3750 液壓升降舞臺的設計,液壓,升降,舞臺,設計 一、傳統(tǒng)涂料和現(xiàn)代涂料之間摩擦性質的對比畢章 劉小兵 鄧朝暉 和建盟都是美國 CTO6292 機械工業(yè)部門和各大學的領導。電郵：zhang@enger.ucom.edu簡介：這篇文章對比了傳統(tǒng)材料在固定的摩擦力和空間摩擦力作用下的表面摩擦性質。材料成型機械是和微結構理論（材料的粒度）相聯(lián)系的。材料粒度的減少對變形材料的摩擦性質的影響正在研究之中。1.說明陶瓷制品的摩擦過程影響已經在深入的研究之中。例如:Kirchner 和Brinksmeier,1998Blake,1998)摩擦對材料微型結構的影響同等重要。材料的微型結構就是粒度，它將影響機械性能。例如：硬度和韌性。所以也將影響到陶瓷的摩擦性質，在這方面幾乎還未取得研究上的突破。Both 和 Tonshoff 在 1993 年研究了不同粒度的鋁在滑動摩擦和靜摩擦方面的摩擦性質。對 n-Al2O3/13TiO2 和 n-WC/12Co 兩種涂料來說，其硬度和韌性比同等或粒度大的其他材料來說要髙的多。在塑性變形條件下，材料的硬度是不變的。由于固有位置的移動，塑性變形將會被削弱。粒度越大，越會對材料的移動和塑性變形的束縛。和傳統(tǒng)材料不同的是，材料硬度的降低并不會導致材料韌度的降低。 （由于更大的纖維化，更大的流動壓力和更高的撓曲力） （Jia,1998)對傳統(tǒng)材料和現(xiàn)代材料來說，硬度和韌度的差別是涂料的摩擦性質得的影響。大量的砂眼，裂紋和微裂紋是由于膨脹過程對材料中各成分的比率產生了很大的影響。對傳統(tǒng)材料和現(xiàn)代材料來說，硬度和韌度的不同并不僅僅是由于體積的不同。表 1 說明了傳統(tǒng)材料和現(xiàn)代材料（Wc/12Co 和 Al2O3/13TiO2）兩種涂料的成分比率。一般來說，摩擦性質可根據(jù)材料的滑移率，材料所承受的摩擦力，樣本表面的結合率作出預測。在這篇報告中，傳統(tǒng)的摩擦力，空間摩擦能是作為傳統(tǒng)材料和現(xiàn)代材料對照。除此之外，微電子掃描技術被用來預料粒度對材料滑移機械的影響。表 1：傳統(tǒng)材料和現(xiàn)代材料（Wc/12Co 和 Al2O3/13TiO2）的百分比C-Wc/12Co n-Wc/12Co C-Al2O3/13TiO2 n-Al2O3/13TiO2邊界力：82.7 89.6 15.5 20.7 （MPa）粒度：1.3 0.04 2.5 0.05 （um ）物體密度：14.2 14.5 3.5－4.0 3.7－4.1 （g/cm3）維氏硬度：12.00 12.50 10.44 10.57 （GPa ）韌度：1/2 16.0 16.5 3.3 3.5 (MPa/m)2 結構試驗2.1 預加工特征圖表傳統(tǒng)材料和現(xiàn)代材料都是由低碳鋼制成，其晶格大小為 25×75×4mm3，晶格在熱膨脹之前將會爆炸。傳統(tǒng)材料和現(xiàn)代材料（Wc/12Co）是用高壓氧流的方法生產的。傳統(tǒng)材料和現(xiàn)代材料（Al2O3/13TiO2）是用等離子下熱膨脹的方法預制的。所有的涂層都有大約0.5mm 厚的硬殼。材料樣本被削減為 25×4×4mm3。表 1 說明了用微電子掃描技術對 c/n-Wc/12Co 涂料的觀察結果。表 1（b）揭示了小粒度的 Wc 在材料鈷的邊界結合在一邊。用微電子掃描技術在傳統(tǒng)材料和現(xiàn)代材料（Wc/12Co）中可觀察到大量的裂紋。