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摩擦学研究分析固体润滑剂粒度对Ti-6Al-4V合金摩擦磨损行为的影响

摘 要：在现代工业中，机械部件经受摩擦磨损，导致发热，影响机器的可靠性，寿命和功耗。在各种几何形状之间形成的润滑剂膜的研究本质上是复杂且相互关联的，使得有必要了解摩擦学现象的概念。为了克服因摩擦和磨损导致的摩擦损失，使用具有高粘度和较低蒸发率的润滑剂使得两个表面之间的相对运动非常平滑。现代摩擦学的进步促进了在各种工业应用中使用固体润滑剂。厚度足够的固体润滑剂可以在极端的温度，载荷和速度条件下有效地工作。固体润滑剂颗粒的有效性主要取决于悬浮液中使用的润滑剂的类型，固体润滑剂的粒度以及浓度。鉴于此，目前的调查旨在开发具有不同重量分数的MoS₂悬浮液并分析摩擦学性质以使其适用于大多数工业应用。为了表征相同，已经开发了一种实验装置来观察和测量不同颗粒尺寸和固体润滑剂浓度下的润滑剂膜厚度。为了测定施加的固体润滑剂的极压（EP）性能，在四球测试仪上进行EP测试（ASTM D2783）实验。从实验中获得的结果表明，使用具有较小粒度的固体润滑剂与较大粒度相比提供了有效的薄膜厚度。结果表明悬浮的MoS₂固体润滑剂的最佳粒度和浓度改善了表面的预期使用寿命的摩擦学性能。

关键词：摩擦；固体润滑剂；二硫化钼；薄膜厚度

1简介

在现代工业中，机械部件经受摩擦磨损，导致发热，影响机器的可靠性，寿命和功耗。因此，在各种几何形状之间形成的润滑膜的研究本质上是复杂和相互关联的^[1,2]。摩擦学特性量化了系统在可靠性，寿命和功率损失方面的性能，特别是在汽车和工业机械的情况下。工业润滑油主要用于提高部件寿命的质量，降低材料磨损率和表面摩擦^[3]。

滑动部件之间的较低摩擦是制造零件和工具中最基本的特性之一;对此的一种可能的解决方案是在滑动区域充分地施加润滑剂。润滑剂是在滑动界面之间施加的一种物质，可以显着改变滑动表面的摩擦学性质，并且还能够改变滑动条件之间表面相互作用的性质^[4-6]。大多数生物基油通常是石油基润滑油^[3]。环境问题要求减少在机械加工过程中使用生物降解切削液，这是由于操作人员的健康受到危害^[1]。但是，当温度在极端条件下升高时，边界膜的失效可能导致与滑动表面的直接接触并导致滑动部件上的粘附和表面损伤。

液体润滑剂通过形成分离滑动表面的润滑膜来实现这一点，从而限制它们的接触和粘附^[6]。润滑剂的主要功能是在滑动表面之间形成并保持一层薄薄的润滑剂，对此基础油的粘度是最重要的性能^[7]。许多研究人员试图改善摩擦润滑特性以降低摩擦系数和磨损率。为了克服滑动条件下的摩擦损失，在滑动界面区使用高粘度，低蒸发损失和提高润滑性的润滑剂。在工作温度范围内，润滑剂的高粘度特性应该保持不变并且坚持^[1]。润滑膜的目标是建立一个有效的薄膜，以支持所施加的载荷，同时减少滑动表面之间的摩擦^[6]。为了改善机加工过程中有效冷却和润滑的润滑特性，一种方法就是在基础油中使用极压添加剂^[8]。在基础油中使用固体润滑添加剂可以在极端条件下有效地工作。为了更有效地在滑动区域涂抹足够的薄膜厚度的润滑剂，其润滑特性取决于颗粒尺寸^[9-11]。固体润滑剂颗粒的有效性主要取决于所用润滑剂的类型，固体润滑剂的粒度以及填料浓度^[12]。此外，润滑剂的使用寿命受到滑动界面上沉积的固体润滑剂颗粒的覆盖厚度的限制^[13]。添加剂的晶粒尺寸和润滑膜的形成是与基材表面光洁度相匹配的重要参数^[10]。固体润滑剂颗粒的尺寸需要最佳。由于MoS₂污染造成的磨损，粒径增加可能导致磨粒磨损，而较小的粒子可能导致加速氧化^[9]。结果表明，低尺寸固体润滑剂颗粒预期与滑动副的表面混合以形成表面保护膜，这增加了抗磨损能力。

