激光織構(gòu)對動壓滑動軸承摩擦學(xué)性能的影響

激光織構(gòu)對動壓滑動軸承摩擦學(xué)性能的影響

0摩擦學(xué)性能研究隨著工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，極端旋轉(zhuǎn)機械對各行各業(yè)的工作場所提出了越來越高的要求。動壓滑動軸承作為一種回轉(zhuǎn)支承的零部件，其摩擦學(xué)性能將直接影響機器的整體性能。為了改善動壓滑動軸承的摩擦學(xué)性能使其能適應(yīng)極端的工況條件，研究者們一直在投入大量的時間和精力來研究該領(lǐng)域。傳統(tǒng)摩擦學(xué)理論認為互相接觸的表面越光滑其摩擦磨損越小表面織構(gòu)作為改善摩擦副摩擦學(xué)性能的一種有效方法，已廣泛應(yīng)用于密封環(huán)、缸套以及動壓滑動軸承等方面。應(yīng)用于動壓滑動軸承的表面織構(gòu)會對其摩擦學(xué)性能造成影響，而其摩擦學(xué)性能直接影響其可靠性以及使用壽命基于此，借助激光設(shè)備在動壓滑動軸承表面加工出不同面積率與深徑比的表面織構(gòu)。采用摩擦磨損試驗機開展動壓滑動軸承在不同面積率、深徑比與不同工況條件下的摩擦學(xué)性能研究?？疾旒す獬尚螌Ρ砻嬗捕鹊挠绊懖訅夯瑒虞S承表面形貌與磨痕成分分析，探究其摩擦磨損機理。該作用機理，為科研和工程技術(shù)人員對表面織構(gòu)動壓滑動軸承摩擦學(xué)性能影響的認識和工程應(yīng)用提供了一定的幫助。1測試準備1.1表面織構(gòu)機微坑織構(gòu)黃銅具有強度高、塑性和韌性好、耐腐蝕、減摩性能良好等優(yōu)點，其已在動壓滑動軸承上得到了重要應(yīng)用，因此，將黃銅作為表面織構(gòu)加工的對象。該加工樣品的規(guī)格為Φ100mm×100mm，表面硬度為266.5HV，內(nèi)表面粗糙度Ra≈1.6μm，其余表面粗糙度Ra均為3.2μm(圖1)。將BY-BDB型三維光纖激光織構(gòu)機用于制造試驗所需的表面織構(gòu)。該型號表面織構(gòu)機采用的是二極管泵浦短脈沖Nd:YAG激光器，波長1064nm，重復(fù)頻率<50kHz，脈沖寬度<5ms，最大激光功率是50W，功率不穩(wěn)定度≤3%，自然冷卻，工作溫度和濕度為15～35℃和40%～80%，地基振幅和振動加速度分別不大于50μm和0.05g。依次使用800、1200與1500號金相砂紙對織構(gòu)表面進行打磨處理。精細打磨后的織構(gòu)表面經(jīng)拋光處理后，并用丙酮溶液清洗10min后晾干。采用掃描電子顯微鏡(SEM)與德國NanoFocus三維表面輪廓測定儀對BY-BDB型激光織構(gòu)機加工的表面微凹坑織構(gòu)進行觀測，得到微坑的典型三維形貌圖，如圖2所示。SEM與三維形貌圖可直觀地展現(xiàn)摩擦磨損后的表面形貌，并根據(jù)摩擦磨損后的表面形貌狀態(tài)做進一步分析從而得到表面織構(gòu)動壓滑動軸承的摩擦磨損機理。1.2潤滑基本性能試驗利用自制的動壓滑動軸承試驗臺進行摩擦磨損試驗研究，摩擦磨損試驗機如圖3所示，該設(shè)備摩擦副接觸方式為面-面接觸。