球墨铸铁与Al2O3陶瓷的滑动摩擦磨损

球墨铸铁与Al2O3陶瓷的滑动摩擦磨损 第24卷第4期机械工程材料Vo1.24No.4 损特性.结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明,随着空气,蒸馏水,乳化液和油润滑l厦序,Al2O陶瓷和铸铁副的 摩擦系教及各 自的磨损量都避渐降低.对A1O磨面进行形貌及能谱分析,发现在干摩擦条件下 A12O{磨面有大 量球铁或钢的转移物组成的迁移膜,在润滑备件下则没有.在空气和蒸馏水润滑下, 祷铁中石圣能 起到不同程度的润滑减磨作用,而在乳化液和油润 主题词润滑摩擦磨l损陶瓷球圣铸铁 LubricatedSlidingFrictionand 下衙润 WearofDuctile CeramicsAI2O3 滑作用. 力冁Ironaga|nst SiSonghua(EastChinaInstituteofMetallurgyMaanshanAnhui243002) FangLiangZhouQinde(XianJiaotongUniversityXianShaanxi710049) AbstractThewearofductileironagainstAIO{isgreatlyeffectedbythedifferenceoflubricatedcondi一 ~ions.Itisconcludedthat[fictioncoefficientandweRrvolumeoffi'ictionpairsaredecreasedintheorderofair. distiliedwater.emu[sionandmachineryoil.TheenergydispersiveX-rayanalysisandSEMobservation0fworn surfaceofA120jindicatedthattherewasalargeamountoftransferlayerconsistingofductileironorstee[onA120l mair,butnotLnIubficatedconditionsGraphiteductileironcouldplayIubticationrolesinaira nddistilledwa— ter,butitcouldnotnemuIsionandmachineryoil. 1引言 陶瓷材料由于其高硬度,高熔点,耐高温,耐磨 损等优良性能,已经在磨擦工况中得到了广泛应 用[1,23.目前陶瓷磨擦学的研究主要集中在陶瓷与陶 瓷,陶瓷与钢磨擦副,但陶瓷与铸铁磨擦副的研究也 渐趋增多],因陶瓷耐磨性比铸铁好,再加上铸铁 中石墨是很好的固体润滑剂,可能在磨擦副中能发 挥润滑减磨作用,从而可望陶瓷与铸铁构成良好的 磨擦副,因而对陶瓷与铸铁的磨擦磨损进行研究. FangLiang等研究了A12O3,ZrO2,SiaN'陶瓷 与石墨化铸铁的无润滑滑动磨损,结果发现AlO; 陶瓷的磨损最小,zrO次之,sN磨损最大一. Nakamura等研究了多种陶瓷与灰铸铁配副时在不 发现在干磨擦时铸铁 同润滑环境下的铸铁的磨损, 磨损严重,陶瓷的硬度对灰铸铁的磨损起主要作用, 而在甲醇润滑下陶瓷的热传导率影响铸铁的磨 损_6一.这些说明润滑条件对陶瓷与铸铁磨擦副的磨 *男34岁讲师硕士 国家自然科学基金资助项目(59171053) 1999—09—06收到初稿2000—01一n收到修改稿 ?36? 损有较大影响.但石墨在不同润滑条件下能否都起 到润滑作用,未见报道.本工作研究在空气,蒸馏水, 乳化液,油润滑下AlO,与球墨铸铁(球铁)配副的 磨擦磨损特性,并与钢铁对比探讨石墨对磨擦磨损 的影响,为陶瓷铸铁磨擦副的工程应用提供依据. 