激光织构对动压滑动轴承摩擦学性能的影响

激光织构对动压滑动轴承摩擦学性能的影响

0摩擦学性能研究随着工业技术的快速发展，极端旋转机械对各行各业的工作场所提出了越来越高的要求。动压滑动轴承作为一种回转支承的零部件，其摩擦学性能将直接影响机器的整体性能。为了改善动压滑动轴承的摩擦学性能使其能适应极端的工况条件，研究者们一直在投入大量的时间和精力来研究该领域。传统摩擦学理论认为互相接触的表面越光滑其摩擦磨损越小表面织构作为改善摩擦副摩擦学性能的一种有效方法，已广泛应用于密封环、缸套以及动压滑动轴承等方面。应用于动压滑动轴承的表面织构会对其摩擦学性能造成影响，而其摩擦学性能直接影响其可靠性以及使用寿命基于此，借助激光设备在动压滑动轴承表面加工出不同面积率与深径比的表面织构。采用摩擦磨损试验机开展动压滑动轴承在不同面积率、深径比与不同工况条件下的摩擦学性能研究。考察激光成形对表面硬度的影响并对动压滑动轴承表面形貌与磨痕成分分析，探究其摩擦磨损机理。该作用机理，为科研和工程技术人员对表面织构动压滑动轴承摩擦学性能影响的认识和工程应用提供了一定的帮助。1测试准备1.1表面织构机微坑织构黄铜具有强度高、塑性和韧性好、耐腐蚀、减摩性能良好等优点，其已在动压滑动轴承上得到了重要应用，因此，将黄铜作为表面织构加工的对象。该加工样品的规格为Φ100mm×100mm，表面硬度为266.5HV，内表面粗糙度Ra≈1.6μm，其余表面粗糙度Ra均为3.2μm(图1)。将BY-BDB型三维光纤激光织构机用于制造试验所需的表面织构。该型号表面织构机采用的是二极管泵浦短脉冲Nd:YAG激光器，波长1064nm，重复频率<50kHz，脉冲宽度<5ms，最大激光功率是50W，功率不稳定度≤3%，自然冷却，工作温度和湿度为15～35℃和40%～80%，地基振幅和振动加速度分别不大于50μm和0.05g。依次使用800、1200与1500号金相砂纸对织构表面进行打磨处理。精细打磨后的织构表面经抛光处理后，并用丙酮溶液清洗10min后晾干。采用扫描电子显微镜(SEM)与德国NanoFocus三维表面轮廓测定仪对BY-BDB型激光织构机加工的表面微凹坑织构进行观测，得到微坑的典型三维形貌图，如图2所示。SEM与三维形貌图可直观地展现摩擦磨损后的表面形貌，并根据摩擦磨损后的表面形貌状态做进一步分析从而得到表面织构动压滑动轴承的摩擦磨损机理。1.2润滑基本性能试验利用自制的动压滑动轴承试验台进行摩擦磨损试验研究，摩擦磨损试验机如图3所示，该设备摩擦副接触方式为面-面接触。同动压滑动轴承与之相应的对摩件—旋转主轴其材质是GCr15轴承钢且将其安装在主轴表面硬度HRC55-58的试验机上，由V形台固定且载荷的施加则由固定台下方的液压油缸实现，通过主轴的转动从而实现对动压滑动轴承摩擦磨损试验。当试验开始前，先用丙酮擦拭所用表面织构轴承之后吹干/风干，目的是除去表面黏附的颗粒性物质以及杂物。试验选用的是长城金吉星J40015w-40润滑油，润滑油基本性能参数如表1所示。动压滑动轴承试件达到摩擦磨损时间(30min)后结束试验。将该试件取下放至桌面自然冷却，对自然冷却后的动压滑动轴承再次选择丙酮进行清洗，最后选用冷风机吹干。