磷化加纳米K2Ti4O9晶须增强型固体润滑涂层切削性能研究

磷化加纳米K2Ti4O9晶须增强型固体润滑涂层切削性能研究 磷化加纳米K2Ti4O9晶须增强型固体润滑涂层切削性能 研究 江苏大学 硕士学位 磷化加纳米K ,2 Ti ,4 O ,9 晶须增强型固体润滑涂层切削性 能的研究 姓名:宋昌才 申请学位级别:硕士 专业:机械电子工程 指导教师:李长生 20100607 江苏大学硕士学位论文 摘 要 本课题目的是研究磷化加纳米K2Ti409晶须增强型固体润滑涂层涂覆在高速 钢刀具上利用超精密车床进行车削加工切削性能。 实验过程使用SB(CNC型超精密数控车床进行切削加工，9257B型数据 仪器进行车削三向力测量，HiSpee型高速摄影机记录切屑变形过程， JSM(7001F型扫描电子显微镜进行显微组织结构分析，HCC(24型电脑涂层厚度 测量仪进行磷化膜厚度检测，UMT-2型摩擦试验机进行摩擦学性能测试， WS(2000型划痕试验机进行膜层与基体结合力测试。 目前切削加工使用硬质合金刀片非常普及，设想把固体润滑涂层涂覆于硬质 合金刀片上，进行不用冷却液的干切削，可避免使用冷却液带来的种种弊端，还 可以大大延长刀片的使用寿命，获得可观的经济效益和社会效益，但实际应用时 涂层难以和硬质合金相融合，表面易产生脆皮、脱落，因此本课题把经过磷化加 纳米K2Ti409晶须增强型固体润滑涂层涂覆于高速钢刀具上，使用有涂层的高速 钢刀具、无涂层的高速钢刀具，通过在超精密车床上车削加工，改变切削三个要 素:切削速度、背吃刀量、进给量，分别在干切削、煤油冷却两种切削状态下测 量，由三向测力仪准确测量出X、Y、Z三个方向切削力的大小，测量刀具后 刀面 的磨损量、测量被加工工件的粗糙度、采用EDAX进行成份分析，利用高速摄影 机记录铁屑的成形过程，探讨切削加工机理，比较得出磷化加纳米K2Ti。09晶须增 强型固体润滑涂层具有优异的润滑效果，希望取得一定经验数据后再做深入研 究。 本次试验研究得出以下结论: 1 耐磨复合磷化液的最佳组成和工艺条件:Zn N03 2209,L，马R夫盐 1 29,L、Ca N03 2 609,L、Mn N03 259,L、Ni N03 2 29,L、酒石酸lg,L、少量 添加剂，温度60,70?，时间10"---15min。磷化前的表面调整有利于细化磷化膜 结构和耐磨性的提高。 2 把少量的钛酸钾晶须加入石墨一二硫化钼系粘结固体润滑膜中，提高 了固体润滑膜在基体表面的附着强度，增强固体润滑膜的强度，从而使其摩擦系 数减小 约为0(1 ，耐磨寿命显著提高。未添加钛酸钾晶须试样的磨损表面较粗 糙，磨痕较深，添加钛酸钾晶须试样的磨损表面较光滑，磨痕较浅。当膜厚在 2 江苏大学硕士学位论文 0(201(tm范围内时，结合力随膜厚增大而增大。当超过这一范围随膜厚增加而下 降。 膜层厚度为201(tm时，粘接固体润滑膜与基体的结合力约为5(32N。 3 磷化作为粘接固体润滑膜的前处理对于提高固体润滑性能有明显作 用。经过磷化处理后再喷涂固体润滑剂，摩擦系数较为平稳，持久性好。磷化膜 有效增大了喷涂固体润滑涂层和基体的接触面积，增大了涂层和基体的结合力 从5(32N提高到11(28N ，故提高了涂层的稳定性和持久性。 4 耐磨复合磷化后喷涂固体润滑剂在高速钢刀具上，通过实际切削比较， 取得明显的效果，减少了摩擦磨损，提高了使用寿命。 5 高速钢刀具固体润滑涂层可以改善切削过程的自润滑条件，可大大 提 高刀具的切削性能，其效果优于切削液。应用涂层刀具可降低切削力，提高 工件 加工表面质量。 关键词: 涂层，切削力，磨损，纳米材料，刀具 3 江苏大学硕士学位论文 ABSTRACT Themainresearchofthe isthe steelcutterwhich topic high-speed treated admixturenano―meter Whisker―enhanced byphosphate K2Ti409 thenthe steel solid―lubricatingcoatings，andprocessedhigh―speed forresearchof cutterwasassembledt0 lathe ultra―precision turning cutting( The theSB-CNC CNClathefor experimentusing ultra-precision datarecordand instrumentthree machining，9257Btype analysis turning toforce camerarecordsdeformation measurement，HiSpechigh―speed chip electron microstructure process，JsM一7001Fscanning microscope analysis， HCC―’24PC thickness instrumentfor film coating measuring phosphating thickness UMT一2 frictiontestmachine testing， type tribological scratchtestmachinefilmandthe performancetesting，WS一2000一type substratetest( binding At useofcarbidebladesare is present，the verypopular，itpresumed to thesolidlubricantonthecarbidebladeto out carry paint coating