表 2 說明了在熱膨脹作用下，傳統(tǒng)材料和現(xiàn)代材料（Al2O3/13TiO2）的典型表面特征：孔隙，裂紋，微裂紋和與材料微裂紋垂直相交的部分結構。在現(xiàn)有的摩擦測試以前，為了降低材料的毀壞，外表是帶有 15um 的金鋼粒的砂輪。盡管這種準備過程在熱膨脹的影響下非常有效，但要浪費時間和精力。2.2 摩擦試驗摩擦試驗是用計算機對精密摩擦機械（Dover Model 956-S）進行了大量的控制而完成的。這臺機器在它的測量軸及 X Y Z 坐標方向上都有空間靜止齒輪。測量軸在軸向由0.05um 的竄動，三坐標軸向上有 0.1um-25mm 的直線度誤差。機器上安裝的激光干涉儀能夠對 Xx Y Z 軸向上 0.07um 的回路誤差進行反饋。機器上這種回路的剛度為 50N/um。在此項研究中，用金剛摩擦輪（5D 600N 100V）在不同的環(huán)境下（和樣本比較而言）摩擦涂料。輪速設置為 33m/s 或 3500r/min。為了預測在殘余應力作用下材料滑移率的影響，切深設置為 2，5，15，30 um 補償率為 1，4，8mm/s(在摩擦試驗中)用冷卻液作為水系統(tǒng)。2.3 后摩擦預測輪廓曲線用于測量材料在摩擦方向上的成型表面微電子探測儀（JOEL Model Jsm840）用于觀察材料表面。微電子探測儀的觀察部件能夠在材缺陷中區(qū)分出摩擦損壞。 大量的材料缺陷，例如：砂眼，熔融粒子，裂紋和微觀裂紋，在飛濺中都能被檢測出來。因為其中的一些缺陷很容易被誤認為摩擦毀壞，所以微電子探測儀能夠在飛濺材料的檢測中探測出這些缺陷。熱膨脹過程中的毛孔一般呈現(xiàn)光滑的邊緣。表 1 和表 2 中，飛濺材料的裂紋和微裂紋彼此相連。依據(jù)摩擦材料，摩擦破壞將能被檢測出來。3 研究成果與發(fā)現(xiàn)3.1 普通摩擦力的對比普通摩擦力在表征摩擦過程中非常重要。表 3 對 c/n-Al2O3/13TiO2 和 c/n-Wc/12Co 在相同摩擦環(huán)境下作用的普通摩擦力進行了對比。對 n-Al2O3/13TiO2 來說，普通摩擦力要高于傳統(tǒng)的配對物。人們也觀察到：對 n-Al2O3/13TiO2 來說，抱剎力要大的多。它表明了：n-Al2O3/13TiO2 和傳統(tǒng)的配對物相比增加了機械性能（硬度和韌度） ，所以 n-Al2O3/13TiO2得到廣泛的應用。據(jù)觀測，摩擦中 c/n-Al2O3/13TiO2 具有類似的趨勢：在大的切深下，摩擦力對傳統(tǒng)材料和現(xiàn)代材料的不同影響變得非常小。這也表明在非常低的材料滑移率下，材料粒度對摩擦力的影響非常大。當切深或材料滑移率增大時，對摩擦過程干擾儀來說，切深的影響成為次要因素。由于在摩擦時大的負前角的從存在，切向摩擦力比普通摩擦力小的多。摩擦力如下：（a）c-Wc/12Co(b) n-Wc/12Co(a) c-AL2O3/13TiO2(b) n-Al2O3/13TiO2表 2：微電子探測儀觀測到了飛濺的 c/n-AL2O3/13TiO2。表 1：微電子探測儀觀測到了飛濺的 c/n-Wc/12Co。222222000000－mm 1200mm表 3 表明了對切向摩擦力 Ft 來說，普通摩擦力的相對數(shù)量級為 Fn，并被定義為：t n F F L=(1)表 4 說明了摩擦力率和切深。摩擦力率對 c/n-AL2O3/13TiO2 來說要高于 c/n-Wc/12Co 。c/n-AL2O3/13TiO2 比 c/n-Wc/12Co 要硬的多。在同樣的摩擦條件下，脆性特征要比 c/n-AL2O3/13TiO2 明顯的多。