（机械制造及其自动化专业论文）高温自润滑材料电磁感应熔渗过程研究.pdf

中文摘要 本论文是在国家自然科学基金项目资助下完成，探讨了电磁感应熔渗法在 制备高温自润滑材料过程中的影响因素。 论文首先采用热电磁耦合场的分析方法，建立了自润滑材料电磁感应加热 熔渗的分析模型，对电磁感应加热在自制圆柱烧结基体材料轴向截面内部形成 的均匀温度梯度场进行了模拟，研究改变电流或电源频率的方法对加热温度的 影响。研究表明：选择电源频率为1 0 1 0 4 h z ，电流密度为1 5x1 0 6 a m 2 的加 热工艺参数，不但可以形成润滑剂熔渗所必须的温度场，而且在此工况下润滑 剂与基体材料的润湿角小于9 0 。，润滑剂粘度低，熔渗阻力小，有利于润滑剂的 熔渗。 其次，根据连续介质理论，采用流体力学的分析方法，对液态润滑剂流体 向多孔烧结基体内部宏观熔渗流动过程中的温度场、压力场和速度场的变化进 行了数值计算。分析得出：在润滑剂由熔化到熔渗速度稳定的过程中，熔渗温 度场随着外界熔渗压力大小和时间长短而变化。外界熔渗压力与孔隙率越大， 对熔渗温度场的影响越大；熔渗速度与外界熔渗压力的大小成正比。由于集肤 效应的作用，在熔渗过程中，基体表层附近润滑剂粘度最低，熔渗速度最高。 最后，建立烧结基体颗粒间的微观孑l 隙流动二维模型，采用低雷诺数的k - e 双方程计算模型，分析计算得出：在微观多孔隙流动中，存在层流和湍流两种 状态，以雷诺数大小来区别层流和湍流的经典方法在微观多孔流动中不再适用： 在低速流动的层流状态，液态润滑剂在孔隙中流动服从达西定律；而在相对高 速的流动状态，将产生漩涡，呈非线性变化。由于流动截面与粘性耗散成反比 关系，因此孑l 隙率越大，颗粒烧结颈直径越小，越有利于润滑剂的熔渗。 关键词：高温，熔渗，自润滑材料，电磁感应加热，微孔流动 a b s t r a c t t h i st h e s i sw a ss u p p o r t e df i n a n c i a l l yb yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n o fp r c h m a t h ef a c t o r so fe l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o ni n f i l t r a t i o ni nt h ep r e p a r a t i o n o fh i g h t e m p e r a t u r es e l f - l u b r i c a t i n gm a t e r i a l sa r ei n v e s t i g a t e d f i r s t l y , w i t h at h e r m a l e l e c t r o m a g n e t i cc o u p l e d f i e l d a n a l y s i sm e t h o d ， e s t a b l i s h e dt h em a t h e m a t i c a lm o d e la n da n a l y s i sm e t h o do ft h ee l e c t r o m a g n e t i c i n d u c t i o n ；s i m u l a t e dt h ee l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o nh e a t i n gi nt h em a t r i xf o r m e d w i t h i nt h ec r o s ss e c t i o no fu n i f o r mt e m p e r a t u r eg r a d i e m ，b o t hc u r r e n ta n dp o w e r f r e q u e n c yc a nc h a n g et h eh e a ti n gt e m p e r a t u r e t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep o w e r f r e q u e n c yf = 1 0 1 0 4 h z ，a n dt h ec u r r e n td e n s i t yj s = 1 5x1 0 6 a m 2 ，i n t h e h e a t i n gp r o c e s sp a r a m e t e r so f t h et e m p e r a t u r ef i e l d ，w h i c hn o to n l yf o r mt h el u b r i c a n t i n f i l t r a t i o nt e m p e r a t u r e ，b u ta l s ol u b r i c a n ta n dt h es u b s t r a t em a t e r i a lw e t t i n ga n g l e l e s st h a n9 0 。