文摘
大多数机械系统(特别是,齿轮传动系统)发生相对运动导致增加摩擦现象(摩擦系数、应力和磨损率),从而导致效率的损失。机械零件进行相对运动在不同的几何构型和取向,从而诱导不同应力状态的摩擦。直到目前为止,正尝试将减少摩擦与实心球销几何配置。当前的工作重点,减少摩擦和磨损率,并与tribo-pairs实验进行。即。,nickel-coated pin surface slide against Al6061 alloy disc. The friction studies are carried out at different loads and geometries of pin surfaces (sphere and hemisphere configured at different orientations such as full sphere and hemisphere configured at 0°, 45°, and 90°) to induce different stress states with reference to sliding directions. Change in the geometry of EN8 pin material and their orientation with reference to sliding direction resulted in a different state of stress. The resulting stress levels were examined under the scanning electron microscope, which revealed the mechanisms of adhesion, abrasion, and extrusion. At a lower magnitude of orientation and load, the extent of asperity breaking lessens and material removal from pin surface decreases. Abrasion wear mechanism was observed corresponding to full sphere configuration on Al 6061 disc, whereas adhesive wear mechanisms are seen with hemisphere pins. The amount of aluminum transfer on pin surface with a hemisphere pin is comparatively more than that of full sphere configuration. At a lower magnitude of state of stress, the mechanism of sliding was dominated by the adhesion effect. At a higher level of state of stress, the mechanism of sliding was dominated by abrasion and extrusion.
1。介绍
界面质量移动部件的机械系统的现实意义,以确保适当的功能(1,2]。阻力和摩擦力是最小化由于纵向肋骨的鲨鱼,甚至树蛙握在光滑表面潮湿环境由于其表面特征(六角形细胞分离的缝隙观察微观结构)(3,4]。这些观察确保表面性质的研究,以及他们为更好的性能在移动部件的工业设计相关性(5,6]。
Al合金广泛应用于许多工业和家庭应用程序(7,8]。由于优秀的属性(腐蚀速率高,成形性好,机械性能)(9,Al 6061年发现主要应用在汽车和海洋(10]。几次也正在广泛的应用Al6061合金通过提高耐磨性的加固材料(9- - - - - -11]。钢筋Al6061影响切削加工性能的影响及成形性和需求重要注意带回最佳运行条件(12,13]。实验研究表明,Al6061复合材料表现出更好的机械(抗拉强度)和摩擦学的(耐磨性)属性Al7075(高强度和高韧性)复合材料(10,14]。正尝试将提高两个伪造的摩擦学的特点,和传统齿轮材料评估(15]。测试性能进行检查(摩擦力,摩擦系数和磨损率)的行星齿轮传动(由24 EN)的数控折弯机(16]。摩擦学的特点进行检查pin-on-disc试验台对不同轴材料(EN8和EN24) Al 6061合金在干燥和潮湿的条件下(SAE 20 w50) (17]。