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高速水润滑滑动轴承材料及其表面改性层的空蚀性能研究

丁红钦  
【摘要】:水润滑滑动轴承具有摩擦功耗低、回转精度高、环境友好和成本低等特点,在高速机床主轴等领域有广阔的应用前景。面向高速机床主轴的水润滑滑动轴承具有高回转精度、长工作寿命与精度保持性。然而,传统型水润滑滑动轴承材料已不能满足高速精密水润滑滑动轴承的使用要求,特别是,在高速工况下,水润滑滑动轴承易空蚀。因此,采用何种材料制造高速精密水润滑滑动轴承,如何提升水润滑滑动轴承的抗空蚀能力,是亟待解决的关键问题。本文围绕该关键问题,开展了较为系统的研究。(1)高速水润滑滑动轴承轴颈材料及其表面改性层的空蚀性能研究本文开展了17-4PH不锈钢和304不锈钢两种轴颈材料的抗空蚀性能研究。通过材料空蚀质量损失、表面微观形貌和电化学测试结果,揭示不锈钢基体材料的抗空蚀性能。对不锈钢表面进行表面改性,研究不锈钢表面改性层的空蚀性能和失效机制。本文采用双阴极等离子溅射沉积工艺,在不锈钢基体表面制备了Cr_3Si纳米涂层和ZrC纳米陶瓷涂层;采用化学热处理工艺,在不锈钢基体表面制备了气体渗氮层、气体渗碳层和碳氮共渗层等高速水润滑滑动轴承表面改性层。通过超声振动空蚀系统和电化学工作站对其空蚀性能进行了试验研究。研究结果表明:与304不锈钢相比,17-4PH不锈钢空蚀质量损失降低,表面空蚀破坏程度减弱,抗空蚀能力优于304不锈钢。不锈钢基体材料空蚀破坏起始于材料的塑性变形,进而产生疲劳裂纹并不断向材料内部扩展,导致材料疲劳断裂和剥落。ZrC纳米陶瓷涂层和Cr_3Si纳米涂层结构均匀,晶粒细小,硬度高,空蚀质量损失与不锈钢相比大幅降低,表面空蚀损伤程度明显减弱,具有良好的抗空蚀性能;而气体渗氮层提高不锈钢的抗空蚀能力有限。表面改性层与基体不充分的结合强度以及表面改性层的缺陷是高速水润滑滑动轴承表面改性层产生空蚀破坏的主要原因。高速水润滑滑动轴承表面改性层的抗空蚀能力从大到小排序依次为ZrC纳米陶瓷涂层、Cr_3Si纳米涂层、气体渗氮层、气体碳氮共渗层、气体渗碳层。综上所述,ZrC纳米陶瓷涂层的抗空蚀能力最强,性价比最高。(2)高速水润滑滑动轴承轴瓦材料的空蚀性能及摩擦学性能研究特种石墨材料具有良好的自润滑性能,可望用于高速水润滑滑动轴承轴瓦。本文制备了碳石墨、浸渍呋喃树脂石墨、等静压石墨和硅化石墨等特种石墨材料。采用超声振动空蚀系统研究其空蚀性能;采用万能摩擦磨损试验机研究其摩擦学性能。研究结果表明:在特种石墨材料中,硅化石墨抗空蚀能力最佳;石墨制品硬度越高,抗空蚀能力越强。特种石墨的抗空蚀能力从大到小排序依次为硅化石墨、气孔率8%的等静压石墨、气孔率14%的等静压石墨、浸渍呋喃树脂石墨、碳石墨。在干摩擦条件下,等静压石墨的摩擦系数明显高于碳石墨的摩擦系数,磨损率明显低于碳石墨的磨损率。而在水润滑下,碳石墨与等静压石墨的摩擦系数与磨损率均下降。碳石墨的磨损形式主要为剥落磨损,而等静压石墨的磨损形式主要是磨粒磨损。等静压石墨粒度小,致密度高,结构均匀,各向同性,具有良好的摩擦学性能。


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