AlCrN涂层表面微纳织构的制备及其摩擦磨损特性研究机械制造及其自动化专业毕业论文.docx
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AlCrN涂层表面微纳织构的制备及其摩擦磨损特性研究机械制造及其自动化专业毕业论文
AlCrN涂层表面微纳织构的制备及其摩擦磨损特性研究-机械制造及其自动化专业毕业论文
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第3章微织构化删涂层表面的摩擦磨损特性研究
。
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图3.2光滑表面和不同角度的微织构表面的摩擦系数曲线
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图3.3光滑表面和微织构表面的平均摩擦系数曲线
图3.3所示为光滑表面和微织构表面的平均摩擦系数曲线,由图可知,沟槽间距对微织构化AlcrN涂层表面平均摩擦系数有一定的影响,沟槽间距是300“m和500“m时,平均摩擦系数除了在角度是60。
时有不同,在其它角度时基本相同,且所有角度的平均摩擦系数均高于沟槽间距是400肛m的微织构表面,由此
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可知,本试验中最佳的织构间距是400肛m。
随着微织构角度的逐渐增加,平均摩擦系数呈现了先增大后减小的趋势,并且微织构角度越大平均摩擦系数越趋于稳定。
所以就摩擦系数而言,间距是400“m,角度与滑动方向平行的微织构减磨的效果最好。
图3.4所示为光滑表面和微织构表面在干摩擦30分钟后,白光干涉仪下的摩损形貌。
从图中可以清晰地看出磨痕的变化情况,光滑表面的磨痕尺寸明显大
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第3章微织构化AH:
小i涂层表面的摩擦磨损特性研究
于微织构表面的磨痕尺寸,AlCrN涂层表面与454钢球摩擦的主要磨损形式是粘着磨损。
在五种不同角度的微织构表面中,TC.00表面的沟槽中存储的磨屑最多,TC.600表面磨痕的尺寸最大,随着微织构角度增加,沟槽中存储磨屑的数量逐渐减少,磨痕的尺寸呈先增大后减小的趋势,沟槽中磨屑的数量与磨痕的尺寸呈现
反比的规律。
由图3.5所示的磨损S刚图和Fe元素的EDX分析图可知,AlCrN
涂层表面主要粘结的是铁屑,而AlcrN涂层表面加工沟槽型微织构能够有效的存储磨屑,从而减小粘着磨损,减小磨痕尺寸。
与U陀、TC.Oo、T℃.450和T℃.900四种表面对磨后,摩擦球的磨损形貌如图3.6所示。
由图可知,与光滑表面对磨的摩擦球的磨痕近似是圆形,而与微织构表面对磨的摩擦球的磨痕是椭圆形,从图3.6(b卜(d)可以清晰的看到大量划痕的出现,划痕的数量和深度都比与光滑表面的摩擦球的严重,并且随着角度的增加,划痕的深度逐渐变浅,划痕的数量逐渐增加。
图3.6与UTC、TC.00、TC.450和TC.900四中表面对磨后,磨擦球磨损形貌
图3.7所示为摩擦球的磨损体积直方图,由图可知,与TC.Oo和TC.300表面对磨的摩擦球的磨损体积要小于与光滑表面对磨的摩擦球的磨损体积,而与另外三种角度微织构表面对磨的摩擦球的磨损体积要大于与光滑表面对磨的摩擦球的磨损体积。
随着微织构角度的增加,摩擦球的磨损体积呈逐渐增加的趋势,相比于其他两种间距,间距是300“m时摩擦球的磨损体积最大,而在所有摩擦球
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的磨损体积中,与间距是400岬,角度是0。
的微织构对磨的摩擦球的体积最小,
所以就摩擦球的磨损体积而言,该参数是最佳的织构形貌参数。