2试验方法 摩擦磨损试验在M一200环一块磨损试验机上进 行,载荷为30N,下试样为环状球铁或钢,试样尺寸 为似0mmX10ram,转速200r/min;上试样为A12O3 陶瓷块,尺寸3ramX4ramX12ram,以3ramX4ram 面为摩擦面.润滑液通过~3mm铜管以0.5dis流速 在摩擦界面上.磨损试验时温度,湿度均为试验室自 然条件所有磨损数据是三次实测平均值. A1O,陶瓷密度为3.25g/cm.硬度为 1500HV,断裂韧度为3.40MPa?m.弯曲强度为 330MPa.球墨铸铁在60kg中频炉中熔炼.钢含碳 量为0.8球墨铸铁和钢加工成试样后通过正火 得到珠光体组织;表面研磨后粗糙度R?0.8m. 球铁(QT)和钢(T8)的化学成分及硬度见表1. 球铁及钢试样的磨损失重用万分之一光电分析 , L} 斯松华等:球墨铸铁与Al:O;陶瓷的滑动摩擦磨损 表1球铁及钢的化学成分,)及硬度 牌号CSiMnSPReMgHB QT3762.660.470.0240.030.0570049225 T80.800.220.30O.0330.03一一200 天平测量,然后用球铁或钢的实际密度(用浮力法测 定)除以磨损失重,换算成磨损体积.由于磨损量很 小,磨损体积直接用磨痕的尺寸测量计算得到.摩擦 副的摩擦系数由磨损机上测定装置直接读数 乳化液浓度为5;润滑油为1o号机油. 试验前试样用酒精,丙酮和超声波反复清洗,以 保证称量的准确及观察的清晰 3试验结果及分析 图1是QT和T8钢与A1:O配副在空气,蒸馏 水,乳化液和机油润滑条件下磨程为skin时摩擦磨 损试验结果.可见,摩擦副的摩擦系数和磨损体积随 空气,蒸馏水,乳化液和机油润滑的顺序逐渐降低 10 l.10 { 至10. 司0 10. 量 1o' 毛10* l76.0~(a]磨损体积 1978, &32:Il.8 『-L_j0.680 .99 4.83 A1O,tQT21.A1O,/T8 图1AbO,/QT(TS)副在不同润滑条件下的 摩擦磨损试验结果(skin) 1.空气2.燕馏水3.乳化液1.机油 3.1润滑条件对摩擦磨损的影喻 在空气干摩擦状态下,QT或T8钢与A1:Oa配 副时,由于A1.O的硬度远高于球铁及钢的硬度,陶 瓷表面微凸体在摩擦过程中在铸铁及钢的表面产生 "犁沟",且困摩擦界面接触应力很大,温度较高,在 接触点处易产生粘着,因而陶瓷AlO与QT及T8 钢副的磨擦系数及各自的磨损都较大.观察在空气 状态下A1:O与QT配副时的磨面(图2a),发现在 A1Oa磨面上有片层状叠加物;对该表面作能谱分 析表明,含Fe83.31,A116.69.这说明在磨损过 程中铸铁的磨屑以片层状不断地粘附在A1O表 面,形成"迁移膜".在蒸馏水,乳化液及机油等润滑 条件下,由于润滑液的润滑作用以及冷却作用,减少 了摩擦界面问的直接接触,降低了摩擦温度,减小了 界面之间粘着点,从而降低了摩擦系数和减小了磨 损量,故在润精条件下AlO的磨面没有形成迁移 膜(图2b). (a)空气润滑2500× (b)乳化液澹精2000× 图2Al,O,磨面SEM形貌 观察在空气及润滑荆条件下的QT和T8的磨 面,都能看到明显的犁沟及塑性变形特征.图3是乳 化液润滑下与A1Oa配副时QT和T8钢磨面.不同 的是QT中含有石墨,石墨硬度很低,在磨损过程 中,球铁表层产生塑性变形,石墨也随之变形,且石 墨周边存在较大的应力,在磨擦应力作用下.石墨周 边的基体易产生裂纹甚至剥落(图3a).而在T8钢 表面主要看到塑变特征,没有裂纹(图3b). 