without this causedtheuse coolant，incase，drawbacksby drycutting coolantcanbe thebladelifecanbe of avoid，and greatlyextended， meanwhileconsiderableeconomicandSOCialbenefitscanbeachieyed(But the of difficulttomixthe actual is duringprocess application，it andcarbideblade surfaceis to together，the produce coating easy and admixturenano―meter cracklingfalling，thereforephosphate K2Ti409 were onthe Whisker――enhanced solid――lubricatingcoatingsadopted steelcutterinthis coatedanduncoated high―speed topic，the high― speed steel toolswereassembledtothe lathefor ultra――precision cutting three are turning changingcuttingelements，whichcutting separately，by undertwo of werecarriedout speed，depthcut，feedrate，theturning of statewhichwerethe andkerosene kinds cutting drycutting cooling( Thesizeofthe force directionsweremeasured alongX，Y，Z by cutting theamountoftoolflankwearwere three-DynamometeraccuratelY，and ofthetreated eceswere measured，theroughness work―pi measured， ofiron werecarriedout compositionanalysis byEDX，theformingprocess thenthe mechanism wererecorded camera，andcutting f订ings byhigh―speed was theexcellent effectwereobtained lubricating byusing explored，and admixturenano―meterWhisker―enhancedsol K2Ti409 id一 1ubricating phosphate to some databefore a is obtain coatings(Ithoped empirical making thoroughstudy( The10t reachedthefol conclusions: pi study 10wing 1 Itcanbefoundfromthe resultsthatthebest testing i is phosphatngprocessZn N01 2209,L，Mn 1t:P01 2609,L， 15 2 Mn NQ 2 acid g,L，Ni NO:; :2g,L，Ca N魄 2g,L，tartaric addition(60―70?，lO一15 19,L，some min(Compositephosphate is ablackfilmwithfineacicular coating crystal( 4 江苏大学硕士学位论文 before i can the i Surface’’adjustphosphatng improvequalty of coati phosphateng( The whiskeriSaddedtothesolidlubricationfilm 2 KzTi(09 of resultshows composedGraphite+MoS2(Theexperimental thatwiththe whisker’S adhesionbetween K2Ti409 add，the solidlubricationandbasal iSenhanced(the body solid1ubricationfilmiS coefficientoffrictionof the 1ifeofthesolidlubrication decreased，and wearing film iS Adhesionbetweenbondedsolid prolonged( lubricationfilmandbasal iSabout5(32N( body i sol has 3 beforebondedidlubricant effect( Phosphatng great With before solid the phosphatingsprayinglubricant， coefficientoffrictionofsolidlubricationfiimiS smoother(the1ifeofsolidlubricationfilmiS wearing iSablackfilm longer(Becausecompositephosphatecoating can solid withfineacicular It absorb lubricant( crystal( the area solidlubricationfiimand increasecontactbetween The basal astoenhancetheadhesionbetweenthem( body。