表面织构与合金化改善密封材料摩擦学性能研究

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880～900C，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6.5MPa·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10.0×10-16m3/N*m左右，为光滑试样15.2×10-16m3/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Cr23C6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Fe3Mo3C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8.1×10-16m3（N*m）-1下降到4.8×10-16m3（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。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2机械密封

1.2.1机械密封的分类

1.2.2机械密封材料

1.3密封端面摩擦的研究进展

1.3.1流体摩擦工况

1.3.2混合摩擦工况

1.3.3边界摩擦工况

1.4密封端面激光织构的研究现状

1.4.1端面织构化原理

1.4.2几种表面织构加工技术的特点

1.4.3端面激光织构化的理论研究进展

1.4.4端面激光织构化的实验和应用进展

1.5双层辉光离子渗金属技术的概述

1.5.1基本原理

1.5.2双层辉光离子渗金属技术的特点

1.6论文研究内容和目的意义

第二章实验条件和方法

2.1摩擦副材料的选择

2.2激光表面织构的加工原理和设计

2.2.1激光与材料相互作用原理

2.2.2激光工艺参数

2.2.3试验参数

2.3表面织构的表征

2.3.1微孔形貌及热影响区

2.3.2显微硬度测试

2.4表面辉光等离子渗金属

2.4.1双层辉光等离子渗金属设备

2.4.2试验材料

2.4.3试验工艺参数及操作

2.4.4试验方案

2.4.5合金渗层的显微形貌

2.4.6合金渗层的组织结构及成分分析

2.4.7合金渗层硬度

2.5摩擦磨损性能测试

2.5.1环/盘式摩擦磨损试验

2.5.2往复式摩擦磨损试验

2.5.3磨损率的计算

2.5.4磨痕表面形貌的检测

第三章激光表面织构工艺参数优化

3.1表面织构的表征

3.1.1表面织构的排列形貌

3.1.2脉冲次数对微孔相貌的影响

3.1.3激光与材料的相互作用

3.1.4热影响区

3.1.5显微硬度

3.2密封材料的选择

3.3织构化对密封材料性能的影响

3.3.1织构化对密封摩擦性能的影响

3.3.2织构化对密封PV值的影响

3.4织构类型的影响

3.4.1旋转对磨方式

3.4.2往复运动方式

3.5微孔参数对摩擦性能的影响

3.5.1微孔直径的影响

3.5.2微孔间距的影响

3.5.3微孔深度的影响

3.5.4微孔密度的影响

3.5.5微孔参数综合比较

3.6本章小结

第四章激光表面织构摩擦学性能

4.1载荷对表面织构的影响

4.1.1旋转运动方式

4.1.2往复运动方式

4.2速度对表面织构的影响

4.2.1旋转运动方式

4.2.2往复运动方式

4.3织构化对接触面润滑状态的影响

4.4表面微孔作用分析

4.4.1流体动压效应

4.4.2供油补充作用

4.4.3捕捉磨屑的作用

4.5本章小结

第五章表面织构与合金层化协同作用

5.1试验材料及方法

5.1.1试验材料

5.1.2试验方案

5.2渗铬合金层

5.2.1表层形貌

5.2.2渗铬合金层界面的显微组织

5.2.3渗Cr合金层的物相分析

5.2.4渗铬合金层的铬浓度分布

5.3渗钼合金层

5.3.1表层形貌

5.3.2渗Mo合金层的物相分析

5.3.3渗钼合金层的铬浓度分布

5.3.4渗钼合金层的显微硬度

5.4复合涂层的摩擦学性能

5.4.1贫油润滑试验

5.4.2干摩擦试验

5.5本章小结

第六章表面织构滑动摩擦过程的三维数值模拟

6.1.ABAQUS有限元软件简介

6.1.1 ABAQUS分析方法

6.1.2 ABAQUS/Standard接触概述

6.2表面织构化配副的有限元模型的建立

6.2.1材料参数

6.2.2有限元网格的划分

6.2.3设置分析步

6.2.4定义相互作用

6.2.5定义边界条件和载荷

6.2.6提交分析作业

6.3计算结果与分析

6.3.1光滑配副和织构化配副的应力分布

6.3.2微孔直径对等效应力的影响

6.3.3微孔间距对等效应力的影响

6.3.4微孔密度对等效应力的影响

6.4本章小结

第七章结论

7.1主要结论

7.2创新点

7.3工作展望

致 谢

参考文献

附录攻读博士学位期间发表和在审的论文