SnSb8基自润滑涂层设计制备的关键技术及摩擦学性能研究

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薄壁轴承具有重量轻、体积、小、精度高、寿命长等优良性能,是现代工业机器人趋于轻型化发展的首选配套轴承,被广泛应用于现在工业及其生产中,在轴承启停阶段产生的摩擦磨损,严重影响其使用寿命。从而,本文针对薄壁轴承内外圈滚道表面的固体自润滑涂层展开实验研究及性能探索,以期改善薄壁轴承的摩擦磨损性能,提高其使用寿命。基于轴承力学分析的理论基础,采用有限元法对轴承进行静力学分析。采用ANSYS Workbench软件,构建滚动轴承的有限元分析模型,通过计算分析轴承在静力状态下的受力特性,研究其固有频率分布规律与振型特点,为固体自润滑涂层的成分组成及组分设计提供了理论依据。以Sn Sb8基复合粉末为熔覆材料,以稀土氧化物Y2O3粉末为添加剂,采用激光熔覆技术在GCr15钢基体表面制备出自润滑涂层。实验探究通过激光熔覆后涂层组织及性能与工艺参数(激光功率、光斑直径、送粉速度、扫描速度、搭接率等)的关系。结果显示,在激光功率的提高时,涂层的熔覆深度明显增加,稀释率也随之升高;在扫描速度的提高时,涂层的熔覆高度明显降低。在工艺参数为:激光功率1000W,扫描速度4mm/s,搭接率50%时,制备出的熔覆涂层组织致密,无气孔和裂纹。Sn Sb8基自润滑涂层的表面形貌以及磨损形貌通过扫描电镜(SEM)进行表征,涂层中的组成成分通过扫描电镜附带的能谱仪(EDS)进行检测;利用X射线衍射仪对涂层的物相进行测试;熔覆涂层的显微硬度、摩擦磨损性能则通过维氏显微硬度仪、摩擦磨损试验机进行测试,同时测试了涂层的结合强度。研究了改善涂层综合性能方法的可行性以及涂层的自润滑机理。研究结果表明,在本试验选定的参数范围是:激光功率1000W,扫描速度4mm/s,搭接率50%,涂层表面无明显缺陷,与基体之间具有良好的冶金结合。熔覆涂层的平均硬度为751.85HV,平均摩擦系数为0.3316,与基体相比,涂层硬度有大幅度的提升,平均摩擦系数有较大幅度下降。随着Y2O3添加剂含量的增加,Sn Sb8基涂层表面裂纹逐渐减少,稀释率逐渐增大,微观组织显著细化,且摩擦系数有所降低,涂层磨损深度、磨损量的变化规律基本一致,呈现出先降低后提高的趋势,当Y2O3添加量1.5wt%时,熔覆层的磨损体积最小,为84.4×10-3mm~3,呈现出优异的耐磨性。通过EDS和XRD对磨损表面检测发现,在摩擦磨损过程中,一方面在摩擦界面形成了Cu6Sn5釉质层有助于形成稳定的润滑膜,另一方面由于硬质相Cu6Sn5和Sn Sb的加入提高了熔覆涂层的硬度,减少了软基体α-Sn的受压情况从而减少摩擦,提高耐磨性。
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