学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

2Cr13钢渗氮层在真空干滑动与脂润滑条件下摩擦学行为

作　者: 杨剑群
导　师: 杨德庄
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料学
关键词: 渗氮层 PFPE润滑脂真空环境摩擦学特性磨损机制
分类号: TG156.82
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
下　载: 101次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

2Cr13马氏体型不锈钢是空间摩擦副（如齿轮）常用的侯选材料,具有抗腐蚀、力学性能优异及渗氮工艺性良好等优点,应用前景广阔。针对2Cr13钢渗氮层在空间应用的需要,系统研究渗氮层在真空干滑动和脂润滑条件下的摩擦学行为与磨损机制,将具有重要的理论与工程实际意义。本文利用销-盘式摩擦磨损试验机对2Cr13钢气体渗氮层和离子渗氮层进行了系统的真空滑动摩擦磨损试验,研究法向载荷、滑动速度及脂润滑对渗氮层摩擦学行为及磨损机制的影响,建立了磨损机制图,并揭示了磨损前后渗氮层的显微组织、残余应力和显微硬度的变化。此外,还针对润滑脂在真空滑动试验过程中与离子渗氮层之间的相互作用特点进行了分析,阐明了润滑脂退化机理。试验表明,2Cr13钢气体渗氮层和离子渗氮层与自身对磨时,在真空中不同载荷与较低滑动速度（0.2m/s-0.4m/s）条件下,摩擦力随滑动距离变化呈现连续性波动的特征。在真空中高滑动速度和高载荷下,两种渗氮层的摩擦力随滑动距离变化均呈现间断性的波动,且离子渗氮层呈现较低的摩擦力波动幅度。在真空干滑动时两种渗氮层的平均摩擦系数随法向载荷和滑动速度的变化趋势相似。在较低的滑动速度或载荷下,两种渗氮层的体积磨损量均较小。当超过一定的滑动速度或载荷时,两种渗氮层的体积磨损量随载荷或滑动速度的增加而迅速增加。离子渗氮层呈现较高的体积磨损量发生突变的临界载荷。除高载荷90N与高滑动速度1.6m/s条件外,离子渗氮层的体积磨损量小于气体渗氮层的体积磨损量。在真空干滑动摩擦磨损试验条件下,随着载荷和滑动速度的增加,2Cr13钢的气体渗氮层和离子渗氮层均出现由轻微磨损向严重粘着磨损再向剥落磨损过渡。轻微磨损涉及微切削和轻微粘着磨损。离子渗氮层呈现较高的发生磨损机制转变的临界载荷和临界滑动速度。基于两种渗氮层盘试样的体积磨损量、磨损表面温度及磨损表面和磨屑形貌特征,建立了气体渗氮层和离子渗氮层在真空干滑动条件下的磨损机制图。在真空中高载荷90N与高滑动速度1.6m/s下,干滑动2000m后,2Cr13钢的气体渗氮层与离子渗氮层试样的扩散层内均出现裂纹和塑性变形流线,并且塑性变形区的显微硬度明显增高。在摩擦磨损过程中,两种渗氮层磨损试样均可在紧邻化合物层的过渡薄层形成非晶态。试验发现,气体渗氮层试样表面的化合物层可在摩擦磨损过程中发生动态回复/再结晶,形成与基体衬度不同且有层错亚结构的γ′-Fe₄N相新晶粒。在真空脂润滑摩擦磨损试验条件下,与滑动速度相比,载荷对2Cr13钢离子渗氮层摩擦磨损行为的影响较为明显。在低载荷（≤30N或10N）与不同滑动速度条件下,摩擦力基本上保持不变;在较高载荷（>10N或>30N）时,摩擦力呈现波动性,并随载荷增加波动幅度增大。在高载荷和滑动速度≥1.2m/s时,摩擦力的波动性表现为峰值与平台交替出现,尤其在高载荷下更加明显。平均摩擦系数随载荷明显增加,而随滑动速度的增加有所降低（低载荷时除外）;并且,其降低幅度随载荷增加而增大。在试验的载荷和滑动速度范围内,脂润滑2Cr13钢离子渗氮层在真空中的磨损机制均为轻微磨损。并且,随着载荷和滑动速度的增加,轻微磨损呈现出由具有微切削和轻微粘着特征的轻微磨损向具有微切削、轻微粘着、轻微疲劳点蚀和局部轻度剥落特征的轻微复合磨损机制转变。通过综合分析不同载荷与滑动速度的影响,建立了离子渗氮2Cr13钢在真空中脂润滑磨损机制图。试验分析表明,2Cr13钢离子渗氮层与PFPE润滑脂在真空摩擦磨损过程中发生化学反应,生成FeF₃。所生成的FeF₃可作为催化剂,促进PFPE润滑脂发生降解,形成酸性的氟化物。增加载荷和滑动速度会加速PFPE润滑脂与渗氮层之间的反应,导致高滑动速度和高载荷时磨损表面出现疲劳点蚀坑。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-15
第1章绪论  15-36
  1.1 课题背景  15-16
  1.2 摩擦学概述  16-20
    1.2.1 摩擦的理论及分类  16-17
    1.2.2 磨损的理论及分类  17-18
    1.2.3 润滑的理论及分类  18-20
  1.3 真空环境对摩擦系统的影响  20-21
  1.4 摩擦表面温度及表层温度场  21
  1.5 不锈钢的表面渗氮  21-26