同動壓滑動軸承與之相應(yīng)的對摩件—旋轉(zhuǎn)主軸其材質(zhì)是GCr15軸承鋼且將其安裝在主軸表面硬度HRC55-58的試驗機上，由V形臺固定且載荷的施加則由固定臺下方的液壓油缸實現(xiàn)，通過主軸的轉(zhuǎn)動從而實現(xiàn)對動壓滑動軸承摩擦磨損試驗。當試驗開始前，先用丙酮擦拭所用表面織構(gòu)軸承之后吹干/風干，目的是除去表面黏附的顆粒性物質(zhì)以及雜物。試驗選用的是長城金吉星J40015w-40潤滑油，潤滑油基本性能參數(shù)如表1所示。動壓滑動軸承試件達到摩擦磨損時間(30min)后結(jié)束試驗。將該試件取下放至桌面自然冷卻，對自然冷卻后的動壓滑動軸承再次選擇丙酮進行清洗，最后選用冷風機吹干。2結(jié)果和討論2.1硬度對耐摩性能的影響動壓滑動軸承的內(nèi)表面硬度會對摩擦副的摩擦磨損產(chǎn)生影響，簡而言之，軸承內(nèi)表面硬度越高其耐摩性能越佳。動壓滑動軸承內(nèi)表面在激光加工過程中其硬度以及組成成分會發(fā)生變化，而這些變化會引起動壓滑動軸承耐摩性能也發(fā)生變化。探究激光作用的動壓滑動軸承內(nèi)表面硬度以及成分的變化對其摩擦學(xué)性能影響的研究具有一定的意義。2.1.1摩擦學(xué)性能試驗在圖4中，微凹坑的表面硬度在Gaussian脈沖激光束的燒蝕作用下其表面硬度明顯增強。距離燒蝕微凹坑表面織構(gòu)越近的位置點2其表面硬度提高了50%，也即發(fā)生了硬化現(xiàn)象，該硬化作用將會對減少動壓滑動軸承的摩擦磨損起重要作用。然而距離燒蝕微凹坑較遠位置點1的表面硬度卻未發(fā)生明顯的變化，可以認為未發(fā)生硬化現(xiàn)象，一旦動壓滑動軸承表面在摩擦學(xué)性能試驗中發(fā)生摩擦磨損，該區(qū)域?qū)?yōu)先發(fā)生摩擦磨損?？偠灾?，激光加工的表面織構(gòu)會引起動壓滑動軸承表面的局部區(qū)域產(chǎn)生硬化現(xiàn)象，但是該硬化現(xiàn)象的作用范圍有限。究其原因在于硬度測量位置點-1(見圖4(a)所示)的表面硬度值約為210HV，位置點-2的表面硬度值約為323HV，而基體表面硬度約為208HV(見圖4(b)所示)，所以激光加工表面織構(gòu)引起硬化現(xiàn)象的作用范圍有限。2.1.2表面織構(gòu)化學(xué)成分分析為進一步探究激光加工后的動壓滑動軸承內(nèi)表面成分的差異。采用JSM-7800F場發(fā)射掃描電子顯微鏡EDS對動壓滑動軸承的內(nèi)表面進行能譜分析。動壓滑動軸承光滑內(nèi)表面與織構(gòu)內(nèi)表面的成分分析，如圖5所示。在圖5(a)中，光滑軸承內(nèi)表面的主要化學(xué)元素含量從高到低分別依次是Cu、Zn、C與O等化學(xué)元素;而經(jīng)過激光加工后的內(nèi)表面圖5(b)中的C與O元素的化學(xué)成分含量增長了31.1%與7.9%。造成這一現(xiàn)象的主要原因是動壓滑動軸承內(nèi)表面由于受到瞬態(tài)激光束能量的作用使得材料表面發(fā)生了相變與硬化現(xiàn)象，表面組織成分分析結(jié)果這同第2.1.1節(jié)表面硬度分析中表面織構(gòu)的加工引起局部產(chǎn)生硬化結(jié)論是一致的，最終造成表面組織成分中的C和O化學(xué)元素含量增加。