i nt h i sc o n d i t i o n ，l o wv i s c o s i t ya n di n f i l t r a t i o nr e s i s t a n c e ，w h i c hi s f a v o r a b l et oi n f i l t r a t i o no fl u b r i c a n t s e c o n d l y , w i t hac o n t i n u o u sm e d i u mt h e o r y , s i m u l a t e dt h el i q u i dl u b r i c a n tf l u i d i n f i l t r a t et h ep o r o u ss i n t e r e dm a t r i xw i t hac f dm e t h o d ，s t u d i e dt h et e m p e r a t u r e , p r e s s u r ea n dv e l o c i t yc h a n g e st h r o u g hm i c r o c o s m i cf l o w t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e i n f i l t r a t i o nt e m p e r a t u r ef i e l dc h a n g e db yt h ei n f i l t r a t i o nt e m p e r a t u r ea n di n f i l t r a t i o n t i m ef r o mt h el u b r i c a n tm e l t i n gt ot h es t a b i l i t yi n f i l t r a t i o n ，t h ev e a t e re x t e m a l p r e s s u r ea n dp o r ei n f i l t r a t i o nr a t e ，t h eg r e a t e ri m p a c to ft h ei n f i l t r a t i o nt e m p e r a t u r e f i e l d ；i n f i l t r a t i o nv e l o c i t yi n c r e a s ew i t hp r e s s u r ei n c r e a s i n g a st h er o l eo fs k i ne f f e c t ， t h ei n f i l t r a t i o np r o c e s s , t h es u b s t r a t es u r f a c en e a rt h el u b r i c a n tv i s c o s i t ym i n i m u m ， m a x i m u mi n f i l t r a t i o nr a t e f i n a ll y , e s t a b li s hat w o - d i m e n s i o n a lm o d e lo fm i c r o p o r ef l o w , w i t hal o w r e y n o l d sn u m b e rk - ed o u b l ee q u a t i o n ，a n a l y s i ss h o wt h a ti nt h em i c r o - p o r o u sf l o w , l a m i n a ra n dt u r b u l e n te x i s t e n c eo ft w os t a t e s ，c l a s s i ct ot h es i z ed i f f e r e n c eb e t w e e n t h er e y n o l d sn u m b e rl a m i n a rf l o wa n dt u r b u l e n tf l o wo ft h em e t h o di sn ol o n g e ri n t h ea p p l i c a t i o no fm i c r o p o r o u s ；l a m i n a rf l o wi nt h el o wv e l o c i t ys t a t e ，o b e yd a r c y s i a w ，a n di nt h er e l a t i v e l yh i g hf l o ws t a t e , an o nl i n e a rs w i r le x i t ；嬲t h ee x i s t e n c eo f m 础塌jr c s l s t a n c e , g e n e r a t et h eg r e a t e rr e y n o l d sn u m b e rt h e l a r g e rt h ee