观察最小摩擦系数与EN8-Al6061 tribo-pair [18]。这是观察到不同的几何配置(即。,pin geometry: sphere-sphere, sphere-plane, block on ring, and piston ring-cylinder liner) induces different tribological characteristics (i.e., friction coefficient and wear rate) [18,19]。因此,EN8-Al6061 tribo-pairs拥有更好的摩擦学性能,需要深入分析(的压力和摩擦的状态发展,塑性变形,等等)不同的几何配置的进一步增强和行业广泛使用的应用程序。
运动部件的摩擦现象带来的效率损失机(20.]。例如,齿轮效率明显受到不同的摩擦系数的影响,负载、速度和齿形(21]。摩擦部位受到周期性加载导致零部件的磨损,导致间隙和损失增加的尺寸稳定性(22]。减少移动部件之间的摩擦效应,进行了一系列的实验用材料对杰出的研究人员,unlubricated,润滑,涂料(23,24]。这些技术基本上是用来改变位移和速度不连续接触材料对(25,26]。因此,科学家的高度重视,因此需要知道开发的应力状态为不同tribo-pairs滑动现象。压力均匀或非均匀的状态依赖于接触表面(即。,smooth surface results in steady state, whereas rough surface could result in the nonuniform state of stress) and load transfer between the mating element pairs [27]。这是证实,研究不同应力状态的交配对具有实际意义。在齿轮的应用程序中,增加接触压力是由于过度负荷,改变引起磨损的齿轮齿廓的齿(28,29日]。接触应力可以最小化通过改变几何参数(30.]。过度磨损的齿廓导致噪音和振动,进而降低了效率(31日,32]。在机械传动应用程序(这些现象更常见28]。几何参数的影响(表计不足,横向校正,和纵向坡度)的磨损现象(横向或纵向)铁路轨道研究[33]。是观察到的最小磨损与几何参数的正确选择条件导致增加骑性能,减少维护成本(34]。创建人工纹理的几何切割工具可以帮助减少摩擦磨损(35]。这些纹理可以帮助更好的润滑切削现象,从而提高刀具寿命,降低工件表面粗糙度和功耗20.,36]。显微组织形式的凹槽,圆,矩形,和半球降低切削温度、摩擦和磨损,可以提高刀具寿命37,38]。销的影响几何图形(平面和球面)对低碳钢材料的磨损率调查(39]。结果表明,对应于一个扁销的磨损率超过一个球面销低负载,而在高负载,球面销迅速耗尽。从上述文献综述,确定几何参数的变化引入不同的应力状态,并帮助控制摩擦磨损。因此,研究磨损和摩擦现象的几何参数及其方向的相对意义。
倾向于提高涂料应用于衬底材料表面特征而不影响母体材料的属性(40]。涂料的应用提高了硬度和表面完整性,减少摩擦,磨损和腐蚀41- - - - - -44]。实验执行与EN8碳钢接合对塑性材料Al6061知道磨损现象(45]。氧化铝涂层磁控管沉积法(Al2O3铝基板(上)46]。铝基板相比,涂层样品导致降低了摩擦系数,提高强度和硬度。热浸铝的摩擦磨损行为和电镀镍alloy-coated钢空白了47]。涂锌镍合金导致更好的耐磨性,降低摩擦系数。物理气相沉积(PVD)技术应用到外套上的铁(Fe)纳米颗粒平面EN8销销的材料,和结果测试在室温和高温应用程序(48]。困难的氧化层形成滑动后销材料,这将有助于维持更高的负载在升高的温度下。实验对镍磷/执行与biocomposite涂层应用于8日钢,它受到摩擦磨损研究[49]。涂层样品导致较低的摩擦系数和磨损率比裸露的衬底材料。Mo-Ni-Cr涂料是应用于super-duplex不锈钢导致更好的耐磨性和硬度高于裸基材(43]。镍涂层应用于H13钢的激光熔覆技术,导致增强耐磨性和热疲劳特性50]。耐磨损和腐蚀、延性和微观结构特征与镍基涂层改善(51,52]。镍涂层发现潜在的应用在生物医学植入物和汽车零部件(53,54]。尽管涂层技术提高表面性能,涂层方法的选择正确的选择往往是困难的因为每个技术拥有自己的优势和局限性。电镀是视为一个具有成本效益的技术相比,化学气相沉积、溅射(55,56]。此外,电镀外套材料在一个处理步骤(快、可重复控制涂层的厚度存款和提供涂料在一个大的表面积),它不需要昂贵的设备、材料和非危险的方法沉积在基质材料(57,58]。