SO adhesioncanbe from5(32Nto11(28N( improved 4 Afterthewear――resistant ofsolid compositephosphatecoating in lubricantthe steel the high―speedcuttingtoolS，through of achievedramatiC actual results， curtingcomparison，to frictionand service1ife( wear，improve reducing can 5 steel toolSsolid High,speedcutting lubricatingcoatings the self-lubrication of conditions， improvecuttingprocess can enhancethe effectiSbetter greatly cuttingtool，the than icationofcoatedtoolScanreduce cutting fluid(Appl the forceand surface cutting improveworkpiecequality( Tools Keywords:Coating，Cuttingforce，Wear，Nanomaterials，Cutting 5 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密回, 指导教师签名:拗 学位敝作者虢磊南? c h 7_0 ,f只。乞 Et D9年 7年一旯fc日 | 独创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中己注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位敝储躲辱断 日期:z。口7年,,月,。 日 江苏大学硕士学位论文 第1章绪论 1(1研究背景 传统机械润滑的方法是油润滑，脂润滑。但是，在高温、高压、高速等一些 特殊工况下，油、脂润滑受到限制，因此发展了固体润滑技术。石墨和二硫化钼 是常用的固体润滑剂。固体润滑膜的制备方法很多，其中粘接固体润滑膜方法最 为简单，因此应用最广。但是粘接固体润滑膜与基体的结合力较差，为提高其与 基体的结合力，本试验在石墨一二硫化钼系固体润滑剂中添加纳米钛酸钾晶须以 提高其与基体的结合强度，此外，还在粘接固体润滑膜之前对金属基体进行耐磨 磷化处理，二者协同作用，使粘接固体润滑膜与基体的结合力提高，延长了其耐 磨寿命。 磷化作为粘接固体润滑膜的前处理对于提高固体润滑性能有明显作用。经过 磷化处理后再喷涂固体润滑剂，摩擦系数较为平稳，持久性好。这是由于，磷化 膜是,种针孔性膜，均匀分布的孔隙，吸附了固体润滑颗粒，有效增大了喷涂固 体润滑涂层和基体的接触面积，增大了涂层和基体的结合力，磷化后粘接固体润 滑膜与基体的结合力提高到11(28N，因此提高了涂层的稳定性和持久性。 切削加工在制造业占很大比重，其特点是刀具、切屑、工件的接触表面在切 削过程中接触压力大、温度高，使刀具产生磨损。切削液具有润滑、冷却、清洗 和协助排屑与断屑的功能，它减少了切削过程的摩擦，减轻切屑与刀具的粘结现 象，抑制积屑瘤产生，大大降低机床切削区的温度，迅速排出切屑，从而对减轻 刀具磨损、提高刀具耐用度、改善加工表面质量，提高生产效率都有非常重要的 意义，但废液排放和处理给环境造成了严重污染。为了消除大量采用切削液带来 的负面影响，可通过不使用或少使用切削液以及采用环保型切削液等措施来实现 清洁化加工。 粘接固体润滑膜通过金属表面预处理，克服粘接固体润滑膜存在结合力低、 耐久性差的缺点。主要采用的预处理是表面磷化，因为磷化层是常用的涂漆底层， 磷化层本身具有一定的减摩作用，且提供了微孔便于固体润滑剂的吸附储存，增 大了固体润滑膜与基体的结合力，磷化层和固体润滑膜协同作用，提高了固体润 滑的效果【11。 9 江苏大学硕士学位论文 能进行过深入研究[2-5】。与上述处理工艺相比，采用固体润滑处理是从减小刀具 磨损角度探讨提高刀具使用寿命的方法，由于固体润滑工艺简单、成本低廉，是 一种值得关注和仔细研究的方法。 1(2固体润滑剂 固体润滑是用固体微粉、薄膜或复合材料代替润滑油 脂 ，隔离相对运动的 摩擦面以达到减摩和耐磨的目的。这种能够降低摩擦、减少磨损的固体物质称为 固体润滑剂。为解决高负荷、高真空、高低温、强辐射和强腐蚀等特殊工况下机 械的润滑问题，固体润滑材料己从单一的微粉粘结膜或单元的整体材料发展成为 由多种成分组成的复合材料。当前，可作为固体润滑剂的物质有石墨、二硫化钼 等层状固体物质、塑料和树脂等高分子材料、软金属及各种化合物等【6】。 1(2(1 固体润滑剂的作用 减少摩擦和磨损的措施是润滑。常用的液体润滑是有一定成效的，但供给液 体的润滑需要相当体积且复杂的设备和需要足够的动力，维持相应压力的装置以 及安全保护设施等，而且液体的泄漏也是个比较刺手的问题。从理论和实践上讲， 利用固体润滑剂方法，减少处于干摩擦状况下摩擦副的摩擦和磨损是可行的。采 用固体润滑就不需要相应的润滑设备和装置，也不存在泄漏问题。 固体润滑剂出现克服了针对液体润滑的一些固有缺点，诸如润滑油、脂都是 容易蒸发，其蒸气压较高，不能在l0-。Pa以上的真空中长时间使用。