关键词:
高副接触
沟槽微织构
TiN涂层
协同作用
摩擦磨损性能
摘要:
表面织构技术与涂层技术在改善摩擦磨损性能上有着显著的效果,近几十年来一直是摩擦学领域的研究热点。目前,织构与涂层在面面低副接触情况下的摩擦学性能研究广泛存在,针对点面高副,线面高副接触下的研究相对来说比较少。而高副接触下的摩擦润滑是许多机器设备工作时的关键环节,因此,研究高副接触状态下织构与涂层的摩擦磨损性能是很有必要的。
本文以40Cr基体为研究对象,将沟槽织构和TiN涂层应用于基体表面,将流体仿真和实验相结合,研究在销盘摩擦副(点面高副接触)下织构与涂层对40Cr基体表面摩擦磨损性能的影响,最后拓展应用至40Cr齿轮,基于真实齿轮啮合(线线高副接触)展开了齿轮摩擦试验,主要开展了以下研究工作:
首先,开展沟槽微织构润滑性能仿真。在考虑空化效应条件下,对模型进行数值仿真分析,探究了沟槽深度与宽度对模型润滑油膜压力及其分布的影响规律。结果表明:沟槽织构的存在对油膜压力分布有很大影响;在微沟槽深度不变的条件下,随着沟槽宽度的增大,动压润滑效果先增强后减小,最佳宽度为450um。同样,保持沟槽宽度不变,随着深度的增加,动压润滑效果仍然是先增强后减小,最佳深度为10um。
其次,展开沟槽微织构40Cr试样的试验研究。采用激光加工将沟槽微织构图案制备于40Cr试样表面,通过摩擦磨损试验机进行销盘摩擦副下的摩擦试验;以摩擦系数,磨损量以及损伤形貌为性能指标,重点研究了沟槽微织构几何参数对40Cr表面摩擦性能的影响规律。结果表明:在中等沟槽宽度以及中等沟槽深度参数下有着较好的摩擦性能,与仿真结果相符,最优组沟槽参数为宽度450um,深度10um。
然后,开展了织构化涂层试样的试验研究。采用物理气相沉积技术分别在沟槽微织构40Cr试样和光滑40Cr试样表面沉积TiN涂层,同样通过摩擦磨损试验机进行销盘摩擦副下的摩擦试验;通过对摩擦系数,磨损量及损伤形貌的综合分析,研究分析了在单一TiN涂层作用下以及织构与涂层耦合作用下对40Cr试样的减摩抗磨规律。结果表明:沟槽微织构和TiN涂层的耦合作用大幅度地改善了40Cr基体表面的摩擦磨损性能,该表面摩擦系数达到最小,且涂层对基体起到保护作用,无明显磨损痕迹。
最后,从试样延伸拓展应用到真实齿轮,基于真实齿面进行对照组齿轮,沟槽微织构齿轮,织构化涂层齿轮的啮合试验。在前述研究的基础上,通过MFZG-1W型齿轮磨损试验机开展齿轮摩擦试验,以显微镜直接观察的齿面形貌以及齿面磨损率为性能指标,与对照组齿轮试验对比,比较单一织构作用与织构涂层耦合作用对40Cr齿轮齿面润滑和摩擦性能的影响。结果表明:相比于对照组齿轮齿面,沟槽织构齿轮和涂层织构齿轮齿面的磨损得到明显改善。