d d y ：t h e s m a i i e rf l o w c r o s s - s e c t i o n , t h es t r o n g e rt h ev i s c o u s d i s s i p a t i o n ，t h eg r e a t e rt h e c o r r e s p o n d i n ge n e r g yd i s s i p a t i o n ；g r e a t e rp o r o s i t y , s m a l l e rp a r t i c l e s i n t e m gn e c k d i a m e t e r , t h em o r ef a v o r a b l et ol u b r i c a n ti n f i l t r a t i o n k e y w o r d s ：h i g h - t e m p e r a t u r e ， i n d u c t i o n ， s e l f - l u b r i c a t i n g m a t e r i a l s e l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o nh e a t i n g ，m i c r op o r o u sf l o w i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武 汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ： 导师( 签名) ：狴日期2 2 2 2 。丕 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论弟一早殖记 谈及润滑材料，人们常常会想起润滑油、润滑脂，很少有人会想到固体自 润滑材料。其实，与润滑油、润滑脂一样，固体自润滑材料也是一类重要的润 滑材料，只不过与具有上千年历史的润滑油脂相比，它的资历要浅得多，人类 研究和使用这一类润滑材料也只有半个世纪的历史。 固体自润滑材料可分为金属基自润滑复合材料、陶瓷基和非金属基等三大 类。它们是以金属、陶瓷或非金属为基元，加入固体润滑剂和一些附加组元， 通过一定的工艺制备而成的具有一定强度和自润滑特性的复合材料。它兼有基 体组元的机械性能和固体润滑剂的摩擦学性能，综合性能优异，适宜在各种不 同特殊工况的物理环境和化学环境下工作。 尽管研究历史不长，固体自润滑材料却以优异的性能获得了广泛的认同， 其应用范围越来越广，大有与传统润滑油脂分庭抗礼的趋势。尤其是在以航空 航天为代表的军工高技术领域，固体自润滑材料更以其出色的性能和不可替代 的重要作用而后来居上，牢牢占据了首选润滑材料的位置。 固体润滑材料具有如此旺盛的生命力还得从材料的本质谈起。固体润滑材 料是一类概念上与传统润滑材料( 润滑油、润滑脂) 完全不同的新型润滑材料， 与传统润滑材料在摩擦界面上形成某种形式的流体或半流体膜而起到有效的润 滑作用相对应，固体润滑材料则利用固体粉末、薄膜或某些整体材料或其转移 膜的低剪切特性而具有优良的抗磨和减磨作用来减少两承载表面间的摩擦磨损 作用，在固体润滑过程中，固体润滑材料和周围介质要与摩擦表面发生物理、 化学反应生成固体润滑膜，降低磨擦磨损。通常固体润滑材料是以粉末、薄膜、 涂敷层或整体材料的形式使用。作为一类新型润滑材料，固体润滑材料在性能 上极大地突破了传统材料的使用极限，这就为解决现代军工高技术机械急需解 决的超高温、超低温、超高真空、强辐射、高速高负载、特殊介质等典型特殊 工况条件下的摩擦磨损问题提供了强有力的技术支持，同时也为提高军工机械 的稳定性和可靠性奠定了重要基础l lj 1 4 1 。 我国科学家经过自6 0 年代初结合国家“两弹一星”任务要求开展固体润滑 材料研究以来，已先后发展了多种具有国际同类材料，如物理气相沉积润滑薄 1 武汉理工大学硕士学位论文 膜、粘结固体润滑涂层、金属基高温耐磨自润滑复合材料、聚合物自润滑复合 材料、纳米尺度润滑材料等，为国家航天航空、兵器、船舶及核技术领域解决 了一系列具有特殊意义的润滑和磨损技术难题。 固体自润滑材料具有的基本性能【埘7 】： ( 1 ) 与摩擦表面能牢固地附着，表面功能固体润滑剂应具有良好的成膜能 力，能与摩擦表面形成牢固的化学吸附膜或物理吸附膜，在表面附着，防止相 对运动表面之间产生严重的熔焊或金属的相互转移。 ( 2 ) 抗剪强度较低，固体润滑剂具有较低的抗剪强度，这样才能使摩擦副 的摩擦系数小，功率损耗低，温度上升小。而且其抗剪强度应在宽温度范围内 不发生变化，使其应用领域较广。 ( 3 ) 稳定性好，包括物理热稳定，化学热稳定和时效稳定，不产生腐蚀及 其他有害的作用。物理热稳定是指在没有活性物质参与下，温度改变不会引起 相变或晶格的各种变化，因此不致引起抗剪强度的变化，导致固体的摩擦性能 改变。化学热稳定是指在各种活性介质中温度的变化不会引起强烈的化学反应。 ( 4 ) 较高的承载能力。由于固体润滑剂通常用在严酷工况或者低速高负荷 下的系统中，所以要求它既具有较高的承载能力，又具有低剪切的特性。 