已经广泛研究了具有分层晶体结构的固体润滑剂添加剂，并且已经观察到优异的摩擦学性能^[14]。这些固体润滑添加剂，包括石墨^[15]，二硫化钼^[16]，二硫化钨[17]和氮化硼^[18]，具有层状晶体结构，其中每层内分子之间的键合是强共价的，而每个两层由Van der Waal的弱力结合在一起。由于其固有的晶体结构，材料的剪切强度较低，因此观察到了良好的摩擦和磨损减少性能^[14]。结果表明，固体润滑剂沉积在滑动表面上已经改善了基础油的摩擦学性能。据报道，具有一定硬度的微米级固体润滑剂颗粒导致摩擦磨损^[19]。二硫化钼和石墨被用作冷却剂，并被认为是良好的固体润滑剂，因为滑动部件之间摩擦产生的显着减少。这可能有助于减少切削力^[20]。从以前的研究中观察到，二硫化钼（片状材料）在滑动条件下通常具有良好的承载能力和相应的低摩擦系数^[19,21]。如果润滑剂在滑动区域内有效地施加，则有可能降低温度区域，从而导致摩擦力降低^[22]。具有薄膜形成的固体润滑剂可以在极端温度，载荷和速度条件下正常工作^[14]。根据Reddy和Nouari ^[23]，较低的摩擦系数和二硫化钼的层状晶格结构是此性能的关键因素。由于刀具芯片接触面积的减少，易于形成切屑;这种变化是由摩擦力的减少所驱动的。应用MoS₂和石墨辅助加工的加工力显着减少可归因于薄润滑膜的形成，因此降低了材料在界面区域的剪切强度，从而使加工更容易^[24]。

雷迪等人^[23]进行了关于应用MoS₂作为润滑剂的AISI 1040钢车削试验，试验中使用不同的颗粒（颗粒尺寸为2,6,10,20,40,70和75mu;m）。结果表明，对于2mu;m至20mu;m的粒径，切向切削力是恒定的。从结果得出的结论是，具有20mu;m的固体润滑剂是所需的MoS₂粒径，以使固体润滑剂撞击在界面区中，以在改善切削力方面实现更好的结果。尽管其他小尺寸颗粒即低于20mu;m也表现出理想的性能，但是不选择的原因是由于过度细化的可能性倾向于难以保持恒定的和限定的粉末流量到加工区的性能。因为在加工区域以所需数量持续不断地供应固体润滑剂粉末可以降低摩擦系数。 Sentyurikhina et.al. ^[25]认为，推荐使用粒度为0.5-1,2,0.5-2,6,10,40,70和75mu;m的固体润滑剂用于摩擦部件。 Singh ^[26]观察了AISI 52100钢的固体润滑剂辅助加工性能。结果表明，施加石墨时获得的切削力比MoS₂高大约7％。当使用相同尺寸的固体润滑剂时，获得的性能影响润滑剂和润滑参数的效果。理查德等人。考虑到重量比为20％的MoS2（粒径为6mu;m），石墨网625和（粒径为20mu;m），以及石墨网325（颗粒尺寸为40微米）。实验结果表明，与石墨625和石墨325相比，MoS₂固体润滑剂的优越性改善了刀具磨损的寿命和质量，并改善了表面粗糙度。结果还表明，固体润滑剂辅助加工可能是一种可行的替代方案干燥和湿润的车削过程。实验结果表明，在各种类型的软层状固体润滑剂中，MoS₂是不同工艺性能改进应用中最常用的固体润滑剂。这是因为它提供了非常低的摩擦系数，相对较高的耐磨性和承受较高载荷条件的能力。它还需要低维护要求，并可适应高达300°C的宽范围工作温度^[9-11]。 Devine Lamson ^[27]和Stalling研究了固体润滑剂颗粒尺寸的影响，并检查了润滑脂的承载能力。据观察，MoS2与平均颗粒尺寸0.7mu;m至7mu;m之间没有显着差异，而0.3mu;m的颗粒引起显着减小的承载能力。除了低摩擦系数之外，沉积层应该具有长的磨损寿命，这取决于添加剂浓度，粒度和固体润滑剂的分布。 Bartz ^[9]研究了颗粒尺寸对MoS₂固体润滑剂润滑性能的影响，并观察到在增加载荷条件下使用较大尺寸的固体润滑剂颗粒，磨损率增加;在加速滑动条件下小尺寸颗粒的润滑效果得到改善。作者还解释说，在给定的浓度下，由于可获得更多数量的颗粒，所以小尺寸固体润滑剂颗粒在滑动区域中有效地施加并且形成比大尺寸颗粒完整且连续的薄膜。

