CN101526136A - 激光微造型与合金化复合改性的密封摩擦副及加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光微造型与合金化复合改性的密封摩擦副及加工方法，该材料合金化表面包含微造型。该摩擦副材料合金化表面是等离子渗铬或者渗钼的表面。摩擦副材料表面的微造型为微孔或沟槽。一种基于上述密封摩擦副的加工方法，包括以下步骤，首先将密封样品抛光处理，并进行超声清洗；然后用脉冲激光器在抛光后的密封样品表面刻蚀微造型；最后将刻蚀微造型后的样品渗钼或者渗铬处理。本发明的密封摩擦副利用激光微造型降低密封摩擦副的摩擦系数，利用表面合金化提高表面耐磨性能；激光表面微造型与表面合金化复合改性，改善了密封摩擦副在贫油以及干摩擦状态下的摩擦磨损性能；本发明的密封摩擦副的加工方法简单易行，便于实施。
Description
技术领域
本发明属于一种改性的密封性摩擦副及表面复合改性方法，特别是一种激光微造型与合金化复合改性的密封摩擦副及加工方法。
背景技术
重载车辆的传动机构的动密封通常在高压(P)、高速(V)、贫油苛刻条件下工作，由于密封压力的增大，在启动过程中，密封通常处于无油或少油状态，不良的润滑状态对密封表面损伤较大，会加速失效。另外，平行接触密封油膜承载能力有限，高压下油膜厚度变薄，导致过多的金属与金属接触，处于混合摩擦状态，摩擦系数较高，磨损严重并导致烧损。为了改善机械密封的性能、延长密封寿命，密封技术工作者进行了密封表面微造型技术的研究，但绝大多数研究着重于表面微造型对流体润滑膜厚度的影响，很少考虑微造型及与其它表面技术复合对耐磨性能的影响。
国内外已有激光表面微造型改善密封表面摩擦学性能方面的研究，并有一定量文献。Estion对激光微造型端面密封的寿命进行了实验研究，表明表面激光微造型后显著提高了润滑膜刚度和使用寿命(Etsion I，Halperin G.Tribology Transaction，2002，45(3)：430～434)。于新奇等采用激光表面造型技术在机械密封环端面上加工出微孔，降低了端面机械密封的摩擦系数(于新奇，何松，蔡仁良，等。流体机械，2003，31(1)：729)。专利CN101016949A公开了一种变分布多孔端面密封结构，提高了密封的液膜刚度(彭旭东，李继云，盛颂恩，白少先，发明专利CN101016949A)。现有的研究均着重于提高全油润滑条件下液膜的厚度和刚度，而没考虑在贫油及干摩擦条件下对密封环耐磨性能的影响，更没有考虑从材料表面改性的角度来改善贫油以及干摩擦条件下的磨损性能。
总之，现有技术的缺陷为：密封摩擦副在贫油和干摩擦条件下摩擦系数仍然较高，磨损严重。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在贫油以及干摩擦状态下具有低摩擦系数和良好耐磨性能的激光微造型与合金化复合改性的密封摩擦副及加工方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种激光微造型与合金化复合改性的密封摩擦副，该材料合金化表面包含微造型。该摩擦副材料合金化表面是等离子渗铬或者渗钼的表面。摩擦副材料表面的微造型为微孔或沟槽。
一种基于上述的激光微造型与合金化复合改性的密封摩擦副的加工方法，包括以下步骤：
(1)将密封样品抛光处理，并进行超声清洗；
(2)用脉冲激光器在抛光后的密封样品表面刻蚀微造型；
(3)将刻蚀微造型后的样品渗钼或者渗铬处理。
本发明与现有技术相比，其显著优点：1)利用激光微造型降低密封摩擦副的摩擦系数，利用表面合金化提高表面耐磨性能；2)激光表面微造型与表面合金化复合改性，改善了密封摩擦副在贫油以及干摩擦状态下的摩擦磨损性能，贫油润滑条件下，摩擦系数降低了20％以上，摩擦副的磨损率降低了40％以上；干摩擦条件下，摩擦系数降低了15％以上，摩擦副的磨损率降低了50％以上。