2结果和讨论2.1硬度对耐摩性能的影响动压滑动轴承的内表面硬度会对摩擦副的摩擦磨损产生影响，简而言之，轴承内表面硬度越高其耐摩性能越佳。动压滑动轴承内表面在激光加工过程中其硬度以及组成成分会发生变化，而这些变化会引起动压滑动轴承耐摩性能也发生变化。探究激光作用的动压滑动轴承内表面硬度以及成分的变化对其摩擦学性能影响的研究具有一定的意义。2.1.1摩擦学性能试验在图4中，微凹坑的表面硬度在Gaussian脉冲激光束的烧蚀作用下其表面硬度明显增强。距离烧蚀微凹坑表面织构越近的位置点2其表面硬度提高了50%，也即发生了硬化现象，该硬化作用将会对减少动压滑动轴承的摩擦磨损起重要作用。然而距离烧蚀微凹坑较远位置点1的表面硬度却未发生明显的变化，可以认为未发生硬化现象，一旦动压滑动轴承表面在摩擦学性能试验中发生摩擦磨损，该区域将会优先发生摩擦磨损。总而言之，激光加工的表面织构会引起动压滑动轴承表面的局部区域产生硬化现象，但是该硬化现象的作用范围有限。究其原因在于硬度测量位置点-1(见图4(a)所示)的表面硬度值约为210HV，位置点-2的表面硬度值约为323HV，而基体表面硬度约为208HV(见图4(b)所示)，所以激光加工表面织构引起硬化现象的作用范围有限。2.1.2表面织构化学成分分析为进一步探究激光加工后的动压滑动轴承内表面成分的差异。采用JSM-7800F场发射扫描电子显微镜EDS对动压滑动轴承的内表面进行能谱分析。动压滑动轴承光滑内表面与织构内表面的成分分析，如图5所示。在图5(a)中，光滑轴承内表面的主要化学元素含量从高到低分别依次是Cu、Zn、C与O等化学元素;而经过激光加工后的内表面图5(b)中的C与O元素的化学成分含量增长了31.1%与7.9%。造成这一现象的主要原因是动压滑动轴承内表面由于受到瞬态激光束能量的作用使得材料表面发生了相变与硬化现象，表面组织成分分析结果这同第2.1.1节表面硬度分析中表面织构的加工引起局部产生硬化结论是一致的，最终造成表面组织成分中的C和O化学元素含量增加。2.2纺织参数对轴承的摩擦学性能的影响面积率S2.2.1表面纺织结构s图6(a)为表面织构深径比β=0.16，面积率S面积率S2.2.2表面织构动压滑动轴承力分析图7(a)为表面织构动压滑动轴承面积率S深径比β=0.12的表面织构动压滑动轴承的SEM形貌和摩擦力矩图，如图7(b)所示。在图6(b)中，深径比β=0.16与图7(b)中深径比β=0.12的表面织构动压滑动轴承摩擦力矩变化规律相似。虽然它们的变化规律相似但后者的摩擦力矩普遍低于前者摩擦力矩，原因在于织构深径比β=0.12的面积率S在图7(b)的SEM图中，表面织构动压滑动轴承表面发现较多不同位置的划痕且宽度与长度大小不一。出现较多非均匀且不同位置分布的划痕，这是由于表面织构动压滑动轴承在工作过程中粗糙表面峰值相互摩擦产生的磨损颗粒在润滑油和主轴转动共同作用下的分布是随机分布。而划痕的大小与宽度不一原因在于摩擦产生的磨损颗粒大小不一致以及表面织构微凹坑的存在也俘获一定数量的微磨损颗粒引起的。2.3标准物质：对轴承磨损性能的影响工况是影响表面织构动压滑动轴承正常工作的另一个重要因素，不同工况会给其摩擦学性能产生不同影响。