1 1 高温自润滑材料的研究与应用 高温固体自润滑材料大致可分为金属基自润滑材料、非金属基自润滑材料 等两大类，其常用的制各方法为粉末冶金法、等离子喷涂法、表面技术和铸造 法等。 高温自润滑复合材料在传统的软金属和一些固体润滑粉末不能满足恶劣工 况的使用要求下应运而生，广泛应用于航天、空间技术、冶金等行业。在高温 下，它一方面具有较高的机械强度，提高摩擦副的耐磨性；另一方面固体润滑 剂能够形成某种形式的固体润滑的流体或半流体转移膜，减小摩擦系数，实现 在无油或少油条件下的自润滑效果。 金属基高温自润滑复合材料以高强度耐热合金为基体，以固体润滑剂为分 散相，通过一定的工艺制备而成的具有高强度的固体自润滑材料。其中基体起 支撑负荷作用，固体润滑剂起减摩作用。目前，在工业领域中已经商品化的自 润滑复合材料有：密封环、干摩擦轴承、衬套、活塞、齿轮、轴、垫圈等。对 2 武汉理工大学硕士学位论文 n i 基、c o 基、n i c r 基、f e 基、a l 基、c u 基等高温耐热合金为自润滑材料的 研究较多。在铁基高温合金材料中加入适量的铅、锡或银等固体润滑剂，可以 有效的改善复合材料的摩擦学特性；在镍基自润滑基体中加入银、石墨做润滑 剂，通过合理的工艺条件，使材料的连续相保证材料的机械强度，石墨和银作 为润滑剂保证材料的耐磨性：在n i c r c u 基合金中添加脆性c a f 2 和b a f 2 ，从 5 0 0 开始，具有润滑性，可以使用到9 0 0 c 而不会因氧化而失效【8 1 。 p e t e r s o n 9 】等对合金氧化物膜在高温环境下摩擦性能的系统研究，提出经典 的氧化膜产生有效润滑的1 1 个条件及自润滑合金材料在高温下的摩擦系数和温 度之间的5 个关系。 非金属基高温自润滑材料，主要是石墨、碳纳米管等碳类和陶瓷类自润滑 材料。石墨不仅具有良好的导热性和耐高温性能，而且更具有层状结构，层与 层之间的滑移能产生良好的自润滑效果，是应用非常广泛的一种固体润滑剂。 从室温到它的氧化温度5 5 0 之前，石墨的摩擦因数是随温度上升而下降的。 由于它可吸附水气而使层间易于滑动，所以在潮湿介质中的摩擦磨损性能比在 干燥环境中要好。 陈传盛i m 】对碳纳米管进行研究，发现管状结构和独特的长径比不仅可起到 增强增韧的作用，更具有独特的润滑机制。摩擦过程中，一方面碳纳米管能够 在两摩擦表面之间滚动，起到支承负荷的“滚动轴承”作用，从而有减摩抗磨 的效果：另一方面，由于多壁碳纳米管在室温下，层间很容易发生滑动，因此 能够起到自润滑的作用，从而提高减摩抗磨性能。 陶瓷基高温自润滑材料具有高强度、高硬度、高刚度、低密度、优良的化 学稳定性及高温力学特性。目前主要有以天然岩石、矿物、粘土为原料的传统 陶瓷和以人工合成的具有微细结晶组织的无机新型陶瓷，如a 1 2 0 3 、z r 0 2 、碳化 物、硼化物、硅化物和氮化物等。新型陶瓷自润滑材料的润滑机理一般有三种： ( 1 ) 在一定条件下，具有自润滑特性，如六方b n ( 层间滑移) ，a i 2 0 3 ( 高温下 出现流体动力润滑) ；( 2 ) 在一定条件下发生化学反应而在表面生成具有润滑作 用的反应膜，如b 2 0 3 等；( 3 ) 陶瓷基体中直接添加固体润滑剂，在高温时润滑 剂自动析出而在表面形成一层润滑膜。 随着科学技术的发展，固体润滑材料在要求无环境污染、耐磨寿命长、低摩 擦和自修复的电子、生物、通讯、航天及航空等高科技领域得到越来越广泛的 应用。如在高温、高速下使用的轴承；在现代航天、宇宙空间机械上使用的具 3 武汉理工大学硕士学位论文 有低摩擦系数和良好自润滑特性的a g 基二硫化物自润滑复合材料微型轴承。然 而在金属基自润滑复合材料的应用上，还有很多问题尚未得到满意的解决，基 础理论还很欠缺，必需进行深入而系统的研究。未来的研究主要集中在自润滑 材料的理论研究、新型固体自润滑材料的研究、新型的自润滑方式研究、新的 材料结构设计研究等几个方面。 多孔材料在采用有效的结构设计可使多孔材料在某些受载模式下的强度优 于理论密实材料，达到最大的比刚度和比强度。将这种设计方法应用于粉末冶 金烧结多孔材料，通过对多孔材料熔渗固体润滑剂的方法，达到材料具有抗磨 减摩的自润滑作用。 1 2 多孑l 熔渗的研究与应用 多孔高温自润滑材料是一种孔径和孔隙形状可控，渗透性好，耐高温、耐 磨、高比强度、热稳定性好等特殊性能的多功能材料，广泛应用于航空航天、 机械、冶金、石化等行业。目前粉末冶金法制备的高温自润滑材料的应用领域 不断扩大，各行业需求不断增大，使大家对金属基粉末冶金多孔自润滑材料的 优越性能有了更深入的了解和认识，越来越多的人进行了相关的研究。 多孔自润滑材料多是传统采用挤压铸造、离心铸造、无压浸铸的方法制备 出内部具有润滑剂的自润滑材料。高中涛等【采用挤压铸造的压力浸渗方法把 铝合金熔体在一定的压力下浸渗到s i c 陶瓷颗粒中制备出复合材料。何柏林等【1 2 1 采用无压熔渗法制备出t i c n i 3 a i 复合材料，结果表明。无压熔渗法是制备致密 的t i c n i 3 a i 复合材料的有效方法，适当提高渗透温度，可大大缩短渗透时间。 