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图3.7与光滑表面和微织构表面对磨后,摩擦球的磨损体积
综上所述,AlcrN涂层表面加工沟槽型微织构能够提高表面的摩擦磨损性能,合适角度的织构化表面能减小摩擦球的磨损量,沟槽型微织构的几何形貌对于减磨的效果有很大的影响,并且随着微织构的角度和间距的变化而改变,本试
验中最佳的微织构参数是间距为400岬,角度与滑动方向平行。
为了研究润滑剂对沟槽型微织构A℃rN涂层表面摩擦磨损性能的影响,设计了以下试验:
试验在添加润滑脂MoS2条件下进行,施加载荷为5~20N,往复滑动速度为5~lOm州s,往复行程为10mm,总滑动距离为18m,每个试验重复三次。
对比研究了光滑表面(UTC)、微织构表面(TC.400)、添加润滑脂光滑表面(UTG)和添加润滑脂微织构表面(TCG400)在不同载荷和滑动速度下的摩擦磨损性能。
图3。
8所示为载荷是15N,滑动速度是10眦Ⅳs时,四种试样表面的摩擦系数随时间的变化曲线。
由图可知,光滑表面的摩擦系数波动比较大,而且摩擦系数稳定后数值上也比较大,UrC和UTG表面的摩擦系数分别为0.8和0.75,而
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第3章微织构化觚rN涂层表面的摩擦磨损特性研究
微织构表面的摩擦系数能够快速的达到稳定值,并能够长时间的保持,TC.400和1℃G-400表面的摩擦系数分别为0.6和0.2。
1℃.400表面的摩擦系数比UrC
表面低0.2,甚至比ⅦG表面的摩擦系数要低0.15。
而1℃G400表面的摩擦系
数比UTG表面低O.6。
说明A℃rN涂层表面加工微织构能够有效的降低表面摩擦系数,在添加润滑剂的条件下,摩擦系数的降低幅度更大。
出现该情况的原因在于:
干摩擦时表面加工微织构只能够起到减小摩擦副间的接触面积,存储磨屑的作用,能够降低摩擦系数,而添加润滑脂后,微织构还起到了存储润滑脂的作用,在摩擦过程中,源源不断的提供润滑脂到摩擦表面,从而更有效的降低摩擦系数。
图3.8四种试样表面摩擦系数变化曲线(载荷15N,滑动速度10删州s)
图3.9所示为四种试样不同载荷、滑动速度下的平均摩擦系数的变化曲线。
由图可知,AlcrN涂层表面加工微织构能够降低表面的摩擦系数,添加润滑脂能够更有效的降低摩擦系数。
如图3.9(a)所示,在载荷是5N.15N时,四种试样的平均摩擦系数变化不大,微织构表面能够有效降低表面平均摩擦系数,其中,TC.400表面的摩擦系数比UrC表面降低了30%,甚至比UTG表面降低了15%,而TCG-400表面的摩擦系数比U1’G表面降低了70%:
在载荷是20N时,微织构降低表面摩擦系数的效果明显降低,TC.400表面和U陀表面的摩擦系数基本上相同,而TCG400表面的摩擦系数只比UTG表面降低了45%。
如图3.9(b)所
示,在滑动速度是5舢n/s和7.5删“s时,TC-400表面的平均摩擦系数比ⅦC表
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面降低了30%左右,而TCG_400表面和UTG表面的平均摩擦系数相差不多;在滑动速度是10rn】一s时,TC.400表面平均摩擦系数分别比UTC表面和TCG表面降低了30%和15%左右,TCG-400表面平均摩擦系数比UTG表面降低了70%。
所以就平均摩擦系数而言,干摩擦条件下,低载荷时微织构起到降低平均摩擦系数的效果更明显,而添加润滑脂条件下,高滑动速度时微织构起到降低平均摩擦系数的效果更明显。
图3.9不同载荷、滑动速度下四种试样平均摩擦系数变化曲线
图3.10所示为454淬火钢球磨损体积随载荷、滑动速度的变化曲线。
由图可知,随着施加载荷的增加,摩擦球的磨损体积逐渐增加,而随着滑动速度的增加,摩擦球的磨损体积逐渐减小。