从文献综述中可以看出，在任何滑动条件下，最小膜厚度对改善摩擦学性能起着至关重要的作用^[9]。产生的润滑膜的厚度取决于运行条件，如速度，负载，润滑剂粘度和压力与粘度的关系。研究润滑油膜厚度及其在滑动条件下测量的作用的研究很少，也很少。目前的研究工作旨在开发具有不同重量分数和粒径的最佳MoS₂悬浮液，并分析摩擦学性质以评估其适用于各种工业应用。为了表征销 - 盘界面区之间的润滑膜行为，已经开发了一种实验装置来检查和测量不同颗粒尺寸和固体润滑剂浓度下的润滑膜厚度。为了确定应用的固体润滑剂的极压（EP）性能，在四球测试仪上进行EP测试（ASTM D2783）实验。

2.实验细节

在本研究中，使用开发的实验装置确定在两个滑动表面之间沉积的固体润滑剂膜厚度。摩擦学测试是在销盘摩擦计和四球测试仪上进行的，以研究所获得的固体润滑剂颗粒的寿命和质量。

表格1 实验条件

2.1.测试流体

该研究中使用的基础油是40°C时粘度为220cSt的SAE 40油。表1列出了润滑剂的详细性能。

2.2.添加剂

选择MoS₂固体润滑剂颗粒作为添加剂，因为MoS₂通常具有最高的承载能力和相应的低摩擦系数^[10]。三种具有不同粒度的MoS₂添加剂被指定为10mu;m，30mu;m和50mu;m。基础油中MoS2固体润滑剂添加剂的浓度被取为10％，20％，30％，40％和50％重量比。

2.3。薄膜厚度测量程序

为了研究和测量固体润滑剂（MoS₂）的不同颗粒尺寸和浓度下的润滑剂膜厚度，构建了实验装置（如图1所示）。注射泵用于以60毫升/小时的恒定流速向界面区提供固体润滑剂悬浮液。照相机布置（如图1所示）以捕捉薄润滑膜形成的轮廓，照亮在各种粒径和浓度下形成的润滑膜厚度。使用由实验装置提供的调整，照相机以这样的方式进行调整，从垂直于销和在其上获得薄润滑剂膜的盘表面的视角捕捉润滑剂的滑动区域。为了在滑动过程中形成薄膜，在固体润滑剂中引入可忽略的（0.01g）荧光量。使用UV（紫外线）光源照射得到的荧光润滑膜^[28]。使用高分辨率慢动作照相机拍摄荧光薄润滑膜的图像。

2.4。针盘式摩擦仪的脉动研究

2.4.1.实验

为了研究颗粒大小和MoS₂固体润滑剂浓度的摩擦学效应，在pin-ondisc磨损和摩擦监测器上进行实验，保持所有其他测试参数恒定（温度，速度，负载和持续时间）。 WC和Ti-6Al-4V用作销和盘材料（如表1所示）。用金刚石浆将光盘表面抛光至0.06mu;m的平均表面粗糙度。在本试验中，选择MoS₂作为添加剂。由于其优异的粘度和即时润滑性能，选择SAE 40油作为固体润滑剂颗粒的悬浮介质^[29]。注射泵用于以60毫升/小时的恒定流速向界面区供应固体润滑剂混合物。为了在滑动区域中有效地帮助固体润滑剂

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