汪志太等【1 ) j 采用真空压力浸渗法制备高体积分数的s i c p m g 复合材料，结果表 明，真空压力浸渗法具有良好的渗流条件，避免了气体和夹杂物的裹入等问题。 王双成等【1 4 j 利用电磁感应加热的局部性加热特点，用电磁感应熔渗工艺成功制 备了复合质量良好的金属基表面复合材料。这种方法制备工艺简单，不需要特 殊的昂贵设备，也无需外加负压，而且不像传统铸渗工艺那样用粘结剂将w c 陶 瓷颗粒涂敷在铸型底部，复合层区域不需外加粘结剂固定，避免了由于粘结剂 引起的铸造质量问题。刘佐民、王砚军【1 5 】采用压力熔渗的方法制备出具有良好 自润滑特性的高温自润滑材料。 近来，随着流体力学的发展，采用计算流体动力学( c f d ) 的方法来模拟解 4 武汉理工大学硕士学位论文 决宏观多孔流动分析。闫洁等【l6 】采用a n s y s 软件的f l o t r a n 模块对铸造渗流过程 进行了瞬态温度场分析，建立了具有多孔介质特征的有限元模型，实现了金属液 在预制体内部复杂孔隙结构中渗流和传热耦合的数值模拟。陈维平等【1 7 】利用 p r o c h s t 对a 卜c u 合金挤压浸渗多孔陶瓷的过程进行计算机仿真模拟，并与试验 进行比较，结果表明，计算机模拟的凝固时间、固液相与试验结果及金相分析吻 合，说明提出的简化模型在多孔陶瓷挤压浸渗合金的模拟中是适用的。姜春晓等 f 1 8 】对复合材料液态浸渗挤压过程浸渗和传热行为进行藕合分析，结果发现，纤 维半径、浸渗压力、液态金属粘度系数和预制体体积分数等因素影响液态金属 的浸渗速度及浸渗过程。 然而，对于流体在多孔材料内部微观流动研究，各学者共同认为，传统的 以雷诺数来区别层流与湍流的方法不再适用于多孔介质内部流动状态的表征 【1 9 h 2 ，多孔介质中的液体流动，根据雷诺数的不同，可以分为达西流动和非达西 流动，对于非达西流动，压力梯度和流速之间的线性关系不再成立，而是采用 f o r h h e i m e r 修正的方程，压力梯度与流速呈非线性变化。m o s t a f a 等【2 2 1 对二维和 三维周期性的多孔介质取特征体积单元进行微观多孔流动研究，发现雷诺 数较小的情况下就出现了湍流状态，由f o r c h h e i m e r 修正的方程适合非达西流 动，可以解释大多数在真实多孔流动中的实验现象。m o h s e n 掣2 3 l 对发泡多孔材 料取特征体积单元，研究多孔内部流动过程中压力降与温度传递情况，为实验 研究提供了理论指导依据。 对于金属基的高温自润滑材料，采用电磁感应熔渗的方法，利用感应加热 能够形成温度梯度的特点，不采用传统铸渗工艺所使用的粘结剂，在真空中加 热，之后采用加外压的方法，驱动液态润滑剂渗入烧结基体内部，这种方法工 艺简单，不需要特殊的昂贵设备，因此可以应用于制备高温自润滑材料。然而， 这种方法一直停留在实验阶段，没有充足的理论指导，难以预测孔隙内部润滑 剂流动过程中温度场、速度场、压力梯度的变化。采用流体力学的分析方法， 对熔渗过程中温度场、速度场、压力梯度变化情况进行数值分析，为实验方法 与理论提供相应的指导。 1 1 3 课题研究的内容、目的及意义 材料科学作为当前最重要的高科技之一，与生物学交叉发展，成为具有重要 5 武汉理工大学硕士学位论文 应用前景的前沿学科，金属基高温自润滑材料具有优秀的使用性能，目前成为 摩擦学与特殊功能材料研究的热点。然而，制备出具有多孔基体的材料，如何 往其中熔渗润滑剂成为制备出具有良好自润滑特性的高温自润滑材料的关键。 采用耦合场与流体力学的分析方法对电磁感应熔渗过程进行数值理论分析与计 算仿真，通过仿真预测指导实验而制备出高温自润滑特性的材料是一条新的研 究与设计思路。 采用电磁感应熔渗的方法制备出高温自润滑材料，应用于高接触强度和良 好自润滑要求及其特殊高温工况下，如在汽轮机和冶金设备中高载荷、高温工 况下使用，有着广泛的应用前景。工程上，可开发出新一代新型的高温自润滑 材料及零件，如高温下使用的滑动轴承、滚动轴承、轴、活塞等，具有重大的 理论和工程价值，值得我们去深入研究。 本文的研究是基于感应加热过程热电磁耦合效应与流体力学的连续介质理 论，研究加热过程中的温度场变化和满足熔渗条件的工艺和润滑剂熔渗过程温 度场、速度场、压力梯度场相互之间的关系与影响因素，为熔渗实验提供理论 指导。 1 4 课题来源 课题来源于： 1 国家自然科学基金项目：高温汗腺式扩散自润滑技术及其机理研究 2 国家自然科学基金项目：高温润滑胞体结果形态及其功能控制机理研究 6 e 口日r 太 顿学诧女 第二章电磁感应加热理论及数值分析方法 2 1 高温自润滑材料电磁感应熔渗实验装置的结构 高温自润滑材料制备的电磁感应熔渗工艺是利用电磁感应加热能够形成一 定温度梯度的特点，在加热过程中采用无外压焙渗、压力熔渗或两种方式相结 合的方法而制各出有润滑荆的自润滑材料。这种方法的具有不需要特殊的昂贵 设备，制备工艺简单的特点，圈2 1 是感应熔渗实验装置的外观图。 