而高度1000Km 的宇宙空间【7】，真空较高，绝对压力达10(2一一10。Pa，因此人造地球卫星需要采用 蒸气压力很低的固体润滑剂【8】。润滑油在承受高负荷时，油膜会被破坏，在高温 下会丧失润滑能力。如使用固体润滑剂则有较高的承受能力，能耐高温。 总之，固体润滑剂可以应用于高低温、高真空、强辐射等特殊工况中，以及 粉尘、潮湿、海水等恶劣环境中;可以在不能使用润滑油脂的运转条件和环境条 件下使用:重量轻、体积小、不像使用润滑油脂那样需要密封、储存罐和供液系 统;时效变化小，减轻了维护保养的工作量和费用;解决了润滑技术上的一些难 题，增强了潮湿环境中的防锈能力，减轻设备的磨损。 lO 江苏大学硕士学位论文 1(2(2固体润滑剂的种类 固体润滑剂种类较多，润滑机理也较复杂。若以基本原料来分，可以分为软 金属类、金属化合物类、无机物类和有机物类等。可以作为固体润滑剂的物质很 (12】，铅、银等多，其中作为经典的有石墨、二硫化钼等层状结构物质19软金属， 以及聚四氟乙烯、尼龙等高分子材料。 1(2(2(1 软金属类固体润滑剂 许多软金属，如铅、锡、锌、铜、金、银等，在辐射、真空、高低温和重载 条件下具有良好的润滑效果，可以充当固体润滑剂【131。通常，将软金属润滑粉末 制成合金材料，或用电镀、离子镀等方法将其涂覆于摩擦表面，形成固体润滑膜。 如宇宙飞船的太阳能机构，液氢液氧火箭发动机涡轮泵轴承仅镀0(6(1um厚的银 膜，就能可靠地工作。 软金属固体润滑材料作为固体润滑剂，是基于它的剪切强度低，能够发生晶 间滑移。具有一定强度和韧性的软金属，一旦粘附于基材表面，便能牢固地粘接 在一起，发挥它优异的减摩和润滑作用。 1(2(2(2金属化合物类固体润滑剂 可作固体润滑剂的金属化合物较多。如金属的氧化物、卤化物、硫化物、 硒 化物、硼酸盐、磷酸盐、硫酸盐和有机酸盐等。主要使用的金属化合物类固体润 滑剂有三类:金属氧化物、金属硫化物和金属硒化物。 1(2(2(3无机物类固体润滑剂 无机物类固体润滑剂有石墨、氟化石墨等具有层状晶体结构，剪切强度很小。 当它与摩擦表面接触后便有较强的粘着力，并能防止对偶材料直接接触。玻璃在 一定的温度和压力条件下呈熔融状态，可隔离两摩擦表面，在高温下有良好的润 滑作用。滑石、云母、氮化硅等虽然润滑性能较差，但电绝缘性能好，能在高温 和特殊工况下充当固体润滑剂以及润滑填料。氮化硼为六方晶体，具有石墨 一样 的层状结构和类似性质，为白色粉末，可以用于高温和绝缘性隔热润滑材料。 1(2(2(4有机物类固体润滑剂 各种高分子材料:如蜡 石蜡、地蜡等 、固体脂肪酸和醇、联苯可以充当固 体润滑剂。各种树脂和塑料:热塑性树脂 聚四氟乙烯、聚乙烯、尼龙、聚甲醛、 聚苯硫醚等 和热固性树脂 酚醛、环氧、有机硅、聚氨酸等 可以充当固体润滑剂。 江苏大学硕士学位论文 热塑性材料在一定温度下有降低摩擦的趋势。 高分子材料除了以粉末形式作为润滑添加剂加入其它润滑剂中之外，一般都 作为基材，添加其它固体润滑剂 如二硫化钼等 后制成高分子基复合材料。 1(2(3固体润滑剂的特性 固体润滑剂应能在使用中不断为表面提供润滑，形成的固体润滑剂转移膜应 具有低的摩擦系数，并对金属基材和对偶材料有较强的粘着力和良好的耐磨性。 为此，固体润滑剂应具有不低于金属基材的热膨胀性能。也可以添加各种适合的 添加剂，以改善固体润滑剂的润滑性能。摩擦面上能否形成固体润滑剂的转移膜， 这层膜与基材粘着的牢固程度及耐磨性如何，是影响润滑性能的主要因素【14-18]。 1(2(3(1摩擦特性 所有的摩擦副都要承受一定负荷或传递一定动力，并且以一定速度运 动。粘 着于摩擦表面的固体润滑剂在与对偶材料摩擦时，在对偶材料摩擦表面形成转移 膜，使摩擦发生在固体润滑剂内部。这样才能表现出良好的摩擦特性一较低的摩 擦系数。 固体润滑剂的摩擦特性与其剪切强度有关，剪切强度越小，摩擦系数越小。 层状结构润滑材料在摩擦力的作用下，容易在层与层之间产生滑移，所以摩擦系 数小。软金属润滑材料能产生晶间滑移，剪切强度也很小。因而这些物质可以作 为固体润滑剂。 1(2(3(2耐磨性 对偶材料间在一定负荷和运动速度条件下发生摩擦，总会产生磨损。经过若 干周期摩擦，固体润滑剂全部磨损完时，便是其摩擦寿命。通常，固体润滑剂的 耐磨性随着负荷、速度的增加而下降。因此，应用于每个具体摩擦副组件的固体 润滑剂应该具有与寿命相一致的耐磨性。 1(2(3(3宽温性 固体润滑剂应能在一定温度范围内工作。目前，固体润滑剂使用温度上限在 1200" 2以上 会属压力加工中所使用的固体润滑剂 ，最低温度在(270"C左右 液氧 和液氮等输液泵轴承的固体润滑剂 ，但是，无论如何固体润滑剂都没有这么宽 的工作范围，实际使用的固体润滑剂只要求适用于某一特定温度范围，而且通过 12 江苏大学硕士学位论文 制造特定复合润滑材料便可以在某个温度范围工作。在一定工作温度范围内，固 体润滑剂应具有较低的摩擦系数，较好的润滑性能和耐磨性。 1(2(3(4气氛特性 许多固体润滑剂的润滑效果对气氛有依赖性。而且，有的固体润滑剂 如软 金属银、金、铅等 受气氛环境影响较大，只能适应于特定的气氛条件下工作。 为此，可以采用以下两种办法来解决:在特定气氛条件下选择特定的固体润 滑剂 及其复合材料;在固体润滑剂中添加某些添加剂来改善它的气氛特性。 1(2(3(5 耐腐蚀性 摩擦副可能处于酸、碱、盐等各种腐蚀性介质中工作，也可能处于雾、水、 海水和其他腐蚀性液体介质中工作，或处于各种腐蚀性气体环境中工作。在这些 有腐蚀作用的环境中工作的固体润滑材料应该性能稳定，不发生任何变化，在规 定的使用寿命期内保证其良好的润滑性能。 1(2(3(6耐辐射性 工作在核工业、原子能电站或有放射性物质存在环境中的固体润滑剂， 必须 具有耐辐射性能。