DLC表面处理对高速钢耐磨性能的影响

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[关键词 ] DLC薄膜 ;摩擦因数 ;润滑 ;摩擦磨损性能 [中图分类号 ] TB43; TH117. 1 [文献标识码 ]A [文章编号 ]1001 - 3660 (2008) 06 - 0024 - 03
Effect of DLC Surface Trea tm en t on W ear Resistance of H igh Speed Steel
lubrication and different speeds in the first 60 m inutes.
件 (模具钢 )表面的粗糙度不一致 ,他们表面都具有一些微观的 硬质凸起 ,这些微观凸起使得初始接触时的摩擦因数急剧变大 。 在摩擦磨损过程中 ,这些硬质小凸点承受了接触面间的绝大多 数压力 ,因而在较短的时间内 ,这些硬质凸起就开始屈服并发生 塑性变形 ,加之润滑油的良好辅助作用 (接触面间成边界摩擦 趋势 ) ,接触表面变得光滑 ,而且摩擦副间的配合也越来越好 , 因而摩擦因数随时间的延长逐渐变小 。图 2b的变化趋势与图 2a有所区别 ,图 2b中的摩擦因数并不是先增加后减少 ,相反还 出现了些许的增加 ,这可能是因为高速磨损时 ,随磨损时间延 长 ,接触面间温度过高 ,润滑油挥发得比较多 ,本实验控制的正 常滴油速度下并不能满足润滑需求 ,因此实际的润滑状况可能 变成半干摩擦 (此时部分接触点是干摩擦 ,而另一部分是边界 摩擦 ) ,由此可解释图 2b中摩擦因数的变化趋势 。 2. 1. 3 转速对 DLC摩擦磨损性能的影响
试验中摩擦因数的测量是通过对力矩的换算来实现收稿日期18作者简介江苏东台人硕士主要从事耐磨涂层的相关研究表面技术surfactechnologyec2008vo是摩擦力是摩擦因数磨痕形貌分析采用s2570型扫描电子显微镜sem观察试样的磨痕微观形貌油润滑不同转速下第igureriationfrictioncoefficienconditionillubricationifferenspeedfirst60inute模具钢表面的粗糙度不一致他们表面都具有一些微观的硬质击起这些微观击起使得初始接触时的摩擦因数急剧变大在摩擦磨损过程中这些硬质小击点承受了接触面间的绝大多数压力因而在较短的时间内这些硬质击起就开始屈服并发生塑性变形加之润滑油的良好辅助作用接触面间成边界摩擦趋势而且摩擦副间的配合也越来越好2b的变化趋势与图2a有所区别2b中的摩擦因数并不是先增加后减少相反随磨损时间接触面间温度过高润滑油挥发得比较多本实验控制的常滴油速度下并不能满足润滑需求因此实际的润滑状况可变成半干摩擦此时部分接触点是干摩擦转速对dl为油润滑状况下转速的变化对dlc试样摩擦磨损3a为不同转速下dlc试样的磨损曲线变3b为测定的第1h内摩擦因数的变化曲线油润滑不同转速下的摩擦磨损曲线igurecurvefrictionconditionillubricationifferenspeed可以看出低速下进行磨损dlc试样的磨损曲线比较平缓而在图1b磨损初始阶段dlcdlc试样的磨损曲线斜率增大试样的磨损曲线斜率较为接近
2. Shanghai H itachi Electrical App liances Co. , L td, Shanghai 201206, China) [ Abstract] The wear resistance of metal parts can be obviously imp roved after DLC surface treatment, so the DLC film technology is becom ing more of a concerned field in mechanical industry. The differences about friction charac2 teristics between nonsurface2treated and surface2treated w ith DLC film s on high speed steel were investigated under differ2 ent conditions usingMM 2200 friction and wear tester. The wear resistance was evaluated by weight loss method. It is re2 vealed from the results that surfaces treated w ith DLC film s can greatly imp rove the wear resistance of