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碳钢表面渗硼层在油润滑条件下的摩擦磨损性能研究

油润滑条件下碳钢上硼硼层的摩擦磨损性能研究刘晓霞夏艳秋2,韩宁,张泽夫,薛群基1(1.兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室,中国科学院,甘肃兰州; 2.沉阳工业大学机械工程学院,辽宁沉阳)含硼添加剂在液体石蜡润滑下的摩擦磨损性能。用X射线光电子能谱和X射线衍射法对具有硼改性层和含硼添加剂的45钢表面的典型元素组成和化学状态进行比较和分析。结果表明,化学渗硼可大大降低碳钢的摩擦系数和磨损量损失。渗硼层主要由FB B23组成;在含硼添加剂液体石蜡的润滑下,可进一步改善渗硼改性层。由于硼化改性的双重作用和含硼添加剂的摩擦化学作用。

基金项目国家自然科学基金项目()。

:刘为民,男,1962年出生,研究员,博士。主要从事材料摩擦学和材料化学研究。

” :刘为民,男,1962年出生,博士,研究员,主要从事材料摩擦学和材料化学研究。

化学热处理是使用化学和物理冶金学的组合来改变金属材料的表面的化学组成和结构以获得材料表面的期望性质的过程。通过化学热处理,一方面,可以提高材料的硬度,耐腐蚀性和耐热性,另一方面,可以提高材料的耐磨性。硼化是材料表面改性的一种形式。 5金属渗硼处理可以提高硬度,改善耐磨性和抗疲劳性。关于含硼润滑剂添加剂的研究相对较多,但是含硼添加剂的作用机理仍存在争议。本文在圆盘的摩擦磨损试验机上研究了钢表面硼化层的摩擦学性能。同时,通过对磨损表面典型元素化学状态的分布分析,讨论了硼化层和含硼添加剂的抗磨抗磨性能。作用机理。

1实验部分1.1样品制备试验材料选自45碳钢,采用固态硼化方法(主要成分为碳化硼,五氧化二钒和微量稀土等),在井炉中加热至950℃,并保持7小时硬度为64-66HRC,硬化层的厚度为0.15-Q20mm。含硼润滑油添加剂选自兰州炼油厂生产的硼砂油酸酯。

1.2摩擦磨损试验在SRV摩擦磨损试验机上进行摩擦磨损试验,调质45钢下试盘的(硬度210HB)尺寸为22mm< 7.8mm,部分试件经上述渗硼处理。偶件采用直径10爪爪的015钢球,硬度为61~63丹此;摩擦副接触方式为点接触;试验条件:频率为20Hz,振幅为1mm,起始载荷50N,每5min加载1次,当载荷达到200N时,每次加载100N,直到失效。选用液体石蜡作为基础油,试验前在接触处滴加约Q2mL润滑油。所有试件在试验前均用800砂纸打磨,并用石油醚超声清洗20min.试验过程中,当摩擦系数出现剧烈变化时停机,并将前一次试验的载荷记为润滑剂的承载能力。试验结束后,用轮廓仪测量钢球表面磨痕宽度和深度,进而计算得到磨损体积损失。

1.3表面分析在PHI-5702型多功能X射线光电子能谱仪(XPS)上分析钢球磨斑表面典型元素的化学状态,采用XPS剖面分析模式,用Ar+离子作为溅射源对样品表面进行刻蚀;测试真空度K10'7Pa,XPS分析面积在0.3-1.1mm2范围内可调;Ai+溅射面积处于0~10mm2范围以内,溅射区域可调。使用PHI-ACCESSV6.软件由特征光电子谱峰面积及元素的灵敏度因子计算得到原子浓度随时间或深度)变化的二维深度分析结果。采用X射线衍射仪(XRD)分析渗硼层的相结构。