有机物固体润滑剂的耐辐射能力较低，在受到一定强度的辐射 后，将发生交联或聚合，但主要发生解离作用，使其变硬发脆，而失去润滑作用。 因此，要求固体润滑剂在规定使用期内能承受一定强度的放射性辐射，固体润滑 剂的物理机械性能和润滑性能应基本保持不变。层状固体润滑材料和软会属润滑 材料及其复合材料都具有这种特性。 1(2(3(7蒸发性 各种物质在一定温度和压力条件下都会蒸发，由液化变成蒸气，弥散在空中， 有的固体会因温度升高、压力降低直接变成气体，称为升华。某些应用于航 天器 中的固体润滑剂在升空后处于真空状态下工作，这时的气压接近于零。如果蒸发 性大，由固体润滑剂变态形成的气态物将粘附于其它零件表面，影响其它部件的 工作。因此，应用于真空中的固体润滑剂应具有蒸发率低的性能。 (2(4固体润滑膜的制备 1 在固体润滑技术领域内，通常采用下列几种方法，即所谓干法制备、湿法制 备、粉末喷涂和复合镀覆等制备工艺【19’20】。各种方法均有各自的特点和应用场合。 江苏大学硕士学位论文 1(2(4(1干法制各 干法制备固体润滑膜就是从基材的前处理到膜的粘接都在真空中进行的方 法。它是60年代开始迅速发展起来的气相沉积技术。可分为化学气相沉积 CvD 和物理气相沉积 PVD 两大类。溅射和离子镀是常用的PVDT_艺，真空蒸镀和 离子注入也属于这种方法。 干法制备固体润滑膜具有以下特点:由于全过程都在真空中进行，故表面污 染少，膜的粘着强度高;可以生成只含固体润滑剂的膜;可以精确地控制膜的厚 度，并可省略表面卡H糙化的酸洗和喷砂等工序，适用于高精度零部件。但是干法 制备不能形成厚膜，一般膜厚在0(6pm左右，最厚是11(tm。由于需要真空装置， 所以该法的应用受到限制。 在干法制备中，比较实用的有适用于软金属的离子镀法和制备二硫化铝、聚 四氟乙烯等膜的溅射法。 1(2(4(2湿法制备 把固体润滑剂和粘接剂等配制成悬浮液，喷涂在基材上，干燥成膜。湿法制 备的工艺流程为:基材除油_喷砂和化学处理_涂层粘接_热处理。把含有固体 润滑剂和粘结剂的液体用喷枪或用刷子刷涂在经过表面处理的基材上，然后进行 固化处理，成为干膜。 粘接剂分为有机和无机两大类。有机的如环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚 胺等; 无机的如硅酸盐等。从膜的耐磨性来看，使用有机粘接剂的效果比无机粘接剂的 好。但就耐热性而言，却是的者的效果比后者的差。 通过固化热处理，可提高膜的粘着强度。但是，热处理的温度受到膜工作特 50?以下，因而不性的影响。如飞机用的铝合金，其热处理温度被限制在1 能用 聚酰亚胺类的有机粘接剂。某些轴承钢在200?下加热会使其硬度降低，所以不 能使用需经高温热处理的无机粘接剂。 固体润滑膜可能在各种各样的环境条件下使用，它的最佳厚度应随使用条件 而变化。一般情况下，干膜最适宜的厚度范围在7(15pm之间。 1(2(4(3粉末喷涂法 粉末喷涂工艺程序为:基材金属预处理 除油、除锈、喷砂、活化和磷化、 打底漆等 _粉料预处理 粉碎、过筛、除湿等 _粉木喷涂_涂层的后处理 热 14 江苏大学硕士学位论文 处理和机械加工 。 粉末喷涂层的厚度一般为0(1(0(3mm，与固体润滑剂所要求的10(80pm厚度相 差甚远，同时，所添加的各种固体润滑剂粉末与粉末涂料不易混合均匀，因此涂 层的均匀性与致密性都较差。 表面喷涂成膜中热喷涂多用于难熔金属或低熔点金属向金属基底表面涂布， 静电喷涂多用于聚合物粉末在金属表面上的覆盖，不仅可向金属表面喷涂固体材 料，还可向非金属材料喷涂所需的材料。溅射膜的厚度可以精确控制，Pb、Ag、 Cu、Sn、MoS2、PTFE和氧化物等均可通过溅射成膜。 1(2(4(4复合镀层法 把一种或几种惰性物质均匀地分散在电解液中，用电镀或化学镀的方法使其 均匀地与被镀金属共沉积，这种方法成为复合镀。所获得的镀层为复合镀层。所 谓惰性物质是指不与电解液发生化学反应的物质，例如镍(碳化硅 Ni(SiC 复 合镀层。 1(2(5固体润滑剂的应用 固体润滑材料的应用可归纳为如下诸多方面【211:负荷高的运动部件，如重型 机械、拉丝机械等。高速运动的运动部件，如弹丸与枪弹之问的滑动面。速度低 的运动部件，如机床导轨等。温度高的运动部件，如炼钢机械、汽轮机等。温度 低的运动部件，如制冷机械、液氢、液氧输送机械等。高真空条件下的运动部件， 如宇航器的机械、医疗X光管等。耐腐蚀的运动部件，如处于强酸、强碱和海水 中的活动部件。接受强辐射的运动部件，如原子能发电站的某些机械等。环境条 件很清洁的运动部件，如办公机械、食品机械、精密仪器等。耐磨粒磨损的运动 部件，如钻探机械、农业耕作机械等。 1(3粘接固体润滑膜 1(3(1粘接固体润滑膜的减磨机理 DVIDP(WILLIS(JR(认为【22】光滑表面在微观尺度上实际都是很粗糙的，摩擦 副只在微观凸起上相接触，实际接触面积与载荷呈正比，在一定载荷下，接触点 15 江苏大学硕士学位论文 焊接在一起。相互压紧的摩擦副在发生相对运动时要克服两种阻力: 1 微凸体 互相咬住，这在静启动时，所占份额较大，只有硬物体将软物体犁沟或其它作用 下才能发生相对运动。 2 由于微凸体变形以后密切接触，发生粘着和焊接产生 结点，发生相对运动时必须将结点切断。在运动过程中结点不断折断和生成。摩 擦力即为折断结点与犁沟所需力的和。 减小摩擦和磨损最有效方法是用润滑剂使相对滑动表面分离，使用润滑 油和 润滑脂是最普遍的方法。但是它们常常被证明是不充分的，例如由于氧化，润滑 油会在高温失去润滑性，一些其他种类润滑油脂也不适用，因而常常选用固体润 滑剂。 