存在一个重大的研究范围影响镀层镍涂料基材的汽车应用程序。大多数的部分(假关节,曲轴,连杆,刹车片,方向盘,底盘,轴套,等等)进行个体或滑动的结合,往复式和旋转式操作(59- - - - - -61年]。此外,刀具磨损发生在模具表面拥有锐利的边缘可能不会产生相应的结果与球形或扁销表面滑动对光盘(39]。确认从上面的文献综述,涂料的应用增加耐磨性。表示应用程序进行搭配不同的应力状态基于他们接触运动和边缘效应。此外,没有多少研究一直努力研究磨损表面形貌不同的销几何配置在不同的角度和应用负载对细节的表面形态的见解(塑性变形和磨损机制,即。、粘连、磨损和挤压与摩擦磨损现象的关系。
据报道,到目前为止,还没有研究已经研究现场条件,即任意应力状态的担忧。在这项研究中,一个具有成本效益的电镀层技术(广泛采用每年15%的增长率相比其他方法)(62年)是用于镍涂层应用在八钢销。镍涂层选择根据他们的属性,广泛的应用程序,和承受能力降低磨损损失在氧化和无氧化环境。的几何参数(球形和半球形)针尖端表面面向不同的角度研究了知道磨损行为和应力状态引起的。因此,这项研究提供了详细的见解不同的应力状态发展,引起摩擦,磨损表面形态(塑性变形、磨损、磨料和挤压),和磨损率由不同几何形状和角度的定位销表面有无涂料。
2。材料和方法
在八钢用在许多机械零件由于更好的强度和韧性的特点导致了杰出的应用程序(连杆轴,轴,等等)的汽车零部件63年,64年]。Al 6061合金用于商业工程和汽车应用程序由于更好的机械性能和延性9,65年]。Al 6061合金的化学成分阀瓣和EN8钢销提出了表1。
2.1。电泳涂料
基于电沉积镍涂层技术应用于衬底材料,即。,EN8钢铁。销标本的尺寸等于9毫米×35毫米(直径和高度),受到硫酸镍浴涂料解决方案应用程序如图1。在涂料应用程序之前,针清洗(去除有机物,现在如果有的话)浸泡在稀释盐酸酸浴后的解决方案。这个过程被称为酸洗过程。在酸洗过程后,针蘸稀释硫酸,以提高出。这可能有助于更好的粘附特征基材上的涂层。注意,镍涂层是由拿着针一样纯镍阴极和阳极材料在硫酸镍的解决方案。涂层的厚度约为100μm和调整后涂层的持续时间决定。
(一)
(b)
选择纯镍涂层衬底EN8材料因其杰出的性能,如低摩擦和较高的硬度降低磨损和耐腐蚀性能62年]。进行线材硫酸盐镍,镍离子浓度变化受到50 - 250 g / L,之后维持Na2所以4和硼酸固定在80 g / L和10 g / L在浴缸里的解决方案。这是观察到明亮的存款(没有烧)认为,对应于电流密度等于3 Adm维护−2。注意,在实验过程中,浴缸的解决方案是保持固定,对应于氢等于3的潜力。线材硫酸盐之前,解决方案受到搅拌(比如500 rpm)在室温下24小时。从试验实验,很明显,没有烧的外观和裸地区pH值时保持等于3。使用直流电源,口供在衬底进行沐浴的停滞状况的解决方案。镍电沉积技术用于涂料的示意图表示EN8衬底材料提出了数字2和3。从理论上讲,涂层厚度决定根据方程来源于实际实验。
(一)
(b)
(c)
2.1.1。销和阀瓣材料的x射线衍射表征
Al6061如图的x射线衍射模式4(一)。在2 Al6061 XRD数据显示强大的山峰θ= 38.13°∼∼44.37°,紧随其后的是较弱的山峰°64.74∼∼77.88°,和∼82.11°由于固有的内容(66年]。Al 6061, XRD模式峰值强度与JCPDS文件卡号96-901-2004。在图中4 (b),即,EN8 steel pin (Peak 1), XRD data reveal sharp peaks at 2θ=∼44.70°。同样,在2θ= 65.09°和∼∼82.45°调光器的峰值检测由于内在铁含量(66年]。EN8钢销,XRD模式峰值强度与JCPDS文件卡号96-900-6596。在图中4 (b),即,EN8 steel pin—Ni coated (Peak 2), the XRD data reveal sharp peaks at 2θ=∼44.20°。XRD模式峰值强度Ni-coated EN8销与JCPDS文件卡号不匹配。96-900-0658和96-900-0658。同样,在2θ= 64.97°和∼∼82.28°调光器的峰值检测由于内在的铁含量。同时,高的原因广泛的峰值44.20∼°对镍磷镀层(可能是由于67年,68年]。
(一)
(b)
2.2。实验的细节
