金属合金摩擦层的形成、作用及机理研究

摘要

金属合金在干滑动过程中磨损表面总会形成不同于基体的摩擦层，这是一种不可避免的自然现象，对材料的磨损行为及磨损机理有着至关重要的影响。然而迄今为止，国内外对摩擦层的研究尚不够深入和全面，对摩擦层形成和作用机制等没有统一认识。因此，研究金属合金干滑动摩擦层的形成、作用及机理具有重要的理论意义和工程应用价值。本文研究了H13钢、铝化H13钢、Ti6Al4V合金在不同环境温度、载荷和摩擦副材料等条件下的干滑动磨损行为，测试和分析了摩擦层的成分、形态和性能等特征，系统研究了这些金属合金在干滑动磨损条件下摩擦层的形成、作用及机理，探索了磨损机制及其转变与摩擦层的对应关系；通过在钢和钛合金界面人工添加颗粒快速诱导保护性摩擦层的形成，试图达到控制摩擦磨损的目的。
　　结果表明：H13钢、铝化H13钢和Ti6Al4V合金随环境温度、载荷和Hd/Hp的变化，磨损行为和机制发生改变，出现严重和轻微的磨损转变。室温下的H13钢在Hd/Hp＜1.0时为严重磨损，Hd/Hp≥1.0时为轻微磨损，基本符合 Akagaki-Rigney的盘-销硬度比判定准则；环境温度400和600℃时，Hd/Hp＜1.0时为轻微磨损，Hd/Hp≥1.0时为严重磨损，与 Akagaki-Rigney判定准则正相反。铝化 H13钢和Ti6Al4V合金在室温下为严重磨损，随着环境温度升高出现严重-轻微的磨损转变。铝化H13钢在200和400℃、高载下（300N）呈现轻微-严重磨损转变。
　　通过对三种金属合金的摩擦磨损行为和摩擦层特征分析，发现上述磨损行为和机制的改变取决于摩擦层的形成和作用。三种金属材料在干滑动过程中均会形成摩擦层，但摩擦层的成分、形态、稳定性等随滑动条件和对磨材料而变化，故在磨损中所起的作用也不同。我们认为摩擦氧化物存在与否是影响金属合金摩擦磨损行为和机制的决定性因素。当无摩擦氧化物层时，磨损行为依赖于对磨盘的硬度，大致符合Archard方程，H13钢和Ti6Al4V合金的磨损机制为粘着和磨粒磨损（铝化H13钢为疲劳剥落）。而当摩擦氧化物存在时，磨损依赖于摩擦氧化物层的稳定性。H13钢在Hd/Hp<1、200-600℃和Hd/Hp=1、仅200℃，铝化H13钢在200-600℃，Ti6Al4V合金在400-600℃，磨损机制为氧化轻微磨损；而H13钢在Hd/Hp>1、200-600℃和Hd/Hp=1、400-600℃，铝化H13钢在200和400℃的300N，发生氧化磨损的轻微-严重磨损转变。
　　创新性地提出了通过控制摩擦氧化物层来提高钛合金耐磨性的观点。研究发现，在滑动表面人工添加纳米氧化物颗粒可以加速含氧化物摩擦层的形成，但摩擦层分为嵌入型和覆盖型，后者更具明显的减磨作用。TiO2和Fe2O3在Ti6Al4V合金滑动过程中表现出相反的作用：Fe2O3颗粒形成保护性的纳米氧化物层减少磨损，而TiO2颗粒作为磨粒加速磨损。揭示了钛合金随温度升高发生的严重-轻微磨损转变是由于Fe2O3的出现，而不是TiO2的增多。通过在金属合金滑动界面添加MoS2+Fe2O3混合颗粒，可以原位制造含氧化物自润滑摩擦层，对金属合金的保护更具普遍性，并推测富Fe2O3自润滑摩擦层可以用于钛合金在严酷滑动工况条件下而不需要采用任何表面工程的方法。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究目的及意义

1.2 金属干滑动磨损概述

1.3 金属干滑动摩擦层研究回顾

1.4 金属干滑动摩擦层研究现状及存在的问题

1.5 主要研究内容

第二章 实验方法

2.1 实验材料

2.2 磨损实验

2.3 测试方法

第三章 金属合金的磨损行为及特征

3.1 H13钢（50HRC）/D2钢（55、50、42HRC）的磨损行为及特征

3.2 H13钢（42HRC）/GCr15钢（50、42HRC）的磨损行为及特征

3.3 铝化H13钢/M2钢（62HRC）的磨损行为及特征

3.4 Ti6Al4V合金/GCr15钢（42HRC）的磨损行为及特征

3.5 三种金属合金的磨损行为、特征和耐磨性的比较

3.6 本章小结

第四章 金属合金摩擦层与磨损行为的关系

4.1 H13钢的摩擦层

4.2 铝化H13钢的摩擦层

4.3 Ti6Al4V合金的摩擦层

4.4 三种金属合金摩擦层与磨损行为的对应关系

4.5 本章小结

第五章 外加颗粒人工诱导摩擦层对金属合金摩擦磨损行为的影响

5.1 Fe2O3、MoS2对H13钢摩擦磨损行为与特征的影响

5.2 Fe2O3、MoS2对45钢摩擦磨损行为与特征的影响

5.3 Fe2O3、TiO2、MoS2对Ti6Al4V合金摩擦磨损行为与特征的影响

5.4 人工诱导摩擦层与磨损行为的关系

5.5本章小结

第六章 摩擦层形成、作用和磨损机理

6.1 摩擦层形成及相关问题的讨论

6.2 摩擦层的特征演化

6.3 摩擦层及摩擦颗粒的作用

6.4 磨损转变与磨损机理

6.5 本章小结

第七章 主要结论与创新点

7.1 主要结论

7.2 创新点

参考文献

致谢

博士期间发表的论文及其他科研成果