由图(a)可知,与四种试样摩擦的摩擦球磨损体积中,与TC.400摩擦的球磨损体积最大,其原因在于表面加工微织构,提高了表面的粗糙度,在添加润滑脂后,磨损体积明显减小。
由图(b)可知,在低滑动速度时,与UTC表面摩擦的球磨损体积最大,但是随着载荷的增大,与TC.400摩擦的球磨损体积最大。
图3.1l所示为在载荷20N,滑动速度10舢佻条件下,未添加润滑脂光滑表面(UrC)和微织构表面(TC.400)磨损后SEM形貌。
可见,干摩擦条件下,U]rC表面(如图(a)和(a’))粘附了大量的磨屑,磨痕宽度较大、深度较深,并有犁沟出现,而TC表面(如图(b)和(b’))微织构中存储有大量的磨屑,磨痕宽度较小。
与UrC表面相比,TC.400表面的微织构能够捕捉和存储磨屑,
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第3章微织构化删涂层表面的摩擦磨损特性研究并能够减小钢球与表面的接触面积,从而减少摩擦副表面的粘着磨损,提高表面的抗磨损能力。
图3.10摩擦球磨损体积随载荷、滑动速度的变化曲线
图3.1l未添加润滑脂光滑表面和微织构表面磨损后sEM形貌(载荷20N,滑动速度lOm叫s)图3-12、3.13所示为在载荷20N,滑动速度10删舶条件下,添加润滑脂
光滑表面(UTG)和微织构表面(TCG400)磨损后S刚形貌及EDX分析。
试验后,擦去涂层表面的润滑脂,并将试样放置乙醇溶液中,利用超声振动对试样进行清洗,从而将润滑脂MoS2完全除去。
可见,AlcrN涂层表面磨损的主要形
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式是粘着磨损,UTG表面的磨痕宽度较宽,粘结的磨屑较多,而TCG-400表面的磨损宽度较窄,只有少量的磨屑粘结,但微织构中存储了大量的磨屑。
其原因主要在于TCG表面的微织构能够存储润滑脂,在滑动过程中能够持续提供润滑脂,形成润滑膜,从而能够有效的减小AlCrN表面的磨损,而UTG表面的润滑脂在滑动过程中被挤出接触区,润滑脂过少以至于不能形成有效的润滑膜。
如图(c)和(d)元素成分分析所示,磨屑的主要成分是铁元素和氧元素,可知在摩擦过程中有一些元素被氧化,形成氧化物。
(c)焱A处成分分析(d)点B处成分分析图3.12添加润滑脂光滑表面表面磨损后SEM形貌及EDX分析(载荷20N,滑动速度10mIn/s)
综上所述,在不同载荷和滑动速度条件下,微织构对AlCrN涂层表面所起到的减磨效果有所不同;在低载荷和高滑动速度下,微织构起到的作用最大,未添加润滑脂微织构表面甚至比添加润滑脂的光滑表面的减磨效果还好;A11crN涂层表面加工微织构并添加润滑脂能够有效的提高AlCrN涂层表面的抗磨损能力,其原因在于:
微织构能够起到存储磨屑,减轻摩擦系数波动,减少摩擦副表面接触面积,存储润滑脂,提供持续润滑等优点。
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第3章微织构化删涂层表面的摩擦磨损特性研究
(c)点A处戏分分析(d)点B处成分分斩图3.13添加润滑脂微沟槽表面磨损后SEM形貌及EDS分析(载荷20N,滑动速度10删n/s)
为了研究表面粗糙度对沟槽型微织构AlCrN涂层表面摩擦磨损性能的影响,设计了以下试验:
将部分微织构表面进行抛光处理,抛光前表面粗糙度为Ra0.81pm,而抛光后表面粗糙度为Ra0.35“m,试验在干摩擦条件下进行,加载载荷为20N,往复滑动速度为5lIll[n/s,往复行程为10mm,总滑动距离为l8m,每
图3.14三种试样表面摩擦系数变化曲线
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个试验重复三次,对比研究光滑表面(UrrC)、未抛光微织构表面(U.GTC)和抛光后微织构表面(GTC)的摩擦磨损性能。