2.2紡織參數(shù)對軸承的摩擦學(xué)性能的影響面積率S2.2.1表面紡織結(jié)構(gòu)s圖6(a)為表面織構(gòu)深徑比β=0.16，面積率S面積率S2.2.2表面織構(gòu)動壓滑動軸承力分析圖7(a)為表面織構(gòu)動壓滑動軸承面積率S深徑比β=0.12的表面織構(gòu)動壓滑動軸承的SEM形貌和摩擦力矩圖，如圖7(b)所示。在圖6(b)中，深徑比β=0.16與圖7(b)中深徑比β=0.12的表面織構(gòu)動壓滑動軸承摩擦力矩變化規(guī)律相似。雖然它們的變化規(guī)律相似但后者的摩擦力矩普遍低于前者摩擦力矩，原因在于織構(gòu)深徑比β=0.12的面積率S在圖7(b)的SEM圖中，表面織構(gòu)動壓滑動軸承表面發(fā)現(xiàn)較多不同位置的劃痕且寬度與長度大小不一。出現(xiàn)較多非均勻且不同位置分布的劃痕，這是由于表面織構(gòu)動壓滑動軸承在工作過程中粗糙表面峰值相互摩擦產(chǎn)生的磨損顆粒在潤滑油和主軸轉(zhuǎn)動共同作用下的分布是隨機分布。而劃痕的大小與寬度不一原因在于摩擦產(chǎn)生的磨損顆粒大小不一致以及表面織構(gòu)微凹坑的存在也俘獲一定數(shù)量的微磨損顆粒引起的。2.3標準物質(zhì)：對軸承磨損性能的影響工況是影響表面織構(gòu)動壓滑動軸承正常工作的另一個重要因素，不同工況會給其摩擦學(xué)性能產(chǎn)生不同影響。對織構(gòu)面積率S2.3.1載荷作用下表面織構(gòu)動壓滑動軸承磨損量的變化規(guī)律轉(zhuǎn)速n=500r/min下不同載荷的表面織構(gòu)動壓滑動軸承摩擦力矩隨時間的變化，如圖8所示。在圖8中，軸承的啟動階段，隨著時間的增加，摩擦力矩也在逐漸增加;經(jīng)過此階段后，動壓滑動軸承逐漸進入穩(wěn)定階段其摩擦力矩隨著時間的增加而不斷減小最終趨于穩(wěn)定。相同載荷的表面織構(gòu)(Texturedsurface,TS)的動壓滑動軸承摩擦力矩低于未織構(gòu)(Untexturedsurface,UTS)的動壓滑動軸承摩擦力矩;相同時間不同載荷的表面織構(gòu)動壓滑動軸承摩擦力矩，總體上隨載荷的增加而增加。圖9為表面織構(gòu)動壓滑動軸承磨損量隨載荷的變化。在圖9中，隨著載荷的不斷增加，表面織構(gòu)動壓滑動軸承磨損量的變化規(guī)律表現(xiàn)為先逐漸減小后增加的趨勢，并且表面織構(gòu)動壓滑動軸承的載荷為4kN時表面的磨損量最小。原因在于動壓滑動軸承所施加的載荷在2～4kN階段變化時，此時的動壓滑動軸承處在動壓潤滑狀態(tài)。隨著載荷(5～8kN)的逐漸增加，此時的表動壓滑動軸承處在混合潤滑狀態(tài)。由于載荷的增加表面微凹坑織構(gòu)不能夠有效存儲磨損顆粒與形成二次動壓潤滑效應(yīng)，最終造成動壓滑動軸承的摩擦量也在逐漸增加。在圖9中，載荷4kN作用下的表面織構(gòu)動壓滑動軸承與未織構(gòu)動壓滑動軸承相較而言，織構(gòu)動壓滑動軸承的最大減摩性能達到48%。載荷為4kN和8kN的表面織構(gòu)動壓滑動軸承的摩擦磨損SEM形貌圖，如圖10(a)和10(b)所示。在圖10(a)中，表面織構(gòu)動壓滑動軸承摩擦磨損顆粒散落在表面不同位置點且存在較淺、寬度較小的劃痕。