基于离子氮化的复合表面处理抗扭动微动磨损机理研究

摘要

扭动微动是在交变载荷下接触副间发生往复微幅的相对扭动。扭动微动现象在工业领域普遍存在，使得零部件的使用寿命大大降低。表面工程技术，作为一种减缓微动损伤的有效措施，可以很好地保护基体材料。但有关表面工程技术抗扭动微动损伤的研究报道很少。因此，系统地研究离子渗硫/离子氮化复合层，激光淬火/离子氮化复合层和DLC/离子氮化复合层的扭动微动磨损性能和损伤机理，对表面工程抗扭动微动损伤的应用具有重要的理论意义和工程指导价值。
　　 本文在高精度的扭动微动磨损试验机上，采用球/平面接触方式，在不同的法向载荷和角位移幅值条件下，对基体（LZ50钢）及三种复合层（离子渗硫/离子氮化复合层、激光淬火/离子氮化复合层、DLC/离子氮化复合层）进行了扭动微动磨损试验。在分析动力学特性的基础上，利用了光学显微镜(OM)、X射线衍射仪(XRD)、扫面电子显微镜(SEM)、电子能谱(EDX)、拉曼光谱仪和双模式表面形貌仪等进行微观分析，系统研究了三种复合层的扭动微动运行行为和损伤机理。研究获得的主要结论如下:
　　 1.离子渗硫/离子氮化复合层的扭动微动磨损
　　 离子渗硫/离子氮化复合层由于氮化层的支撑作用和渗硫层中的FeS的易滑移结构，改变了基材的微动运行区域，使其滑移区向小角位移幅值方向移动，使得混合区减小，滑移区增大。角位移幅值和法向载荷对摩擦扭矩有重要的影响，摩擦扭矩的演变规律与所处的微动区域有关，部分滑移区的摩擦扭矩一直处于较低水平，混合区的摩擦扭矩呈现“跑合-爬升-峰值-稳定”四个阶段，滑移区的摩擦扭矩四个阶段特征不明显。摩擦耗散能呈现与摩擦扭矩相同的特征，且低于LZ50钢的耗散能。当微动运行于部分滑移区，离子渗硫/离子氮化复合层损伤轻微;微动运行于混合区，磨损机制为磨粒磨损、氧化磨损和剥层;微动运行于滑移区，损伤加重，磨损机制仍为磨粒磨损、氧化磨损和剥层。在相同工况下，离子渗硫/离子氮化复合层的损伤比LZ50钢基材轻微。
　　 2.激光淬火/离子氮化复合层的扭动微动磨损
　　 该复合层由于其高硬度和表面的残余压应力改变了基材的扭动微动的运行区域，滑移区向小角位移幅值方向移动，混合区减小，滑移区扩大。该复合层摩擦扭矩和摩擦耗散能的演变与离子渗硫/离子氮化复合层的相似。微动运行于部分滑移区，总体损伤轻微;在混合区，磨损机制为磨粒磨损、氧化磨损和剥层;在滑移区，损伤严重，磨损机制仍为磨粒磨损、氧化磨损和剥层。在相同工况下，复合层的损伤比LZ50钢轻微。
　　 3.DLC/离子氮化复合层的扭动微动磨损
　　 DLC具有高硬度和低摩擦系数的特性，促使基材的滑移区向小角位移幅值方向移动，混合区消失，滑移区大大增加。在部分滑移区，摩擦扭矩处于较低水平，在滑移区，摩擦扭矩呈缓慢上升。摩擦耗散能在不同的运行区域呈现于摩擦扭矩相同的特征。微动运行于部分滑移区，DLC/离子氮化复合层的损伤轻微，仍保留原始的颗粒状特征;在滑移区，损伤机制为磨粒磨损、剥落和石墨化。DLC/离子氮化复合层大大降低了基材的磨损，表现出优异的抗微动损伤特性。
　　 4.三种复合层的对比
　　 三种复合层一定程度上都改变了运行工况微动图。从改变微动区域效果来看，DLC效果最好，渗硫/离子氮化复合层次之，激光淬火/离子氮化复合层较差。通过三种复合层的扭动微动中的摩擦扭矩、摩擦耗散能和磨损深度的对比，可以发现，减摩和抗磨效果依次为DLC，激光淬火/离子氮化复合层，渗硫/离子氮化复合层。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 微动摩擦学的基本概念