1(3(2固体润滑剂的复合效应 在一种固体润滑剂中加入另一种或几种固体润滑剂，甚至非润滑剂物质后， 可以明显改善固体润滑剂的摩擦学特性，把这种增强了的润滑效果称为协同效 应。许多试验表明，二硫化钼与石墨有着良好的协同效应，其他成分 如ZnS、 的加入，也可降低由其组成的固体润滑膜的磨损率。 CaF2、PbO等 1(3(2(1石墨与二硫化钼粉术间的复合效应 二硫化钼与石墨有复合效应 见图1(1 ，混合物的摩擦一温度特性比其组成 组分单独的都好，而且混合物对摩擦表面保护能力也比其组成组分单独使用时的 高。在石墨或二硫化钼中添加氧化铅也有类似的复合效应。 0(5 0(4 籁0(3 ,溺 鬟呲 (1 q。0 O 0 20000400006000080000100000 N 转数 3-一彳i墨+MoS2 1一彳i墨2―MoS2 16 江苏大学硕士学位论文 图1(1二硫化铝与石墨的复合效应 effect and ofMoS2 (1Complex graphite Fig(I 在Fischer试验机上对二硫化钼一石墨混合物室温下试验得到，混合物的摩擦 系数随着混合物中石墨含量的增加而下降【231，但膜未磨穿的最大容许负 荷是随混 合物中石墨含量的增加而下降，含60―80,石墨混合物的协同作用更为显 著。在 承载能力方面，未处理的钢材 XCl20 没显示出混合物的协同作用。表面处 理后 则含10(20,石墨的混合物有一定的协同作用，可见摩擦面性能也是影响混合物 发挥协同作用的重要因素之一。 Fishcher还用球(盘试验机对MoS2(C混合物进行了温度和混合比对其摩擦 系数影响的试验【241。结果为:在300。C以上，混合物的摩擦系数比单组分低，而 且在300(500?的温度范围内，含80,石墨混合物的摩擦系数为最低，200?以 下则含10,和20,石墨的MoS2混合物的摩擦系数最低。 综上可知，两种固体润滑剂协同作用的发挥与操作条件密切相关，微量水分 和气体的吸附有助于石墨的润滑效应，摩擦表面氧化物的存在对石墨的减磨 效 应也有所提高。而MoS2的极性面层也吸附极微量的气体有助于润滑，但吸附更 多的气体会使其摩擦增大影响其与金属摩擦面的吸附。 1(3(2(2粘结固体润滑膜中的协同作用 在试验中发现在利用MoS2与石墨问协同效应基础上添加金属粉后使干膜 的耐磨寿命提高约二倍。徐锦芬研究聚苯二甲酸丁脂作为粘结剂的粘结固体润滑 膜【251，利用MoS2与石墨的协同效应，及MoS2与金属硫化物的协同作用，在 同一种膜中同时运用获得了很好的结果;在二硫化钼石墨中添加硫代锑酸锑发现 三者有很好的协同效应，硫代锑酸锑的化学活性有助于提高二硫化钼的成膜 性能 和膜承受载荷的能力【261。党鸿辛成功利用了石墨与PbO、石墨与NaF的协同作用， 又加入少量Si02以降低Pbo在高温下的挥发性并减少金属底材在高温下的氧化 速率，加入少量Fe304，以增加膜的硬度和稳定形态从而制成了氧化铅基涂层。 1(3(3固体润滑膜的附着机理 1(3(3(1 附着机理 粘结过程是一个复杂的物理化学过程，粘结力的产生不仅取决于胶粘剂和被 17 江苏大学硕士学位论文 粘物表面的结构与状态，而且和粘结过程的工艺条件密切相关。胶粘剂与被粘物 表面之间逾过界面相互吸引和连接作用的力称粘结力。 粘结力的来源是多方面的【271，主要有: a 化学键力，又称主价键力，存在于原子或离子之间。化学键包括离子键、 共价键及金属键三种不同的形式，离子键力有时候可能存在于某些无机胶粘剂与 无机材料表面之间的界面区内，绝大多数有机化合物的分子都是通过共价键组 成。某些情况下，带有化学活性基团的胶粘剂分子与带有活性基团的被粘物分子 之间也可能出现共价键连接。金属键作用与粘附过程关系不大。 b 分子间作用力，又称次价键力，分子问的作用包括取向力、诱导力、 色 散力和氢键力。分子作用力是粘结力主要来源，它广泛存在于所有粘结体系中。 c 界面静电引力，当金属与非金属材料密切接触时 例如高分子粘结剂 ， 由于金属对电子的亲和力低，容易失去电子而非金属对电子亲和力高，容易得到 电子，故电子可从会属移向非金属，使界面两侧产主接触电势，并形成双电层产 生静电引力。 d 机械作用力，从物理化学的观点看，机械作用并不是产生粘结力的因素， 而是增加粘结效果的一种方法，胶粘剂充满被粘物表面的缝隙或凸凹处固化后， 在界面区产生了啮合力，NaofumiHiraokaf用在软金属上镀不连续的硬会属的方 法，来增强机械结合力【28l。 1(3(3(2影响粘接强度的因素 1 粗糙度和表面形态 被粘物表面的粗糙程度是产生机械粘接力的源泉。机械粘接力是通过加强湿 润以及吸附作用而得到的，被粘物表面增加粗糙度等于增加其表面积。液体在粗 糙表面的接触角有别于光滑表面的接触角。在湿润性好的情况下，胶粘剂在粗糙 表面的湿润性比在光滑表面的湿润性好。湿润性不好的情况下，胶粘剂在粗糙表 面的湿润性低于光滑表面的湿润性。在被粘物表面进行糙化处理时，要根据 胶粘 剂以及被粘物表面的湿润情况酌情进行。 2 弱界面层 如果胶粘剂层本身的内聚力为alI，被粘物表面本身的内聚力为a22，则胶粘 剂以及被粘物在湿润状态下，粘合力必然介于aIl，a22之间。所以Bikennan提出， 18 江苏大学硕士学位论文 在湿润状态下，胶接接头的破坏不可能得到纯粹的界面破坏，即从界面脱开的破 坏。但实际上，胶接接头往往存在界面破坏，对此Bikerman认为是胶接体系存 在弱界面层的缘故。 弱界面层的产生是由于被粘物、胶粘剂、环境或它们共同作用的结果。当被 粘物、胶粘剂以及环境中的低分子物或杂质，通过渗析、吸附及聚集过程，在部 分或全部界面内产生了这些分子物的富集区，这就是弱界面层。胶接接头在外力 作用下的破坏过程必然发生于弱界面层，这就是出现粘接界面破坏以及粘接力严 重下降的原因。 