c/n-Wc/12Co 在摩擦時，大量的可逆流導致切向摩擦力相對高的多，所以導致摩擦力率降低。據(jù)觀測：當摩擦力率對 n-AL2O3/13TiO2 和 n-AL2O3/13TiO2 的不同不重要時，n-AL2O3/13TiO2 的摩擦力率和 c-AL2O3/13TiO2 的摩擦力率有明顯的不同。隨著材料的滑移率或切深降低時，這四種材料的摩擦力率也相應的降低。另一方面，這四種材料的摩擦力率相對很窄，這說明了材料滑移機相對于給定的切深范圍并不能變動太大?？臻g摩擦能 U 被定義為去除單位材料所需的能量?？臻g摩擦能是由切向摩擦能推倒出的。F tc wdv Fv u=(2)Vc 指摩擦速度，W 指工件寬度，d 指切深 vf 指反饋率表 5 表明了粒度對空間摩擦能的影響以及空間摩擦能隨著切深的變化。 （a）傳統(tǒng)材料和現(xiàn)代材料 AL2O3/13TiO2（b）傳統(tǒng)材料和現(xiàn)代材料 Wc/12Co 表 3 對作用了傳統(tǒng)材料和普通材料上的普通摩擦力做了對比。0 10 20 3002468Depth of cut, mNormal grinding force, N/mm2Nano.Conv.Wheel speed: 33 m/sFeedrate: 4 mm/sWheel: 600V0 10 20 3002468Depth of cut, mNormal grinding force, N/mm2Nano.Conv.Wheel speed: 33 m/sFeedrate: 4 mm/sWheel: 600VFig. 4 Comparison of grinding force ratio.00 10 20 3036912Depth of cut, mGrinding force ratio, ln-WC/12Coc-WC/12Con-Al2O3/13TiO2c-Al2O3/13TiO2Wheel speed: 33 m/sFeedrate: 4 mm/sWheel: 600VFig. 5 Comparison of specific grinding energy.0 10 20 300.00.51.01.52.02.5Depth of cut, mSpecific grinding energy, 103 J/mm3n-WC/12Coc-WC/12Con-Al2O3/13TiO2c-Al2O3/13TiO2Wheel speed: 33 m/sFeedrate: 4 mm/sWheel: 600V4.四種材料的摩擦能隨著切深漸進的達到極限。在小的切深處，空間摩擦能非常高，這暗示了一部分摩擦能是和構件外形有關（Malkin,1989）一般來說，一部分摩擦能是由構件成型時儲存的能量 upl,切削能 usl ch pl sl 組成。即 U=U+U+U (3)除了 uch，空間摩擦能的其他部分來自在小的切深下工件和磨粒的滑動和切削。在比較大的切深下，滑動變得并不重要，構件成型也很普遍。然而，切削仍然存在，并影響到摩擦和材料表面。僅僅 uch 完全用于材料滑移和形成新的表面。理論上，表 5 中漸進極限是 uch 對 c/n-AL2O3/13TiO2 進行相對平坦的切割。由于材料的易脆性，切削能并不多。對現(xiàn)代材料來說，小的粒度似乎增大了材料的空間摩擦能。由于現(xiàn)代材料硬度的提高，所需的切削能增多。韌度越大，也意味著通過摩擦形成新的摩擦表面需要更多的能量。3.3 表面粗糙度的對比表面粗糙度是對材料的表面特征的度量。表 6 說明了粒度對材料的表面粗糙度的影響非常重要。和摩擦力和空間摩擦能相反，粒度越小將導致現(xiàn)代材料表面粗糙度的降低。