由图3.14摩擦系数变化曲线可知,A1crN涂层表面加工微织构能够减轻摩擦系数的波动,三个试样表面的摩擦系数在达到稳定值时都经历了一个震荡期,其中光滑表面(U1℃)的摩擦系数波动比较大,需要经历600s,抛光后微织构表面的摩擦系数波动最小;U.G1℃表面和GrI℃表面的摩擦系数相差不大,均小于UrC表面,数值上减小了0.13左右。
图3.15光滑表面磨损后SEM形貌
由图3.15可知,光滑表面与摩擦球对磨后,磨损表面粘结了大量的粘结物,并聚集在磨痕边缘,如图(a)所示,对比图(b)~(d)可知,粘结物中一部分是铁元素和氧元素形成的物质,另一部分是从AlCrN涂层表面磨落的涂层颗粒,这两部分物质是AlCrN涂层表面主要磨损形式。
由图3.16可知,微织构能够起到改善AlCrN涂层表面大面积聚集磨屑的作用,使磨屑存储于沟槽中,少量粘
结在磨痕处。
对比U.GTC表面和GTC表面,磨损后均有一部分磨屑粘结在AlCrN
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第3章微织构化AlCrN涂层表面的摩擦磨损特性研究
涂层表面,而不完全存储于沟槽中,比较图(a’)和(b’),可以发现抛光后微织构表面粘结的磨屑更少,磨屑粘结的面积更小,厚度更薄,能够更有效的减小磨痕的尺寸。
图3.16未抛光微织构表面和抛光织构表面磨损后SEM形貌
如图3.17所示为与三种试样对磨后摩擦球的磨损形貌,由图可知,AlCrN涂层表面加工微织构能够有效的减小摩擦球的磨损体积。
与UrC表面对磨的摩擦球的磨痕最大,直径达到1800“m,并且表面形成很多的划痕,而与U.GTC和G1℃表面对磨的摩擦球的磨痕直径分别为1450¨m和1220肛m。
比较图(b)
和图(c)可以发现,微织构表面的粗糙度越低,与其对磨的摩擦球的磨损体积越小,磨痕的表面形貌越好,越不容易出现划痕、粘着等磨损形式。
综上所述,降低微织构化AlcrN涂层表面的粗糙度可以有效的提高AlCrN涂层表面的抗磨损能力。
未抛光和抛光后微织构表面的摩擦系数相差不多,但是降低微织构表面粗糙度能够减小AlCrN涂层表面磨痕尺寸和减小摩擦球的磨损
体积。
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图3.17与三种试样对磨后摩擦球磨损形貌
3.3本章,J、结
本章采用激光技术在AlcrN涂层表面制备了不同角度、不同间距、不同粗糙度的沟槽型微织构,通过摩擦磨损试验,对不同形貌,不同润滑条件,不同表面粗糙度的微织构化AlCrN涂层表面摩擦磨损性能进行了系统的分析,得到以下结论:
(1)AlcrN涂层表面加工沟槽型微织构能够提高表面的摩擦磨损性能,沟槽型微织构的几何形貌对于减磨效果有很大的影响,微织构的减磨效果随着角度和间距的变化呈规律性的改变,本试验中最佳的微织构参数是间距为400斗m,角度与滑动方向平行。
(2)在不同载荷和滑动速度条件下,微织构对AlCrN涂层表面所起到的减磨效果有所不同。
在低载荷和高滑动速度下,微织构起到的作用最大。
(3)在AlcrN涂层表面加工微织构并添加润滑脂能够更有效的提高AlcrN涂层表面的摩擦磨损性能。
(4)降低微织构化AlCrN涂层表面的粗糙度可以有效的提高AlcrN涂层表面的抗磨损能力。
未抛光和抛光后微织构表面的摩擦系数相差不多,但是降低微织构表面粗糙度能够减小AlCrN涂层表面磨痕尺寸和减小摩擦球的磨损体积。
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第4章纳织构化灿crN涂层表面的摩擦磨损特性研究
第4章纳织构化舢crN涂层表面的摩擦磨损特性研究
在一定范围内,织构的尺寸参数越小,抗粘结能力越好,改善润滑的作用越有效,减少摩擦的效果越明显,所以本章利用钛宝石飞秒激光器在AlCrN涂层表面加工纳米级织构,利用往复式摩擦试验探究纳米级织构对AlCrN涂层表面摩擦磨损性能的影响。
4.1试验方法
