氮植入对金属过渡的影响在环境条件下的滑动磨损

文摘

氮植入Interstitial-Free钢铁评估其影响金属转移和1100 Al骑士穿。这是确定氮植入减少金属转移的趋势,增加剂量;Archard磨损系数降低两个数量级的实现使用一剂2 e17离子/厘米²,100千伏。冷轧钢的钢铁和进行体积磨损测量Al-rider认定困难的硬度材料体积磨损或摩擦影响不大。氮离子注入化学影响了摩擦学的过程研究在两个方面:直接减少骑手磨损和减少一部分骑士穿那件最终坚持国际垒球联合会钢铁表面。安全部队中的氮钢的结构没有影响摩擦学的行为,因为没有摩擦和磨损测量的差异后发现postimplantation热处理as-implanted分解ε菲₃Nγ菲₄n的比例rider-wear坚持钢铁主要取决于近地表含氮量。协方差分析碎片氧和氮的内容表明,氮气注入增强tribo-oxidation过程与耳蜗的参考材料。结果,减少金属转移可能与观察tribo-oxidation除了引入氮化磨损元素碎片。主基地骑手磨损机制是粘滑运动,植入减少了摩擦,摩擦噪声相关的磨损机制。计算公式表明,基于他泊结增长减缓的粘滑运动机制导致减少在粘阶段界面粘合强度。

1。介绍

金属过渡是一个阴险的过程发生在滑动的金属接触,会导致磨损(1,2)所定义的ASTM (3]。金属过渡的传统模式通常开始于粘着磨损表面微凸体相互作用之间的事件。断裂的金属从团结地较弱的材料转移到更强的材料。结果,小颗粒或“转移元素”转移材料粘在材料表面越困难。个人的碎片转移材料产生的孤立tribo-interaction被称为“转移元素。“转移元素就像另外一个粗糙,可以继续与软材料和累积到一个多粒子碎片通过过程称为“相互材料转移”(4,5]。金属突起的结果传递软材料在材料表面越困难。在后续通过穿跟踪结果的变化穿机制;软材料最终也滑动工作硬化和氧化突起相同的材料导致摩擦系数的变化。这一现象的一个很好的例子,看到穿研究基于钣金图纸(1,6]。在最坏的情况下,突出继续建立在随后的传球,直到表面擦伤。“定性磨损测试依赖于材料的积累从一个表面到另一个在连续接触滑动(7,8),难堪的标准是主观的。通常,如果表面连接处由于材料转移,磨损发生在特定的负载测试。定量测试是基于测量摩擦系数(9,10]的难堪的负载的负载摩擦系数迅速增加。磨损是金属转移的核心,这为什么是一个需要研究不同表面处理对其严重程度的影响。

在过去的30年里,研究人员研究了离子注入改性的tribosurfaces [11,12]。在纯铁的情况下(13,14和某些类型的钢15通过氮化)氮离子注入表面变硬形成。在某些情况下,3 - 4相对改善钢表面的显微硬度使用努普氏硬度仪观察(16]。表面的改性结果改善磨料(15- - - - - -17和胶粘剂18,19耐磨性。磨料的改善耐磨性明显是由于通过植入表面硬化。然而,对于粘着磨损机制的机制改善不是很明显。环境和任何电影/层上形成的表面影响耐磨性的粘合剂。此外,植入表面的硬度特性及其反材料可能是重要的现象,比如结增长和deformation-induced表面粗化(20.被认为是。各种因素共同影响的胶粘耐磨表面,因此它使从根本上研究植入表面的粘着磨损阻力困难。

Archard穿方程是一个好的起点为全塑料接触讨论粘着磨损。材料的体积单位长度滑动删除 在哪里应用负载和吗的硬度是软材料。注意,硬度是载荷除以表面上的投影面积缩进缩进。常数常常被解释为两个接触表面微凸体产生磨损的概率事件。固定不变的表明,增加或减少的负载软材料硬度增加了磨损率由于实际接触面积的增加,。在这种情况下,缩进柔软的材料表面微凸体的表面发生。难材料和柔软材料之间的压痕面积等于缩进界面的投影面积到平面上。塑性指数(相当于粗糙度参数用于分析由光学测定= 0.095µm和ρ= 25µm。1100铝的硬度是441 Mpa(香港)。杨氏模量和泊松比的铁和铝被从他们的元素值)。在这种情况下是6.5,表明全塑料发生在表面,接触近似为真正的接触面积是合适的。

使用(的有效性1)分析磨损数据取决于类型的磨损发生。对纯硬软粘着磨损(1)是一个合适的经验关系。然而,随着Rigney[所指出的21),硬表面的硬度也可能影响磨损机制。这样的例子与钢铁对钢铁磨损的研究发现,磁盘的硬度变化通过改变回火条件(22]。宝蓝和扁23)创建了一个替代Archard穿方程通过定义一个变量被称为“穿强度指数”,这是一个“等效硬度”——的函数。在这个研究中,一个线性组合的硬性和软性材料硬度值的定义。穿强度的指标,,是用于一个指数关系努力将磨损率与材料硬度: 在哪里它是穿强度由指数。滑动速度。和安装参数。磨损率建模的优势通过使用一个指数关系,轻微和严重磨损机制可以被一个关系。的线性关系(1)分解的平均接触压力和磨损率成倍增加负载。宝蓝的缺点,使用的等效硬度,硬度的材料越变得比这大得多的软材料,就变成了并且可以低估了磨损率。本研究提出了以下替代表达在使用(1)基本磨损方程: 这种形式的使用是合理的,因为在极端的例子吗,描述的情况下刚性压头穿透到软材料。因此,,这是用于推导(1)。当,导致双边两表面微凸体变形没有缩进的表面发生。这给了第二个极限情况,这是接近预测的一个方形的平面应力模型粗糙不剪切应力对平面:。在剪切应力的存在,真正的接触面积比(这个论点是基于使用•冯•米塞斯在平面应力判据:。注意,在表达式和被使用。此外,剪切应力缺席:)他泊结增长预测的模型,因此的准确性近似为应该变得更糟。为中级水平范围,,结合压痕和结的增长可以被认为发生。不幸的是,没有发布一个完整的塑料、粗糙面接触分析收益率表面都是可用的,但是很有可能,真正的将之间的接触面积和。