在蒸馏水或机油润滑下,在摩擦副表面形成一 层水油润滑膜,从而减少了摩擦副的摩擦磨损在乳 化液润滑下,由于摩擦使乳化液中水油分离,造成 "破乳",油类极性分子吸附在球铁表面,形成吸附润 滑膜,而起润滑作用].因此,在空气,蒸馏水,乳化 液及机油润滑下,润滑能力的强弱是决定摩擦副摩 擦磨损程度的重要因素,随着润滑剂润滑能力的提 高,摩擦系数和磨损体积都逐渐减小. 斯松华等:球墨铸铁与Al.O陶瓷的滑动摩擦磨损 (a)QT500× (b)T8400× 图3乳化液润滑下QT和T8锕磨面的SEM形貌 3.2球铁中石墨对摩擦副磨损的影响 比较QT和T8钢分别与AlO,配副时的磨损 体积(图1)可知,在空气和蒸馏水润滑作用下, AlO,/T8钢副磨损俸积大于AlO/QT副磨损体 积,在乳化液和油润滑下,则正好相反这间接说明 在干摩擦和蒸馏水下润滑时球铁中石墨能起到不同 程度的润滑减磨作用;而在乳化液和油润滑下,石墨 并没有发挥出显着的润滑作用,从而不能减小球铁 的磨损总之影响QT磨损大小的主要有:(1)不同 润滑剂的润滑作用;(2)球铁基体中石墨的润滑作 用;(3)石墨对铸铁基体的割裂作用. 由此,这三个固素对球铁磨损的影响可用下式 来表述: ?VT一?+?+AVF(1) 式中AV一各种因素对球铁磨损的总贡献项; AV一润滑条件对球铁磨损的贡献项;?一石墨 润滑作用对球铁磨损的贡献项;AV一石墨割裂作 用对球铁磨损的贡献项 考虑到QT和T8钢硬度相近,基体均为珠光 体组织,因此,如暂不考虑石墨润滑作用和石墨割裂 作用对铸铁磨损的影响,四种润滑条件下润滑能力 的强弱对QT磨损的贡献项(aVL)可用AlO,/T8 钢副T8钢的磨损体积来表示在机油润滑下 Al.O,/QT副和AlO,/T8钢副的摩擦系数均为 0.1,这说明在油润滑下石墨对QT磨损起润滑作用 38 可以忽略,则在油润滑下?影响QT和T8钢磨 损大小的主要因素是石墨对基体的割裂作用,即油 润滑下QT和T8钢磨损量的差值.忽略各种润滑 条件下对AV的影响,石墨对基体的割裂作用对 QT磨损的贡献项?可以近似看成不变.?V为 在各种润滑条件下球铁的实际磨损体积. 根据式(1)推知, ?1,c一?VT一?L一?1,F(2) 根据式(2)及图1a中有关数据可算出AVc在空气, 蒸馏水,乳化液及油润精的数值分别为一16.7, 一 0.79,一0.08,0,负值表示石墨对球铁有润滑减磨 作用图4为各种固素对球铁磨损的影响.图中虚 线为石墨润滑作用对磨损的贡献项?V,可见随空 气,蒸馏水,乳化液及机油润滑的顺序,润滑能力逐 渐增加,球铁的磨损逐渐下降.在空气和球铁中石墨 能起到很大的润滑减磨作用,在蒸馏水中石墨能起 一 定的润滑作用,而在乳化液和油润滑中石墨几乎 不起润滑作用. 一. 一 , 一 ,. / , , . AV6r 空气蒸馏承乳化灌机油 图4各种固素对QT磨损的影响 在干摩擦下,由于摩擦温度较高,球铁在与陶瓷 AlO.磨损时发生变形,石墨也随之变形,并逐渐被 挤出磨损表面,图5是QT及T8钢磨面平行于磨 擦方向剖面的显微形貌.可以看到球状石墨变形并 被挤逸的特征(图5a),而在T8钢的剖面只看到表 层基体塑性变形特征(图5b).在干摩擦下球铁中被 挤出的石墨在摩擦界面上能起到润滑作用,但在蒸 馏水润滑时水的冲洗作用减弱了石墨的润滑作用 在乳化液润滑下,摩擦使乳化液"破乳",使水油 发生分离,由于油中极性分子易以化学吸附方式附 在金属表面,作用力较强(不像蒸馏水润滑时水分子 主要以范德华力吸附在摩擦界面上,作用力较弱), 形成一层油润滑膜,受塑性变形而挤出的石墨以较 小的作用力游离"在这层油膜的上方,而易被润滑 (下转第46页) -.n 涂小慧等:研磨铝矿球磨机衬板的失效分析 产生残余压应力,可以抑制该合金在149.C拂腾温 度下5ONaOH介质中的SCC因此未观察到SCC 的原因可能是衬板在磨球的冲击作用下,表层产生 了压应变的缘故. 