运动副是当作任何机械系统的构建块。铝合金是轻量级的,拥有卓越的审美品质在任何环境长时间的持续时间。冷热铝型材加工铝零件被视为次要的路线。Tribo-phenomenon(即。,mechanical interaction among stock and die) is of practical significance, as it decides the quality of parts. In the efforts of this research, understanding the tribo-phenomenon between die and aluminum stock is proposed to conduct laboratory experiments using a pin-on-disc test rig. The Al 6061 disc was used to simulate the stock in extrusion equipment. Electrodeposition of nickel material was performed to coat EN8 steel pin to a thickness of 100 μm。
球形(一半和完整)销表面在不同的角度对旋转Al6061盘可以帮助改变应力状态的变化。光盘形式的接合对元素沉淀硬化Al6061合金。将随后面临操作确保销试样的尺寸具有直径和高度等于9和35 mm,分别。在实验(之前和之后),销和阀瓣表面与丙酮超声清洗。图5显示了pin-on-disc磨损试验装置,其中镀镍针表面受到三个测试负载(0.5、3和5公斤或4.9,29.4,和49.1 N)。磨损试验在室温下进行。机械零件,即轴承,旋转平稳的速度100 - 250 rpm (69年),在轴承支持齿轮零件、轴、等等。测试负载(0.5 - 5公斤)选择按照齿轮应用程序之前进行作者(70年,71年]。磨损参数考虑检查摩擦系数和磨损率都在桌子上2。三个样品分别准备每个荷载条件(0.5、3和9公斤),和平均三个磨损率和摩擦系数的值记录进行分析。标本被在一个铝盘,这是面向配置在不同的应力状态(实心球和半球配置在0°、45°、90°),参照滑动方向受到磨损参数(图6)。这可能导致不同的应力状态。注意,执行后穿检查的表面形貌,即Al6061捕捉8和镀镍钢。SEM进行磨损机制的见解。相对应的维度Al 6061盘呈现在图7。穿检查之前,销和阀瓣要检查样品的硬度和表面粗糙度。对应于裸脚的表面粗糙度,镀镍销,圆盘表面保持等于0.2μm。硬度值对应于裸销,镀镍销,高压和圆盘表面被发现等于217.7,98.1 261.5高压,高压。
(一)
(b)
(c)
(d)
3所示。结果与讨论
速度不连续的结果和滑动造成的应力状态对基于力学滑动接触表面进行了讨论。EN8针表面镀镍来改变速度不连续对Al 6061盘进行了讨论。由不同的销tip-shaped表面应力状态的改变(即。,spherical and half-spherical) configured pin at different angles with reference to sliding direction. The state of stress as a result of different normal loads is discussed. Wear behavior and its mechanisms are examined with the help of scanning electron microscopic images.
3.1。实心球镀镍对Al 6061盘滑动
图8显示了不同的摩擦系数得到加载参照时间限制。摩擦系数在0.5公斤负荷,增加从0到0.18 5秒,期间和之后,观察稳步上升到110秒。增加摩擦系数随负载可能发生由于耕作效果由于位错密度增加,塑性变形和穿透深度72年]。同样,摩擦系数的值从0到0.5∼往往会增加到10秒3公斤,0到0.56∼5公斤到8秒。摩擦系数几乎仍然保持在一个稳定状态后穿越10秒钟的时间。指出,在所有载荷摩擦系数曲线显示一个类似的趋势,其中瞬态被认为在初期,后跟一个稳态(参考图8)。的速度增加摩擦系数值被发现后10秒级较低的负载,而0 - 5秒的时间。这是因为在实验的开始或滑动现象,软盘(即。,Al 6061 alloy) was plowed by the hard asperities of coating surfaces that resulted in the highest friction peaks. Similar observations are seen on friction performance of phosphate-coated brake materials [73年]。