在系统中,粘着磨损占主导地位、材料硬度是很重要的,它影响接触面积。在本文中,(3)修改Archard穿方程(1)通过使用(3): 经验系数和是由与回归分析对于一个给定的测试条件。注意,因为是一个常数,它是集总 和 。磨损系数决定或等于平均Archard磨损系数的系列健康数据。这项研究将评估与为一系列的加工硬化,耳蜗安全部队钢样品以确定磨损率变化材料硬度。如果耳蜗测试验证的结果(4),然后使用(4)调整离子注入的硬化效果是有效的。本文报道骑手磨损率和比例的骑手戴最终为耳蜗植入和金属过渡条件。与上述回归分析,本文使用表面分析技术将显示通过离子注入化学改性的影响。

表面之间的附着力减少通过测量摩擦系数估计。假定粘着磨损占主导地位,这是一个合理的假设,如果表面经受控制,他泊结增长公式(24)与抗剪强度的界面和体积屈服强度最大值在滑动摩擦系数: 在哪里大部分的屈服剪切强度和吗界面的剪切强度。重新安排(5)允许推导出的界面剪切强度。这个模型是有效的在考虑粘着磨损的粘滑运动机制,按照以下顺序连接是动态交互:焊接、传递剪切应力,增加,并最终分层或分离。方程(5)应用在结增长阶段,当大多数界面剪切应力的传递。由于测量摩擦系数是一个复合的所有类型的粗糙面相互作用,摩擦系数是天生吵了。本文报告的平均摩擦系数和标准偏差的噪音。的加噪声的标准差是用来计算的界面剪切强度(5在结增长阶段),因为界面的剪切强度最大。

2。方法

植入是使用两个单独的离子注入实验室:密歇根大学离子束实验室(MIBL)和奥尔巴尼大学(纽约州立大学)离子束实验室。密歇根大学使用的离子离子注入机的400千伏零碎的离子注入机离子源Danfysik制造的离子加速器国家生产的静电学Corp .,植入阶段生产的高Volatge工程欧罗巴。纽约州立大学离子束实验室使用的离子注入机是400伏特瓦里安(Extrion) 400 - 10 -离子注入机。氮气是用作离子注入机离子源材料。目前一直在50到75之间μa的电流,样品温度不会超过200°C;这个预测是基于一个热平衡使用光束能量作为热量输入和黑体辐射热量输出。几个剂量/能源组合用于这些实验。离子剂量范围从5 e16天离子/厘米²2 e17离子/厘米²。两个加速度能量被使用:100千伏和50 kV。此外,precold滚动植入前安全部队钢进行两个样本,以提供额外的硬化。

样品用于实验间隙自由钢(安全部队)和化学(Wt %) 0.0014% C, 0.12%的锰,0.034%,0.038%钛和铁的平衡。测量的努氏硬度(香港)的材料(gf /毫米²)。1100年艾尔化学(Wt %) 0.05%的铜、铁、0.35% 0.25% Si,平衡的香港。国际垒球联合会钢铁是地面600砂砾和化学抛光使用7%(卷)高频平衡的解决方案₂O₂vol.浓度(30%)。解决方案是保持在温度25-20°C使用冰。最终完成(RMS)的样品(如检查的光学表面光度仪)是0.01 - -0.08μ当检查超过50米μ米的长度。1100年阿尔样本收到的形式迪亚。球的香港(gf /毫米²)。在测试之前,样本化学抛光溶液由75%(卷)磷酸,5%硝酸和20% H₂o .溶液的温度保持200 - 210°F的过程。由此产生的RMS的样品是0.05 - -0.11μ当检查超过50米μ米的长度。

单通道穿测试执行使用Falex multispecimen磨损试验机。速度设置是1转速和负载设置是3磅。(因为1100 Al销测试在不同直径,销速度变化最多的3.4倍。销之间的速度差异五个穿跟踪测量没有摩擦的一个因素,随着摩擦系数没有明显不同跟踪来跟踪。这可能是由于测试速度保持在1 RPM。这意味着速度变化不明显影响的工作硬化率1100。Al-KαEDS映射没有透露和差异之间的表面积覆盖不同的痕迹。)一个3磅。负载被选中,是因为它最大化的金属转移没有撕裂的球轴承安装。气动压力传感器控制的负载在0.1磅。耳蜗的样品,样品的追踪跟踪在以下直径:,,,提供一个有效的滑动的距离。N-implanted样本有5个歌曲(,,,,直径)提供一个有效的滑动的距离。一个穿跟踪提供了图的示意图1。在滑动摩擦系数测量使用10磅0.01磅的误差抵消负载细胞从旋转的中心。下滑后,1100年的骑手和安全部队reweighed钢板。金属转移和骑手磨损率由重量决定区别穿测试之前和之后使用梅特勒-托利多微平衡的精度±4μg。使用一个大型负载和长轨道长度如上所述平衡误差对体重变化的影响最小化。其他的磨损实验误差来源来自磨损实验的可重复性由于错误加载/速度控制和表面粗糙度等条件变化/化学差异。戴手套在处理和存储的样品在干燥的干燥器0.5 atm压力控制了表面化学变化。