附图说明
图1是本发明的激光微造型与合金化复合改性的密封摩擦副微造型为微孔的结构图。
图2是本发明的激光微造型与合金化复合改性的密封摩擦副微造型为沟槽的结构图。
具体实施方式
本发明的一种激光微造型与合金化复合改性的密封摩擦副，摩擦副材料合金化表面包含微造型。所述摩擦副材料合金化表面是等离子渗铬或者渗钼的表面。所述摩擦副材料表面的微造型为微孔，微孔直径为100～200μm，深度为20～30μm，微孔间距在300～800μm之间，微孔面积密度在2.0％～20.9％之间。所述摩擦副材料表面的微造型也可以为沟槽，沟槽长度为5mm，宽度为100μm，深度为20-30μm，与摩擦方向垂直，放射状等间距分布，沟槽之间的距离为500μm～800μm。
基于上述激光微造型与合金化复合改性的密封摩擦副的加工方法，包括以下步骤：
(1)将密封样品抛光处理，并进行超声清洗；将密封样品抛光至粗糙度Ra为0.02～0.04μm，用丙酮进行超声清洗。
(2)用脉冲激光器在抛光后的密封样品表面刻蚀微造型；刻蚀微造型使用的脉冲激光器是Nd:YAG型脉冲激光器；激光波长为1064nm；激光输出脉冲能量为30μJ/脉冲；激光脉冲频率为1～100Hz；激光脉冲宽度为450～500ns。
(3)将刻蚀微造型后的样品渗钼或者渗铬处理。该步骤是在等离子渗金属炉内进行的，在处理过程中以纯钼或铬为源极，源极电压800～1000V，以上述激光刻蚀微造型的密封摩擦副为阴极，阴极电压为400～500V；源极与阴极间的距离为20mm；工作气氛为氩气，压强为40～45Pa，材料表面温度为800～900℃，保温时间为3～4h。
下面结合实施例对本发明做进一步详细的说明：
实施例1：将45钢密封环(外径44mm，内径36mm，厚8mm，硬度HRC25，其化学成分(wt％)为C：0.46；Mn：0.67；Si：0.28；P：0.017；S：0.025；Cr：0.04)抛光至Ra＝0.02～0.04μm，用丙酮超声清洗3min；
用波长为1064nm，输出脉冲能量为30μJ，脉冲频率为1～100Hz，脉冲宽度为450～500ns的Nd:YAG脉冲激光器在密封材料表面加工如图1所示的直径为200μm、深度为20-30μm，周向距离为300μm，轴向距离为300μm，密度为20.9％的微孔。
将刻蚀微造型的样品放入15KW的双辉等离子渗金属炉，并作为阴极，以纯铬(φ100mm×5mm，纯度99.9％)作为源极，阴极和源极距离为20mm，炉内抽真空至1.0×10-2Pa，充99.9％高纯氩气至40～45Pa，当气压达到预定值后，打开阴极电源，将电压调至400～500V，去除工件表面的油污和氧化膜，保持15～30min，然后将源极电压调至800～1000V，在工件和源极之间产生双层辉光，利用光电高温计测试工件表面温度，通过调整源极电压将温度控制在800～900℃，保温4h。达到设定时间后，关掉电源，让工件随炉冷却。
采用MG-2000高温高速摩擦磨损试验机，环/环式运动方式进行摩擦学性能测试。采用聚四氟乙烯环作上试样(外径φ44mm，内径36mm，厚8mm)，微造型和合金化复合处理的密封材料作下试样，将激光微造型化以及表面合金化后的密封材料试样浸泡在润滑油中12h，然后用离心机以200rpm的速度旋转1min去除多余的润滑油，施加载荷为20～2000N，调整转速为100～2000rpm，对应的线速度为0.2～5.0m/s，进行贫油摩擦润滑实验以及干摩擦实验。