high speed steel, no matter during conditions of various lubrication ( oil lubrication and dry friction) or different speeds ( low speed and high speed). The m icrographs of the wear track were also studied by SEM and the mechanism s of wear were analyzed. [ Key words] D iamond2like carbon film s; Coefficient of friction; Lubrication; Friction and wear characteristics
0 引 言
1 试验部分
材料的表面处理能够赋予材料一些特定的性能 ,极大地改 善材料的性能及延长使用寿命 [1 ] 。在机械电子 、石油化工 、航 空航天等工程领域 ,材料的摩擦磨损历来就是科技人员的研究 重点之一 。在材料耐磨研究领域 ,新型的表面处理不仅完善了 材料加工工艺 ,而且大大地节约了耐磨材料 ,降低了加工成本 , 取得了良好的经济效益 。
本文选用高速钢作为基体材料 ,研究了高速钢基体上沉积 DLC薄膜后 ,在磨损试验机上经不同转速 、不同润滑状态的磨损 及其磨损性能的改善情况 。
[收稿日期 ]2008 - 07 - 18 [作者简介 ]戴兵 (1984 - ) ,男 ,江苏东台人 ,硕士 ,主要从事耐磨涂层的 相关研究 。
1. 1 摩擦磨损试验
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戴兵等 DLC表面处理对高速钢耐磨性能的影响
DLC表面处理对高速钢耐磨性能的影响
戴兵 1 ,张恒华 1 ,黄波 2 ,高国强 2 (1. 上海大学材料科学与工程学院 ,上海 200072; 2. 上海日立电器有限公司 ,上海 201206)
[摘 要 ] 经 DLC表面处理的金属零件 ,其耐磨性会明显提高 ,因此 DLC表面处理工艺在机械工业受到高度重视 。以模具钢 为对偶件 ,利用 MM200磨损试验机比较了未经及经过 DLC表面处理的高速钢在不同条件下摩擦磨损性能的差异 ,采用失重法评估 耐磨性 。试验结果表明 :在高速和低速摩擦磨损试验条件下 ,无论在油润滑状态还是在干摩擦状态 ,经 DLC表面处理后高速钢的耐 磨性能都有明显的提高 。同时还利用扫描电子显微镜 ( SEM ) 观察了磨痕微观形貌 ,并分析了磨损机理 。
图 2所示为油润滑 、不同转速下 , DLC和 H 试样在第 1h内 的摩擦因数变化情况 。 由图 2a可知 ,低速磨损时 , DLC试样和 H 试样的摩擦因数 都是先增加后减小 ,这是因为在初始磨损阶段 ,试样表面及对偶
图 2 油润滑 、不同转速下第 1h内的摩擦因数变化 Figure 2 Variation of the friction coefficient under conditions of oil
Байду номын сангаас
μ =M / (N R )
1. 2 磨痕形貌分析
采用 H ITACH I S2570型扫描电子显微镜 ( SEM )观察试样的
磨痕微观形貌 。
2 结果与分析
2. 1 润滑条件下的摩擦磨损性能
2. 1. 1 DLC和 H试样的磨损失重比较 图 1为 DLC和 H 试样在油润滑 、不同转速下的磨损曲线
试验中摩擦因数 μ的测量是通过对力矩 M 的换算来实现
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第 37卷 第 6期 2008年 12月 表面技术
图。
图 1 油润滑 、不同转速下的摩擦磨损曲线
Figure 1 Curves of friction and wear behaviour under
conditions of oil lubrication and different speeds
由图 1a可以看出 ,低速下进行磨损 , DLC试样的磨损曲线 比较平缓 ,而 H试样则显得比较陡直 ;而在图 1b中 ,磨损初始 阶段 DLC试样的 磨损曲线较为平直 ,随着磨 损 时 间 的 延 长 , DLC试样的磨损曲线斜率增大 ,且与 H 试样的磨损曲线斜率较 为接近 。但油润滑时 ,不论在低速还是高速条件下 , DLC试样的 磨损失重都比 H试样小 ,相对于 H 试样 , DLC试样具有更好的 耐磨性能 。DLC 试样之所以具有良好的耐磨性 ,主要是因为 DLC薄膜是一种亚稳态结构的碳 ,具有 sp2 和 sp3 的混杂结构 , 兼具有金刚石 (与 sp3 杂化相关 )和石墨 (与 sp2 杂化相关 )的性 质 。在摩擦过程中 ,由于接触面微观粗糙不平 ,造成局部温度可 高达几百甚至 1 000℃,在正压力较大 、转速较快 (摩擦接触频 繁 )或者润滑不充分时 ,摩擦热就得不到及时的转移 ,此时大量 的氢从 sp3 聚束区中溢出 ,这种氢几乎耗尽的膜层极易在接触 应力的作用下被剪切形成 sp2 杂化的石墨结构 ,随着进一步的 石墨化 ,石墨层达到临界厚度 ,在 2个接触表面的石墨层具有非 常低的剪切强度 (归因于低的范德华力作用 ) ,可以在接触表面 来回不断地转移 [9 ] 。 2. 1. 2 DLC和 H试样的摩擦因数变化