由于本研究的定量性质,单程的磨损实验的重复性误差需要建立。使用三个耳蜗安全部队钢样品有三个1100 Al骑手计数器材料,每个1100 Al车手的体重改变滑动距离的函数是为了建立监测磨损测试的重复性误差。图2说明了磨损测试结果。最小的滑动距离,规范化的再现性(μg /英寸)骑士穿是最可怜的标准差是最高的。滑动距离增加了重现性提高,标准差后很少改变滑动距离。误差在小滑动距离的两个主要来源是当地安全部队钢粗糙度和化学变化。此外,减少平均归一化骑士穿从142年μ(g /英寸滑动距离)为127(g /英寸滑动距离)表明,艾尔骑手试车效果出现在滑动的早期阶段。因为争执,艾尔骑手开发了一个平面,重复接触磨损痕迹被改变了。应该注意的是,尽管开发一个平的实际接触面积保持不变,因为安全部队钢铁表面不试车经验和足够粗糙创建full-plastic接触条件:塑性指数> 1。由于材料的限制,这种reproducibity测试条件测试是不可能的,我们认为在这项研究中,相同的重复性误差(2μg /英寸)适用于所有其他的测试。

职能部门的平均高度安全部队钢表面的覆盖率是由评估五Al-K的覆盖范围αEDS地图(见图3为每个测试条件为例)。把体积铝转移到安全部队覆盖范围使钢的平均高度碎片。Adobe Photoshop的平均red-pixel强度决定穿跟踪,这是1到256的规模。此外,该软件还决定红色像素的总数。平均red-pixel强度和红色的像素总数1100 Al参考样品的测定。覆盖范围是由EDS地图的面积乘以。

之前测试离子注入样品的耳蜗样品与不同程度的冷加工flat-rolling提供的测试来确定安全部队钢的硬度如何影响金属过渡,还提供一个基线N-implanted样品可以相比。冷轧样本前滚磨/化学抛光和植入如果适用。

植入是用俄歇电子能谱(AES)的特点是φ- 590俄歇能谱仪与氩离子束深度剖析。电子探针的能量是3 kV,氩离子束的能量是1 kV。深度和溅射时间估计使用以下关系: 在哪里溅射系数取决于SRIM模拟中,离子电流密度,包装是原子密度。当前控制100 - 80 nA,当扫描到1.5毫米1.5毫米区域产量的溅射率2 - 3 Ang / s。

一个力量D5005衍射仪使用铜x射线管进行掠射角x射线衍射(GAXRD)使用1.5度。入射角。1.5度。入射角给一个150纳米层敏感性使用运动学衍射理论(77 - 84%这个计算使用公式导出了Rafaja [25),假设一层的反射强度是由。顶层的反射强度和µ质量吸收系数。评估集成的限制0,150海里注入层和0,400海里,400 nm反映探测反射信号的最大深度由比尔定律决定的。层敏感性定义为)。topcon - 90 SEM和EDS能力分析磨损碎片形态和化学样品。电子加速使用不同,本文档中提到。白光干涉法通过Zygo 5000年新观点决定了表面粗糙度。

3所示。结果

3.1。植入物描述

氮离子注入的AES深度资料图4。N KLL峰值在380 eV和Fe LVV (III)峰值708电动汽车监控在深度剖析,和峰值强度取决于使用峰高度差异化的频谱的方法。氮的相对原子百分比计算 在哪里峰值强度和吗是峰灵敏度因子(决定的俄歇电子能谱学手册第3版,物理电子学)。正如预期的那样,数据显示,峰值浓度的变化对表面从100 keV注入能量减少到50 keV,峰值浓度随离子剂量。深度的资料仍然保留他们的高斯形状表明样本期间保持足够冷静植入限制扩散。热处理的深度剖面(200°C, 1小时在一个不锈钢steel-canned氩环境)2 e17离子/厘米²;100千伏示例图5。深度剖面显示的水准as-implanted概要文件。氧含量的AES分析揭示了表面氧含量高于nonheat-treated的。

图6(一)提供GAXRD模式植入,图6 (b)有参考的耳蜗衍射模式。揭示了存在的模式菲₄N (cP5,钙钛矿原型)和菲₃N (hP4,尼亚斯原型)在不同比例取决于植入情况。正如人们所预料的,铁的比例₃N峰值增加了常数离子能量随着剂量的增加。退火(200°C, 1小时)植入后的样品铁的比例下降₃N虽然增加了铁₄N。

其他的研究(13,26,27]报道这个铁的分解₃N菲₄N由于后热治疗和预计将因为当地N浓度降低。除了氮化硅峰,(BCT)马氏体形成的N +注入可以观察到的,这是显而易见的分裂的BCC峰值。有一些障碍在1 e17和2 e17离子/厘米²植入样品,下的非晶态的线条BCC峰值显示耳蜗相比BCC峰值。障碍是由于撞击损伤。200°C, 1小时退火消除一些障碍的无定形峰表明越明显。正如所料,无定形的强度相对于BCC峰值增加离子剂量和能量。还应该指出的是,对衍射图样冷轧没有可衡量的影响;衍射模式完全取决于植入。氮植入还含有可检测铁₃O₄在注入离子剂量大于1 e17 /厘米²。XPS和TEM研究表明,在环境条件下铁₃O₄电影上形成多晶铁(28]。铁的相对峰值强度₃O₄行相比形成氮化物的最大2 e17剂量注入表明植入推广植入后的氧化膜的生长。

