粘结固体润滑涂层磨损过程的在线铁谱监测

机械工程材料 的失效主要包括磨损、断裂和腐蚀等，其中磨损失效约占 80%.磨损因对机器状态有着决定性作用而备受状态监测人员关注.机械设备运行时，-般会经历磨合期 、稳定期及剧烈磨损 的寿命终了期3个状态.然而，在实验室条件下，标准磨损机上仅能观察到磨合期与稳定期，给研究铁谱技术监测摩擦配副材料整个磨损过程的规律带来了困难.在线铁谱技术口 以其实时性、连续性的优点不断得到重视，但是其监测标准及数据模型仍需完善，以便为实现设备状态监测的自动化、智能化提供支撑。

磨损多发生在表面，推动了表面工程 。 的发展.复合涂层是表面工程中的-项重要技术，因成分、制备工艺易于调节，其减摩、耐磨性也可由配方调节，从而得到广泛应用 ].复合涂层与基体界面结合处存在内应力，结合强度有-定限制，因此，在磨损过程中，涂层的结合面处会发生剧烈磨损，能够帮助我们在实验室条件下实现磨损的 3个阶段。

在 GCr15试盘表面制备粘结固体润滑涂层，采用在线图像可视铁谱仪，观察粘结固体润滑涂层试验过程中磨粒百分覆盖面积指数(IPCA)[ 值的变化，反映涂层材料的磨损过程，以寻求高效、实时的磨损规律研究方法。

1 材料与方法在 自制 的摩擦磨损试验机上采用在线 图像可视铁谱仪，监测粘结固体润滑涂层的磨损过程.为便于收集磨屑，蠕动泵由油缸 中抽取润滑油滴到销盘试验机的试盘上.在非接触区加大冲刷油量 ，在离心力的作用下 ，冲刷并带走摩擦配副产生的磨粒流人油池中.然后，由在线铁谱仪 中的蠕动泵抽取油池中的油液并流经铁谱探头，在梯度磁场力 的作用下 ，磨粒在流道内呈谱带状沉积 ，由图像传感器将该谱带 的图片信息摄 取并输送 到计算 机 ，得 到IPCA值.携带有磨屑的润滑油不再使用，流入废油收集池(图 1)。

图 1 在线铁谱仪监测原理图收稿 日期 ：2012 11-05基金项 目：国家 973计划项 目(2009CB724200)作者简介：量光能(1965-)，男，安徽无为人，教授 ，博士，博士生导师，主要从事工程摩擦学等研究王春辉(1989-)，男，河南商丘人，硕士研究生，主要研究方向为在线铁谱监测。

· 30 ·废油池董光能，等：粘结固体润滑涂层磨损过程的在线铁谱监测1.1 试样制备试盘基体材料为 GCrl5.涂层是以环氧树脂作为粘结剂，以混合石墨、MoSz、PTFE固体润滑剂经固化而成，同时，为了利于在线铁谱仪捕捉磨粒，在涂层中加入微米级 Fe粉.制备的两种粘结涂层成分见表 1。

表 1 两种粘 结涂层 的化 学成分每种涂层分别取 2组试样，涂层 1的表面粗糙度分别为0.98，1.66 m，厚度分别为 180，208/xm；涂层 2的表面粗糙度分别为 1.59，2.16 m，厚度分别为 59，56 vtm。

1.2 在线铁谱仪监测磨损试验根据涂层的承载能力施加载荷，试验时间以观察到涂层的剧烈磨损为准.涂层 1上施加的载荷分别为10，15 N；涂层 2上施加的载荷分别为 5，10 N.试验环境温度为 12～17℃，相对湿度为 62 ，滑动线速度为0.8 m/s，摩擦 圆半径为 19 mm，摩擦配副为 西6 mm 的钢球.试盘材料为 GCr15，润滑油为舰用防锈汽轮机油，其性能见表 2.蠕动泵滴油流量为 5.3 mL/min，在线铁谱仪采样周期为 3 min，采样量为 2 mL，采样流量为 4 mL/min，冲刷时间为0.5 min，线圈磁势为 1 200 NA。

表 2 润滑油 (LFC-32)性 能表2 结果与讨论2.1 两种涂层的磨损过程规律在线铁谱仪监测不含 Fe粉的涂层 1，在载荷为 10，15 N时得到的IPCA值曲线如图 2所示。

