醇水润滑铝镁钛硼涂层摩擦磨损性能研究

摘要

由TiB2纳米晶粒弥散分布在Al-Mg-B非晶基体中的纳米复合结构的Al-Mg-Ti-B涂层能够大幅降低醇水边界润滑状态下机械部件的摩擦系数，进而减少摩擦副间的磨损，提高机械系统的运行效率。醇水润滑介质作为一种绿色无污染的润滑介质，符合当今的能源形势与研究方向，兼之来源广泛、安全性高、流动性好等特点，使得醇水润滑Al-Mg-Ti-B涂层有着突出的应用前景，更具有重大的研究意义。以往的研究基于摩擦及磨损机理的系统分析，发现硼酸是涂层低摩擦行为的主要贡献因素。然而醇水润滑Al-Mg-Ti-B涂层在不同摩擦条件下的摩擦行为还没有被系统的研究。因此亟需对不同摩擦条件下醇水润滑Al-Mg-Ti-B涂层摩擦及磨损的基本机理做出更深入的理解，特别是不同摩擦条件对于醇水润滑摩擦化学反应的影响需要做出系统的研究。
　　本文利用直流磁控溅射的方法分别在单晶硅片和轴承钢片上沉积了Al-Mg-Ti-B涂层和TiB2涂层。通过球盘式单向旋转摩擦实验及扫描电镜(SEM)、能谱(EDX)和X射线光电子能谱(XPS)等表征手段，研究了高载荷作用下醇水润滑Al-Mg-Ti-B涂层的摩擦行为与低载荷条件下涂层摩擦行为的区别。研究结果表明随着载荷增大，摩擦系数下降更快，下降幅度更大，摩擦系数曲线变得平滑，磨痕处的粘着磨损受到抑制;但过高的载荷又会使摩擦层不能长时间保持，而且会加速润滑剂的损失，造成润滑失效。
　　本文进一步通过球盘式单向旋转摩擦实验比较了醇水润滑Al-Mg-Ti-B涂层和醇水润滑TiB2涂层的摩擦行为。研究发现在相同摩擦条件下，两种涂层在与钢对磨时摩擦系数均呈现缓慢下降趋势，Al-Mg-Ti-B涂层能达到更低的稳态摩擦系数。SEM及EDX结果表明，醇水润滑两种涂层摩擦过程中主要发生表面的抛光;XPS结果表明，Al-Mg-Ti-B涂层在摩擦过程中的氧化程度更大，摩擦化学反应更剧烈，形成的摩擦层带来更低的摩擦系数，而TiB2涂层在摩擦过程中发生了部分Fe的粘着。
　　本文还系统研究了Al-Mg-Ti-B涂层在球盘式往复摩擦实验中的摩擦行为及表现。研究发现Al-Mg-Ti-B涂层在干摩擦后发生了大量的剥落，而醇水润滑涂层表面没有出现剥落，但在磨痕处出现了大量Fe的粘着;Al-Mg-Ti-B涂层经紫外辐照后的摩擦系数曲线与未经紫外辐照的摩擦系数曲线走势相同，但整体上数值更低，变化更快。经紫外辐照后的磨痕宽度更窄，深度更浅，磨损程度低，耐磨性好。XPS结果表明，紫外辐照促进了Al-Mg-Ti-B涂层表面氧化硼的进一步水化反应，生成硼酸，从而降低了醇水润滑涂层与钢对磨的摩擦系数和磨损程度;高频率下醇水润滑Al-Mg-Ti-B涂层与钢对磨时的摩擦系数更低，磨痕深度也更浅，说明在往复摩擦实验中较高的往复频率有助于摩擦层的形成，降低摩擦，同时可以将摩擦副表面相互推开，进而减少摩擦副间的粘着与磨损。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 序言

1．2 润滑

1．2．1 水基润滑

1．2．2 水基润滑的润滑机理

1．2．3 醇水润滑

1．3 耐磨减摩材料

1．3．1 DLC涂层简介

1．3．2 Al-Mg-Ti-B纳米复合涂层筒介

1．4 本论文的选题依据和研究内容

第2章 涂层的制备工艺与表征方法

2．1 涂层的制备工艺

2．1．1 制备方法

2．1．2 溅射靶材

2．1．3 衬底材料及前处理

2．1．4 涂层沉积过程

2．2 涂层的表征方法

2．2．1 X射线衍射(XRD)

2．2．2 扫描电子显微镜(SEM)

2．2．3 X射线光电子能谱(XPS)

2．2．4 涂层厚度测量

2．2．5 涂层纳米硬度和弹性模量测量

2．2．6 摩擦学性能表征

第3章 醇水润滑Al-Mg-Ti-B涂层单向旋转摩擦实验研究

3．1 涂层的制备

3．2 涂层的表征

3．2．1 涂层厚度测量

3．2．2 涂层纳米硬度和弹性模量测量

3．2．3 涂层微观形貌

3．2．4 涂层结构表征

3．3 高载荷作用下醇水润滑Al-Mg-Ti-B涂层的摩擦学性能

3．3．1 摩擦实验条件

3．3．2 摩擦实验结果

3．4 醇水润滑Al-Mg-Ti-B涂层与TiB2涂层摩擦行为比较

3．4．1 TiB2涂层结构表征

3．4．2 摩擦实验结果

3．5 本章小结

第4章 醇水润滑Al-Mg-Ti-B涂层往复式摩擦实验研究

4．1 往复式摩擦实验

4．2 有无醇水润滑对Al-Mg-Ti-B涂层摩擦行为的影响

4．3 紫外辐照对醇水润滑Al-Mg-Ti-B涂层摩擦行为的影响

4．4 往复频率对醇水润滑Al-Mg-Ti-B涂层摩擦行为的影响

4．5 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 论文主要结论和创新点

5．2 存在问题和今后工作重点

参考文献

致谢

附录Ⅰ 攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果