表面織構與合金化改善密封材料摩擦學性能研究.pdf

1、摩擦磨損是機械設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，而且加速設備報廢、導致頻繁更換零件，對經濟造成極大的損失。本文從改變材料表面形貌和組織對摩擦性能影響的角度出發，以端面密封材料的摩擦磨損形式為研究對象，利用摩擦磨損試驗平臺和ABAQUS有限元模擬分析了表面織構化的摩擦磨損行為及接觸應力分布，為機械密封摩擦副的耐磨技術開發提供試驗和理論依據。 以現有科研成果和文獻作為指導

2、，利用波長為1064nm的Nd：YAG脈沖激光在摩擦副材料表面進行織構化處理，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/凹槽結構，通過改變脈沖次數、能量和間隔，獲得不同尺寸、形狀及分布密度的表面織構。測試表面織構之間的硬度值：分析激光處理對材料的熱影響效應；采用白光干涉三維輪廓儀表征織構的三維形貌；用掃描電子顯微鏡觀察熱影響區附近的熔化濺射狀態。模擬密封摩擦副，對織構化密封材料PTFE/GCr1

3、5鋼進行環/盤式摩擦磨損試驗，測試不同摩擦配副和織構參數，如：直徑、深度、間距、密度、形狀等，對摩擦學性能的影響，得出最佳的微孔參數。通過ABAQUS有限元軟件對滑動接觸過程進行三維有限元數值模擬，分析了不同微孔直徑、間距和分布密度下的等效應力。 對表面織構化的45鋼進行表面雙輝等離子滲金屬處理，純鉻/鉬板作為源極，工藝參數為：極間距20mm、源極電壓800V、試驗溫度880～900C，滲鉻時間4h、工作氣氛為氬氣。用光學金相顯

4、微鏡觀察合金滲層截面形貌；測試合金層截面的顯微硬度；采用X射線衍射儀對合金滲層進行物相分析，用掃描電子顯微鏡和能譜儀測試滲層成分。 試驗結果表明：在貧油潤滑條件下，激光織構化處理將密封材料摩擦副PTFE環/GCr15盤的摩擦系數由0.1降低到0.075，磨損率降低到光滑配副盤的2/3?？棙嫽?，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，油膜壽命延長了2倍以上。 對兩種

5、類型表面織構（凹槽型/微孔型）的摩擦性能研究發現，油潤滑下，微孔型織構的摩擦系數（0.065）低于凹槽型（0.08），微孔型織構的存油能力優于凹槽型，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數量級。 對于微孔化配副，摩擦系數和磨損率隨微孔直徑、深度的增大而減小，但過大的微孔直徑對磨損率不利；隨著微孔密度增大，磨損壽命增加，而摩擦

6、系數和磨損率先減小后增大。結合微孔直徑、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％的織構化密封材料摩擦學性能最佳，摩擦系數為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。 在織構化鋼盤表面進行雙輝離子滲金屬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HV800。 在貧油潤滑下，經過滲Cr/Mo處理，微孔化配副的摩擦系數由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，經過滲Cr/Mo處理，微孔化配副的摩擦系數由0.16下降到0.135，摩擦配副環的磨損率降低了50％以上。表面織構化和合金化結合，在貧油/干摩擦條

8、件下，獲得了較低的摩擦系數以及良好的耐磨性。 ABAQUS有限元模擬結果表明，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域的應力集中現象，使接觸表面間應力均勻化，其中，微孔密度在8％～9％范圍內的應力分布狀態最佳，與摩擦磨損試驗結果一致。 利用彈流理論計算出潤滑膜厚與粗糙峰的比值，通過Stribeck曲線判斷不同速度和載荷下的潤滑狀態，由于織