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新型磨损自修复润滑剂的研制及其摩擦学特性和应用性研究

作　者: 莫云辉
导　师: 陶德华；韦习成
学　校: 上海大学
专　业: 机械设计与理论
关键词: 微纳米 软金属添加剂 活化方法 涂层厚度 摩擦学特性 自修复机理
分类号: TH117.22
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


由于微纳米润滑材料和技术在解决机械零部件磨损自修复、延长其使用寿命和减少能源消耗具有的重要意义,设计新型润滑体系日益受到国内外的广泛关注。但由于纳米微粒的制备成本高、在润滑油中的分散稳定性较差、修复涂层中单质金属的成分较低、修复涂层的厚度较薄(一般为几十纳米)、以及修复技术较复杂等问题,限制了其广泛应用。针对上述问题,本文采用活化技术,重点研发了工艺简单、能修复较严重磨损表面、有良好润滑、减摩和抗磨功能且环境友好的、含微纳米软金属(锡、锌、铝锡、铝锡锌、锌锡、铟锌锡)的一系列新型润滑剂,并基于钢-钢、钢-铜摩擦副,考察了其修复性能和摩擦学特性。采用XPS、AES、SEM、淬冷、划痕、拉伸、弯曲、原位纳米力学等测试手段,分别研究了修复涂层的成分、厚度、结合强度、表面接触应力。探讨了润滑剂的摩擦修复作用机理,通过台架试验考察了其在机械传动中的应用前景。取得如下成果：用活化技术和机械法研制了粒径小于100nm的活化纳米锡润滑油,用于铜表面摩擦试验。SEM分析显示,该修复润滑剂在铜表面原位摩擦生成了10μm～20μm厚的修复涂层,涂层与基体结合紧密。XPS和AES分析表明,涂层中富含锡,Sn的原子百分比浓度最高达90%,具有优良的减摩抗磨性能。试验证明了活化添加剂对修复质量的重要影响。采用00号半流体脂代替32号基础油,解决了添加剂微粒在润滑油中的分散不稳定性。研制的20%活化微米锡半流体脂,在铜表面摩擦生成了20μm厚的Sn涂层,在各种载荷的摩擦试验中均显示负磨损,减摩性和抗磨性比传统抗磨剂3%ZDTP、3%氯化石蜡平均提高了32%、23%和148%、423%。研制的含锌和锌锡复合活化润滑脂有良好的修复性能和摩擦学性能,在铜基体上摩擦生成了10μm厚的锌涂层和20μm厚的锌锡涂层。锌锡的协同效应使该脂在各种载荷条件下的减摩抗磨性能明显优于单锌脂。研制的含铝系列润滑脂,能在铜基体上摩擦形成厚度为15μm的铝锡涂层和25μm的铝锡锌涂层,Al、Sn、Zn分布在整个修复涂层并渗镀进入铜基体。显示了活化的Al-Sn和Al-Sn-Zn添加剂之间具有良好的互配性和协同性以及与摩擦副的优良匹配性。攻克了目前添加剂难以在钢表面生成较厚修复层的难题。利用几种添加剂间的综合效应和协同增效作用,制备出活化锌锡和铟锡锌增效修复润滑剂,有效地修复了受损的钢摩擦副表面,锌锡和铟锡锌修复涂层的厚度分别达20μm和30μm。润滑修复后的钢-钢摩擦副,在各种载荷和各种转速下均呈现负磨损,在高转速下有稳定的低摩擦系数。用淬冷试验和划痕试验测试了涂层的结合强度。试验后的涂层无局部起皮、鼓泡、撕裂和脱落,涂层与基体结合牢固。考察了试样在拉伸和弯曲时对涂层结合性能的影响,当拉伸位移为2.7～3.6mm、弯曲变形为3.2～5.6mm时,未见涂层滑移、破裂、拱起和剥落,涂层与基体的固结性能良好。用纳米压痕法研究了各修复涂层的弹性模量等微观力学性能,由此分析计算了钢-钢直齿圆柱齿轮传动和钢蜗杆与铜蜗轮传动修复齿面的接触应力。研究表明,修复后的表面性能得到优化,能较大幅度地降低表面接触应力。在此基础上,将研制的5In25Sn15Zn脂与00号对比脂分别用于WD33-20型蜗轮减速器进行了台架试验。使用不含添加剂的00号脂润滑的蜗杆和蜗轮齿面均发生了明显磨损,采用5In25Sn15Zn润滑脂后,脂中Fe和Cu的浓度显著下降,蜗杆蜗轮的磨损得到有效控制,且齿面损伤部位已基本修复,减速器的机械效率大幅提高,显示了研发的修复润滑剂的潜在应用前景。

