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磨损是导致表面损坏、零件失效和材料损耗的主要原因。摩擦过程造成功率损失、浪费大量的能源。润滑是减小摩擦、降低磨损的主要措施。传统的润滑添加剂只能减缓磨损随行程延长而累积的增加量或尺寸逐步减小的速率,它们对摩擦副只有耐磨功能,而不能产生负磨损,不具备在摩擦过程中产生对磨损表面进行自修复的能力,因此也就不可能产生零磨损和自修复效应。
本论文采用活化技术,在半流体脂中加入微米级添加剂(锡粉、锌粉和铟粉),研制了工艺简单、能修复一定程度的磨损表面,特别是较严重磨损表面的锡锌和锡锌铟新型润滑剂。并基于钢/钢、钢/铜摩擦副,在改进的MS-800型四球试验机上进行了大量的磨损修复试验。通过改变载荷、转速、添加剂含量等可以影响修复效果和摩擦学特性的试验参数,考察了其自修复性能和摩擦学特性。利用XPS和SEM等现代微观分析手段对自修复涂层的厚度、成分和百分比含量进行了分析,探讨了软金属半流体脂的修复及减摩抗磨作用机理。同时还借助拉伸、弯曲、淬冷、划痕等测试手段考察了自修复涂层与基体的结合强度。用纳米压痕法测试了修复涂层和基体的弹性模量等微观力学性能,最后通过ANSYS有限元软件分析了形成自修复涂层前后应力的变化。得出了以下主要结论:
采用活化技术,研制出了在钢/钢摩擦副和钢/铜摩擦副中均具有优异磨损自修复功能的Sn-Zn和Sn-Zn-In两种润滑添加剂,该添加剂加入半流体脂中具有较好的稳定性。SEM显示,Sn-Zn润滑剂在钢试样表面摩擦生成了20μm厚的自修复涂层,Sn-Zn-In润滑剂在铜试样表面摩擦生成了20~25μm厚的修复涂层,涂层与基体均结合良好。试验结果还证明了活化技术对自修复的质量具有重要影响。XPS分析表明,自修复涂层中含有软金属元素(Sn元素、Zn元素和In元素),其中Sn元素以单质Sn和SnO2的形式存在,Zn元素以ZnO的形式存在,In元素以In2O3的形式存在,试验结果表明,自修复涂层具有优良的减摩抗磨性能。
通过ANSYS有限元软件分析表明,修复后的Sn-Zn和Sn-Zn-In涂层能较大幅度地降低摩擦表面接触应力,从而延长机械零件的疲劳寿命。