1．1．1 微动摩擦学的定义

1．1．2 微动的损伤

1．1．3 微动的分类

1．1．4 微动的影响因素

1．1．5 微动摩擦学研究的主要理论及进展

1．2 扭动微动及研究进展

1．2．1 工业中的扭动微动

1．2．2 扭动微动的研究现状

1．3 表面工程与微动摩擦学

1．3．1 离子渗氮技术

1．3．2 低温离子渗硫技术

1．3．3 激光淬火技术

1．3．4 气相沉积技术

1．3．5 复合表面处理技术

1．4 论文的研究意义和研究内容

1．4．1 本论文的研究意义

1．4．2 本论文的研究内容

第二章 实验方法和材料

2．1 扭动微动试验装置

2．2 试验材料的选择与制备

2．2．1 球试样的选择

2．2．2 平面基体试样的选择和制备

2．2．3 涂层的制备

2．3 复合层基本性能表征

2．3．1 渗硫／离子氮化复合层的基本性能表征

2．3．2 激光淬火／离子氮化复合层的基本性能表征

2．3．3 DLC／离子氮化复合层的基本性能表征

2．4 扭动微动磨损试验参数

2．5 磨斑微观分析方法

2．5．1 磨斑轮廓分析

2．5．2 磨斑形貌分析

2．5．3 磨斑表面的化学成分分析

第三章 渗硫／离子氮化复合层的扭动微动磨损特性

3．1 T-θ曲线

3．2 扭动微动的运行工况微动图

3．3 摩擦扭矩时变曲线

3．3．1 角位移幅值对摩擦扭矩的影响

3．3．2 法向载荷对摩擦扭矩的影响

3．3．3 渗硫／离子氮化复合层与基材摩擦扭矩对比

3．4 扭动微动的摩擦耗散能

3．5 渗硫／离子氮化复合层的扭动微动磨损机制

3．5．1 部分滑移区

3．5．2 混合区

3．5．3 滑移区

3．6 本章小结

第四章 激光淬火／离子氮化复合层的扭动微动磨损特性

4．1 T-θ曲线

4．2 扭动微动的运行工况微动图

4．3 摩擦扭矩时变曲线

4．3．1 角位移幅值对摩擦扭矩的影响

4．3．2 载荷对摩擦扭矩的影响

4．3．3 激光淬火／离子氮化复合层与基材的摩擦扭矩对比

4．4 摩擦耗散能

4．5 激光淬火／离子氮化复合层的扭动微动磨损机制

4．5．1 部分滑移区

4．5．2 混合区

4．5．3 滑移区

4．6 本章小结

第五章 类金刚石(DLC)的扭动微动磨损特性

5．1 T-θ曲线

5．2 扭动微动的运行工况微动图

5．3 摩擦扭矩时变曲线

5．3．1 角位移幅值对摩擦扭矩的影响

5．3．2 载荷对摩擦扭矩的影响

5．3．3 DLC与基材的摩擦扭矩对比

5．4 摩擦耗散能

5．5 DLC的扭动微动磨损机制

5．5．1 部分滑移区

5．5．2 滑移区

5．6 本章小结

第六章 三种复合层抗扭动微动磨损性能的比较

6．1 T-θ曲线

6．2 微动运行工况图

6．3 摩擦扭矩时变曲线

6．4 摩擦耗散能

6．5 抗磨性能对比

6．6 本章小结

结论

研究展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文