1 ll 门 ， 图2 1 感应熔渗加热装置 高温自润滑材料电磁感应熔渗实验装置由以下5 个部分组成： ( 1 ) 感应加热器，把电磁场能量转换为基体材料与熔化润滑荆的热能，它是 整个装置的核心设备： ( 2 ) 真空仓，用来保持仓内真空： ( 3 ) 感应加热器冷却系统冷却感应器： ( 4 ) 真空泵，使真空炉内形成其有一定真空度的真空： ( 5 ) 惰性或还原性气体输送系统用于压力熔渗或反应熔渗的送气装备。 以t 系统组合使用就可以进行真空熔渗、无压熔渗、压力熔渗或反应熔渗 中的种或多种组台。 端 武汉理工大学硕士学位论文 电磁感应熔渗的工艺过程如下所述：首先，将多孔烧结基体放入石墨坩埚 中，把含有p b ，s n ，a g 的粉状固体润滑剂均匀的放置于基体上方，然后，在真空中 加热至6 0 0 之后，通入惰性压缩气体或还原性气体，在6 0 0 左右，保温1 - 2 d 、 时，使润滑剂能够充分渗透到烧结多孔基体材料中。图2 - 2 为感应加热炉内部结 构示意图。 图2 2 感应加热装置示意图 2 2 电磁感应加热原理与特性 热炉 滑荆 墨坩埚 应线圈 现塞体 撑兮 感应加热是利用电磁感应原理，将电能转化为热能，对工件进行加热的一 种方式。它具有加热速度快、效率高、无污染等优点，广泛应用于表面热处理、 冶金、金属焊接等工业领域。 2 2 1 电磁感应原理与涡流发热 感应加热实质是利用电磁感应原理和焦耳一楞次定律来达到加热工件的电 加热。在感应加热过程中，电流通过线圈产生交变磁场，当磁场内的磁力线通 过导体时，磁力线被切割而产生无数小涡流，使导体局部迅速发热。当在线圈 中通过某一频率的交流电流时，就会产生相同频率的交变磁通d o d t ，交变磁通 又在金属工件中产生感应电动势p ，从而产生感应电涡流彳，导致产生热量q ，实 现对工件的加圳2 4 1 - ”l ，图2 - 3 为电磁感应加热原理图。 电磁感应原理： e 芝一警 8 ( 2 - 1 ) e&nr 学碗学* 立 其中 焦耳一楞次定律：0 = t 2 r t e 一感应电动势： 一线圈匝数： 0 一磁通： q 一焦耳热； 一感生涡流： 拧工件内部环路电阻 卜一加热时间。 图2 - 3 电磁感应加热原理图 222 集肤效应与透入深度 当一个圆形截面的导线中通过交流电时+ 导体截面上的电流蒋呈现出不均 匀的分布，流过导体表面再点的电流密度最大而在导体中心轴线上电流密度 最小，由外表面向内层以幂指数规律递减，这种现象叫做集肤效应也称表面 效应或趋肤效应。感应加热过程中，递入线陶中的交流电产生交变磁通，交变 磁通在工件内部产生交变电动势从而产生空变涡流因此上件内部产生的涡 流同样具有集肤效应。理论计算表明8 65 的热量是发生在深度为6 的薄层内。 设导体表面的电流强度为七：册感应透入深度方向，距离表面深度为r 处的感应 电流强度为，( z ) = l o e x 肛。此时涡流的理论透入深度为2 讣： r 理r 大学硕学位t t a = 去悟= 5 0 3 0 后 其中： d 一涡流集肤深度； 口一电阻； | i r 一相对磁导率； u 一绝对磁导率； f _ 电源频率； 其中= | i ，1 1 0 = 4 n 1 0 t a 。 223 圆环效应 ( 2 3 ) 当交流电流通过圆环形导体或螺旋线圈时，所产生的变变磁通集中分布在 环内侧且晟大电流密度出现在线圈导体内侧的现象叫圆环效应l 。如图2 4 所 示，在集肤效应与圆环效应共同作用下，线圈电流和工件涡流密集在线斟内侧 与工件外刨。 罔24 网环效应 2 3 电磁感应加热理论模型分析 感应加热过程中涉及到电磁场与温度场的耦舍分析由交变磁场产生的感 生涡流是温度场的热源，凶此遵循由电磁场到温度场的计算过程，必需建立电 磁场与温度场的理论模型。 隧 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 1 电磁场数学模型 电磁场是一种特殊的场，它的控制方程可由一套麦克斯韦方程组来描述。 麦克斯韦方程组由安培环路定律、法拉第电磁感应定律、高斯磁通定律、高斯 电通定律组成。计算区域分为涡流区和非涡流区，在涡流区对电场和磁场进行 描述，而在非涡流区只需对磁场进行描述。 涡流区域力1 ，有导电煤质，不含源电流。根据麦克斯韦方程组，此区域的 偏微分方程和积分方程如下： 1 微分形式： 安培环路定律： 矿厅= ，+ 警= 石+ 石+ 筹 法拉第电磁感应定律： vxg = 一荽 高斯磁通定律： 矿百= 0 高斯电通定律：矿- 万= p 2 积分形式： 嚷萄- d r = l sj d 兰+ i s 等d , 5 呃云d r = 一等d ； 唾万d ；= 一p d 谚= q j cj ， 。 唾吾d ；= 0 对于非涡流区q 2 ，包含给定的源电流密度，不考虑电场的影响， 方程如下： 矿x 膏= 7 s 矿百= 0 ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) 麦克斯韦 ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) 从( 2 - 4 ) 到( 2 1 3 ) 式中：矿为拉普拉斯算符，营为电场强度矢量，百为磁 感应强度矢量，万为磁场强度矢量，朗总电流密度矢量，万为源电流密度矢量， 万为感应涡流密度矢量，万为电通密度矢量，p 为电荷密度，q 为电荷量，c 为时 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 间，f 为闭合曲线，s 为以f 为边界的曲面：秒为s 所包围的体积。