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一、 傳統(tǒng)涂料和現(xiàn)代涂料之間摩擦性質(zhì)的對(duì)比 畢章 劉小兵 鄧朝暉 和建盟都是美國(guó)CTO6292機(jī)械工業(yè)部門(mén)和各大學(xué)的領(lǐng)導(dǎo)。 電郵：zhang@enger.ucom.edu 簡(jiǎn)介： 這篇文章對(duì)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(zhì)。材料成型機(jī)械是和微結(jié)構(gòu)理論（材料的粒度）相聯(lián)系的。材料粒度的減少對(duì)變形材料的摩擦性質(zhì)的影響正在研究之中。 1.說(shuō)明 陶瓷制品的摩擦過(guò)程影響已經(jīng)在深入的研究之中。例如:Kirchner 和Brinksmeier,1998Blake,1998)摩擦對(duì)材料微型結(jié)構(gòu)的影響同等重要。材料的微型結(jié)構(gòu)就是粒度，它將影響機(jī)械性能。例如：硬度和韌性。所以也將影響到陶瓷的摩擦性質(zhì)，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(dòng)摩擦和靜摩擦方面的摩擦性質(zhì)。對(duì)n-Al2O3/13TiO2和n-WC/12Co兩種涂料來(lái)說(shuō)，其硬度和韌性比同等或粒度大的其他材料來(lái)說(shuō)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(dòng)，塑性變形將會(huì)被削弱。粒度越大，越會(huì)對(duì)材料的移動(dòng)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(huì)導(dǎo)致材料韌度的降低。（由于更大的纖維化，更大的流動(dòng)壓力和更高的撓曲力）（Jia,1998)對(duì)傳統(tǒng)材料和現(xiàn)代材料來(lái)說(shuō)，硬度和韌度的差別是涂料的摩擦性質(zhì)得的影響。大量的砂眼，裂紋和微裂紋是由于膨脹過(guò)程對(duì)材料中各成分的比率產(chǎn)生了很大的影響。對(duì)傳統(tǒng)材料和現(xiàn)代材料來(lái)說(shuō)，硬度和韌度的不同并不僅僅是由于體積的不同。表1說(shuō)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(lái)說(shuō)，摩擦性質(zhì)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(jié)合率作 出預(yù)測(cè)。在這篇報(bào)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(duì)照。除此之外，微電子掃描技術(shù)被用來(lái)預(yù)料粒度對(duì)材料滑移機(jī)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(jié)構(gòu)試驗(yàn) 2.1預(yù)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(huì)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(chǎn)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(yù)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(shuō)明了用微電子掃描技術(shù)對(duì)c/n-Wc/12Co涂料的觀察結(jié)果。表1（b）揭示了小粒度的Wc在材料鈷的邊界結(jié)合在一邊。用微電子掃描技術(shù)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(shuō)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(jié)構(gòu)。在現(xiàn)有的摩擦測(cè)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(zhǔn)備過(guò)程在熱膨脹的影響下非常有效，但要浪費(fèi)時(shí)間和精力。 2.2摩擦試驗(yàn) 摩擦試驗(yàn)是用計(jì)算機(jī)對(duì)精密摩擦機(jī)械（Dover Model 956-S）進(jìn)行了大量的控制而完成的。這臺(tái)機(jī)器在它的測(cè)量軸及X Y Z 坐標(biāo)方向上都有空間靜止齒輪。測(cè)量軸在軸向由0.05um的竄動(dòng)，三坐標(biāo)軸向上有0.1um-25mm的直線(xiàn)度誤差。機(jī)器上安裝的激光干涉儀能夠?qū)x Y Z軸向上0.07um的回路誤差進(jìn)行反饋。機(jī)器上這種回路的剛度為50N/um。 在此項(xiàng)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(shè)置為33m/s或3500r/min。