在圖10(b)中，表面織構(gòu)動壓滑動軸承的承受的載荷較大，表面出現(xiàn)較為明顯的犁溝劃痕并且摩擦磨損顆粒分布在犁溝附近。圖10(a)和10(b)中摩擦磨損顆粒均較少主要是由于凹坑存儲了摩擦磨損顆粒，一定程度上減少了接觸面摩擦狀態(tài)的惡化。此外，激光加工提高了凹坑附近的硬度進一步改變了表面織構(gòu)的耐磨性這也是引起表面織構(gòu)磨損較少的原因。表面織構(gòu)動壓滑動軸承表面還發(fā)現(xiàn)有些微凹坑邊緣附近出現(xiàn)“燒蝕”發(fā)黑，這是因為表面的潤滑油潤滑不及時部分微凹坑邊緣附近出現(xiàn)了瞬態(tài)的干摩擦，引起了主軸與表面織構(gòu)發(fā)生了粘著磨擦磨損且干摩擦產(chǎn)生的摩擦熱使織構(gòu)表面發(fā)生化學(xué)變化造成的。2.3.2轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速對軸承力的影響載荷為4kN下不同轉(zhuǎn)速的表面織構(gòu)動壓滑動軸承摩擦力矩隨時間的變化，如圖11所示。在圖11中，不同轉(zhuǎn)速下的表面織構(gòu)動壓滑動軸承摩擦力矩，隨著時間的增加摩擦力矩逐漸的減小且最終穩(wěn)定。不同轉(zhuǎn)速下的表面織構(gòu)動壓滑動軸承摩擦力矩變化趨勢基本一致，但相同時間下不同轉(zhuǎn)速的表面織構(gòu)動壓滑動軸承摩擦力矩值不同。轉(zhuǎn)速n在500～1200r/min提高的過程中發(fā)現(xiàn)軸承的摩擦力矩并非是隨著轉(zhuǎn)速的升高而增加而是在其正常工作中存在最佳的主軸轉(zhuǎn)速使得軸承的摩擦力矩最小。圖12為表面織構(gòu)動壓滑動軸承磨損量隨轉(zhuǎn)速的變化。主軸轉(zhuǎn)速n在200～800r/min的階段工作時，表面織構(gòu)動壓滑動軸承的摩擦磨損較嚴重，此時轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)可能正處在邊界潤滑狀態(tài)。軸承副表面的間隔減小，摩擦表面粗糙峰值互相作用增強，造成軸承副表面更多的粗糙凸起參與摩擦。而當主軸轉(zhuǎn)速n在800～1100r/min的階段工作時，動壓滑動軸承磨損量逐漸降小，此時動壓滑動軸承可能進入到混合潤滑階段。此時摩擦副表面間隔無限逼近于粗糙峰值的高度，外部載荷則借助粗糙峰值與油膜壓力共同分擔，摩擦磨損通過潤滑油與粗糙峰值的形變或剪切所引起的。隨著主軸轉(zhuǎn)速n在1100～2000r/min的階段工作時，動壓滑動軸承磨損量逐漸緩慢的增加，此時軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)可能處于流體動壓潤滑狀態(tài)，主軸與軸承之間被潤滑油油膜隔離，轉(zhuǎn)速的提高引起潤滑油界面剪切力變大，最終造成摩擦的加劇。圖13為載荷4kN，轉(zhuǎn)速為1100r/min與2000r/min工況下的表面織構(gòu)動壓滑動軸承的摩擦磨損表面形貌。在圖13中，表面織構(gòu)軸承表面發(fā)現(xiàn)較為明顯的劃痕，部分微凹坑織構(gòu)被磨平并且還有部分微凹坑織構(gòu)已經(jīng)被摩擦磨損顆粒填滿，部分填滿的微凹坑幾乎不可見。