    1.5.1 气体渗氮  22-23
    1.5.2 离子渗氮  23-24
    1.5.3 铁-氮状态图  24-26
  1.6 渗氮层的干摩擦磨损行为的研究现状  26-30
    1.6.1 渗氮工艺对渗氮层在大气下干摩擦磨损行为的影响  26-27
    1.6.2 摩擦学参数对渗氮层在大气下干摩擦磨损行为的影响  27-30
    1.6.3 渗氮层在真空中的干摩擦磨损行为  30
  1.7 渗氮层在润滑条件下的磨擦磨损行为  30-32
  1.8 PFPE 润滑脂的摩擦学行为  32-34
  1.9 研究目的和内容  34-36
第2章试样制备及分析方法  36-46
  2.1 试验材料及制备  36-39
    2.1.1 试验材料  36-37
    2.1.2 渗氮前的热处理  37-38
    2.1.3 试样的尺寸和形状  38-39
    2.1.4 渗氮处理  39
  2.2 真空中干滑动和脂润滑摩擦磨损试验  39-43
    2.2.1 摩擦磨损试验设备  39-40
    2.2.2 摩擦磨损试验条件的确定  40
    2.2.3 摩擦表面温度测试与估算  40-43
  2.3 摩擦磨损前后渗氮层分析和测试方法  43-46
    2.3.1 组织形貌分析  43
    2.3.2 微观组织结构分析  43-44
    2.3.3 渗氮层元素浓度分布的测定  44
    2.3.4 残余应力测试  44-45
    2.3.5 显微硬度测试  45
    2.3.6 磨痕轮廓分析  45-46
第3章磨损前后渗氮层的显微组织结构变化表征  46-76
  3.1 气体渗氮层分析  46-55
    3.1.1 气体渗氮层的显微组织结构  46-52
    3.1.2 气体渗氮层中元素的分布  52-53
    3.1.3 气体渗氮层中残余应力的分布  53-54
    3.1.4 气体渗氮层的显微硬度分布  54-55
  3.2 离子渗氮层分析  55-62
    3.2.1 离子渗氮层的显微组织结构  55-59
    3.2.2 离子渗氮层中元素的分布  59-60
    3.2.3 离子渗氮层中残余应力的分布  60-61
    3.2.4 离子渗氮层显微硬度的分布  61-62
  3.3 磨损后气体渗氮层分析  62-69
    3.3.1 磨损后气体渗氮层的显微组织结构  62-67
    3.3.2 磨损后气体渗氮层的残余应力分布  67-68
    3.3.3 磨损后气体渗氮层的显微硬度分布  68-69
  3.4 磨损后离子渗氮层试样分析  69-74
    3.4.1 磨损后离子渗氮层的显微组织  69-73
    3.4.2 磨损后离子渗氮层的残余应力分布  73-74
    3.4.3 磨损后离子渗氮层的显微硬度分布  74
  3.5 本章小结  74-76
第4章 2Cr13 钢渗氮层在真空中的干摩擦磨损行为  76-107
  4.1 气体渗氮2Cr13 钢在真空中的干摩擦磨损行为与机制  76-89
    4.1.1 真空中气体渗氮层干摩擦磨损行为表征  76-81
    4.1.2 气体渗氮层干摩擦磨损表面形貌  81-88
    4.1.3 气体渗氮2Cr13 钢在真空中干滑动磨损机制图  88-89
  4.2 离子渗氮2Cr13 钢在真空中的干摩擦磨损行为与机制  89-101
    4.2.1 真空中离子渗氮层干摩擦磨损行为表征  89-94
    4.2.2 离子渗氮层干摩擦磨损表面形貌  94-99
    4.2.3 离子渗氮层在真空中干滑动磨损机制图  99-101
  4.3 离子渗氮层在空气中的干摩擦磨损行为  101-105
    4.3.1 空气中渗氮层干摩擦磨损行为表征  101-102
    4.3.2 空气中渗氮层干摩擦磨损表面形貌  102-105
  4.4 本章小结  105-107
第5章离子渗氮层在真空中脂润滑条件下摩擦磨损行为  107-127
  5.1 脂润滑渗氮层在真空中的摩擦磨损特性  107-112
    5.1.1 脂润滑渗氮层的真空摩擦学特性  107-110
    5.1.2 脂润滑渗氮层的真空磨损特性  110-112
  5.2 脂润滑渗氮层的真空磨损表面形貌分析  112-119
  5.3 渗氮层与润滑脂在摩擦过程中的相互作用  119-125
    5.3.1 脂润滑时渗氮层的真空磨损表面XPS 分析  119-123
    5.3.2 润滑脂的FTIR 分析  123-125
  5.4 本章小结  125-127
结论  127-129
参考文献  129-141
博士学位期间发表的学术论文  141-143
致谢  143-144
个人简历  144

2Cr13钢渗氮层在真空干滑动与脂润滑条件下摩擦学行为

内容摘要

全文目录

相似论文