优先与45#钢磨损表面和/或润滑剂中磨屑发生力化学/摩擦 化学反应,抑制了上述传统添加剂形成摩擦反应膜的功效.(aSEM image(2000×(bEDA X r esults o f pr ot ective layerFig5SEM imag e and EDA X results o f cr o ss-sectiono f the recov er ed layer with etching图5修复层腐蚀断面形貌的SEM照片与ED AX能谱分析结果3结论a.Mg6

14、Si4O10(OH8参与的摩擦过程具有准周期性衰减振荡函数的特点,在200h左右为1个准周期.b.M g6Si4O10(OH8可以使45#钢摩擦副表面形成厚36 m的反应层,随着摩擦时间的延长,反应层在摩擦表面覆盖趋于均匀化,反应层的显微硬度比45#钢的硬度提高1倍.c.在修复层中含有较高的元素C和元素O, M g6Si4O10(OH8没有参与修复层的生成,只起到促生成的作用.参考文献:1张绪寿,余来贵,陈建敏.表面工程摩擦学研究进展J.摩擦学学报,2000,20(2:156-160.Zhang X S,Yu L G,Chen J M.Developm ent in Tr ibology of

15、s urface eng ineeringJ.T ribology,2000,20(2:156-160. 2张嗣伟.关于我国摩擦学发展方向的探讨J.摩擦学学报,2001,21(1:321-323.310摩擦学学报第25卷Zhang S W .An app roach to developing w ays of tribology in C hinaJ.T ribology,2001,21(1:321-323.3刘维民.纳米微粒及其在润滑油之中的应用J .摩擦学学报,2003,23(4:265-267.Liu W M .Application of nanopar ticles in lubr

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21、 Sheng -hua,JIN Yuan-sheng(S tate K ey L abor atory of T r ibology ,T sing hua U niv er sity ,B eij ing ,100084Abstract :Tr ibolo gical behaviors of 45#steel-steel pair under presence of M g 6Si 4O 10(OH8as an additive dis-persed in API SD/CC/SAE40eng ine oil w ere investig ated.Tribolog ical experi

22、ments w ere carr ied out on a Falex friction and w ear tester in r ing -o n -ring contact co nfiguratio n for about 400h including 11ex perimental stages.Wear and m icro -hardness of the w orn surface w ere measured after every ex perimental stag e;cro ss section o f the w o rn surface w as observed and analyzed w ith SEM and EDX after the w hole tribolog ical test.According to the v