由于轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)在高速重載工作下，潤滑油的供給不及時未能有效的帶走摩擦磨損產(chǎn)生的顆粒引起較為顯著的犁溝以及微凹坑的磨平與填滿。3摩擦磨損機分析3.1齒輪磨損引起的摩擦學(xué)行為載荷作用的軸承副發(fā)生摩擦磨損的原因在于其一載荷的增加表面織構(gòu)軸承發(fā)生塑形變形，凹坑的潤滑油被擠出流入軸承副表面，引起表面發(fā)生紊流作用轉(zhuǎn)速作用的軸承副引起摩擦磨損主要原因是由于互相接觸的摩擦副運動初始潤滑油膜尚未形成，隨著轉(zhuǎn)速提高動壓效應(yīng)逐漸顯現(xiàn)，摩擦副的油膜厚度逐漸由圖14中的h3.2磨損表面形貌圖15(a)中，未織構(gòu)動壓滑動軸承表面出現(xiàn)粘著磨損和磨粒磨損且磨損情況比較嚴重，存在明顯的犁溝痕跡和粘著撕裂痕。由于未織構(gòu)表面不能存儲潤滑油與磨粒，因此，正常工作過程中產(chǎn)生的磨損顆粒在軸承表面形成微觀切削，造成動壓滑動軸承表面發(fā)生磨粒磨損;此外，未織構(gòu)動壓滑動軸承的油膜壓力較低，表面粗糙峰之間的接觸更多，摩擦產(chǎn)生較高溫度，使其表面發(fā)生粘著磨損。圖15(b)中，織構(gòu)表面磨損相對較輕，主要為磨粒磨損，梨溝較淺且寬度較小。同時微凹坑存儲磨粒，一定程度上避免了接觸面間摩擦狀態(tài)的惡化，減少摩擦過程中產(chǎn)生的摩擦熱及磨粒的微觀切削，這正是織構(gòu)表面磨痕較少且摩擦磨損量較低的原因之一。另外，軸承表面微造型過程中材料表面發(fā)生了相變硬化，因此激光加工的表面織構(gòu)提高了材料表面的耐磨性。為分析摩擦磨損試驗后的動壓滑動軸承表面的變化以及進一步明確摩擦磨損機理。動壓滑動軸承表面EDS分析，如圖16所示。圖16(a)中，未織構(gòu)動壓滑動軸承除了自身的Cu和Zn主要元素外，C元素峰值較高，O元素次之，相較于試驗前，見圖5所示，C和O元素含量分別增加18.3%和8.8%，說明未織構(gòu)磨痕表面還伴隨著發(fā)生一定程度的氧化磨損。圖16(b)中，織構(gòu)化試樣C和O元素分別減少54.3%和41.9%，說明磨損程度低于未織構(gòu)試件。未織構(gòu)與織構(gòu)軸承表面均發(fā)現(xiàn)了Fe元素，說明主軸發(fā)生了輕微的摩擦磨損。3.3表面織構(gòu)滑動軸承摩擦學(xué)行為表面織構(gòu)可減摩的重要原因其一是因為微凹坑作為二次潤滑源與儲存磨粒，減少磨粒磨損，可以起到良好的潤滑減磨效果;其二是激光凹坑織構(gòu)微造型時，光能轉(zhuǎn)化的熱能直接作用在表面促使局部區(qū)域的組織硬度發(fā)生硬化從而形成硬化層，使得表面織構(gòu)動壓滑動軸承在試驗中表現(xiàn)出較好的耐磨性能。表面織構(gòu)深徑比越大，雖然存儲潤滑油與摩擦磨損顆粒越多，但是坑底至接觸面的距離也增加了，進而影響了存儲在凹坑內(nèi)潤滑油的流動性，最終導(dǎo)致表面織構(gòu)產(chǎn)生的二次動壓潤滑效果減弱。因此，存在最佳織構(gòu)深徑比使減磨潤滑效果最佳。一旦表面發(fā)生嚴重的摩擦將會引起磨損顆粒增多，最終使微凹坑被磨粒