水润滑低摩擦系数陶瓷涂层摩擦副的研究

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1、水润滑低摩擦系数陶瓷涂层摩擦副的研究邓飞飞，程旭东，张子军，高忠宝，杨章富，毛防，陈明武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室武汉430070[摘要]本文主要针对水润滑条件下低摩擦系数摩擦副——包括主动副和从动配副的材料和性能进行设计研究。研究了三种复合陶瓷涂层制备的主动副与三种摩擦性能良好的整体材料组配进行摩擦性能试验。通过销一盘磨损试验，测定各组摩擦副的摩擦系数和磨损量；利用SEM等测试技术，观察和分析了磨痕的形貌，重点讨论了陶瓷涂层材料的组分设计及其显微结构，涂层与配副材料在水润滑条件下的摩擦学性能。结果显示：在水润滑下所设计的三种陶瓷涂层所组成的摩擦副具有较

2、低的摩擦系数，能够耐海水侵蚀以及抗微生物附着，是一种海水中使用的理想摩擦组件。[关键词]陶瓷涂层；水润滑；抗污耐蚀；摩擦磨损。0前言随着经济和科学技术的发展，以及对液压系统安全性、节能性，特别是环保性要求的日益提高，人们重新开始研究水作为液压系统传动介质的可能性问题。水价格低廉，资源丰富，不存在废物处理和环境污染I101’比J。由于水的粘度很低，是油介质粘度的l／30～l／50，因此在压力传递过程中。沿程损失小，传动效率较高。如何利用水替代油作为各种水中机械传动系统润滑介质的研究课题，引起人们的普遍关注，并已成为世界工业发达国家竟相研究的一大热点，Fl前各国已先后研

3、制出不同的水润滑轴承和运动摩擦副组件。水作为液压传动介质必须满足一定的条件，因为水的污染程度【2】、pH值、微生物含最、氯化物浓度以及水的硬度等都将对液压元件和管道产生一定的影响。～般情况下，水是一种导电性能较强的电解溶液，大多数金属材料在水中将产生电化学腐蚀，绝大多数的高分子材料在水中将出现化学老化，其结果是导致液压元件的损坏pJ。对于很多材料，在纯水中润滑困难，摩擦副的固体表面常处于直接接触状态，很快便会受到磨损。由于水具有粘度低、润滑性差、导电性强、汽化压力高等特点14J，因此给摩擦副水润滑的开发研究提出了新的课题和任务。根据水润滑的特点，作者认为摩擦副材料的

4、设计上应注意以一F)L个特点：1)材料的表丽能应尽可能低，在运动中不易发生转移形成粘着磨损；2)材料的电性能应为低电位或绝缘体，不会造成电偶腐蚀从而保护丛体：3)材料表面具有储水和亲水性，在运动中能保持水润滑膜的延续存在。根据上述原贝0，本文采用在金属基体工作面上等离子喷涂自行研制的三种复合氧化物陶瓷涂层，与三种摩擦性能良好的金属、聚合物以及非金属材料配对，进行摩擦副体系的综合性能评价。l实验1．1摩擦材料主动副涂层材料的设计摩擦磨损试验在销．盘试验机上进行，销试件为固定，盘试件【ll变速电机驱动，可以采用不同速度转动，销．盘之间接触形式为线接触，如图l所示。这利-

5、接触及运动方式可很好地模拟摩擦副接触面之间实际摩擦切削过程。销以不锈钢为基体选作主动副，在其表面上喷涂我们研制的复合陶瓷涂一116—水润滑低摩擦系数陶瓷涂层摩擦副的研究层而制成。涂层的设计均为：在基体表面采用超音速火焰喷涂ZnNi合金粘结底层后再用大气等离子喷涂一层陶瓷涂层，最后采用低表面能的树脂进行真空封孔，涂层表面粗糙度均为Ra-O．16¨m。1．2陶瓷涂层的制备●采用大气等离子喷涂的三组复合陶瓷粉末涂层，其成分组成分别是60％A1203+40％T102(P7114)、92％Cq03+5％Si02+3％Ti02(P7412)、72％Cr203+20％Ti02+8

6、％CuO(P7418)。粉末粒径均为40pm～90“作者简介：邓飞飞(198l一)，男，硕士，主要从事陶瓷涂层研究，E·mail：dengfei666@yahoo．com．cnm。表1为采用GP．80等离子喷涂设备制备陶瓷涂层的技术参数‘51。表1APS喷涂陶瓷涂层工艺参数TablelProcessparametersofAirPlasmaSpraying1．3摩擦材料从动配副制备与试验方法盘分别由铝青铜、石墨、PTFE(聚四氟乙烯)加工而成，直径056mm，厚度6mm。表面粗糙、度均为Ra--0．32pm。图l摩擦副试件接触形式2．1涂层结构摩擦副选配的特点试验在

7、水润滑条件下进行。试验室环境温度约为20℃，所用水为自来水。试验过程中水靠重力作用流注到试件接触区，平均流速约0．OlL·rain一。摩擦副问相对滑动速度为2m／s。可与实际切削速度相比拟，载荷范围经初步试验后确定为200N，控制结果偏差不大于10％。试验前后所有试件均经丙酮超声波清洗15min，陶瓷磨痕宽度在光学显微镜下测量，然后计算出磨损量。摩擦实验时间为15min。试验过程中，摩擦力经传感器被连续记录下来，经计算得到摩擦系数。2结果与讨论铝青铜是耐磨和耐蚀应用最广泛的一种铜合金材料。铝青铜表面易生成一层致密的AI(OH)3惰性保护膜161，在海水、氯盐及酸