摩擦磨损试验在如图3.1所示的LJMT.2试验机上进行,试验采用球.面接触方式,摩擦球选用454淬火钢球,通过加载装置垂直加载到AICrN涂层表面,进行往复式直线运动,试验中施加载荷为5~20N,滑动速度为5眦眺,往复行程为5mm。
试验采用干摩擦和添加润滑脂MoS2两种润滑方式进行,制备了四种AlCrN
涂层表面:
光滑表面(UrC)、三种纳织构表面(如图2.19所示),分别命名为A_NaTC、B-Nal℃、C.NaTC,纳织构面积占有率分别为100%、50%和25%。
试验对比研究了不同载荷、不同润滑条件下,四种AlCrN涂层表面的摩擦磨损性能。
由于润滑脂MoS2为有机溶剂,对于观察AICrN涂层表面的磨损形貌有影响,所以试验后用乙醇溶液进行清洗,并利用超声振动清洗30分钟,通过扫描电子显微镜观察表面的磨损形貌,X-射线能谱仪对磨损表面进行元素分析,分析纳织构对A】CrN涂层表面摩擦磨损性能的影响,并揭示其减磨机理。
4.2纳织构化削crN涂层表面的摩擦磨损特性研究
4.2.1摩擦系数
图4.1所示为干摩擦条件下,四种试样的摩擦系数变化曲线,其中施加载荷为20N,滑动速度为5ITl】叫s,摩擦时间为30mm。
从图中可以看出,利用飞秒激光在AlCrN涂层表面加工纳米级织构会增大AlCrN涂层表面的摩擦系数,数值
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上要比光滑表面增大0.1左右。
三种纳织构表面的摩擦系数大小也有区分,A-NaTC表面的摩擦系数最大,B.Nal℃表面开始阶段要大于C.Nal℃表面,随着试验的进行,两个表面的摩擦系数逐渐相同。
三种纳织构表面中,A-NaTC表面纳织构的面积占有率最高,B.NaTC表面纳织构的面积占有率次之,而C-NaTC表面纳织构的面积占有率最小,由此可知,纳织构化AlCrN涂层表面的摩擦系数随着纳织构面积占有率的增加而逐渐变大。
其原因在于:
AlcrN涂层表面加工纳织构会增大表面粗糙度,纳织构面积占有率越高,表面粗糙度越大,干摩擦条件下,表面粗糙度的增加,会增大相对滑动的阻力,从而增大表面摩擦系数。
图4.1干摩擦条件下,四种试样的摩擦系数变化曲线(20N,5mm/S,30m证)
O9
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图4.2干摩擦条件下,四种试样的平均摩擦系数变化曲线(5m州s,30m证)
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第4章纳织构化成rN涂层表面的摩擦磨损特性研究
图4.2所示为四种试样平均摩擦系数的变化曲线,其中相对滑动速度为5删:
n/s,摩擦时间为30miIl。
由图可知,四种试样的平均摩擦系数均随着载荷的增加呈现先增大后减小的趋势,均在载荷为10N时达到最大值,三种纳织构表面的平均摩擦系数均大于光滑表面,并且随着纳织构的面积占有率的增加而逐渐变大。
图4.3所示为添加润滑脂MoS2条件下,四种试样的摩擦系数的变化曲线,其中施加载荷为20N,滑动速度为5舢州s,摩擦时间为60n血。
由图可知,相比于干摩擦条件(如图4.1),UTC表面的摩擦系数减小了0.05左右,并且快速的达到平稳值,在平稳值附近振动,而三种纳织构表面的摩擦系数出现了显著的变化。
A.NaTC表面的摩擦系数最低,并能够长时间的保持在0.12左右,在摩擦时间达到56分钟后,摩擦系数才开始增大。
在摩擦的前25分钟,B-NaTC表面的摩擦系数低于0.25,而在25分钟时,摩擦系数产生了突然的增大,并快速的达到最大值,并在最大值附近振动,最大值和UrrC表面摩擦系数基本相同。
在摩擦的前20分钟,C.NaTC表面的摩擦系数逐渐增大,从最低的0.2逐渐增加到最大值,在20分钟后,摩擦系数在最大值附近振动,最大值略小于UrC表面的摩擦系数。
添加润滑脂条件下,纳织构减小AlcrN涂层表面摩擦系数的作用随着纳织构的面积占有率的增加而增大。