為了預(yù)測(cè)在殘余應(yīng)力作用下材料滑移率的影響，切深設(shè)置為2，5，15，30 um補(bǔ)償率為1，4，8mm/s(在摩擦試驗(yàn)中)用冷卻液作為水系統(tǒng)。 2.3后摩擦預(yù)測(cè) 輪廓曲線(xiàn)用于測(cè)量材料在摩擦方向上的成型表面微電子探測(cè)儀（JOEL Model Jsm840）用于觀察材料表面。微電子探測(cè)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(cè)出來(lái)。 因?yàn)槠渲械囊恍┤毕莺苋菀妆徽`認(rèn)為摩擦毀壞，所以微電子探測(cè)儀能夠在飛濺材料的檢測(cè)中探測(cè)出這些缺陷。熱膨脹過(guò)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(cè)出來(lái)。 3研究成果與發(fā)現(xiàn) 3.1普通摩擦力的對(duì)比 普通摩擦力在表征摩擦過(guò)程中非常重要。表3對(duì)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(jìn)行了對(duì)比。對(duì)n-Al2O3/13TiO2來(lái)說(shuō)，普通摩擦力要高于傳統(tǒng)的配對(duì)物。 人們也觀察到：對(duì)n-Al2O3/13TiO2來(lái)說(shuō)，抱剎力要大的多。它表明了：n-Al2O3/13TiO2和傳統(tǒng)的配對(duì)物相比增加了機(jī)械性能（硬度和韌度），所以n-Al2O3/13TiO2得到廣泛的應(yīng)用。據(jù)觀測(cè)，摩擦中c/n-Al2O3/13TiO2具有類(lèi)似的趨勢(shì)：在大的切深下，摩擦力對(duì)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(duì)摩擦力的影響非常大。當(dāng)切深或材料滑移率增大時(shí)，對(duì)摩擦過(guò)程干擾儀來(lái)說(shuō)，切深的影響成為次要因素。 由于在摩擦?xí)r大的負(fù)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(cè)儀觀測(cè)到了飛濺的c/n-AL2O3/13TiO2。 表1：微電子探測(cè)儀觀測(cè)到了飛濺的c/n-Wc/12Co。 222222000000－mm 1200mm 表3表明了對(duì)切向摩擦力Ft來(lái)說(shuō)，普通摩擦力的相對(duì)數(shù)量級(jí)為Fn，并被定義為： t n F F L=(1) 表4說(shuō)明了摩擦力率和切深。摩擦力率對(duì)c/n-AL2O3/13TiO2來(lái)說(shuō)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?xí)r，大量的可逆流導(dǎo)致切向摩擦力相對(duì)高的多，所以導(dǎo)致摩擦力率降低。據(jù)觀測(cè)：當(dāng)摩擦力率對(duì)n-AL2O3/13TiO2和n-AL2O3/13TiO2的不同不重要時(shí)，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(shí)，這四種材料的摩擦力率也相應(yīng)的降低。另一方面，這四種材料的摩擦力率相對(duì)很窄，這說(shuō)明了材料滑移機(jī)相對(duì)于給定的切深范圍并不能變動(dòng)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(duì)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(duì)作用了傳統(tǒng)材料和普通材料上的普通摩擦力做了對(duì)比。 0 10 20 30 0 2 4 6 8 Depth of cut, m Normal grinding force, N/mm2 Nano. Conv. Wheel speed: 33 m/s Feedrate: 4 mm/s Wheel: 600V 0 10 20 30 0 2 4 6 8 Depth of cut, m Normal grinding force, N/mm2 Nano. Conv. Wheel speed: 33 m/s Feedrate: 4 mm/s Wheel: 600V Fig. 4 Comparison of grinding force ratio. 00 10 20 30 3 6 9 12 Depth of cut, m Grinding force ratio, l n-WC/12Co c-WC/12Co n-Al2O3/13TiO2 c-Al2O3/13TiO2 Wheel speed: 33 m/s Feedrate: 4 mm/s Wheel: 600V Fig. 5 Comparison of specific grinding energy. 0 10 20 30 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Depth of cut, m Specific grinding energy, 103 J/mm3 n-WC/12Co c-WC/12Co n-Al2O3/13TiO2 c-Al2O3/13TiO2 Wheel speed: 33 m/s Feedrate: 4 mm/s Wheel: 600V 4. 