3 内应力 粘接体系存在的内应力一般有两个来源。其一是胶层在固化过程中固体体积 收缩而产生的收缩应力;其二是由于胶层与被粘物二者的膨胀系数不同，在 受热 或冷却时产生的热应力。胶接接头的内应力可随着胶粘剂分子的蠕动 松弛 而 缓慢下降。胶粘剂分子在蠕动不足情况下，胶接接头就存在永久性残留应力。胶 接体系的内应力和粘接力之问是相互抵消的，若内应力大于粘接力，粘接接头可 自动脱开。在胶接接头内分布不均匀的胶接件端头、气孔、空洞存在严重的应力。 4 环境的作用 被粘物表面受周围介质污染，能使粘接体系的粘接力严重下降。例如，被粘 物表面有油迹时，由于油层的表面张力低于胶粘剂的表面张力，故油层比胶粘剂 层更容易湿润被粘物的表面，并形成一个不易清除的吸附层，即弱界面层。它的 存在大大降低了胶粘剂对被粘物表面的亲合力。周围环境中，水分的作用更有普 遍性，有些材料对水产生化学吸附，极性表面对水的吸附力比一般胶粘剂强。另 外，水分或其它低分子物对胶粘剂层本身还有渗透、腐蚀及膨胀作用。 1(4本课题研究主要内容 本课题研究主要内容为耐磨复合磷化、粘接固体润滑膜以及耐磨复合磷化后 粘接固体润滑膜，用涂有该涂层的高速钢刀具进行车削，测试其切削性能，判断 涂层的实际效果。预期目标是通过金属表面磷化预处理，克服粘接固体润滑膜存 在结合力低、耐久性差的缺点。课题研究具体内容如下: 1 通过实验室优选、复配，确定磷化液配方、工艺。工艺要尽可能简单、易 操 19 江苏大学硕士学位论文 作、污染小。 2 磷化膜性能检测，包括形貌、成分、摩擦学性能 3 通过配方优选确定固体润滑剂 4 粘接固体润滑膜并检测其摩擦学性能 5 测量车削加工中的三向切削力 6 测量刀具磨损量 7 观察刀具SEM形貌并作分析 20 江苏大学硕士学位论文 第2章粘接固体润滑膜的工艺过程 固体之间的摩擦主要是表面现象，固体润滑剂实际是以膜的形式在起作用， 种行之有效的成膜方法就是用各种粘接剂将固体润滑剂粘接在工件表面 上，形 成所谓的固体润滑粘接涂层。 固体润滑膜中主要包含以下几种成分:周体润滑剂、复合添加剂、粘接剂、 溶剂俐。其主要功能是保护基体表面，减小摩擦系数四。 2 1试验及方法 21 1固体填料的选择 石墨及Mos2具有层状晶体结构，作为固体润滑材料可在高温、低温、真空 和重载下保持很低的摩擦系数。但单一固体润滑材料往往难以满足实用要求，因 此采用石墨一Mosz系固体润滑剂 含80,石墨 。本试验采用购买的工业级石墨 1。 和二硫化钼，其颗粒尺寸形貌如图2 a 石墨 鲥21捌体润槽剂的表面形貌 21Micrvstructurcofsolidlubrj?t Fig 研究表明，在固体润滑膜中加入石棉纤维可以提高耐磨寿命。但右棉纤维对 环境有害，因此必须开发石棉纤维替代材料。在已合成的近百种晶须中，投入工 其重要原因是晶须昂贵的价格限制了其规模化应用。近年来，钛酸钾晶须在制造 成本上取得了较大突破加之其性能十分优异而愈来愈受到关注。钛酸钾晶须作为 纤维材料具有工艺简单且价格低廉等特点四，鉴于其在固体润滑剂中的潜在应用 江苏大学项士学位论文 价值，我们将钛酸钾晶须引入石墨(MoS2系固体润滑膜中，考察其对固体润精膜 摩擦磨损性能的影响，并探讨了其作用机理。 纳米钛酸钾晶须的制各:将纳米级二氧化钛 Ti02 加入碳酸钾 K2C03 的水溶液中，搅拌均匀，放入烤箱中，在80"C下烘干后，研磨均匀，放入高温炉 中，在800?下灼烧30小时，即可得到纳米级的钛酸钾 K2Ti409 晶须。其反 应方程式为: 4T102+K2C03 K2Ti409+C02T 图22 a 示出了采用崮相反应法制备的钛酸钾晶额的形貌SEM照片。可见 其呈纤维状，直径约为200nm，长约为2―3ml。图22 b 示出了其成分的EDAX 分析结果，可见其主要由K、Ti和O元素组成。 a 钛酸钾品须形貌SEM照片 b 钍酸钾品须成分 EDAX分析 刚2(2钛醴钾品颓形貌SEM照片及成分EDAX分析 Fig2(2Morpholog "andcomponentofK2Ti409 图2 町观察到钛酸钾品须呈针状结构，在晶须周围有固体润滑剂存在。 I生123 K2Ti409+,ti墨十MoS2复台型吲体润滑涂层的表面形貌 2 Fig3MorphologyofK2Ti409+graphite+MoS2 江苏大学硕士学位论文 2(1(2成膜物质的选择 成膜物质是粘接固体润滑膜的基础组成部分。它在涂层中起胶粘剂作用‘蚓， 使之能在底材表面形成一层附着牢固的固体润滑膜并赋予良好的物理力学性能、 耐腐蚀性能、抗环境介质性、耐磨性。它将固体润滑剂粘接在固体表面，形 成一 个润滑涂料的源泉，将固体润滑剂源源不断的送到摩擦副间。 本试验采用的成膜物质是改性酚醛树脂。 2(1(3主要试验设备 MG。200型摩擦磨损试验机 图2(4 ，烘箱，扫描电镜SEM，划痕试验机 l一载荷杠杆;2，9一散热片;3一试样环座;4一环形试样;5一盘形试样; 6一钢球;7一定位销;8一加热炉;lO一传感器;ll一砝码;12一电机 图2(4摩擦磨损试验机结构图 Structureoffrictionwear machine Fig(2(4 testing (1(4试验工艺 2 固体润滑剂涂料的配制:将一定量的固体填料加入一定量的成膜物质 胶粘 剂 中，加入稀释剂及其它添加剂。 试件表面一般会有氧化物或油等污染物，因而影响涂层与基体的结合强度， 适当的表面处理十分必要。 本试验对试验用45钢环、盘采用如下前处理工艺: a 用砂纸打磨; b 江苏大学硕士学位论文 一 21 5膜层性能测试 2000型划痕试验机测试膜层与基体的结合力 1 采用WS- 2 用摩擦磨损试验机测试膜层的摩擦学性能，摩擦试验条件为:试验 转速 Or,min，压力50MPa。 