全文目录


摘要  6-8
ABSTRACT  8-17
第一章 绪论  17-43
  1.1 引言  17-19
  1.2 机械零件摩擦磨损表面自修复的研究和进展  19-23
    1.2.1 摩擦磨损表面自修复概念  19-20
    1.2.2 国内外研究概况  20-21
    1.2.3 国内研究进展  21-23
    1.2.4 存在的问题和技术难点  23
  1.3 表面修复技术的应用领域  23-26
  1.4 表面修复技术和方法  26-28
  1.5 摩擦磨损自修复理论的研究现状  28-31
    1.5.1 自发摩擦磨损修复  28-29
    1.5.2 条件摩擦磨损修复  29-31
  1.6 纳米技术在自修复中的应用和纳米材料作为润滑添加剂的研究进展  31-32
  1.7 本论文的选题依据、研究意义和技术路线  32-35
    1.7.1 选题依据和研究意义  32-33
    1.7.2 研究思想和技术路线  33-35
  参考文献  35-43
第二章 试验方法和测试分析  43-51
  2.1 引言  43
  2.2 MS-800型四球式摩擦磨损试验设备改造  43-45
  2.3 试验材料  45
  2.4 试验方法  45-46
    2.4.1 摩擦修复试验  45
    2.4.2 摩擦磨损试验  45-46
  2.5 测试与分析  46-49
  参考文献  49-51
第三章 纳米锡润滑添加剂的制备及其自修复行为与机理研究  51-77
  3.1 引言  51-52
  3.2 纳米锡添加剂的润滑修复效应  52-55
    3.2.1 锡纳米材料的研制和纳米锡润滑油的制备  52
    3.2.2 摩擦修复试验  52-53
    3.2.3 纳米锡粒子的表征和修复性能  53-55
  3.3 表面分析和摩擦化学机理研究  55-64
    3.3.1 XPS分析  55-58
    3.3.2 AES分析  58-63
    3.3.3 SEM分析  63-64
  3.4 纳米锡修复润滑油的摩擦学性能研究  64-65
  3.5 活化机理和自修复机理研究  65-71
    3.5.1 活性纳米锡添加剂的特性  66-67
    3.5.2 修复膜层的生长机理  67-68
    3.5.3 机械活化和热活化机理  68-69
    3.5.4 添加剂微粒与摩擦表面的摩擦化学反应  69-70
    3.5.5 修复表面效应  70
    3.5.6 锡纳米材料的自修复特性  70-71
  3.6 小结  71-73
  参考文献  73-77
第四章 锡基半流体脂的摩擦学性能研究  77-93
  4.1 引言  77-78
  4.2 锡基半流体脂的修复性能  78-80
    4.2.1 锡基半流体脂的制备  78
    4.2.2 试样和摩擦修复试验  78-79
    4.2.3 锡粒子的表征和修复性能  79-80
  4.3 锡修复涂层的表面形貌和厚度分析  80-81
  4.4 锡基半流体脂的摩擦学性能研究  81-87
    4.4.1 摩擦磨损试验  81-82
    4.4.2 不同含Sn量半流体脂的摩擦学性能  82
    4.4.3 载荷对锡半流体脂摩擦学性能的影响  82-84
    4.4.4 纳米锡润滑油和锡半流体脂的摩擦磨损性能对比  84-85
    4.4.5 锡基半流体脂与ZDTP(T-202)、氯化石蜡(T-301)的摩擦学性能对比  85-87
  4.5 锡基半流体脂的摩擦修复机理研究  87-88
    4.5.1 添加剂颗粒尺寸对自修复性能的影响  87
    4.5.2 修复涂层厚度与微纳米颗粒添加量的关系  87-88
    4.5.3 基础油脂对润滑修复性能的影响  88
  4.6 小结  88-90
  参考文献  90-93
第五章 锌添加剂的自修复性能和摩擦学特性  93-107
  5.1 引言  93
  5.2 锌添加剂的摩擦修复性能  93-96
    5.2.1 锌类修复润滑剂的制备  93-94
    5.2.2 摩擦修复试验  94
    5.2.3 锌粒子的表征和自修复性能  94-96
  5.3 修复表面分析  96-100
    5.3.1 Zn涂层XPS分析  96-97
    5.3.2 Zn-Sn涂层XPS分析  97-100
  5.4 锌修复涂层的表面形貌和厚度分析  100
  5.5 锌涂层的摩擦学性能研究  100-102
    5.5.1 摩擦磨损试验  100-101
    5.5.2 锌及锌锡涂层的摩擦学性能  101-102
  5.6 锌添加剂的摩擦修复机理分析  102-103
    5.6.1 锌添加剂的独特修复效应  102
    5.6.2 锌添加剂与机械活化  102
    5.6.3 锌添加剂的多重功能  102-103
    5.6.4 锌锡添加剂的协同效应  103
  5.7 小结  103-105
  参考文献  105-107
第六章 含铝添加剂的磨损自修复效应和摩擦学特性  107-121
  6.1 引言  107
  6.2 含铝添加剂的自修复效应  107-109
    6.2.1 修复润滑剂的制备  107-108
    6.2.2 摩擦修复试验  108
    6.2.3 铝粒子的表征和自修复性能  108-109
  6.3 修复表面分析  109-111
  6.4 含铝自修复涂层性能分析  111-114
    6.4.1 含铝涂层的X射线能谱分析  111-114
    6.4.2 含铝涂层的表面形貌和厚度分析  114
  6.5 含铝涂层的摩擦学性能研究  114-116
    6.5.1 摩擦磨损试验  114-115
