CN109093452A - 金属表面微织构辅助摩擦诱导成膜降低磨损的方法 - Google Patents

金属表面微织构辅助摩擦诱导成膜降低磨损的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种金属表面微织构辅助摩擦诱导成膜降低磨损的方法，主要包括了金属表面微织构、润滑条件控制、摩擦工艺控制等几个步骤；本发明通过微织构状态、润滑条件与摩擦工艺三方面有机结合，能在金属表面通过微织构辅助摩擦诱导快速形成摩擦反应膜，起到良好的抗磨作用。本发明的制备工艺简单可控，容易实现，在提高各种金属摩擦副的抗磨性能等领域有广阔的应用前景。

Description

金属表面微织构辅助摩擦诱导成膜降低磨损的方法
一、技术领域
本发明涉及一种金属表面工程领域，具体的说是一种金属表面微织构辅助摩擦诱导成膜降低磨损的方法。
二、背景技术
金属材料由于其机械强度高、尺寸稳定性好、耐热性好、受温度变化性质影响小、易维护等诸多优势，已经广泛应用于各种机械设备的关键部件等领域。目前许多重大装备的摩擦副部件均为金属材料，研究表明，金属材料的磨损直接影响重大装备整体的运行安全性与服役寿命。因此，如何提高这些摩擦副金属的耐磨性对于延长这些装备的使用寿命具有重要意义。
提高金属耐磨性从而降低磨损的方法较多，主要包括了表面热处理、表面渗氮/碳、表面涂层等。近年来，人们发现在金属表面微织构也能起到减摩耐磨的效果，并且对其中的机理进行了研究，目前被广泛接受的观点认为表面微织构减摩抗磨的主要机理是形成油槽提供二次油润滑、吸纳磨粒防止磨粒磨损发生等。也有研究表明，不是所有的微织构表面都能起到减摩抗磨作用效果，在有些情况下甚至起到相反的效果，想要得到特定摩擦学功能的微织构形貌等参数目前尚没有明确的规律可寻。最近的研究(Tribology Letters,2018,66:55)发现微织构表面在摩擦过程中形成的摩擦反应膜也对金属减摩抗磨作用发挥了重要影响。然而，微织构形貌、尺寸、分布、润滑条件与摩擦工艺等因素均对摩擦反应膜产生难以预料的影响，从而对金属材料抗磨性能产生影响，相关内容目前尚未见报道。因此，如何通过金属表面微织构在材料表面诱导成膜从而降低磨损已成为亟待解决的重要问题。
三、发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种通过适合的金属表面微织构与润滑条件、摩擦工艺的协同控制，在金属表面辅助摩擦诱导形成具有良好抗磨功能的摩擦反应膜，从而降低金属磨损的方法。
本发明通过以下技术方案实现：
一种金属表面微织构辅助摩擦诱导成膜降低磨损的方法，按以下步骤进行：
1)通过刻蚀方法在表面粗糙度小于1μm的铁基金属表面形成一种椭圆型微织构，其中，椭圆的短轴为400-800μm，长轴为900-2400μm，微织构凹坑深度8-20μm，椭圆中心点间距2-4.8mm。
2)将椭圆型微织构金属完全浸没于含0.1-0.5wt％硫元素润滑添加剂的润滑油中30min以上，其中，润滑油40℃时的粘度为30-50cSt。
3)控制摩擦工艺条件为：采用销-盘式面接触往复摩擦方式，其中销为圆柱体，材料为SAE1045钢、316L钢、铸铁中的一种，圆柱体直径为15-25mm，载荷为50-200N，摩擦速度50-150mm/s，摩擦界面完全被润滑油覆盖，保持富油润滑状态，摩擦时间10min以上，微织构表面即可形成摩擦反应膜，微织构表面磨损率相对未织构表面可降低35％以上。
其中，步骤1)中所述的刻蚀方法，具体操作步骤为：将铁基金属在100～120℃下预热3～6min；将S1813光刻胶滴在其表面铺满，放在旋涂机中，将其固定在真空卡盘上，在氮气保护气氛中，分别在300rpm旋转10s，900～1100rpm旋转10s，4000rpm旋转60s；涂层后铁基金属在110～120℃预烘2～4min；将所需的椭圆型模板覆盖在摩擦表面上，在365nm紫外灯光下曝光5～30min；去除模板后，在115～130℃烘焙5～10min；将其放入质量浓度为2～4％的四甲基氢氧化铵溶液中浸泡1～3min，在去离子水中漂洗20～60s，于110～120℃环境下烘干；然后放入质量浓度为1～4％的稀酸溶液中23～27℃下刻蚀1～10min，取出，用去离子水中漂洗2～5min；放入丙酮中将漂洗2～4次，至涂层胶全溶解，即得微织构表面。
本发明的有益效果是：
1)本发明方法能在金属表面通过摩擦诱导快速形成摩擦反应膜，起到减摩抗磨作用，微织构表面相对未织构表面磨损率可降低35％以上。
2)本发明采用了刻蚀方法制备独特形貌、尺寸、分布的微织构，相对激光微织构方法容易控制，且不会产生材料堆积，无需二次处理；凹坑周边均匀，在摩擦过程中不会引发副反应。
3)本发明通过微织构状态、润滑条件与摩擦工艺三方面有机结合，发挥了协同效应，成功实现了在微织构表面辅助摩擦诱导反应成膜。
4)本发明的制备工艺简单可控，成本较低，容易实现。
四、具体实施例
以下实施例中所选铁基金属材料为SAE1020钢，表面粗糙度Ra为0.8μm。刻蚀制备微织构摩擦表面：将铁基金属片状材料在100℃下预热5min；将S1813光刻胶滴在材料表面铺满，然后将材料放在旋涂机中，将其固定在真空卡盘上，在氮气保护气氛中，分别在300rpm旋转10s，900rpm旋转10s，4000rpm旋转60s；将所得材料在110℃预烘4min；分别将短轴为600μm，长轴为1000μm，椭圆中心点间距3mm以及短轴为400μm，长轴为1200μm，椭圆中心点间距3.6mm的椭圆型孔模板覆盖在摩擦表面上，在365nm紫外灯光下曝光10min；然后去除模板，将所得材料在120℃烘焙8min；将材料在质量浓度为2％的四甲基氢氧化铵溶液中浸泡2min，在去离子水中漂洗30s；然后将其放入110℃环境下烘干；将材料放入质量浓度为2％的稀硝酸溶液中23℃下分别刻蚀5,10min，取出，用去离子水中漂洗3min；将材料放入丙酮中将漂洗2次，至涂层胶全溶解，得到2种微织构表面，分别用于以下
实施例1，2。
实施例1
1)通过上述刻蚀方法在铁基金属表面形成一种椭圆型微织构，其中，椭圆的短轴为600μm，长轴为1000μm，微织构凹坑深度10μm，椭圆中心点间距3mm。
2)将椭圆型微织构金属完全浸没于含0.3wt％硫元素润滑添加剂的32号机械润滑油中40min，其中，润滑油40℃时的粘度为32cSt。
3)控制摩擦工艺条件为：采用销-盘式面接触往复摩擦方式，其中销为圆柱体，材料为316L钢，圆柱体直径为8mm，载荷为150N，摩擦速度100mm/s，摩擦界面完全被润滑油覆盖，保持富油润滑状态，摩擦时间60min。
将摩擦后试样经过超声清洗去除吸附油膜后，采用XPS仪器分析检测，发现微织构表面硫含量(3.58at％)比未织构表面硫化物含量(1.21at％)更高，分析表明其成分为摩擦反应所形成的硫化物，也即微织构表面具有更厚的含S摩擦反应膜；经过3D激光磨痕形貌测试分析，发现微织构表面磨损率相对未织构表面可降低51.1％，这表明金属表面微织构可以辅助诱导成膜降低材料磨损。
实施例2
1)通过上述刻蚀方法在铁基金属表面形成一种椭圆型微织构，其中，椭圆的短轴为400μm，长轴为1200μm，微织构凹坑深度20μm，椭圆中心点间距3.6mm。
2)将椭圆型微织构金属完全浸没于含0.2wt％硫元素润滑添加剂的PAO润滑油中60min，其中，PAO润滑油40℃时的粘度为30.5cSt。
3)控制摩擦工艺条件为：采用销-盘式面接触往复摩擦方式，其中销为圆柱体，材料为SAE1045钢，圆柱体直径为5mm，载荷为200N，摩擦速度50mm/s，摩擦界面完全被润滑油覆盖，保持富油润滑状态，摩擦时间30min。
将摩擦后试样经过超声清洗去除吸附油膜后，经过XPS仪器分析检测，发现微织构表面形成了比未织构表面更厚的含S摩擦反应膜；经过3D激光磨痕形貌测试分析，发现微织构表面磨损率相对未织构表面可降低38.9％，这也表明金属表面微织构可以辅助诱导成膜降低材料磨损。