数据7(一)和7 (b)包含磨损产物的扫描电镜图像转移到耳蜗,展开安全部队。转移磨损碎片的数量是相当广泛的。使用Archard穿方程(1)计算磨损系数的骑手和使用维氏硬度167 MPa 1100了。碎片的大小也非常大:人物7 (d)给出一个示例的一个光学表面光度仪扫描取自这穿跟踪。表面的突起几乎是19μm在一些地点,但是大部分的碎片高度在10到16米的范围内。碎片的宽度是1 - 25m。很可能在一个多通道的磨损试验突起的大小将继续建立并导致更大的摩擦系数由于耕作添加组件。当然如果安全部队钢锻压模具材料,这种规模的突起,将损害传入的材料的表面。此外,EDS分析化学的大碎片(图7 (b))显示没有检测到铁和氧含量与一个从未穿过的1100球。然而,化学的小碎片(图7 (c))含有铁和高量的氧气。一个可能的原因是小碎片卷比表面较大的碎片,因此积累铁铝氧化物。化学表明,多粒子小碎片,而更大的碎片似乎是一个有形的塑料撕裂(参见图的证据7 (b))表面上。反复翻滚在去除表面磨损粒子从穿事件的显微镜观察的特性。更大的碎片,这不是撕裂的迹象可以看出,在对比图7 (c)在泪水不可见的小碎片和残骸看起来压实。观察到的眼泪和平板状形态遵循分层机制提出的Suh et al。29日)通过焊接界面剪切力的传递。大的碎片的存在意味着有足够的接触面积传输所需的力导致这个分层界面除了明显的剪切应力。

在金属转移氮植入有可观的影响。图8(一个)显示了一个示例的金属转移2 e17离子/厘米²100 kV N +安全部队植入钢板。骑手的Archard磨损系数给两个数量级减少Al穿耳蜗相比。使用光学轮廓测定法,图8 (c)碎片是高达8μ米,这仍然是相当大的,因此tribosystems可能导致问题。碎片的宽度是1 - 8μm。碎片用EDS的化学还含有氧、铁和氮。此外,似乎多粒子碎片。形成过程的细纹可能将铁和氮的碎片。有趣的是,EDS (5 kV)检测氮microgrooves表明植入的层内被一定程度上完好无损。比较5 kV n - kα信号的100千伏外着床唱片,唱片内。做同样的比较为50 kV植入。这意味着50 kV植体氮损失超过100千伏植入物形成的细纹,这可能是因为氮浓度越高,参照表面在50 kV植入(2 e17离子/厘米²)。相比图的碎片7(一),所有的碎片似乎多粒子意味着剪切应力减少,大的碎片,太大暴跌从表面上看,不能形成一个穿的事件。碎片在图8(一个)揭示了一些证据对于小颗粒分层,并没有被翻滚的过程。

转移职能部门之间的关系报道伊拉克安全部队钢和铝卷传输二次如图9表示。回归曲线的斜率是平均传输高度,从而增加与表面覆盖。相邻的图9是一个表显示每个磨损试验的平均高度碎片由体积Al转移除以基地覆盖面积在方法部分描述。平均身高是10.5 - -2.9μm。测量碎片高度图7 (d)是10到16μ米和4 - 8μ米图8 (c)。这些测量遵循基地转移的回归曲线趋势高度增加而报道。注意,轮廓测定法测得的平均高度碎片不是完全等价的Al transfer-height因为碎片还包含磨损元素的钢铁表面,可以投入。

微克的规模测量Al骑士穿了穿和安全部队钢的硬度之间的关系通过冷轧。回归参数和在(4)调整到最适合的数据。图10说明了耳蜗样本的回归分析结果。的适合0.96时和是和,分别。平均Archard磨损系数是。基于数据点,Archard系数(1)范围从来根据冷量的工作。在冷轧减少它的价值。产生的误差重复性测试(图2)包括,最终被不到2%的报告值。数据表明,硬材料的硬度的影响可以忽略骑手磨损率随着磨损系数改变不到一个数量级。

图11报告质量损失和传质比例为耳蜗植入测试。根据剂量,一些植入样品Al骑手磨损率较低了近两个数量级;(1)计算所有样本范围从磨损系数来。骑士穿与注入剂量减少:明白了一个通过C在图11。此外,固定剂量和改变加速电压似乎对骑手戴(比较小的影响一个和D在图11)和潜在的提供更好的耐磨性越高。滚动似乎没有影响的骑士穿2 e17离子/厘米²100 kV剂量(比较一个和E在图11)和2 e17离子/厘米²在50 kV剂量(比较D和F在图11)。出乎意料地,热处理似乎没有影响骑士穿(比较一个和G和E和H在图11)。金属转移(红酒吧)与注入剂量减少,这是主要的控制变量在减少金属植入样品转移。图11还包含金属过渡的百分比。几乎所有的骑士穿成了金属转移为耳蜗样品转移比例在90%以上。一般来说,植入金属转移比例减少了近40%对一些条件。然而,同样的误差范围内的金属过渡%测量的一些样品。基于可用的数据的金属转移与注入剂量(比较百分比减少一个来C(比较)和能量一个来D),但冷轧对这个量的影响非常小。