其中，媒质本构 方程为： b = 弘h ( 2 1 4 ) 歹= ( 2 _ 1 5 ) 万= 吾( 2 一1 6 ) 式中占为电阻率，为介电常数。 涡流与非涡流区域形成原理图和边界如下图2 5 所示： 图2 - 5 涡流与非涡流区域形成原理图 区域边界条件可以用两种方式来描述：一种是法向磁通密度r b ；另一种是切 向磁通密度而。那么，整个区域的边界条件为： 外边缘法向边界r b 上：百元= 0 外边缘切向边界r h 上：h 壳= 0 涡流与非涡流区交界面r 1 2 上：口1 石+ b 2 西= 0 巩百+ 。丽= 0 为了分离电场和磁场变量，形成独立的电场和磁场偏微分方程，简化直接 求解的难度，引入矢量磁势a 和标量电势口。 百：矿彳( 2 1 7 ) 营：一娑一一v d ( 2 1 8 )丘= 一一。wz l o ， 口【 这样就可以使用矢量磁位与标量电位来计算涡流场的分布。由( 2 - 4 ) ( 2 - 1 8 ) 武汉理工大学硕士学位论文 建立的电磁场方程主要目的是计算出焦耳热，作为温度场分析的热载荷。 2 3 2 瞬态温度场数学模型及边界条件 电磁场分析作为感应加热耦合分析的一部分，主要目的是求得感生电流产 生的焦尔热作为内热源来计算温度场。在感应加热问题中的温度场属于瞬态温 度场。 从涡流场中可以获得感应涡流在单位时间单位体积内的热生成率【2 9 】： 茸= 阴z 占 ( 2 1 9 ) 其中： 牙一热生成率； f 一感应涡流值； 根据热力学第一定律，能量是守恒的。体的热微分控制方程为刚： p c 偿+ ( y ) 7 ( l ) 7 ) + ”( q ) = 牙( 2 - 2 0 ) p 一材料密度； c 一材料比热容； t 订= 透) 一k y ，z 方向的热传导速度； 一向量算子； q ) 一热通量向量。 4 一热生成率； 其中，( l ) 丁和弛) r ( q ) 分别用梯度v 和散度v 表示为：乜) 丁= v ；) 7 ( q ) = v 。 用傅里叶定律来表示表示热流矢量的梯度： ( q ) = - 【d 】( l ) 丁 ( 2 2 1 ) 其中： 飘h 引纠 ，lji = 、j l ，l 武汉理工大学硕士学位论文 f k 鼹00 1 【d 】= lo k y y 0l 一热传导矩阵； 【0 0 k ：j k 麟，k y y ，k ：分别是x , y , z 方向的热传导系数。 联立( 2 - 2 0 ) 和( 2 - 2 1 ) 式可得： p c 睁+ ( i ，) 7 ( l ) 7 ) = l ) 7 ( 【d 】( z ) r ) + 牙 ( 2 2 2 ) 把( 2 - 2 2 ) 式展开，对于各向异性材料，其展开式为： 石a 八k z 黝+ 专( b 嚣) + ；a 八k z 笔) + 茸= p c ( 等+ k 篆+ 眵多+ k 翔( 2 - 2 3 ) 对于各向同性，其展开式为： ( 一a d z x t a 刁z y t4 - 韵+ 学= p c 瞟+ k 等+ 弓雾+ k 翔( 2 - 2 4 ) 对于热力学问题，常见的边界条件有三类： ( a ) 第一类边界：在边界上给定的温度： 丘：t = t ( 2 2 5 ) t 。一给定的温度。 ( b )第二类边界：在边界上给定的热流密度： 尼： q ) r ，7 ) = 一q ( 2 2 6 ) ( 7 7 ) 一单位外法向向量： q + 一给定的热流密度。 ( b )第三类边界：又称牛顿对流边界，存在热交换，包括传导、对流与 辐射三种方式，其热交换规律遵从傅里叶定律与牛顿散热公式： ( q ) r 7 7 ) = b ( 瓦一) ( 2 2 7 ) ，l ，一表面系数； 一邻近流体的温度： 瓦一工件表面温度。 由( 2 - 1 9 ) 一( 2 2 7 ) 式计算出温度场分布。 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 电磁感应加热耦合场分析模型 电磁感应加热问题，涉及到电磁场和温度场的耦合。对于多场耦合的求解 问题，常见的有直接耦合法和间接耦合法 3 0 - 3 1 】。 直接耦合法采用耦合单元，此单元拥有所有必须求解的自由度，通过计算 包含所需物理量的单元矩阵或载荷向量的方式进行一次耦合求解就能得出耦合 场结果。这种方法需要专门的耦合单元，有一定的局限性。 间接耦合法也叫载荷传递耦合法，这种方法是把多场按照顺序求解，把前 场求解的结果施加到后场作为载荷，从而求解出耦合场结果。 从传递方式上可以分为单向耦合和双向耦合，单向耦合只是把前场的结果 直接施加到后场，后场的结果对前场没有直接的影响，而在双向耦合中，后场 的求解结果反向影响前场的求解输入参数，以此循环求解。 间接耦合法求解比较灵活，对于弱耦合场求解比较适用。间接耦合又包括 多场求解器、物理环境法、单向载荷传递法等。 对于感应加热问题，a n s y s 没有提供此耦合单元，所以只能用间接双向耦合 法，且材料的物理性质呈非线性变化，因此为了求解准确，必须不断更新材料 的特性。