对织构面积率S2.3.1载荷作用下表面织构动压滑动轴承磨损量的变化规律转速n=500r/min下不同载荷的表面织构动压滑动轴承摩擦力矩随时间的变化，如图8所示。在图8中，轴承的启动阶段，随着时间的增加，摩擦力矩也在逐渐增加;经过此阶段后，动压滑动轴承逐渐进入稳定阶段其摩擦力矩随着时间的增加而不断减小最终趋于稳定。相同载荷的表面织构(Texturedsurface,TS)的动压滑动轴承摩擦力矩低于未织构(Untexturedsurface,UTS)的动压滑动轴承摩擦力矩;相同时间不同载荷的表面织构动压滑动轴承摩擦力矩，总体上随载荷的增加而增加。图9为表面织构动压滑动轴承磨损量随载荷的变化。在图9中，随着载荷的不断增加，表面织构动压滑动轴承磨损量的变化规律表现为先逐渐减小后增加的趋势，并且表面织构动压滑动轴承的载荷为4kN时表面的磨损量最小。原因在于动压滑动轴承所施加的载荷在2～4kN阶段变化时，此时的动压滑动轴承处在动压润滑状态。随着载荷(5～8kN)的逐渐增加，此时的表动压滑动轴承处在混合润滑状态。由于载荷的增加表面微凹坑织构不能够有效存储磨损颗粒与形成二次动压润滑效应，最终造成动压滑动轴承的摩擦量也在逐渐增加。在图9中，载荷4kN作用下的表面织构动压滑动轴承与未织构动压滑动轴承相较而言，织构动压滑动轴承的最大减摩性能达到48%。载荷为4kN和8kN的表面织构动压滑动轴承的摩擦磨损SEM形貌图，如图10(a)和10(b)所示。在图10(a)中，表面织构动压滑动轴承摩擦磨损颗粒散落在表面不同位置点且存在较浅、宽度较小的划痕。在图10(b)中，表面织构动压滑动轴承的承受的载荷较大，表面出现较为明显的犁沟划痕并且摩擦磨损颗粒分布在犁沟附近。图10(a)和10(b)中摩擦磨损颗粒均较少主要是由于凹坑存储了摩擦磨损颗粒，一定程度上减少了接触面摩擦状态的恶化。此外，激光加工提高了凹坑附近的硬度进一步改变了表面织构的耐磨性这也是引起表面织构磨损较少的原因。表面织构动压滑动轴承表面还发现有些微凹坑边缘附近出现“烧蚀”发黑，这是因为表面的润滑油润滑不及时部分微凹坑边缘附近出现了瞬态的干摩擦，引起了主轴与表面织构发生了粘着磨擦磨损且干摩擦产生的摩擦热使织构表面发生化学变化造成的。2.3.2转速和转速对轴承力的影响载荷为4kN下不同转速的表面织构动压滑动轴承摩擦力矩随时间的变化，如图11所示。在图11中，不同转速下的表面织构动压滑动轴承摩擦力矩，随着时间的增加摩擦力矩逐渐的减小且最终稳定。不同转速下的表面织构动压滑动轴承摩擦力矩变化趋势基本一致，但相同时间下不同转速的表面织构动压滑动轴承摩擦力矩值不同。转速n在500～1200r/min提高的过程中发现轴承的摩擦力矩并非是随着转速的升高而增加而是在其正常工作中存在最佳的主轴转速使得轴承的摩擦力矩最小。图12为表面织构动压滑动轴承磨损量随转速的变化。主轴转速n在200～800r/min的阶段工作时，表面织构动压滑动轴承的摩擦磨损较严重，此时转子-轴承系统可能正处在边界润滑状态。轴承副表面的间隔减小，摩擦表面粗糙峰值互相作用增强，造成轴承副表面更多的粗糙凸起参与摩擦。而当主轴转速n在800～1100r/min的阶段工作时，动压滑动轴承磨损量逐渐降小，此时动压滑动轴承可能进入到混合润滑阶段。