一种微磨损试验机的设计

　　摩擦学现象(摩擦、磨损、润滑)一般发生在零件表面,因此,通常采用表面工程,即表面改性方法控制零件的摩擦学性能,这一方法包括表面改性和表 面涂层[1]。为了改进表面工程系统的性能,首先要求很好地了解表面工程零件的性能,而这一前提是必须依赖于可靠的测试方法。表面工程零件的重要性能只能 在浅的表面区域观察到,因此采用传统的整体材料的测试方法是不合适的。另一方面,许多工业元件常常暴露于以污染物形式存在的细磨料(粒径小于10μm)工 况下,或者涂层(如金属陶瓷涂层WC2Co)材料中硬质相粒子尺寸和粘结相平均自由程与磨料尺寸为同一量级。对于该工况下涂层耐磨性的评定及其摩擦磨损机 制的研究,如果仍采用ASTM标准耐磨试验中的G65和B611测试方法(该方法推荐磨料粒径大于200μm),则不能很好地表征材料的磨损特性,所得试 验结果意义不大。因此,要提高表面工程零件摩擦学性能,开发新型耐磨涂层,尤其是薄涂层,研制能模拟实际工况的微磨损试验机是一个急待解决的问题。20世 纪90年代, Rutherford等[2]提出了一种新的评价涂层摩擦学性能的测试方法,可以区分出涂层和基体的磨损,并与Phoenix Tribology Ltd公司联合研制了PlintTE微磨料磨损试验机。从已掌握的资料看[3-5],目前国外现有微磨料磨损试验机存在诸多问题,如摩擦因数的测定、数据 测量精度等,而国内有关微磨损的研究和报道甚少[6-8],到目前为止,还没有定型的微磨损试验机出售。为了解决微磨损性能的测试问题,结合国外现有微磨 料磨损试验机,本文作者介绍了该试验机的工作原理及实现方法,重点介绍了机械部分的设计思想、结构特点和改进之处。

　　1　结构特点及工作原理

　　1.1　结构特点

　　微磨损试验机主要由动力系统、磨损测试系统、摩擦测试系统及加载系统组成,其结构原理示意图如图1所示。

　　1.2　工作原理

　　1.2.1　磨损测试

　　直流电动机1经扭矩弹簧2传递动力,由主动轴3和从动轴4带动对磨件11转动,试样12安装在试样架13上,对磨件11和试样12构成上下往复运动摩擦副,料浆10滴入对磨件表面,并随其转动进入两试件的接触面,从而导致试样12产生磨损,也可进行干摩擦或油润滑。

　　试样表面所产生的磨痕直径或磨痕深度可由表面轮廓仪或光学显微镜测量,然后运用下列公式[2]计算出磨损体积。

　　(1)基体材料或未磨穿涂层(图2 (a))

　　式中: b为磨痕直径; h为磨痕深度; R为对磨球半径。

　　(2)磨穿涂层(图2(b))

　　式中: VC为涂层磨损体积; VS为基体磨损体积; a为磨痕内径; b为磨痕外径; t为涂层厚度。