硬质涂层织构化及其摩擦学试验研究

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激光表面织构具有吸纳磨屑、储存润滑油的作用,类金刚石(Diamond-like carbon,DLC)涂层因其自润滑特性具有较低的摩擦系数,二者在摩擦学领域被广泛研究。随着环境污染及资源浪费问题日趋严峻,对材料在无润滑介质和少润滑介质环境中的摩擦学性能提出了更高的要求。本文以织构化DLC涂层-钢球摩擦副为研究对象,将表面织构的作用和DLC涂层的自润滑特性相结合,通过摩擦学试验探究无润滑介质环境和少润滑介质环境下,织构化DLC涂层在低频重载(10N-3Hz)和高频轻载(2N-6Hz)工况的摩擦学性能。通过摩擦学试验可知:在干摩擦条件下,未织构化处理的DLC涂层在低频重载工况下的摩擦系数为0.082,体积磨损率为5.752×10-7mm3·(N·m)-1,在高频轻载工况下的摩擦系数为0.068,体积磨损率为1.524×10-7mm3·(N·m)-1,同时具有不同程度的石墨化转变;对于织构化DLC涂层,表面织构能够减弱磨粒磨损,其摩擦学性能主要与摩擦副粗糙程度和涂层石墨化转变有关,两种工况下的摩擦系数和体积磨损率基本上遵循:随着织构直径减小和织构密度增大而增大的规律。贫油润滑条件下,未织构化的304不锈钢在低频重载工况的摩擦系数和体积磨损率分别为0.112和60.648×10-7mm3·(N·m)-1,在高频轻载工况的摩擦系数和体积磨损率分别为0.121和296.990×10-7mm3·(N·m)-1,织构化304不锈钢的摩擦系数主要受流体阻尼和固体剪切力的影响,两种工况下的稳态摩擦系数约为0.11,当织构直径为50um时都具有较低的磨损率,低频重载工况的体积磨损率随着密度升高而增大,高频轻载工况的体积磨损率随着密度升高而降低;未织构化的DLC涂层在低频重载和高频轻载工况下摩擦系数分别为0.161和0.074,后者摩擦系数小是因为摩擦副之间更容易形成润滑油膜以及DLC涂层的石墨化转变,对于织构化的DLC涂层,高硬度的涂层能够在摩擦磨损过程中保持织构的完整,其摩擦学性能主要受摩擦副粗糙度影响。
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