多功能微磨损试验机性能研究

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

Per Drmance of M ultifunctional M icro.wear TesterChen Ping Yang Guanghui(School of Mechanical Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China)Abstract：Bal cratering is a well established technique for assessment of coating thickness.A multifunctional micro。

wear tester was developed to assess wear behavior of materials by means of a rotating ball(or cylinder)continuously fed byabrasive slurry and a wear crater(spherical or cylindrica1)produced.The dimensions of wear crater on the Surface of sam。

ples can be measured with scanning or optical microscope，and then the wear volumes of coating and matrix can be calcu-lated，respectively.By analyzing large quantity of experimental data at the different testing conditions such as speed，load，abrasive，and SO on，the slability and the repeatability of the multifunctional micro.wear tester were evaluated.The resultsshow that the tester has high test precision，and the experimental data under point contact mode have beter stability andrepeatability than that under line contact mode.The sliding velocity and the load of the tester should be controlled in 0.1m/s and below 0.5 N.respectively。

Keywords：micro-wear；tester；stability；repeatability摩擦学是-门实验性很强的应用科学，对摩擦过程中各物理量的测量离不开摩擦磨损试验机。微磨损测试是-种用来评价涂层磨损性能的实用技术，Kassman等 和Rutherford等 提出的微磨料磨损试验，最初是为研究涂层的磨损性能而设计的，并已广泛应用于 PVD和 CVD涂层耐磨性能的测定 ，目前也用来评价整体材料的磨损性能 。该方法通常是在细磨粒作用下，-个半径为 的球定轴转动，试样在磨料磨损作用下产生球形磨坑，然后由表面轮廓仪或光学显微镜测量磨坑直径或磨坑深度，从而计算出磨损量 ，同时可以计算出磨损系数 。国内基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助项 目(FRF-TP-12-067A)。

收稿 日期 ：2012-10-08作者简介：陈平 (1973-)，女，博士，副教授，从事金属及其复合材料合成与性能方面的研究 .E-mail：chenhui###ustb.edu.an。

有关通过测量球形磨坑尺寸计算材料磨损系数的研究报道较少，目前还没有定型的微磨料磨损试验机出售。本文作者结合国外现有微磨料磨损试验机的设计思想，并考虑适当放宽摩擦接触区域间的磨料尺寸范围，研制了可测量材料在点、线接触下的摩擦力和微磨损性能的多功能微磨损试验机 。

微磨损过程也是-个物理、机械、化学等作用的综合过程，各种因素的影响错综复杂，如微磨料和料浆特性的影响，材料机械性能的影响，以及工况和环境的影响等等。因此，本文作者通过分析各主要参数，如速度、载荷、磨料等因素在相同条件下对同-种材料磨损系数的影响规律，以及分析实验数据的重复性和稳定性，考察多功能微磨损试验机各系统运行的可靠性、准确性、整机运转的平稳性。

1 实验方案实验用典型材料为工业用 Cu(平均显微硬度Hv147)、A1(平均显微硬度 Hv122)、45 钢 (平均显74 润滑与密封 第 38卷2.2 重复性评价设 为磨损系数的统计平均值，m为磨损系数的总体统计平均值，V-为m 的95%置信区间半宽度。

A A以判断 的大小评价微磨损试验机的重复性，A然后根据相对偏差 求出使试验数据的波动范围A 限定在给定区间宽度所需进行的重复试验次数Ⅳ，微磨损系数重复性评价结果如表 1所示。

表 1 微磨损系数重复性评价Table 1 Evaluation on repeatability of micro-wear coeficient- m . N N注： 为磨损系数的统计平均值； 为磨损系数的相对偏差；警为号的95%置信区间半宽度。

由表1可知，点接触下磨损系数的总体统计平均值m的95%置信区间半宽度基本小于2.5%，即置信A D 区间宽度 <5% ，而线接触下通过 4次重复试验 ，五磨损系数的总体统计平均值 m的95%置信区间半宽A D度 >5%，标准偏差也较大。说明所研制的微磨损试验机用于点接触微磨损测试的重复性良好。

分析原因，对于线接触微磨损 ，可能是因为安装对磨环的试环轴长度大于对磨球的直径，使得主动轴、从动轴和试环轴三者之间的同轴度减小，矩形磨痕的不规则性增大，降低了磨痕尺寸的测量精度。因此，在结构设计方面，还有待进-步改进。

3 微磨损试验机的调试3.1 速度对微磨损性能的影响图3所示为微磨损过程中速度随滑动距离 (或时间)的波动情况，其中，整体试样45 钢，料浆为10%硅微粉∩见，转速 n76 r/rain(相当于线速度 0.1 m/s)时 ，速度变化 范围在 ±3 r/rain；转速n38 r/min(相当于线速度 0.05 m/s)时，速度变化范围在±2 r/min；转速n24 r/min(相当于线速度 0.032 m/s)时，速度变化范围在 ±1 r/min〖虑到流体效应和流体膜的影响 ，本试验机在微磨料磨损试验中的速度-般情况下小于0.1 m/s，则速度随滑动距离 (或时间)波动范围均在 ±4%以内。干摩擦条件下，速度的波动范围很小，可以视为0(图中未画出)。因此，本试验机的速度随滑动距离的稳定性能满足要求。