摩擦痕迹的评价有助于确定滑动期间相互作用的性质。测量转矩、骑手抵消和负载确定摩擦系数(咖啡)。图12(一个)情节的咖啡不同的测试。耳蜗的咖啡样品是0.67 - -0.690.005,落在相同的误差。冷轧似乎没有咖啡可检测的影响。氮植入似乎影响咖啡;随着剂量/能量的增加,咖啡降低了。在最低的,咖啡2 e17离子/厘米²在100千伏植入样品。除了有一个较低的摩擦系数的摩擦噪声生成N +注入板是更少。耳蜗的噪音水平样本(20 - 25%)大于N +注入样品(7 - 11%)。随着剂量的增加,噪声降低的百分比。注意,图的误差12(一个)取决于摩擦计的灵敏度数据记录软件,是吗0.01磅*英寸。这给了一个咖啡的错误0.005跟踪直径和一堆3磅。

表1给附近的碎片化学以及表面化学反应不同的样本。适当的统计,五EDS光谱从不同的碎片被用于给定的样本。注意,表1也报道旁边的标准偏差的平均化学成分five-sampled碎片在一个给定的样本。只有碎片,似乎混合采样;参见图7 (c)和8(一个)为例子。报告近地表化学表1是一个300纳米的平均表面测量的AES深度资料。平均,1纳米间隔的数据点。正如所料,氮越高剂量越大,平均数量的氮在残骸中发现。nitrogen-implanted样本有大量的氧气在残骸中发现的耳蜗。的氧气碎片与含氮量增加;这两个变量之间的皮尔逊相关系数是0.47基于75碎片化学样品(15测试条件5碎片样品)。关键的皮尔森相关系数值基于这个样本大小是0.3 95%的确定性,这表明有氮气和氧气碎片化学反应之间的相关性。这表明碎片影响tribo-oxidation中的氮。滚动的碎片没有可观的影响化学表明断裂的颗粒从国际垒球联合会钢铁进入碎片的大小不到植入区。这个结论是基于2 g努氏硬度测量的观测样本一个和H在图12相隔只有23分(样品吗H 一个),但是200克努氏硬度测量/ 200点(样本H 一个)。预计,如果安全部队钢磨损元素比植入区,冷轧会影响碎片化学因为硬度值有很大差异在200 g负载。出乎意料,植入的能量碎片影响化学同时植入剂量不变。碎片产生的低能量植入更多的氮,但氧含量的误差内100千伏2 e17离子/厘米²植入物。更高浓度的氮在地表附近可能会造成更大的发现大量的氮,这给了更多的证据表明,粒子来自国际垒球联合会钢铁小于植入区。

4所示。讨论

真正的接触面积是由在(4),但是术语(3)仅略有影响磨损率。磨损率之间的差异展开和减少200%的样本小于1/5th的数量级。实际上,没有磨损率的差异之间的安全部队钢滚样本。这意味着可以定义为真正的接触面积困难表面的硬度影响不大的粘着磨损骑手。这意味着任何减少穿从植入与接触面积的差异所产生的淬火。Kayaba et al。30.)提出用滑移线变形模型,材料表面微凸体可以越频频出现如果一个粗糙顶端角小于临界价值所决定的。这些预测被Fishkis定性confimed [31日]对钢/铝测试。显然,硬粗糙频频出现将增加真正的接触面积;然而并没有观察到这种效应的磨损率。很可能的化学抛光的表面弄平,粗糙角都远远超过临界角。应该提到的,真正的接触面积(52816μ米²)超过初始接触面积(6250赫兹明显μ米²),但不是最终的接触面积穿平直径(148542μ米²)。更详细的赫兹接触分析显示,在艾尔·冯·米塞斯应力球超过材料的y,这意味着最初的赫兹关系不适用和最初的表观接触面积是高得多。一个合理的估计初始接触面积,在弹塑性接触条件下,通过有限元建模经验(32,33),明显联系地区69234年和66128年的嗯²,分别。正如预期的那样,真正的接触面积的低于建模表观接触面积22%。

这组实验是独特的离子注入不是最初旨在提高安全部队钢的耐磨性,但减少穿1100年的骑手。此外,体积磨损数据单通道实验,以我们的知识没有被发布。因此,在当前上下文中找到可比数据的实验是很困难的。最有关的出版,定性的金属传输数据是由鹿角(34)的体积磨损的一系列纯金属组合研究多通道下穿测试。纯铝在纯铝骑手体积磨损率厘米³/厘米。比较我们的价值的安全部队钢1100 Al (厘米³/厘米)更高的价值可能是因为试车安全部队钢铁表面化学抛光的效果。记住Al骑手时试车期间穿测试车手不断遇到新的,还没穿破的安全部队钢铁表面。其他的差异可能是由于制备方法;Anlter机械磨削用于样品制备时我们使用化学抛光。真正的接触区域较大可能是由于较低的均方根值与化学抛光。图13表明,N +离子注入骑士的数量减少磨损和金属转移到板的数量,但结构的氮化热处理改变的植入区对骑手戴似乎没有影响。改善从植入在骑士穿最多两个数量级的2 e17离子/厘米²在100千伏植入(包括轧制和热处理)。2 e17离子/厘米²在100千伏植入穿解都在- - - - - -范围,这也在温和穿政权。