一个稳态摩擦系数曲线变得平坦与革命的增加数量或时间抗滑测试。随着滑动的继续,涂销的坚硬粗糙表面慢慢积累转移材料(即覆盖着。,plowing mechanisms of hard asperities reduce, and in turn, friction coefficient becomes steady state), which was later deformed, and curves became flattened. The observations are similar to the friction behavior studies of titanium nickel coatings [74年]。平均摩擦系数测试在不同加载条件下提出了表3。发现了最小和最大摩擦系数等于0.3 0.5 0.48公斤,3公斤负荷,分别。有趣的,可以忽略不计摩擦系数的变化值穿越后获得了负载从3公斤到5公斤。这是因为更多的塑性变形发生在滑动对由于压缩和剪切力75年]。
3.2。销的半球镀镍配置90°的滑动方向与铝盘
数据9(一个)- - - - - -9 (c)摩擦系数的变化对镀镍stokes定理的配置在不同的方向(0°、45°和90°)对Al6061滑动圆盘在不同负载。0.5公斤载荷、摩擦系数迅速从0增加到0.33 15秒90°方向,0到35秒45°方向,0.37,0到0.43到8秒45°方向,分别。同样3公斤负荷,发现摩擦系数等于0.54 0°、45°、90°方向,分别。然而,5公斤负荷,摩擦系数逐渐增加到0.6 0°、45°,而0.63 90°方向的销样。这显然是指出,相对稳定的摩擦曲线观察45°方向最大比散射(这发生可能是因为粘滑运动现象)在摩擦值0°、90°。这显然是注意到的摩擦曲线迅速增加在摩擦滑动的初始阶段由于软铝圆盘犁了硬表面微凸体的涂料。之后,表面明显改变,原始地形取向特性(表面光滑,确保摩擦平衡的类似影响值)有微小的变化,表明所有方向的摩擦曲线保持扁平或稳定测试对不同负载。硬表面微凸体的涂料往往多次缩进软铝盘表面粘滑运动条件下,导致增加滑动部队在稳态值在实验的开始在所有负载和方向76年]。从数据9(一个)- - - - - -9 (c),很明显,同时坚持滑落的负载开始45°方向和振幅振荡是低于0°、90°。平均摩擦系数测试在不同的负荷(0.5、3和5公斤)对不同销配置(0°、45°和90°)展示在表4。的摩擦系数增加而增加负载显然是观察。
(一)
(b)
(c)
摩擦表面形貌取向并不影响在平均摩擦系数为0°、90°,而相对较小的摩擦值观察到45°方向。平面应变条件下导致更多的振荡幅度较高的摩擦曲线的0°、90°方向。减少摩擦在45°方向少是由于连续的接触面积。销的行为几何(实心球和半球)摩擦曲线提出了数字8和9。摩擦系数的平均值为球形和半球形针大约拥有类似的大小值,用相对较少的摩擦表面为球面销(参考表3和4)。半球形销摩擦曲线表明,更多的波动可能是由于损伤发生在滑动或tribo-pairs,所积累的碎片从表面释放层引起高度分散的摩擦系数的变化(77年,78年]。然而,完整球面销表面通常光滑,导致更稳定的摩擦。类似的观察报告销表面的不同的几何图形(79年,80年]。表3和4清楚地表明,镀镍针导致较小的摩擦系数与裸或裸露的标本。增加硬度与镍涂层导致减少摩擦系数值由于涂层传授,更好的氧化保护、硬度和热性能。这些观察是在良好的协议与发表文献[81年]。
3.3。Al6061盘的磨损表面分析
图10描述了Al6061盘表面的磨损表面形貌不同的负载和方向。从数据10 ()- - - - - -10 (h),箭头标志代表滑动方向和编号1、2、3代表斑点,细长的磨料沟,分别和致密砂沟。数据10 ()- - - - - -10 (b)显示轨道表面的SEM显微图受到负载0.5和5公斤,对应于销表面的几何构成的一个完整的球体。实心球的导轨面承受5公斤负荷显示磨损超过0.5公斤的负载销材料。也可以看出粘连的程度是在赛道上观察到的表面。数据10 (c)- - - - - -10 (d)显示扫描电镜显微图并显示配置的半球形销的轨道在90°与滑动方向受到不同的加载条件。数据显示更多的粘附效果比磨损。它也可以观察到磨损的影响相对比,得到了图9(一个)。图9 (c)显示了0.5千克负载相比更加明显粘连,获得5公斤的负载。
(一)