2结果与分析214f钢及其表面渗硼改性层的摩擦磨损性能示出了化学渗硼处理和未渗硼处理的4方钢试件在液体石蜡及含3%(以质量分数计)硼化油酸甘油酯的液体石蜡润滑下的摩檫系数和钢球磨损体积损失随载荷变化的关系曲线。可见,在液体石蜡润滑下,未渗硼处理的4钢在载荷50N时的摩檫系数达到0.23,最大承载能力仅为150N,对应的摩檫液体石蜡和添加剂液体石蜡润滑下45钢及其表面渗硼层摩擦磨损性能随载荷变化的关系系数为0.30,磨损体积损失为2.渗硼处理后摩檫系数大约为0.14,最大承载能力达400N,对应的磨损体积损失仅为7.相当于未渗硼处理的45钢的磨损体积损失的1/4.在含硼添加剂液体石蜡润滑下,未渗硼处理的45钢的摩檫系数显着减小,而渗硼处理的45钢的摩檫系数变化不大;但含硼添加剂使得液体石蜡的承载能力显着提高。以500N载荷为例,渗硼钢和未渗硼钢的摩檫系数分别为0. 11和0.12,磨损体积损失分别为8.24<103mm3和3.38<102mm3.可见,化学渗硼处理可以大幅度降低液体石蜡润滑下45钢的摩檫系数和磨损体积损失,而含硼添加剂可以进一步改善减摩抗磨性能(在载荷低于500N时渗硼层磨损缓慢增加,当载荷超过500N后才迅速增大),并显着提高承载能力。

22样品表面分析显示了硼化层的XRD图案。可以看出,硼化层主要由Fe 2 B组成。 (a和b)显示了化学渗硼处理后45钢表面的XPS深度分析结果。可以看出,随着Ar +溅射时间的增加,4种钢的渗硼层中B的含量明显增加并趋于稳定,这表明45钢表面的渗硼有效深度可以达到以下。表面层。几微米。 B1s峰在188.0 eV处归因于FeB和/或Fe2B。 1921 eV处的BU峰归因于BO3; Fe4的氧化物的峰值强度在Ar +飞溅下分别为706.8 eV和710.8 eV。延长拍摄时间没有太大变化。这表明在对钢表面进行了硼表面处理后,在表层中显示了在含硼添加剂体石蜡的润滑下未经化学镀硼处理的45号钢表面的XPS深度分析结果。地下形状(a和b)。可以看出,在18 0eV处没有Rs峰,表明在磨损点的表面没有形成FeB或FeB。 1920eV附近的B峰归因于B2O3,表明含硼添加剂在摩擦过程中被分解。 706 8eV处的Fe峰归因于元素Fe。 Fe2p峰在710. 8eV处归因于FexOy,这表明钢球的表面在摩擦过程中被氧化,并且该氧化在次表面处被显着减弱。

(a和b)显示了深分离钉扎硼化碳钢XPS的XPS轮廓分析图,其中含有9种元素铁或deB润滑的含硼添加剂液体石蜡和经过化学渗硼处理的铁,其中45硼添加剂液态石蜡在试样的磨损表面XPS轮廓分析图下润滑。峰1可以归因于油硼化层中相应的封端含硼添加剂。液体石蜡被润滑。通过XPS轮廓分析法分析了渗硼钢的磨损表面。盐和铋化合物形成反应膜。在书签9 1eV处尖叫的ishi43MuX处的添加剂Bis峰归因于B2O3,这表明含硼添加剂在摩擦过程中也会分解。值得注意的是,此时,表层中的Fe含量非常低,并且表层中的Fe的氧化度也显着减弱。据此,可以推断出,在含硼的添加剂液态石蜡的润滑下,经硼化的改性45钢的表面形成厚度较大的边界润滑膜,从而抑制了45钢的表面氧化。在摩擦过程中。硼改性层与含硼添加剂共同作用,可改善45钢的摩擦和磨损性能。

由于含硼添加剂的特殊性以及摩擦表面的复杂性,给含硼添加剂的机理研究加了困难。关于含硼添加剂的抗磨机理主要存在2种观点,一种观点认为其通过沉积成膜而起减摩抗磨作用,另一种观点认为其通过渗硼机理而起减摩抗磨作用。我们对含硼酸钾添加剂的液体石蜡润滑下的钢球磨损表面进行了XPS分析,结果未检测到归属于FeB和FeB的办的XPS谱峰,但检测到了归属于硼酸钾的咖的XPS谱峰,验证了上述沉积成膜机理。乔玉林的组织结构及摩擦学性能)。Tribology(摩擦学学报),1998,18(3):226-231. withlaser(碳钢表面渗硼和激光热处理改性层的磨粒磨损性能和机理研究)||.Tribology(摩擦学学报),2002,22(2):150-152.面处理技术手册)|M|.杜M(刘维民),Xue Q(薛群基)。A(十二烷氧基硼酸锌的合成及其抗磨减摩性能研究)||.Tribology(摩擦学学报),2000,20(2):150-152|10|HuZS(胡泽善),Ou ofOil-solubleSodiumBorateAdditive(油溶性烷氧基硼酸钠的制备及其抗磨减摩性能研究)||.摩擦学学报,2001,



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