骑手磨损机制需要讨论之前评估的好处氮植入。的表面经受评估表面是0.010 - -0.005μm,通过确定顶端点的数量在一个特定区域MetroPro软件可以推导出最大的磨料磨损。估计最大磨损率来厘米³/厘米,近两个数量级小于耳蜗的磨损率测量样本。这意味着最初negligiable磨料磨损和粘着磨损,通过分层控制。预计,如果磨损是一个因素在这些研究中,钢冷轧伊拉克安全部队应该提高Al骑手的磨损率,因为困难艰苦的条件将生硬的少,因为他们渗透到表面。耳蜗的样本显示摩擦痕迹相对较大的噪音水平在20 - 25%表明双体粘滑运动机制(35,36)存在。这也是粘着磨损的迹象发生因为足够的胶粘剂部队需要创建粘滑运动条件。粘滑运动条件时出现的粗糙面连接焊缝,连接生长。坚持条件结束,开始穿元素的形成。结也可以单独没有穿元素形成。咖啡的噪音减少到5 - 10%的植入样品。植入也减少0.25 - -0.35的咖啡的影响取决于剂量。根据表1近地表氮化学负相关,降低摩擦系数和噪声,这表明,氮化学扰乱了粘滑运动过程通过减少部队的粘合剂。使用他泊结增长公式,(5),考虑到咖啡和噪音,接口的平均剪切强度可以确定。方程(5)使用al - 3.26 ksi的剪切屈服强度。2 e17离子/厘米²在100千伏植入平均界面剪切强度0.45 ksi而耳蜗ksi 0.94样本。使用密度泛函理论(DFT)计算(接口进行了计算与VASP软件包使用密度函数理论。飞机增广波法用于原子势。exchange-correlation术语使用广义梯度近似处理。计算被聚集在0.01 eV对平面波基组大小,k-point网格密度、真空间隙和层大小)的接口与真正的接触面积提供一个上限的粘附强度的估计。DFT计算表明,界面乳沟能严格地50%高于大部分铝。假设相同的关系近似适用于剪切强度,剪切强度的估计接口是4.89 ksi。这表明界面电影扮演了一个角色在降低界面剪切强度所有测试在粘阶段。植入样品界面剪切强度较低了近0.49 ksi比耳蜗表明化学扮演了一个角色无论是氧化膜,植入氮,或两者兼而有之。

植入氮减少了金属转移比例相对于耳蜗条件。比较图11与表1表明金属转移比例降低了平均碎片氮和氧含量。金属转移比例减少的原因可能是由于非金属的存在,磨料粒子促进去除的磨屑接触区(37]。金属碎片转移化学混合(铁、铝、O、N)除了残骸,包括更大的磨损元素(参见图7 (b))。TEM研究Rigney et al。38]表明,碎片转移层多粒子和多元素,导致流动性的碎片。机械混合和氧化磨损碎片可以作为有益tribolayer [39- - - - - -41]。根据材料的相互转移模型,当磨损元素形式相反的表面,它创建一个突出,就像一个粗糙。有一定的概率,另一个穿生成元素之上将形成以前穿元素。以这种方式,碎片会建立,直到达到一个临界尺寸之间的阻碍力量坚持碎片和滑动表面之间的粘附力克服表面碎片和它相连导致驱逐磨损碎片的轨道。如果不附着的碎片是由粒子如氧化物、氮化物碎片之间的粘附力和附加表面降低,这将减少碎片的临界尺寸。图9是间接证据支持最后一条语句,因为磨损率降低是由于减少粘连的表层氧化物和氮化物的存在。转移到艾尔销也减少植入。艾尔的证据转移到骑手demonstated图(13日)大型铝粒子可以看到粘在铝表面而不是骑士,滑N-implanted表面(图13 (b)),没有证据的转移。EDS化学从骑士穿表面表示安全部队钢转移元素的存在。

是由于tribo-oxidation形成的氧化物(42]。也有证据表明,氮气注入增强的好处tribo-oxidation在高周期磨损测试(43,44]。氧气在碎片的数量呈正相关,氮碎片化学0.47皮尔逊相关系数表示。这意味着对tribooxidation氮植入有影响。因为原生氧化膜是自限性的,大部分的氧化可能发生在机械磨损元素的混合,因为更高的温度与冷加工粒子相关联。有足够的证据(45,46]N植入铁的低温氧化特性的影响。所有暴露的过渡金属表面有氧化原生电影。正如上面提到的植入有影响的tribo-oxidation碎片。图14概要文件包含深度的氧氮植入后15天的耳蜗植入的参考表面。本机的深度氧化层与注入剂量和能量增加。最大剂量的电影增加了高达3.5倍与耳蜗参考样本。XPS (Fe 2 p 3/2)调查(耳蜗和2 e17离子/厘米²在100千伏)400年代后溅射去除表面碳也包括在内。植入的效果增加的Fe-O (III) / Fe-O (II)峰值比率相对于耳蜗样品大概是由于更大的氧气浓度。晶格缺陷由植入可能改变物种的迁移率增强vaccancy计数增加。厚氧化层存在可能也帮助减少粘连,从而减少磨损颗粒的大小通过分层和摩擦连接的增长水平。此外,较大的氧化膜可能有助于减少附着安全部队钢磨损元素合并到碎片。

二次覆盖面积和体积之间的关系转移转移材料尚未建立的文学。事实上,影响碎片大小的因素通常与磨损率有关。测试负载等因素(47),硬表面的粗糙度48),和测试速度(49磨损率相关。在一些研究50),碎片尺寸磨损率有直接关系。在这项研究中,负载、速度和表面粗糙度值保持不变。因此,碎片大小变化将直接影响金属转移的因素。根据材料的相互转移机制碎片堆积,直到它达到临界尺寸。在这一点上,阻碍力量克服碎片表面附着力,使粒子除去表面磨损。耕作成伊拉克安全部队钢应该提供额外的机械键控和允许大碎片的形式。因此,根据材料的相互转移模型只有两个因素应该影响碎片大小:穿元素大小分布和碎片表面的附着力。这个数字10提供了一个有用的工具在评估金属转移大规模转移时低于微量天平的灵敏度。