5结论 (1)湿式研磨铝矿球磨机衬板失效的原因是热 碱腐蚀和冲击磨料磨损的综合作用,而高应力磨料 磨损是衬板失效的主要机制. (2)腐蚀和磨损的交互作用是腐蚀弱化了材料 表面的力学性能,使磨损所需能量降低,而磨损加速 了阳极溶解过程,使材料的腐蚀加剧. (3)磨球对衬板的冲击作用,使衬板表面产生 了压应变,抑制了SCC. 参考文献 1戴敦才.铬钼铌合金钢组织与耐磨性的探讨.机械工程材 料,1997+21(2):36,38 2邵荷生.磨擦与磨损.北京:煤炭工业出版社+1992.337 3史晋宏腐蚀磨损影响因素及磨损机理研究中国农业机 械研究院研究生论文,198427 4陈鸿海金属腐蚀学北京:北京理工大学出版社,1988. 235 5蔡泽高金属磨损与断裂.上海:上海交通大学出版社, 1988.302,304 8黄德伦冷加工对800合金抗碱性应力腐蚀破裂的影响. 腐蚀与防护+1997+18(6):9,12 (上接第38页) 剂带走,石墨的润滑作用在有油膜润滑作用下也难 以体现在机油润滑下更是如此,因而在乳化液和机 油润滑下,石墨难以起到润滑作用. (a)0T500× 【b)T8500× 图8QT和T8钢的磨面平行于磨擦方向的剖面形貌 4结论 (1)不同润滑条件对QT/AlO磨擦副的磨损 有很大影响,随空气,蒸馏水,乳化液和机油的顺序, 摩擦副的摩擦系数及磨损体积都逐渐减小 (2)在干摩擦条件下,AlO磨面有大量球铁或 T8钢的转移物组成的迁移膜,在润滑条件下,则没 有形成迁移膜. (3)在空气和蒸馏水润滑下,球铁中石墨能起 到不同程度的润滑减磨作用;而在乳化液和机油润 滑下,石墨的润滑作用不明显. 参考文献 1JahumirS.Trobologicalapplicationforadvancedceram- ics.MaterResSocSyrupPro~,1989(140):185,291 2LevyAV.JeeN.Unlubricatedwe~Lrofceramicsmateri— als.Wear+1988(121):363,380 3K8noM.TaIIimotoI.Wearmechanismofhighwear—re— s1stmaterialtorautomotivevaluetrains.Proc.ofInter. nationalofCon1.onWearofMaterlals.Ed.bvLudemaK 89 C.ASME.1991.83, 4StachowiakGW,StachowiakGB.Meta11icfnmtransfer duringmetal~:eramicsunluheicatedsliding.Weart1989 (132):361,386 5NakamuraY.HirayamaS.EffectofIiquidlubricantson thewearofgreycastagainstSIAL0Nceramics-Weart 1990(137):91,97 8FangLiang,YiminGao.PengLi.Unlubricatedsliding we~Lrofceramicsagainstgraphitedcastirons-Wear?1994 (171):129,134 7NakamtlraY.I-IirayamaS.Effect0fliquidlubricantson thewearofgreycastagainsts1AL0Ncera~cs-Wear. 1990(137):91,97 8张康夫.余大南.除锈油脂与乳化切削油北京:国防工 业出版社.1980.