這在材料滑移機械中做了很好的解釋。由微電子探測儀拍攝的圖片可觀察到（表 7 和表 8）當可塑流在 n-AL2O3/13TiO2 摩擦中其主要作用時，脆性材料在 n-AL2O3/13TiO2 摩擦中起支配作用。盡管可塑流是 c/n-Wc/12Co 在摩擦中的主要的材料滑移成分，據(jù)觀測晶格或許也很大程度上成因于 c-Wc/12Co 的表面粗糙度。和摩擦力類似，在很大的切深下，傳統(tǒng)材料和現(xiàn)代材料的表面粗糙度之間非常接近。這也說明了，現(xiàn)代材料粒度的減少并不能提高材料的滑移率。3.4 微電子探測儀的表面觀測和對比表 7 表明了在相同的摩擦條件下，微電子探測儀對 c/n-Wc/12Co 的觀測結果。c-Wc/12Co 的表面分片很多，并且大量的 Wc 微粒能夠被觀測到。和 n-Wc/12Co 表面相比，n-Wc/12Co 表面被一層塑性材料完全覆蓋住了。Wc 微粒邊界幾乎觀測不到。表 8 表明了用微電子探測儀對 c/n-AL2O3/13TiO2 觀測結果的對比。通過聲音和平坦的表面，來自熱膨脹的缺陷將被觀測到。表 6 表面粗糙度的對比n-WC/12Coc-WC/12Con-Al2O3/13TiO2c-Al2O3/13TiO2Wheel speed: 33 m/sFeedrate: 4 mm/sWheel: 600V0 10 20 3000.30.60.91.21.5Depth of cut, mSurface roughness Ra, 102 nm(a) n-WC/12Co (b) c-WC/12CoFig. 7 SEM observations of ground c/n-WC/12Cocoatings.(a) n-Al2O3/13TiO2 (b) c-Al2O3/13TiO2Fig. 8 SEM observations of ground c/n-Al2O3/13TiO2 coatings.2121210 mm 2121210 mm2121210 mm 2121210 mm5. AL2O3/13TiO2 表明了可塑性流是主要的滑移材料。脆性結構導致 c-AL2O3/13TiO2的表面粗糙。斷片和晶體組織占據(jù)了 c-AL2O3/13TiO2 的大部分。表面觀察結果表明了表面具有不同的粗糙度。4.總結從摩擦力的對比中可看出：空間摩擦能成形表面，現(xiàn)代材料和傳統(tǒng)材料的表面形態(tài)?？煽偨Y為：粒度在材料的摩擦滑移中起到了重要的作用。當表面粗糙度隨著粒度一起增加時，摩擦力，切削力和空間摩擦能是和粒度密切相關的。摩擦時，可塑性流和脆性結構會發(fā)生同樣的變化。摩擦時，粒度影響著可塑性流的數(shù)量，它支配著材料的最終表面。粒度減少，邊界增大可增強現(xiàn)代材料的硬度和韌度。所以它將影響到這些材料的摩擦。然而，在比較高的材料滑移率的條件下，粒度的影響并不重要。備注：[1]H.P.Kirchner 和 J.C.Conway“用陶瓷滑移學和材料破壞學的機理闡明了陶瓷摩擦原理”陶瓷材料的機械加工。[2]H.K.Tonshoff 和 E.Brinksmeier“磨料以及對材料表面溫度的影響” 。[3]P.Blake,T.Bifano,和 R.O.Scattergood“陶瓷材料的應用前景” 。[4]P.Roth 和 H.K.Tonshoff“微觀組織對氧化鋁陶瓷材料性質的影響” 。[5]K.Jia,T.E.Fischer 和 BGallois“現(xiàn)代材料和傳統(tǒng)材料 Wc-Co 的微觀組織硬度和韌度” 。[6]S.Malkin“摩擦理論，摩擦技術以及磨料的應用” 。