首先对交流电磁场进行分析，计算出内热源强度，再将此结果作为瞬 态分析的热载荷求解出随时间变化的温度场。在电磁场和温度场的分析之中， 将材料的随着温度而变化的属性( 如相对磁导率、电阻率、导热系数、比热容 等) ，应用到不同时间间隔温度中，从而求解出非线性感应加热情况下，不同温 度场中的电场分布，以此循环计算。那么温度场进行瞬态分析，材料的特性随 温度的变化而更新材料参数，从而得出精确的求解结果。此耦合分析流程图如 图2 6 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 2 5 本章小结 图2 - 6 电磁场与温度场耦合分析流程图 本章介绍了高温自润滑材料电磁感应熔渗装置组成及感应加热的特点，着 重介绍了感应加热过程的有限元求解方法与计算模型，并给出了用有限元进行 电磁一热耦合计算分析的流程。 武汉理工大学硕士学位论文 第三章高温自润滑材料电磁感应加热过程数值分 析 3 1 有限元模型建立 3 1 1 有限元模型的简化与假设 有限元求解是通过划分为有限个单元来模拟真实情况下无限个未知量的过 程，不同的模型，计算量是不一样的，对于具有轴对称结构的三维模型，可以 转换为二维模型来求解，这样可以大大减少计算量。感应加热问题实际上是空 间和时间的四维函数，再加上计算过程中物理参数随温度变化以及电磁场和温 度场的双向耦合，其计算是很复杂的，因此，我们必须对模型进行简化假设处 理。 一方面，本文涉及到的是圆柱体复合材料的感应熔渗加热问题，其中，电 磁场与温度场在圆周方向呈轴对称分布，假设工件材料为各向同性的，当用较 短的感应线圈加热工件时，由磁场所产生的磁力线逸散是不能忽视的，必须考 虑工件在半径与长度方向的场量分布问题，那么模型可以简化为二维轴对称模 一1 所示) 。 蕊浏豳l 图3 一l 考虑径向与轴向的计算模型图3 - 2 只考虑径向的计算模型 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 当用较长的感应线圈加热工件时，可以忽略端部的磁力线逸散影响，即假 设感应线圈无限长，并且简化为只考虑模型径向的二维加热问题( 如图3 - 2 所 示) 。本文研究的是较短的线圈加热问题，因此采用图3 - 1 所示模型。 另一方面，大多数感应线圈采用中空的圆柱形或矩形形式，如图3 - 3 所示。 它的设计涉及到两方面的问题：水冷系统与集肤效应作用。一方面，对于采用 水冷系统是因为在感应加热过程中，线圈通入大电流，自身电阻引起的发热量 很大；另一方面，感应加热过程中的集肤效应和圆环效应特点，使得电流高度 密集于感应线圈内侧，因此导体的有效截面取决于感应线圈内侧透入深度，所 以在建模时只取线圈内侧部分并施加电流密度，即假设感应线圈中只有内侧有 电流通过，其余部分没有电流通过。对于圆柱形中空截面的感应线圈，感应电 流在线圈内侧呈弧形分布，电流分布不均匀，不利于散热，且建模不方便；而 对于矩形中空截面的感应线圈，冷却水的接触面积较大，且内侧电流分布均匀， 建模方便，故建模时多简化为矩形截面的感应线圈。感应线圈的材料通常是经 退火处理的t 3 铜，它的电阻率低，导电性能好，不参与温度场的模拟计算，其 电磁特性参数是： 相对磁导率脚= 1 ； 电阻率p = 1 7 1x1 0 - 8 力- m ； 一广一广一 集肤效应深度艿= ：二1f 冬= 5 0 3 0f 与= 2 0 1 0 - 3 m 。 线圈内侧电流透入深度区 ( a ) 矩形截面 3 1 2 材料特性 线圈内侧电流透入深度区 ( b ) 圆柱形截面 图3 3 感应线圈截面形状与电流透入深度区 武汉理工大学摩擦学研究所研制了汗腺微孔自润滑烧结基体，表3 - 1 为相应 的材料成分组成，添加体积分数为2 8 的不同类型无机造孔剂( t i h 2 c a c 0 3 武汉理工大学硕士学位论文 t i h 2 + c a c 0 3 + a 1 2 0 3 惰性弥散质点) ，然后按i ：4 比例将混合粉末装入球磨机球 磨，球磨3 小时后，在液压式万能材料试验机上冷压成型。将成型的试样放入真 空烧结炉中进行烧结，烧结温度为1 2 5 0 0 c ，保温6 0 m i n 后随炉冷却至室温所得。 表3 一l 汗腺微孔自润滑烧结基体的成分组成f 3 2 】 陶瓷粉末t i c金属粉末wc rm o vf e 体积分数( 啪) 2 0质量分数( w ) 65 5 57 9 烧结出的多孔基体材料，在真空环境下，采用电磁感应熔渗的方法将固体 润滑剂渗入多孔基体内部，制造出具有高温自润滑特性的复合材料。其中润滑 剂采用重庆冶炼集团有限公司生产的铅( p b ) 、锡( s n ) 、银( a g ) 粉，其化学 和物理性能如表3 - 2 所示。 3 - 2 铅、锡、银粉的化学成分( m ) 和物理性能【1 5 】 化学成分 密度( g c m 3 )平均粒度( g m ) 元素符号纯度氧含量 p b 9 9 7 9 9 5 o 14 82 9 a g 0 1 0 0 11 82 由表3 1 和3 2 可以看出，烧结基体约7 9 为f e ，那么基体材料的物理性质在