密封摩擦副经激光微造型与渗铬复合改性后，摩擦磨损性能的结果如表1所示，贫油状态下的摩擦系数由0.085降低为0.060，降低了29％，磨损率由12.3×10-7mm3/(Nm)降低为4.8×10-7mm3/(Nm)，降低了60％；干摩擦状态下的摩擦系数由0.210降低为0.145，降低了45％，磨损率由80.5×10-7mm3/(Nm)降低为28.8×10-7mm3/(Nm)，降低了64％。
表1
实施例2：将45钢密封环(外径44mm，内径36mm，厚8mm，硬度HRC25，其化学成分(wt％)为C：0.46；Mn：0.67；Si：0.28；P：0.017；S：0.025；Cr：0.04)抛光至Ra＝0.02～0.04μm，用丙酮超声清洗3min；
用Nd:YAG脉冲激光器(激光波长：1064nm；激光输出脉冲能量：30μJ；激光脉冲频率：1～100Hz；激光脉冲宽度：450～500ns)在密封材料盘表面加工如图1所示的直径为100μm、深度为20-30μm，周向距离为800μm，轴向距离为800μm，密度为2％的微孔。
将经过激光微造型的样品放入15KW的双辉等离子渗金属炉，并作为阴极，以纯钼(φ100mm×5mm，纯度99.9％)作为源极，阴极和源极距离为20mm，炉内抽真空至1.0×10-2Pa，充99.9％高纯氩气至40～45Pa，当气压达到预定值后，打开阴极电源，将电压调至400～500V，去除工件表面的油污和氧化膜，保持15～30min，然后将源极电压调至800～1000V，在工件和源极之间产生双层辉光，利用光电高温计测试工件表面温度，通过调整源极电压将温度控制在800～900℃，保温4h。达到设定时间后，关掉电源，让工件随炉冷却。
采用MG-2000高温高速摩擦磨损试验机，环/环式运动方式进行摩擦学性能测试。采用聚四氟乙烯环作上试样(外径φ44mm，内径36mm，厚8mm)，微造型和合金化复合处理的密封材料作下试样，将激光微造型化以及表面合金化后的密封材料试样浸泡在润滑油中12h，然后用离心机以200rpm的速度旋转1min去除多余的润滑油，施加载荷为20～2000N，调整转速为100～2000rpm，对应的线速度为0.2～5.0m/s，进行贫油摩擦润滑实验以及干摩擦实验。
密封摩擦副表面激光表面微造型与等离子渗钼复合改性后的摩擦磨损性能如表2所示，经微造型与渗钼复合处理，贫油状态下的摩擦系数由0.085降低为0.055，降低了35％，磨损率由12.3×10-7mm3/(Nm)降低为5.1×10-7mm3/(Nm)，降低了58％；干摩擦状态下的摩擦系数由0.160降低为0.130，降低了18％，磨损率由80.5×10-7mm3/(Nm)降低为30.7×10-7mm3/(Nm)，降低了62％。
表2
实施例3：将45钢环(外径44mm，内径36mm，厚8mm，硬度HRC25，其化学成分(wt％)为C：0.46；Mn：0.67；Si：0.28；P：0.017；S：0.025；Cr：0.04)抛光至Ra＝0.02～0.04μm，用丙酮超声清洗3min；
用Nd:YAG脉冲激光器(激光波长：1064nm；激光输出脉冲能量：30μJ；激光脉冲频率：1～100Hz；激光脉冲宽度：450ns)在密封材料表面加工如图2所示的长度为5mm，宽度为100μm，深度为20～30μm，与摩擦方向垂直，间距为500～800μm的放射状等间距分布的沟槽。
将经过激光微造型并抛光清洗后的样品放入15KW的双辉等离子渗金属炉，并作为阴极，以纯Mo(φ100mm×5mm，纯度99.9％)作为源极，阴极和源极距离为20mm，炉内抽真空至1.0×10-2Pa，充99.9％高纯氩气至40～45Pa，当气压达到预定值后，打开阴极电源，将电压调至400～500V，去除工件表面的油污和氧化膜，保持15～30min，然后将源极电压调至800V，在工件和源极之间产生双层辉光，利用光电高温计测试工件表面温度，通过调整源极电压将温度控制在800℃，保温4h。达到设定时间后，先关掉源极电压，15min后关掉阴极电压，让工件随炉冷却。