摩擦磨损试验在 MM 2200 磨损试验机上进行 ,该试验机的 最大正压力为 200kg, MM 2200 磨损试验机有 2 个转速档 ,即高 速档 ( 400 r/m in)和低速档 ( 200 r/m in) 。试样的对偶件为直径 <40mm的模具钢 。在油润滑 、不同转速下进行摩擦磨损试验 , 此时正压力 N 均为 118kg,滴油速度为 4 滴 /m in,润滑正常 ; 在 干摩擦 、低速下进行摩擦磨损试验 ,此时正压力 N 为 38kg。
图 3为油润滑状况下 ,转速的变化对 DLC试样摩擦磨损性 能的影响 。图 3a为不同转速下 DLC试样的磨损曲线变化 ,图 3b为测定的第 1h内摩擦因数的变化曲线 。
图 3 转速对 DLC试样摩擦磨损性能的影响 Figure 3 Effect of speeds on the friction behaviour of DLC samp les 从图 3a可以看出 ,低速下 DLC试样的耐磨性能远远好于 高速下的耐磨性能 。在第 1h内 , DLC试样在不同转速下的磨损 程度大致相当 ,这可以从图 3a看出来 ,且从图 3b第 1h的摩擦 因数变化可以得出 ,高速条件下第 1h内的磨损程度甚至小点 。 图 3b中高速磨损时的摩擦因数比低速时的要小 ,这是因为在摩 擦热和应力作用下 ,表层 DLC膜中会发生 sp3 键向 sp2 键的转 化 ,而 sp2 键的石墨结构在摩擦剪应力作用下发生层与层之间 的滑动 ,形 成 磨 屑 , 在 表 层 跃 迁 和 来 回 移 动 , 产 生 自 润 滑 效 应 [10 ] ,高速下产生的摩擦热相对较多 , sp3 键向 sp2 键的转化也 较多 。磨损 1h后 ,随磨损时间的延长 ,高速下的磨损比低速下 的要剧烈得多 ,磨损失重显著增大 ,这是因为高速磨损时 DLC 膜中 sp3 键向 sp2 键转化过多 ,薄膜软化速度加快 ,表面硬度下 降的同时内应力增加 ,相对内应力的影响来说 ,薄膜硬度对摩擦
类金刚石薄膜 (DLC)由于其性质的多样性和应用的广泛 性 ,有关其制备工艺及摩擦学性能的研究受到越来越多的重 视 [226 ] 。DLC表面处理工艺作为近 20年来的研究热点 ,在国外 已经取得了很大的发展 ,在国内 ,近年来也取得了一定的进 展 [728 ] 。但也存在不少问题 ,如 : DLC 膜的热稳定性比较差 ,内 应力通常比较大 ,耐磨机理的研究还不是太深入 。
Vol. 37 No. 6 D ec. 2008 SURFACE TECHNOLO GY
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的 ,换算公式如下 :
f =μ·N
(1)
M = f·R
(2)
其中 , f是摩擦力 ,μ是摩擦因数 , N 是加载的正压力 , M 是
力矩 , R 是对偶件半径 。
由公式 ( 1) 、( 2)可推出 :
DA I B in g1 , ZHAN G H eng2hua1 , HUAN G B o2 , GAO G uo2q ia n g2 (1. School of M aterials Science and Engineering, Shanghai University, Shanghai 200072, China;
选取高速钢 ,在其表面沉积 DLC薄膜 ,薄膜厚度 1 ~2μm。 利用电火花线切割截取尺寸为 10mm ×4mm ×12mm 的试样 ,得 到 2种不同的试样 :一种是高速钢基体上沉积了 DLC薄膜的试 样 (设为 DLC) ,另一种为高速钢试样 (设为 H ) 。试验中 ,主要 采用失重法来评估磨损的程度 ,即在磨损前将试样在丙酮试剂 中进行超声波清洗 20m in,再利用 1 000W 的电吹风将试样表面 吹干 ,利用电子分析天平 ( FA2104 )称量其质量 ,记录下磨损前 试样的质量 m0;磨损后进行相同的操作 , 记录下磨损后的质量 m 1 ,则磨损失重为 m 0 - m 1。以此失重来比较 2种试样的耐磨性 能。
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