此时摩擦副表面间隔无限逼近于粗糙峰值的高度，外部载荷则借助粗糙峰值与油膜压力共同分担，摩擦磨损通过润滑油与粗糙峰值的形变或剪切所引起的。随着主轴转速n在1100～2000r/min的阶段工作时，动压滑动轴承磨损量逐渐缓慢的增加，此时轴承-转子系统可能处于流体动压润滑状态，主轴与轴承之间被润滑油油膜隔离，转速的提高引起润滑油界面剪切力变大，最终造成摩擦的加剧。图13为载荷4kN，转速为1100r/min与2000r/min工况下的表面织构动压滑动轴承的摩擦磨损表面形貌。在图13中，表面织构轴承表面发现较为明显的划痕，部分微凹坑织构被磨平并且还有部分微凹坑织构已经被摩擦磨损颗粒填满，部分填满的微凹坑几乎不可见。由于转子-轴承系统在高速重载工作下，润滑油的供给不及时未能有效的带走摩擦磨损产生的颗粒引起较为显著的犁沟以及微凹坑的磨平与填满。3摩擦磨损机分析3.1齿轮磨损引起的摩擦学行为载荷作用的轴承副发生摩擦磨损的原因在于其一载荷的增加表面织构轴承发生塑形变形，凹坑的润滑油被挤出流入轴承副表面，引起表面发生紊流作用转速作用的轴承副引起摩擦磨损主要原因是由于互相接触的摩擦副运动初始润滑油膜尚未形成，随着转速提高动压效应逐渐显现，摩擦副的油膜厚度逐渐由图14中的h3.2磨损表面形貌图15(a)中，未织构动压滑动轴承表面出现粘着磨损和磨粒磨损且磨损情况比较严重，存在明显的犁沟痕迹和粘着撕裂痕。由于未织构表面不能存储润滑油与磨粒，因此，正常工作过程中产生的磨损颗粒在轴承表面形成微观切削，造成动压滑动轴承表面发生磨粒磨损;此外，未织构动压滑动轴承的油膜压力较低，表面粗糙峰之间的接触更多，摩擦产生较高温度，使其表面发生粘着磨损。图15(b)中，织构表面磨损相对较轻，主要为磨粒磨损，梨沟较浅且宽度较小。同时微凹坑存储磨粒，一定程度上避免了接触面间摩擦状态的恶化，减少摩擦过程中产生的摩擦热及磨粒的微观切削，这正是织构表面磨痕较少且摩擦磨损量较低的原因之一。另外，轴承表面微造型过程中材料表面发生了相变硬化，因此激光加工的表面织构提高了材料表面的耐磨性。为分析摩擦磨损试验后的动压滑动轴承表面的变化以及进一步明确摩擦磨损机理。动压滑动轴承表面EDS分析，如图16所示。图16(a)中，未织构动压滑动轴承除了自身的Cu和Zn主要元素外，C元素峰值较高，O元素次之，相较于试验前，见图5所示，C和O元素含量分别增加18.3%和8.8%，说明未织构磨痕表面还伴随着发生一定程度的氧化磨损。图16(b)中，织构化试样C和O元素分别减少54.3%和41.9%，说明磨损程度低于未织构试件。未织构与织构轴承表面均发现了Fe元素，说明主轴发生了轻微的摩擦磨损。3.3表面织构滑动轴承摩擦学行为表面织构可减摩的重要原因其一是因为微凹坑作为二次润滑源与储存磨粒，减少磨粒磨损，可以起到良好的润滑减磨效果;其二是激光凹坑织构微造型时，光能转化的热能直接作用在表面促使局部区域的组织硬度发生硬化从而形成硬化层，使得表面织构动压滑动轴承在试验中表现出较好的耐磨性能。表面织构深径比越大，虽然存储润滑油与摩擦磨损颗粒越多，但是坑底至接触面的距离也增加了，进而影响了存储在凹坑内润滑油的流动性，最终导致表面织构产生的二次动压润滑效果减弱。因此，存在最佳织构深径比使减磨润滑效果最佳。一旦表面发生严重的摩擦将会引起磨损颗粒增多，最终使微凹坑被磨粒