.曼昌、 - ≈图3 微磨损过程中速度随滑动距离的变化Fig 3 Variation of speeds with sliding distance表2给出了不同速度下45 钢的磨损系数重复性试验结果，其中，微磨损测试条件：滑动速度0.05和0.1 m/s，料浆为20%SiCH O，滴浆速率 0.02mL/min，滑动距离 10～40 m∩以看出，速度不显著影响磨损系数的重复性。

表2 不同速度下磨损系数的重复性Table 2 Repeatability of wear coeficientsunder different sliding speeds综上分析可知，为确保试验数据的稳定性和重复性 ，本试验机采用小于0.1 m/s的速度较宜。

3.2 载荷对微磨损性能的影响图4示出了整体材料 Al在微磨损测试中 (滑动速度0.05 m/s，滑动距离 100 m，料浆为 10%硅微粉H，0)摩擦因数的稳定性与载荷的关系。

∞如舳 ∞鲫帅如 m 02013年第 4期 陈 平等：多功能微磨损试验机性能研究 75Sliding distance S/m图4 摩擦因数稳定性与载荷的关系Fig 4 Relationship between stabilities of frictionalcoe侬cients with loads可见其动态摩擦因数的稳定性随载荷的增大而减小，这可能是因为载荷超过了磨料粒子的承载能力，导致摩擦接触面间的磨料粒子发生了断裂，平均粒径变小的缘故 。Hagan 1 研究指出，对于具有-定延展性的磨料粒子，只有当粒径小于某-临界尺寸时，才有可能不发生断裂。Gehink.Verspui 、Ash-by 和 Huang等 等通过试验和简单的应力分析，也得出类似的结论。因此，结合本试验研究，如果测试的重点是材料的摩擦性能，并考虑摩擦学性能的稳定性，则试验载荷最好控制在0.25 N以下。

图5示出了整体材料 Al和涂层TiN(基体为45钢)在不同载荷下微磨损系数的重复性 (试验次数N4)∩知，载荷对材料磨损系数重复性的影响不明显。

piN(b)TiN涂层，2O%SiC图5 不同载荷下磨损系数的重复性 (0.05 m/s，L：10～40 m)Fig 5 Repeatability of wear coeficients under diferent loads(0.05 m/s，L10～40 m)3.3 磨料粒子对微磨损性能的影响图6比较了Cu、Al、45 钢在SiC和A1：O 磨料作用下的磨损系数 (图中直线的斜率)∩以看出，在不同磨料作用下，同-材料的磨损系数相差很大，显然，这主要归因于磨料的硬度和形状。总的来说，磨料越硬，材料的磨损系数越高。

pSI(N m )(a)20%SiC，p0.25 N，v0.05 m/spS/(N m )(b)20%AI2O”pO.25 N，vO.05 m/s图6 磨料对磨损系数的影响Fig 6 Efect of abrasive materials on weal"coeficients3.4 滴浆速率对微磨损的影响图7示出了整体材料 cu在不同滴浆速率下的平均摩擦因数和磨损系数，具体试验条件：10%硅微粉 ，载荷 0.25 N，滑动速度 0.05 m/s，滑动距离 28m，滴 浆 速 率 分别 为 0.02，0.04，0.06，0.08，0.10，0.12 mL/min∩以看出，滴浆速率对材料的摩擦因数和磨损系数稳定性的影响程度不大。因此，在微磨损试验中，只要保证料浆供给的均匀性以及供给量 (至少保证摩擦接触面润湿)，就不会显著影响试验数据的重复性和稳定性。

置.2gg三日自.宝芑0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12DrippingrateV/(mL rain )图7 滴浆速率对摩擦学性能的影响(0.25 N.0.05 m/s，L28 m)Fig 7 Efect of dripping rate on the tribological properties(0.25 N.0.05 m/s.28 m)埔 ：j m 8 6 4 2- 宣昌 0-× - 茸三0 -矗9 8 7 6 5 4 3 2 1 - 昌暑 0x -，a鲁nl0 再 参加 ：： 8 6 4 2- 昌 .IZ .n宣最 -0'×-，1- 目. z.n目目 0×-鲫 ∞76 润滑与密封 第 38卷4 结论(1)通过对多功能微磨损试验机的性能考核表明，该试验机设计合理，试验精度高，运行平稳，点接触的数据重复性和稳定性优于线接触。

(2)该试验机的速度精度控制能满足微磨损测试要求，为了避免流体效应和流体膜的影响，以及对于干摩擦，为了避免温度对摩擦磨损的影响，滑动速度控制在0.1 m/s；另外，该试验机载荷最好控制在0.25 N以下 ，料浆浓度以 10% ～20%为宜。

(3)只要保证料浆供给的均匀性以及供给量(至少保证摩擦接触面润湿)，试验数据的稳定性和重复性均较好。