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表面织构与合金化改善密封材料摩擦学性能研究

万轶  
【摘要】: 摩擦磨损是机械设备失效的主要原因之一,大约80%的零件失效是由于各种形式的磨损引起的,磨损不仅消耗能源和材料,而且加速设备报废、导致频繁更换零件,对经济造成极大的损失。本文从改变材料表面形貌和组织对摩擦性能影响的角度出发,以端面密封材料的摩擦磨损形式为研究对象,利用摩擦磨损试验平台和ABAQUS有限元模拟分析了表面织构化的摩擦磨损行为及接触应力分布,为机械密封摩擦副的耐磨技术开发提供试验和理论依据。 以现有科研成果和文献作为指导,利用波长为1064nm的Nd:YAG脉冲激光在摩擦副材料表面进行织构化处理,将高能量密度的脉冲激光等间隔作用于摩擦副材料表面并使之熔化,从而形成均匀分布的凹坑/凹槽结构,通过改变脉冲次数、能量和间隔,获得不同尺寸、形状及分布密度的表面织构。测试表面织构之间的硬度值;分析激光处理对材料的热影响效应;采用白光干涉三维轮廓仪表征织构的三维形貌;用扫描电子显微镜观察热影响区附近的熔化溅射状态。模拟密封摩擦副,对织构化密封材料PTFE/GCr15钢进行环/盘式摩擦磨损试验,测试不同摩擦配副和织构参数,如:直径、深度、间距、密度、形状等,对摩擦学性能的影响,得出最佳的微孔参数。通过ABAQUS有限元软件对滑动接触过程进行三维有限元数值模拟,分析了不同微孔直径、间距和分布密度下的等效应力。 对表面织构化的45钢进行表面双辉等离子渗金属处理,纯铬/钼板作为源极,工艺参数为:极间距20mm、源极电压800V、试验温度880~900℃,渗铬时间4h、工作气氛为氩气。用光学金相显微镜观察合金渗层截面形貌;测试合金层截面的显微硬度;采用X射线衍射仪对合金渗层进行物相分析,用扫描电子显微镜和能谱仪测试渗层成分。 试验结果表明:在贫油润滑条件下,激光织构化处理将密封材料摩擦副PTFE环/GCr15盘的摩擦系数由0.1降低到0.075,磨损率降低到光滑配副盘的2/3。织构化后,配副的PV值由6.5 MPa·m/s提高到16.4 MPa·m/s,最大PV值提高了1.5倍以上,油膜寿命延长了2倍以上。 对两种类型表面织构(凹槽型/微孔型)的摩擦性能研究发现,油润滑下,微孔型织构的摩擦系数(0.065)低于凹槽型(0.08),微孔型织构的存油能力优于凹槽型,沟槽型和微孔型的磨损率在10.0×10~(-16)m~3/N*m左右,为光滑试样15.2×10~(-16)m~3/N*m的2/3,且磨损寿命较光滑配副增大一个数量级。 对于微孔化配副,摩擦系数和磨损率随微孔直径、深度的增大而减小,但过大的微孔直径对磨损率不利;随着微孔密度增大,磨损寿命增加,而摩擦系数和磨损率先减小后增大。结合微孔直径、深度、密度的分析可以得出:微孔直径为150μm、间距500μm、深度30~40μm、密度8~9%的织构化密封材料摩擦学性能最佳,摩擦系数为0.055~0.06,与光滑配副相比降低了30%左右,磨损率仅为光滑配副的1/3。 在织构化钢盘表面进行双辉离子渗金属Cr、Mo,形成厚度为20~30μm的合金渗层,渗铬层表面Cr含量约为43.4%,生成Cr_(23)C_6等碳化物,硬度由HV250提高到HV1100左右;渗钼层表面Mo含量约为13.0%,含有Fe_3Mo_3C等碳化物,表面硬度高达HV800。 在贫油润滑下,经过渗Cr/Mo处理,微孔化配副的摩擦系数由0.07降低到0.055,磨损率由8.1×10~(-16)m~3(N*m)~(-1)下降到4.8×10~(16)m~3(N*m)~(-1),干摩擦条件下,经过渗Cr/Mo处理,微孔化配副的摩擦系数由0.16下降到0.135,摩擦配副环的磨损率降低了50%以上。表面织构化和合金化结合,在贫油/干摩擦条件下,获得了较低的摩擦系数以及良好的耐磨性。 ABAQUS有限元模拟结果表明,微孔的存在虽然在一定程度上减小了接触面积、增大了接触面的平均等效应力,但与光滑表面相比,明显减小了摩擦接触面前端和边缘区域的应力集中现象,使接触表面间应力均匀化,其中,微孔密度在8%~9%范围内的应力分布状态最佳,与摩擦磨损试验结果一致。 利用弹流理论计算出润滑膜厚与粗糙峰的比值,通过Stribeck曲线判断不同速度和载荷下的润滑状态,由于织构化处理提高了流体润滑效应,摩擦配副可以在较低的速度下由混合/边界润滑过渡到流体润滑状态;结合磨损形貌分析,光滑表面的摩擦配副磨损状况加剧,而织构化表面的摩擦配副磨痕深度较浅,犁沟较少,微织构可以捕捉摩擦轨道上的磨屑,减小磨粒磨损;微织构可以作为润滑剂的存储器,延长了润滑膜的使用寿命。


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