3010O10O磨合期 稳定期 剧烈磨损期 f. 从f F 0 V 1图 2 涂层 1的 IPCA- 时间 曲线由图2可知，涂层 1在 lO N的载荷下，10 rain后 IPCA值由波动趋于平稳，进入到稳定磨损期，试验过程中能够观察到磨合期和稳定磨损期.而在 15 N时，约 12 min后 IPCA值由波动到平稳，即由磨合期进入到稳定期；约 25 min后 IPCA值出现周期性小幅波动，主要是因为此时局部涂层被磨穿，露出基体，且发生了磨损，使得 IPCA值增大；约在 52 min后 IPCA值急剧增大，说明整个涂层发生剧烈磨损且完全磨损失效，涂层经历了磨合期、稳定期及剧烈磨损期。

· 31 ·加∞∞∞触∞帅 州∞m加∞∞∞拥 州㈨∞徐州工程学院学报(自然科学版) 2013年第 1期在线铁谱仪监测含 Fe粉的涂层 2，在载荷为 5，10 N时得到的 IPCA值曲线如图3所示。

时问 血(a)5 N图 3 涂层 2的 IPCA- 时间 曲线时间/INn(b)1O N由图 3可知 ，涂层 2在 5 N的载荷下，约 6 min之前 IPCA值存在较小波动 ，处于磨合阶段 ；之后 IPCA值趋于平稳，进入到稳定磨损期；在 17 min后 IPCA值突然增大，且约 23 min后涂层整体破坏失效，表明 17min后发生剧烈磨损 ，涂层经历了磨合期、稳定期和剧烈磨损期.而当载荷增大到 10 N时 ，IPCA值在 1 min后就急剧上升 ，说 明此时涂层发生剧烈磨损，而在 40 min后进入到基体材料的稳定磨损期。

由此可以看出，涂层 1、涂层 2分别在所受载荷下，能够在短时间内反映完整的磨损过程，即磨合期、稳定磨损期和剧烈磨损期。

2.2 载荷对涂层磨损规律的影响由IPCA值的定义可知 ，IPCA是某时刻下润滑油中磨粒浓度的-种度量.采样点为 回油油路，采样之后的回油不再使用，那么油中IPCA值即是润滑油中因磨损导致的磨粒增量的度量.将每次试验稳定期的 IP-CA值求和，并除以相应的采样时间与其涂层厚度之积，得到单位涂层厚度的相对磨损速率，结果如图 4所示。

鲁蓍嚣警窭号L蓄警35302520载N/N 载N/N(a)涂层 1 (b)涂层 2图4 单位涂层厚度的相对磨损速率变化由图 4可知，涂层 1和涂层 2粘结涂层的相对磨损速率随着载荷的增大而升高.由图 2、图3可知，随载荷增大，磨损亦增加，涂层的寿命显著缩短.由此可见，适当增大载荷，能够缩短达到可检测磨损量所用的时间，便于在实验室条件下快速研究整个磨损过程以及转变点的特点。

2.3 涂层成分对磨损过程的影响由图4可知，含 Fe粉的涂层 2与不含 Fe粉的涂层 1比较，即使载荷较小，IPCA值仍较大，说明涂层 2· 32 ·董光能，等：粘结固体润滑涂层磨损过程的在线铁谱监测不及涂层 1耐磨.其原因是涂层 2中加入了更多的固体润滑剂和Fe粉，使其环氧树脂基料含量减小，削弱了复合涂层的粘结性，导致涂层 2的耐磨性降低.同时，比较图 2与图3知，涂层 2比涂层 1的磨损过程更加明显，利于识别材料磨损过程的 3个阶段.由此可见，适当减少涂层中环氧树脂的含量，能够缩短达到可检测磨损量所用的时间，并且易于辨别磨损状态。

3 结论1)不含 Fe粉的涂层在载荷为 15 N，与含 Fe粉的涂层在载荷为 5 N时 ，能够在较短时间内观察到涂层完整的磨损过程。

2)适当增大载荷，以及在涂层中适当减少环氧树脂的含量，均能缩短整个磨损过程所用的时间，利于在实验室条件下研究整个磨损过程，实现建立在线铁谱监测的数据模型。