5。结论

(我)检查钢冷轧安全部队的金属过渡/ rider-wear数据表明,摩擦学的过程并不显著影响硬度(少于1/5th一个数量级),和表达式可以即使困难表面的硬度变化。(2)氮离子注入增强本机氧化膜厚度是由三个因素造成的两周后植入。增强是由于敲注入造成的损害。(3)离子注入的影响减少Al骑手戴了两个数量级。减少Al骑士磨损是由于近地表氮化学和植入后本机氧化层形成。Postimplantation热处理引起的菲₃N分解菲₄N,但这没有影响骑士穿,这表明磨损减少是由于安全部队附近的钢铁表面的化学结构。(iv)植入的氮提高了碎片tribo-oxidation过程;废墟中的氧含量表现出很强的相关性与氮近地表化学。由于增强氧和氮碎片化学Al碎片最终的分数金属转移到伊拉克安全部队钢表面减少。(v)吵闹的摩擦系数表明,粘滑运动摩擦磨损机制负责生成。氮植入降低摩擦系数和摩擦噪音。计算基于他泊结增长公式表明,氮植入降低界面的粘合强度与参考的耳蜗表面。

确认

作者要感谢提供伊拉克安全部队的阿塞洛-米塔尔钢铁、员工密歇根大学离子束实验室和奥尔巴尼大学离子束实验室在完成植入他们的帮助,和康涅狄格大学的材料科学和Deringer-Ney研究所的检测时间。报告的作者之一目前没有任何财务关系阿塞洛-米塔尔或Deringer-Ney。本研究经费是由康涅狄格大学的材料科学研究所。