Claims (1)

1.一种金属表面微织构辅助摩擦诱导成膜降低磨损的方法，按以下步骤进行：
1)通过刻蚀方法在表面粗糙度小于1μm的铁基金属表面形成一种椭圆型微织构，其中，椭圆的短轴为400-800μm，长轴为900-2400μm，微织构凹坑深度8-20μm，椭圆中心点间距2-4.8mm；
2)将椭圆型微织构金属完全浸没于含0.1-0.5wt％硫元素润滑添加剂的润滑油中30min以上，其中，润滑油40℃时的粘度为30-50cSt；
3)控制摩擦工艺条件为：采用销-盘式面接触往复摩擦方式，其中，销为圆柱体，材料为SAE1045钢、316L钢、铸铁中的一种，圆柱体直径为15-25mm，载荷为50-200N，摩擦速度50-150mm/s，摩擦界面完全被润滑油覆盖，保持富油润滑状态，摩擦时间10min以上，微织构表面即可形成摩擦反应膜，微织构表面磨损率相对未织构表面可降低35％以上；
其中，步骤1)中所述的刻蚀方法，具体操作步骤为：将铁基金属在100～120℃下预热3～6min；将S1813光刻胶滴在其表面铺满，放在旋涂机中，将其固定在真空卡盘上，在氮气保护气氛中，分别在300rpm旋转10s，900～1100rpm旋转10s，4000rpm旋转60s；涂层后铁基金属在110～120℃预烘2～4min；将所需的椭圆型模板覆盖在摩擦表面上，在365nm紫外灯光下曝光5～30min；去除模板后，在115～130℃烘焙5～10min；将其放入质量浓度为2～4％的四甲基氢氧化铵溶液中浸泡1～3min，在去离子水中漂洗20～60s，于110～120℃环境下烘干；然后放入质量浓度为1～4％的稀酸溶液中23～27℃下刻蚀1～10min，取出，用去离子水中漂洗2～5min；放入丙酮中将漂洗2～4次，至涂层胶全溶解，即得微织构表面。
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