采用MG-2000高温高速摩擦磨损试验机，环/环式运动方式进行摩擦学性能测试。采用聚四氟乙烯环作上试样(外径φ44mm，内径36mm，厚8mm)，微造型和合金化复合处理的密封材料作下试样，将激光微造型化以及表面合金化后的密封材料试样浸泡在润滑油中12h，然后用离心机以200rpm的速度旋转1min去除多余的润滑油，施加载荷为20～2000N，调整转速为100～2000rpm，对应的线速度为0.2～5.0m/s，进行贫油摩擦润滑实验以及干摩擦实验。
密封摩擦副激光表面微造型与表面渗钼复合改性，摩擦磨损性能的结果如表3所示，经微造型与渗钼复合处理，贫油状态下的摩擦系数由0.110降低为0.060，降低了45％，磨损率由17.3×10-7mm3/(Nm)降低为10.3×10-7mm3/(Nm)，降低了40％；干摩擦状态下的摩擦系数由0.190降低为0.160，降低了16％，磨损率由80.5×10-7mm3/(Nm)降低为29.9×10-7mm3/(Nm)，降低了63％。
表3
Claims (9)
1、一种激光微造型与合金化复合改性的密封摩擦副，其特征在于，摩擦副材料合金化表面包含微造型。
2、根据权利要求1所述的激光微造型与合金化复合改性的密封摩擦副，其特征在于，该摩擦副材料合金化表面是等离子渗铬或者渗钼的表面。
3、根据权利要求1或2所述的激光微造型与合金化复合改性的密封摩擦副，其特征在于，摩擦副材料表面的微造型为微孔或者沟槽。
4、根据权利要求3所述的激光微造型与合金化复合改性的密封摩擦副，其特征在于，微孔直径为100～200μm，深度为20～30μm，微孔间距在300～800μm之间，微孔面积密度在2.0％～20.9％之间。
5、根据权利要求3所述的激光微造型与合金化复合改性的密封摩擦副，其特征在于，摩擦副材料表面的沟槽长度为5mm，宽度为100μm，深度为20-30μm，与摩擦方向垂直，放射状等间距分布，沟槽之间的距离为500μm～800μm。
6、一种基于权利要求1所述的激光微造型与合金化复合改性的密封摩擦副的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将密封样品抛光处理，并进行超声清洗；
(2)用脉冲激光器在抛光后的密封样品表面刻蚀微造型；
(3)将刻蚀微造型后的样品渗钼或者渗铬处理。
7、根据权利要求6所述的激光微造型与合金化复合改性的密封摩擦副的加工方法，其特征在于，步骤(1)中将密封样品抛光至粗糙度Ra为0.02～0.04μm，用丙酮进行超声清洗。
8、根据权利要求6所述的激光微造型与合金化复合改性的密封摩擦副的加工方法，其特征在于，步骤(2)中刻蚀微造型使用的脉冲激光器是Nd:YAG型脉冲激光器；激光波长为1064nm；激光输出脉冲能量为30μJ/脉冲；激光脉冲频率为1～100Hz；激光脉冲宽度为450～500ns。
9、根据权利要求6所述的激光微造型与合金化复合改性的密封摩擦副的加工方法，其特征在于，步骤(3)进行渗钼或者渗铬处理是在等离子渗金属炉内进行的，在处理过程中以纯钼或铬为源极，源极电压800～1000V，以上述激光刻蚀微造型的密封摩擦副为阴极，阴极电压为400～500V；源极与阴极间的距离为20mm；工作气氛为氩气，压强为40～45Pa，材料表面温度为800～900℃，保温时间为3～4h。
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