四種材料的摩擦能隨著切深漸進(jìn)的達(dá)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(gòu)件外形有關(guān)（Malkin,1989）一般來(lái)說(shuō)，一部分摩擦能是由構(gòu)件成型時(shí)儲(chǔ)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(lái)自在小的切深下工件和磨粒的滑動(dòng)和切削。 在比較大的切深下，滑動(dòng)變得并不重要，構(gòu)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(jìn)極限是uch對(duì)c/n-AL2O3/13TiO2進(jìn)行相對(duì)平坦的切割。由于材料的易脆性，切削能并不多。對(duì)現(xiàn)代材料來(lái)說(shuō)，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(guò)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(duì)比 表面粗糙度是對(duì)材料的表面特征的度量。表6說(shuō)明了粒度對(duì)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(dǎo)致現(xiàn)代材料表面粗糙度的降低。這在材料滑移機(jī)械中做了很好的解釋。由微電子探測(cè)儀拍攝的圖片可觀察到（表7和表8）當(dāng)可塑流在n-AL2O3/13TiO2摩擦中其主要作用時(shí)，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(cè)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(lèi)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(shuō)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(cè)儀的表面觀測(cè)和對(duì)比 表7表明了在相同的摩擦條件下，微電子探測(cè)儀對(duì)c/n-Wc/12Co的觀測(cè)結(jié)果。c-Wc/12Co的表面分片很多，并且大量的Wc微粒能夠被觀測(cè)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(cè)不到。表8表明了用微電子探測(cè)儀對(duì)c/n-AL2O3/13TiO2觀測(cè)結(jié)果的對(duì)比。通過(guò)聲音和平坦的表面，來(lái)自熱膨脹的缺陷將被觀測(cè)到。 表6 表面粗糙度的對(duì)比 n-WC/12Co c-WC/12Co n-Al2O3/13TiO2 c-Al2O3/13TiO2 Wheel speed: 33 m/s Feedrate: 4 mm/s Wheel: 600V 0 10 20 30 0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 Depth of cut, m Surface roughness Ra, 102 nm (a) n-WC/12Co (b) c-WC/12Co Fig. 7 SEM observations of ground c/n-WC/12Co coatings. (a) n-Al2O3/13TiO2 (b) c-Al2O3/13TiO2 Fig. 8 SEM observations of ground c/n- Al2O3/13TiO2 coatings. 2121210 mm 2121210 mm 2121210 mm 2121210 mm 5. AL2O3/13TiO2表明了可塑性流是主要的滑移材料。脆性結(jié)構(gòu)導(dǎo)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(jié)果表明了表面具有不同的粗糙度。 4.總結(jié) 從摩擦力的對(duì)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(jié)為：粒度在材料的摩擦滑移中起到了重要的作用。 當(dāng)表面粗糙度隨著粒度一起增加時(shí)，摩擦力，切削力和空間摩擦能是和粒度密切相關(guān)的。摩擦?xí)r，可塑性流和脆性結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生同樣的變化。摩擦?xí)r，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(qiáng)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(xué)和材料破壞學(xué)的機(jī)理闡明了陶瓷摩擦原理”陶瓷材料的機(jī)械加工。 [2]H.K.Tonshoff和E.Brinksmeier“磨料以及對(duì)材料表面溫度的影響”。 [3]P.Blake,T.Bifano,和R.O.Scattergood“陶瓷材料的應(yīng)用前景”。 [4]P.Roth和H.K.Tonshoff“微觀組織對(duì)氧化鋁陶瓷材料性質(zhì)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(shù)以及磨料的應(yīng)用”。