3 用JEOL JSM(7001F型扫描电镜观察磨损形貌 2 2试验结果与讨论 22 1固体润滑剂与有机粘接剂配比的影响 使用固体填料般是为了降低固化过程中的收缩率，或是赋予胶粘剂某些特 殊肚能。本试验中采用的固体填科石墨、二硫化钼等填料是为了让滁层具有较高 的润滑性、耐磨性和承载性。 图2(6显不了在不同固体润滑剂与有机粘接剂配比下的摩擦系数情况，可见 随着固体润滑剂含量的增加 从1:1到2;1到5:1 ，摩擦系数减小 约由O35 降低到o(15 。这是由于涂层中起润滑减摩作用的物质主要是石墨、二硫 化钼固 体润滑剂，所以随着固体润滑剂含量的增加，摩擦系数明显降低。但是也不是固 体润滑剂含量越多越好，当固体润滑剂与有机粘接剂配比为10:1时(虽然摩擦 江苏大学硕士学位论文 系数小，但是耐磨寿命短，大约6000转就失效了。这是由于胶粘剂在固化过程 中，伴随体积减小和密度增加，这种体积收缩是由于化学作用引起的。除固化过 程中产生的收缩外，由于树脂与被粘物的不同热膨胀系数，还会产生热收缩。这 两种收缩均会在胶层产生内应力，造成应力集中，以致引起胶层开裂或接头破坏。 填料可以调节固化过程中的收缩率，减小胶粘剂和被粘物之间热膨胀系数的差 别，并阻止裂缝延伸。但填料过多，会影响涂层体系的连续性结构，涂层致密性 下降，接头内应力增加，强度下降，从而涂层摩擦学性能下降【35’361。所以当固体 润滑剂与有机粘接剂配比为10:1时，耐磨寿命减短。因此要选择适当的配比， 由图可见，当固体润滑剂与有机粘接剂配比为5:1时，固体润滑效果最好，摩 擦系数小 约为0(15 ，且耐磨寿命长 到12000转还维持着较小的摩擦系数 。 O(6 1一硐体润滑剂:有机粘接剂 1:l 2一田休润滑剂:钉机袖按利 2:1 3一网体润滑剂:有机粘接荆 5:1 O(5 4一冈体润滑剂:有机粘接剂 10:1 0(4 j 籁 鬓03 登 脊,籼…一怠2 O(2 0(1 ’k撕必’脯3 ?一，，2 O(0 幽2(6不同蚓体润滑剂与有机粘接剂配比卜的摩擦系数 Coefficientoffrictionatdifferentconcentrationofsolidlubricant Fig(2(6 2。2(2添加钛酸钾晶须的影响 图2(7显示了添加钛酸钾晶须和未添加钛酸钾晶须情况下的摩擦系数曲线。 可见，添加钛酸钾晶须明显降低摩擦系数 从0(2降低到0(1 ，且提高了耐磨寿 命 从15000转提高到70000转 。 江苏大学硕士学住论文 ，: :|。2彳 l i‰ 麟鬻 a 米添加钛酸钾品须 b 添加铁酸钾品须 凹2(8厝损屙的表面形貌 Fi928Morpholog,?ofwearmmce 试验结果表明，钛酸钾晶须与石墨+Mos2产生了明显的协同效应，由它 们 组成的混合型崮体润滑膜摩擦学性能明显优于石墨+Mosz粘结固体润滑膜。 图2 la，b分别为石墨和Mos2固体润滑剂在sEM f放犬1000倍时的表面 形貌t町以明显看到石墨的粒径在1叽m左右(MoS2的粒径约l岬均呈扁平状 结构，扁平状结构具有在润滑面上附着性好、研磨性小的特点。石墨和MoS2的 江苏大学硕士学位论文 层片结构，在摩擦过程中易于剪切，在对偶表面之间形成固体润滑膜从而具有良 好的减摩作用保护对偶表面。 摩擦试验过程中，在摩擦开始阶段，摩擦系数较高，随着摩擦试验的进行， 试样盘上的固体润滑剂在剪切力作用下，层片结构固体润滑材料在摩擦力作用下 易发生层间滑移，在试样盘表面形成固体润滑膜，同时固体润滑剂的颗粒转移到 试样环上，形成转移膜，这时摩擦主要发生在固体润滑膜与转移膜之间，摩擦系 数减低，固体润滑膜进入正常磨损阶段。这时固体润滑膜的生成与消耗平衡，固 体润滑膜的表面比较平整。 摩擦是一个产生热量的过程，试验过程中，随着温度升高，作为润滑剂的石 墨和MoS2开始氧化，摩擦系数升高。一般有机粘结剂仅耐300?左右的温度，当 温度高于300?时，有机粘结剂开始软化。在压力和摩擦力作用下，固体润滑膜 的磨损不仅发生在表面，其内部也开始磨损，固体润滑膜开始破损。K2Ti409晶 须的软化点为1300?，具有较好的抗拉强度和弹性模量。因此K2Ti409晶须的加 入，可以提高固体润滑膜的强度，增强膜的附着力，防止固体润滑剂的脱落。使 得K2Ti409+石墨+MoS2固体润滑膜寿命明显提高。结合图2(8，由磨损形貌也可 以对K2Ti409晶须作用进行定性说明。 2(2(3粘接固体润滑膜与基体的结合力 采用多道喷涂方法，制得厚度为209m的固体润滑涂层。用划痕试验机测试 粘接固体润滑膜与基体的结合力。加载速度20N,Min，终止载荷20N，划痕长度 5mm。在从压头的逐渐加载及其运动形式分析来说，膜层的破坏经历了三个典型 阶段:?当载荷比较低时，划痕内部较为光滑，随着载荷的增加膜层内部开始出 现少数裂纹，此时载荷已经达到膜层失效的临界载荷，在这一阶段，涂层的破坏 主要是轻微的塑性变形，划痕较窄，摩擦力较小，声发射信号也较为平稳;?随 载荷的继续升高，膜层逐渐被压入金属基体。发生塑性变形并不断产生新的横向 裂纹，裂纹不断扩展直至膜层出现明显剥离现象，此时划痕明显变宽，直至 涂层 附近膜层出现局部小片层脱落现象，这时载荷即为所求的临界载荷;?这时载荷 已经明显大于临界载荷，压头与基体直接接触，使基体塑性变形快速加大，这时 声发射强度和摩擦力都比较高，但是由于受膜层的影响较小，所以最终还是趋于 27 江苏大学硕士学位论文 平稳。测试结果如图2(9，水平方向结合力为5(23N，垂直方向结合力为5(41N， 平均结合力为5(32N。 O ? ? T ? 恻 6 鼎 心 趟瞒申避 ? 培 3 2 ， O a 水平方向 b 垂直方向 图2(9粘接固体润滑膜与基体的结合力