    6.5.2 含铝涂层的摩擦学性能  115-116
  6.6 含铝脂的摩擦修复机理  116-118
    6.6.1 活性剂对铝脂修复性能的影响  116
    6.6.2 铜与铁的互转移现象  116-117
    6.6.3 添加剂微粒与摩擦副有互选择性  117
    6.6.4 铝添加剂对修复性能的影响  117
    6.6.5 软金属自修复膜或涂层的生成机制分析  117-118
  6.7 小结  118-120
  参考文献  120-121
第七章 锌锡添加剂的协同效应及其对钢-钢摩擦副的修复行为和摩擦学性能分析  121-138
  7.1 引言  121
  7.2 润滑剂的修复性能研究  121-124
    7.2.1 修复润滑剂的制备  121-122
    7.2.2 摩擦修复试验  122-123
    7.2.3 润滑剂的修复性能分析  123-124
  7.3 修复表面分析  124-126
  7.4 锌锡修复涂层的性能分析  126-127
    7.4.1 锌锡复合涂层的X射线能谱分析  126-127
    7.4.2 锌锡涂层的表面形貌和厚度分析  127
  7.5 锌锡修复脂的摩擦学性能研究  127-131
    7.5.1 摩擦磨损试验  127-128
    7.5.2 锌锡脂的摩擦磨损性能  128
    7.5.3 锌锡脂在不同载荷下的摩擦磨损性能  128-130
    7.5.4 锌锡脂在不同转速下的摩擦磨损性能  130-131
  7.6 锌锡润滑脂的摩擦修复机理研究  131-133
    7.6.1 锌对钢或铜的不同修复反映  131
    7.6.2 钢的表面活化  131-132
    7.6.3 修复剂微粒对修复部位具有选择性  132
    7.6.4 添加剂之间的协同增效作用  132-133
    7.6.5 添加剂微粒与基体材料的匹配性  133
  7.7 小结  133-135
  参考文献  135-138
第八章 铟锡锌脂对钢的自修复效应及摩擦学特性  138-155
  8.1 引言  138
  8.2 含铟脂的摩擦修复试验  138-141
    8.2.1 铟锡锌自修复脂的制备  138-140
    8.2.2 摩擦修复试验  140
    8.2.3 铟锡锌脂的修复性能  140-141
  8.3 修复表面分析  141-143
  8.4 铟锡锌修复涂层的性能分析  143-145
    8.4.1 铟锡锌修复涂层的X射线能谱分析  143-144
    8.4.2 铟锡锌修复涂层的表面形貌和厚度分析  144-145
  8.5 铟锡锌脂的摩擦学性能研究  145-149
    8.5.1 摩擦磨损试验  145-146
    8.5.2 铟锡锌修复脂的摩擦磨损性能  146
    8.5.3 铟锡锌脂在不同载荷下的摩擦磨损性能  146-148
    8.5.4 铟锡锌脂在不同转速下的摩擦磨损性能  148-149
  8.6 铟锡锌修复润滑脂的摩擦修复机理研究  149-152
    8.6.1 添加剂微粒的综合修复效应  149-150
    8.6.2 自修复涂层是多种修复机制的综合体现  150
    8.6.3 修复与磨损的对立统一  150-152
  8.7 小结  152-153
  参考文献  153-155
第九章 修复涂层与基体结合强度试验研究  155-165
  9.1 引言  155
  9.2 涂层与基体结合强度测试分析  155-156
    9.2.1 淬冷试验  155-156
    9.2.2 划痕试验  156
  9.3 试样的力学性能测试分析  156-163
    9.3.1 拉伸对涂层结合性能的影响  157-160
    9.3.2 弯曲对涂层结合性能的影响  160-163
  9.4 小结  163-164
  参考文献  164-165
第十章 表面接触应力分析  165-175
  10.1 引言  165
  10.2 纳米压痕的理论模型  165-167
  10.3 原位纳米力学测试系统试验分析  167-170
    10.3.1 钢基体与涂层的纳米力学性能  168-169
    10.3.2 铜基体与涂层的纳米力学性能  169-170
  10.4 表面接触应力分析  170-173
    10.4.1 齿轮传动齿面接触应力分析  170-172
    10.4.2 蜗轮蜗杆传动齿面接触应力分析  172-173
  10.5 小结  173-174
  参考文献  174-175
第十一章 WD33-20型蜗轮减速器台架应用研究  175-182
  11.1 引言  175
  11.2 试验条件和测试原理  175-178
    11.2.1 试验条件  175-178
    11.2.2 摩擦磨损试验  178
  11.3 铟锡锌脂对蜗轮蜗杆的修复性能分析  178-179
  11.4 摩擦学性能研究  179-180
  11.5 小结  180-181
  参考文献  181-182
第十二章 结论与展望  182-188
  12.1 结论  182-186
  12.2 本研究工作的主要创新点  186-187
  12.3 展望  187-188
攻读博士学位期间发表的论文及发明专利  188-191
致谢  191

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中图分类: > 工业技术 > 机械、仪表工业 > 机械学（机械设计基础理论） > 机械摩擦、磨损与润滑 > 润滑 > 润滑剂
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