表面織構(gòu)與合金化改善密封材料摩擦學(xué)性能研究.pdf

1、摩擦磨損是機(jī)械設(shè)備失效的主要原因之一，大約80％的零件失效是由于各種形式的磨損引起的，磨損不僅消耗能源和材料，而且加速設(shè)備報(bào)廢、導(dǎo)致頻繁更換零件，對(duì)經(jīng)濟(jì)造成極大的損失。本文從改變材料表面形貌和組織對(duì)摩擦性能影響的角度出發(fā)，以端面密封材料的摩擦磨損形式為研究對(duì)象，利用摩擦磨損試驗(yàn)平臺(tái)和ABAQUS有限元模擬分析了表面織構(gòu)化的摩擦磨損行為及接觸應(yīng)力分布，為機(jī)械密封摩擦副的耐磨技術(shù)開發(fā)提供試驗(yàn)和理論依據(jù)。 以現(xiàn)有科研成果和文獻(xiàn)作為指導(dǎo)

2、，利用波長(zhǎng)為1064nm的Nd：YAG脈沖激光在摩擦副材料表面進(jìn)行織構(gòu)化處理，將高能量密度的脈沖激光等間隔作用于摩擦副材料表面并使之熔化，從而形成均勻分布的凹坑/凹槽結(jié)構(gòu)，通過(guò)改變脈沖次數(shù)、能量和間隔，獲得不同尺寸、形狀及分布密度的表面織構(gòu)。測(cè)試表面織構(gòu)之間的硬度值：分析激光處理對(duì)材料的熱影響效應(yīng)；采用白光干涉三維輪廓儀表征織構(gòu)的三維形貌；用掃描電子顯微鏡觀察熱影響區(qū)附近的熔化濺射狀態(tài)。模擬密封摩擦副，對(duì)織構(gòu)化密封材料PTFE/GCr1

3、5鋼進(jìn)行環(huán)/盤式摩擦磨損試驗(yàn)，測(cè)試不同摩擦配副和織構(gòu)參數(shù)，如：直徑、深度、間距、密度、形狀等，對(duì)摩擦學(xué)性能的影響，得出最佳的微孔參數(shù)。通過(guò)ABAQUS有限元軟件對(duì)滑動(dòng)接觸過(guò)程進(jìn)行三維有限元數(shù)值模擬，分析了不同微孔直徑、間距和分布密度下的等效應(yīng)力。 對(duì)表面織構(gòu)化的45鋼進(jìn)行表面雙輝等離子滲金屬處理，純鉻/鉬板作為源極，工藝參數(shù)為：極間距20mm、源極電壓800V、試驗(yàn)溫度880～900C，滲鉻時(shí)間4h、工作氣氛為氬氣。用光學(xué)金相顯

4、微鏡觀察合金滲層截面形貌；測(cè)試合金層截面的顯微硬度；采用X射線衍射儀對(duì)合金滲層進(jìn)行物相分析，用掃描電子顯微鏡和能譜儀測(cè)試滲層成分。 試驗(yàn)結(jié)果表明：在貧油潤(rùn)滑條件下，激光織構(gòu)化處理將密封材料摩擦副PTFE環(huán)/GCr15盤的摩擦系數(shù)由0.1降低到0.075，磨損率降低到光滑配副盤的2/3。織構(gòu)化后，配副的PV值由6.5MPa·m/s提高到16.4 MPa·m/s，最大PV值提高了1.5倍以上，油膜壽命延長(zhǎng)了2倍以上。 對(duì)兩種

5、類型表面織構(gòu)（凹槽型/微孔型）的摩擦性能研究發(fā)現(xiàn)，油潤(rùn)滑下，微孔型織構(gòu)的摩擦系數(shù)（0.065）低于凹槽型（0.08），微孔型織構(gòu)的存油能力優(yōu)于凹槽型，溝槽型和微孔型的磨損率在10.0×10-16m3/N*m左右，為光滑試樣15.2×10-16m3/N*m的2/3，且磨損壽命較光滑配副增大一個(gè)數(shù)量級(jí)。 對(duì)于微孔化配副，摩擦系數(shù)和磨損率隨微孔直徑、深度的增大而減小，但過(guò)大的微孔直徑對(duì)磨損率不利；隨著微孔密度增大，磨損壽命增加，而摩擦

6、系數(shù)和磨損率先減小后增大。結(jié)合微孔直徑、深度、密度的分析可以得出：微孔直徑為150μm、間距500μm、深度30～40μm、密度8～9％的織構(gòu)化密封材料摩擦學(xué)性能最佳，摩擦系數(shù)為0.055～0.06，與光滑配副相比降低了30％左右，磨損率僅為光滑配副的1/3。 在織構(gòu)化鋼盤表面進(jìn)行雙輝離子滲金屬Cr、Mo，形成厚度為20～30μm的合金滲層，滲鉻層表面Cr含量約為43.4％，生成Cr23C6等碳化物，硬度由HV250提高到HV1

7、100左右；滲鉬層表面Mo含量約為13.0％，含有Fe3Mo3C等碳化物，表面硬度高達(dá)HV800。 在貧油潤(rùn)滑下，經(jīng)過(guò)滲Cr/Mo處理，微孔化配副的摩擦系數(shù)由0.07降低到0.055，磨損率由8.1×10-16m3（N*m）-1下降到4.8×10-16m3（N*m）-1，干摩擦條件下，經(jīng)過(guò)滲Cr/Mo處理，微孔化配副的摩擦系數(shù)由0.16下降到0.135，摩擦配副環(huán)的磨損率降低了50％以上。表面織構(gòu)化和合金化結(jié)合，在貧油/干摩擦條

8、件下，獲得了較低的摩擦系數(shù)以及良好的耐磨性。 ABAQUS有限元模擬結(jié)果表明，微孔的存在雖然在一定程度上減小了接觸面積、增大了接觸面的平均等效應(yīng)力，但與光滑表面相比，明顯減小了摩擦接觸面前端和邊緣區(qū)域的應(yīng)力集中現(xiàn)象，使接觸表面間應(yīng)力均勻化，其中，微孔密度在8％～9％范圍內(nèi)的應(yīng)力分布狀態(tài)最佳，與摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果一致。 利用彈流理論計(jì)算出潤(rùn)滑膜厚與粗糙峰的比值，通過(guò)Stribeck曲線判斷不同速度和載荷下的潤(rùn)滑狀態(tài)，由于織