引用

1. h·沃林,摩擦的调查图表排名能力对于磨损现象在干燥sof接触(论文)、教师的技术和材料科学Karlstad大学的科学系。
2. 主任j·t·c·d·斯特朗,“金属磨损。”英国伦敦皇家学会学报》上卷。212年,数学和物理科学,不。1111年,第477 - 470页,1952年。视图:谷歌学术搜索
3. ASTM G98-02 2009耐磨损测试方法标准的材料。
4. t . Sasada和美国Norose磨损粒子的形成和增长通过共同物质转移,”诉讼JSLE-ASLE国际润滑的会议,页82 - 91,美国爱思唯尔出版、纽约,纽约,美国,1976年。视图:谷歌学术搜索
5. a·哈泽和h . Mishina穿磨损元素生成的基本过程中,“摩擦学国际,42卷,不。11 - 12,1684 - 1690年,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. a . Gaard p Krakhmalev, j . Bergstrom”滑动磨损机制磨损:冷作工具材料对高强度碳钢板,”摩擦学的信,33卷,不。1,45-53,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. s r·胡默尔和b·帕特洛“阈值的比较难堪的结果从两个测试方法,”摩擦学国际,37卷,不。4、291 - 295年,2004页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. s . r .无角的“发展耐磨损均匀应力分布测试方法,”摩擦学国际第41卷。。3、175 - 180年,2008页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. ”的功能,但和i . m .哈钦斯的调查表面处理钛合金的磨损保护,”穿,卷251,不。1 - 12,1034 - 1041年,2001页。视图:谷歌学术搜索
10. s . r .无角的“应用程序线接触摩擦条件确定难堪的阈值的测试,”摩擦学国际,35卷,不。12日,第807 - 801页,2002年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. i . l .歌手”,表面分析、离子注入和摩擦学的过程影响钢,“应用表面科学,18卷,不。1 - 2日,28 - 62年,1984页。视图:谷歌学术搜索
12. j·k·差距,c . a . Carosella r·a·康德,歌手,r . Vardiman比比早期,“提高离子注入金属特性,”薄固体电影,卷63,不。1,5 - 10,1979页。视图:谷歌学术搜索
13. t . Fujihana y冈,m .磐”注入温度对铁的硬度的影响氮化物形成氮高剂量,”在物理学研究中的核仪器及方法部分B,39卷,不。1 - 4、548 - 551年,1989页。视图:谷歌学术搜索
14. t . Fujihana a . Sekiguchi y冈,k .高桥和m .磐”室温的影响碳,氮和氧注入在铁的表面硬化和腐蚀保护,”表面涂层技术,51卷,不。1 - 3,19号,1992页。视图:谷歌学术搜索
15. h . Dimigen k .水r . Leutenecker h . Ryssel和p . Eichinger“nitrogen-implanted钢的耐磨性,”材料科学与工程,卷69,不。1,第190 - 181页,1985。视图:谷歌学术搜索
16. a·a·优素福·Budzynski j . Filiks a . p . Kobzev和j . Sielanko”改善磨损和硬度的钢氮植入,”真空,卷77,不。1,37-45,2004页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. 和j·b·w·c·奥利弗·r·哈钦斯派西卡领衔,“nitrogen-implanted金属的磨损行为,”冶金和材料交易,15卷,不。12日,第2229 - 2221页,1984年。视图:谷歌学术搜索
18. p . Tarkowski p Budzynski, w . Kasietczuk”胶粘剂字符在nitrogen-implanted铁磨损过程,”真空,卷78,不。2 - 4、679 - 683年,2005页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. r·魏p . j .威尔伯w . s .位于d·l·威廉姆森和j·l·王”的影响离子注入条件下的摩擦学亚铁表面,”摩擦学卷,113年,第173 - 166页,1991年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
20. i m .冯“金属转移和穿,”应用物理杂志,23卷,不。9日,第1019 - 1011页,1952年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
21. d . a . Rigney”角色的硬度材料的滑动行为,”穿,卷175,不。1 - 2、63 - 69年,1994页。视图:谷歌学术搜索
22. c . c . Viafara和a . Sinatora”的影响身体的坚硬在一双滑动磨损政权过渡钢、”穿,卷267,不。1 - 4、425 - 432年,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
23. d . w .宝蓝和美国扁Unlubricated钢滑动磨损:向另一个穿方程,”穿,卷209,不。1 - 2、171 - 178年,1997页。视图:谷歌学术搜索
24. d .他泊,“结金属摩擦的增长:结合应力和表面污染的作用,“英国伦敦皇家学会学报》上,卷251,不。1266年,第393 - 378页,1959年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
25. d . Rafaja”、x射线衍射和x射线反射率应用于薄膜的调查,“固体物理学的进步41卷,第286 - 275页,2001年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
26. m . Kopcewicz和j . Jagielski nitrogen-implanted”阶段的转换α铁。”应用物理杂志,卷71,不。9日,第4226 - 4217页,1992年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
27. a·a·优素福·Budzynski j . Filiks a . p . Kobzev和j . Sielanko”改善磨损和硬度的钢氮植入,”真空,卷77,不。1,37-45,2004页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
28. g . Bhargava Gouzman, c . m . Chun t . a . Ramanarayanan和s . l . Bernasek”特征的“本地”纯多晶铁表面薄膜:高分辨率XPS和TEM研究中,“应用表面科学,卷253,不。9日,第4329 - 4322页,2007年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
29. n . p . Suh:萨卡人,s . Jahanmir”磨损最小化分层理论的影响,”穿,44卷,不。1,第134 - 127页,1977。视图:谷歌学术搜索
30. 加藤t . Kayaba k, k . Hokkirigawa”理论分析塑性屈服的硬软平面粗糙面滑动,“穿,卷87,不。2、151 - 161年,1983页。视图:谷歌学术搜索
31. m . Fishkis金属转移在滑动过程中,“穿,卷127,不。1,第110 - 101页,1988。视图:谷歌学术搜索
32. r·l·杰克逊和绿色,“弹塑性有限元研究的半球形与刚性平面接触,”摩擦学学报,卷127,不。2、343 - 354年,2005页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
33. l .教授和i Etsion”,基于有限元弹塑性模型粗糙表面的接触,”摩擦学的事务,46卷,不。3、383 - 390年,2003页。视图:谷歌学术搜索
34. m .鹿角”过程的金属转移和穿,“穿,7卷,不。2、181 - 203年,1964页。视图:谷歌学术搜索
35. m .鹿角,“穿、摩擦和滑动系统电噪音现象严重,“可以交易,5卷,不。2、297 - 307年,1962页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
36. 公元伯曼、w·a .潜水者和j . n . Israelachvili”起源和特征不同的粘滑运动摩擦机制”,朗缪尔,12卷,不。19日,4559 - 4562年,1996页。视图:谷歌学术搜索
37. t . Sasada m .设施,n .江”的影响磨料粒度之间的过渡磨料和粘着磨损,”穿,卷97,不。3、291 - 302年,1984页。视图:谷歌学术搜索
38. d . a . Rigney l·h·陈,m·g·s·内勒和a·r·罗森菲尔德,“滑动系统的磨损过程,”穿,卷100,不。1 - 3、195 - 219年,1984页。视图:谷歌学术搜索
39. d . a . Rigney”滑动磨损金属。”年度审查的材料科学18卷,第163 - 141页,1988年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
40. j .江、f·h·斯托特和m . m .堆栈”数学模型的滑动磨损金属在升高的温度下,“穿卷,181 - 183。1,20-31,1995页。视图:谷歌学术搜索
41. r . l . Deuis c .萨勃拉曼尼亚和j·m·Yellup“干滑动磨损铝composites-a审查,”复合材料科学与技术卷,57号4、415 - 435年,1997页。视图:谷歌学术搜索
42. i m .钦斯摩擦学:工程材料的摩擦磨损阿诺德,伦敦,英国,1992年。
43. h·j·金,a . Emge s Karthikeyan和d . a . Rigney”tribooxidation对铝的滑动行为的影响。”穿,卷259,不。1 - 6,501 - 505年,2005页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
44. p . Budzynski a·a·优素福z Surowiec,和r . Paluch”的氮离子注入提高铝的机械表面性质,“真空,卷81,不。10日,1154 - 1158年,2007页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
45. a . Galerie m . Caillet m .脑桥,“离子注入金属氧化”材料科学与工程,卷69,不。2、329 - 340年,1985页。视图:谷歌学术搜索
46. g . Dearnaley“氧化及相关属性的改变金属离子注入,“核仪器及方法卷,182 - 183。2、899 - 914年,1981页。视图:谷歌学术搜索
47. k . m .加西姆和e . s . Dwarakadasa:“SEM研究硅合金的磨屑,“材料科学杂志》上的字母,8卷,不。11日,第1287 - 1285页,1989年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
48. h . j .赵w·j·魏h . c . Kao和c k . Cheng”UHMWPE滑动磨损行为的人工髋关节置换术的材料,”材料化学与物理,卷88,不。1,9到16,2004页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
49. k . m .加西姆和e . s . Dwarakadasa:“滑动速度对粘着磨损的影响的二进制硅合金,”材料科学杂志》上的字母,12卷,不。9日,第653 - 650页,1993年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
50. Beerschwinger, t·阿尔布雷特·d·马西森,r·l·鲁本·j·杨和m . Taghizadeh”穿在微观尺度和轻负荷对于MEMS应用程序,”穿卷,181 - 183。1,第435 - 426页,1995。视图:谷歌学术搜索

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