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T’i111e(s)
图4.3添加润滑脂条件下,四种试样的摩擦系数变化曲线(20N,5m“s,60m证)
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综上所述,就AlCrN涂层表面摩擦系数而言,干摩擦条件下,AlcrN涂层表面加工纳织构会增大摩擦系数,纳织构的面积占有率越大,摩擦系数增大程度越大;添加润滑脂MoS2条件下,AlCrN涂层表面加工纳织构能够减小摩擦系数,纳织构的面积占有率越大,摩擦系数减小程度越大,持续的时间越长。
4.2.2艘斟涂层表面磨损形貌
图4.4所示为干摩擦条件下,光滑表面(UrC)的磨损形貌和Fe、O、Al
和Cr元素的Ⅱ)X分析,其中施加载荷为20N,滑动速度5删耐s,摩擦时间30曲。
由图可知,UTC磨损表面分为两个区域,即边界磨损区和中心磨损区。
如图(b)和(b’)所示,边界磨损区域比较大,主要是粘附大量的铁屑及氧化物和脱落的
图4.4干摩擦条件下,UTC表面磨损形貌及元素EDX分布(20N,5mlIl/s,30m证)
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第4章纳织构化AlCrN涂层表面的摩擦磨损特性研究
AlCrN涂层颗粒。
如图(c)和(c’)所示,中心磨损区比较窄,磨损的比较严重,主要是磨粒磨损。
由元素分析可知,磨损区域内的粘结物主要铁屑,而Fe元素和O元素图中的位置基本相同,说明摩擦过程中除了粘着磨损,还伴随有氧化磨损。
图4.5所示为干摩擦条件下,三种纳织构表面(A-Nal℃、B-NaT℃、C埘aTC)的磨损形貌,其中施加的载荷为20N,滑动速度5咖佻,摩擦时间30miIl。
对比三种纳织构表面的磨损形貌可知,A-NaT℃表面边界磨损区粘结有大量的铁屑,
并且聚集在一起形成片状铁屑,而B.Nal℃和C-N疵表面边界磨损区粘结的片
状铁屑较少,粘结物中还包含了脱落的AlcrN涂层颗粒。
中心磨损区粘结有大量的铁屑,铁屑主要存储在纳织构中,几乎将所有纳织构沟槽填满。
对比图4.4和图4.5可以发现:
纳织构能够有效地存储磨屑,尤其是中心磨损区,在该区域铁屑基本上都存储在纳织构中,而未加工区域几乎不粘结铁屑,在边界磨损区纳织构并未明显改善AlcrN涂层表面的磨损性能,主要是粘结铁屑和脱落的AlcrN涂层颗粒。
由此可知,AlCrN涂层表面加工纳织构能够有效的改善加工区域的粘着磨损。
(a)A心bTC
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(b)B二NaTC
(c)C.NaTC
图4-5干摩擦条件下,三种纳织构表面磨损形貌(20N,5mnl/s,30m证)
综上所述,干摩擦条件下,AlCrN涂层表面加工纳米级织构能够改善涂层表面的粘着磨损情况,使更多的铁屑存储在纳织构中,尤其是在中心磨损区域,可以通过加工纳织构改善未加工区域的粘结情况。
在进行30分钟往复式摩擦后,
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第4章纳织构化Al!
CrN涂层表面的摩擦磨损特性研究
纳织构并未被铁屑完全填满或磨平,说明纳织构能够保持很长时间,具有应用价值。
图4.6~4.9所示为添加润滑脂Mos2条件下,四种试样表面的磨损形貌及选定点的DX分析,其中施加载荷为20N,滑动速度为5眦n/s,摩擦时间为60min。
由图(a)可知,三种纳织构表面的磨损区域宽度均小于UTC表面,UTC表面
磨损区域几乎布满整个照片,宽度达到了1600“
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- AlCrN 涂层 表面 微纳织构 制备 及其 摩擦 磨损 特性 研究 机械制造 自动化 专业 毕业论文