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(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
图10 (d)清楚地表明,存在一个更大的程度上挤压的显微图相比,数字10 ()- - - - - -10 (c)。图10 (e)显示了对应的导轨面抗滑销配置为45°方向受到不同的负载。说数据清楚地表明,有一个挤压现象加上磨损的痕迹。图10 (g)显示了小的磨损程度,和挤压比这更加明显5公斤正常负载获得0.5公斤对滑动方向。在干滑动条件下,有一个显著水平的铁层转移EN8钢铁别针铝盘板的表面。传输层的数量还发现增加负载从0.5公斤、5公斤。类似的言论是由相当多的研究人员(76年,80年,82年]。
3.4。镀镍销的磨损表面分析
图11描述了磨损表面形貌EN8钢销与镍涂层在不同负载和方向。从数据(11日)- - - - - -11 (h)箭头标志代表裂缝和编号1、2、3代表磨沟修长,物质转运区,分别和致密砂沟。图(11日)显示了扫描电子显微镜照相术销表面的实心球在0.5千克负载描述销表面铝层的转移的前沿。图11 (b)介绍了半球形销配置为90°显示铝层在前缘销表面转移。有趣的注意,铝销表面转移的数量比较多的实心球配置如图(11日)。类似的观察记录为半球形销配置为45°和0°如图11 (c)和11 (d)。数据11 (e)- - - - - -11 (h)显示所有配置的销表面在5公斤负载描述前缘铝传输层。相比,0.5公斤,5公斤铝转移是相当大的。此外,随着钢铁别针滑在铝板的一些相对较弱的粗糙与贫穷Al板领域确实会裂,然后遵守钢销。水平的严重程度等,这些削弱钢销表面裂纹和搬迁,是由面向角。虽然EN8钢滑切向磨损轨道而不是滑动方向平行,板的破坏清规戒律的机会将会激增。这是由于在滑动方向一致的表面微凸体当面向角为90°但沿滑动方向当面向角0°。面向角和负载减少,粗糙程度的破坏减少,因此,从销除铁的程度也会降低。类似的观察是由几位研究人员45,76年,80年,83年]。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
3.5。镀镍的EDAX分析销
EDAX研究已经进行识别元素出现在磨损表面和碎片的表面镀镍球倾斜销5公斤的负载在不同选择的区域。转移的元素分析铝销表面进行了在不同的位置,如图12(一个)- - - - - -12 (c),分别。从图12(一个)94.19,表明铝重量百分比和传输层是铝。图12 (b)表明,镍重量是87.31百分比。镍涂层发现完好无损。图12(一个)表明,镍重量是76.32百分比。镍涂层发现完好无损。从数据12(一个)- - - - - -12 (c),常观察到的元素是铝,铁、镍、和欧菲的出现意味着菲已经从针(EN8)转移到盘表面,确认光盘上的氧化层的形成,保护盘。厚的氧化物的存在有助于穿戴防护层的形成。
(一)
(b)
(c)
4所示。结论
镀镍等的摩擦磨损行为tribo-pairs EN8钢销和Al6061合金盘了在不同负载和销表面配置成不同的几何形状和方向。下面的结论,从这个研究讨论了以下:(1)镍电沉积技术应用于涂层材料到EN8钢销表面厚度的100μm。诱导不同的应力状态,销表面的几何配置为实心球和半球不同取向(0°、45°和90°)和负载(0.5、3和5公斤负载)。(2)在实心球配置中,发现了最小和最大摩擦系数等于0.3,0.5公斤,0.48 3公斤负荷,分别为5公斤和0.47。的塑性变形发生在滑动对提升者在3公斤负荷(由于压缩和剪切力),导致摩擦系数的变化可以忽略不计的价值观。(3)半球形销摩擦曲线表明,更多的波动可能是由于损伤发生在滑动或tribo-pairs,所积累的碎片从表面释放层引起高度分散的摩擦系数的变化。然而,完整球面销表面通常光滑,导致更稳定的摩擦。(4)在更高的负载(5公斤),磨损和挤压比0.5公斤更明显对滑动方向穿Al6061盘表面的跟踪。(5)半球销表面铝转移的数量比较多的实心球配置。面向角和负载减少,粗糙程度的破坏减少,因此,从销除铁的程度也会降低。(6)从咖啡与时间曲线图,涂层所描述的研究瞬态在初始阶段,其次是一个稳态加载。(7)硬表面微凸体的涂料往往多次缩进软铝盘表面粘滑运动条件下,导致增加滑动力量高于稳态值在实验的开始加载和方向。(8)磨损表面形貌和表面在不同负载和方向,可以看出一定程度上粘附的影响比磨损在跑道上观察到表面效应(84年]。
数据可用性
数据用于支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。