趙濤,王優(yōu)強,b,莫君,朱玉玲,何彥,李夢杰
摩擦磨損與潤滑
織構協(xié)同磁流體對30CrMo3A合金摩擦性能的影響
趙濤a,王優(yōu)強a,b,莫君a,朱玉玲a,何彥a,李夢杰a
(青島理工大學 a.機械與汽車工程學院 b.工業(yè)流體節(jié)能與污染控制教育部重點實驗室,山東 青島 266520)
探究不同工況下織構與磁流體對齒輪合金摩擦學性能的影響,并分析其協(xié)同作用機理。采用納秒激光器在30CrMo3A合金表面構造圓形微織構圖案。利用UMT–3摩擦磨損實驗機分別測試了二酯基磁流體(MF)及其基載液(DOS)在潤滑條件下光滑齒輪合金表面(UT)和織構齒輪合金表面(TS)的摩擦學性能。利用激光共聚焦顯微鏡、掃描電鏡和能譜儀觀察并分析了不同磨損表面的表面形貌。與UT–DOS相比,TS–DOS、UT–MF和TS–MF均能表現(xiàn)出良好的減摩性能,其中,TS–DOS在低載條件下的減摩效果相對最好,摩擦因數(shù)降低了約26.2%,隨著載荷的增大,織構磨損嚴重,減摩效果減弱;TS–MF在不同載荷下的摩擦因數(shù)均能降低17%左右。TS–DOS的抗磨效果最好,在低載荷下基本無磨損,在重載荷下的磨損率最大降低了約60.6%,在高載荷下織構表面無法避免黏著磨損。二酯基磁流體會使磨損率增大,但能避免黏著磨損,在與織構的協(xié)同作用下,磨損率大幅下降??棙嬆軌蛴行Т鎯櫥秃湍バ迹帕黧w有“滾珠”效應,且能夠有效處理磨屑,兩者的結合提升了合金的摩擦學性能,但是高濃度磁流體中的Fe3O4磁性納米顆粒在較高載荷下易發(fā)生團聚,會加劇微磨削作用。
30CrMo3A齒輪合金;表面織構;二酯基磁流體;摩擦磨損;協(xié)同作用機理
齒輪作為航空傳動系統(tǒng)中的關鍵部件之一,其在運行過程中的可靠性、穩(wěn)定性對機械系統(tǒng)的運行性能至關重要。在以往的研究中,為了提高航空用齒輪的摩擦磨損性能,專家學者們主要通過2種方式實現(xiàn),一是對齒輪材料進行優(yōu)化,比如采用新材料[1-2]、優(yōu)化熱處理工藝[3-4]和使用表面涂層[5-6]等;二是優(yōu)化齒輪的供油方式[7-8]、齒輪結構[9]等。隨著這些技術的廣泛應用,進一步提高齒輪材料的摩擦磨損性能變得較困難,且這些方法通常存在成本高昂、耗時、耗力等缺點。
表面織構化技術被認為是提高摩擦副表面摩擦學性能的有效手段之一。Xu等[10]研究了在不同潤滑狀態(tài)下橢圓形織構表面的潤滑膜成形機理,并提出織構化表面形成的摩擦膜對摩擦磨損性能有著顯著影響。Zhang等[11]通過實驗研究認為,織構的減磨效應不僅是因為其潤滑劑儲存和碎片捕捉能力,還取決于織構的亞表層結構。在織構化齒輪表面的摩擦學性能研究中,蘇永生等[12]對齒面溝槽織構進行了有限元仿真,探究了不同溝槽織構參數(shù)對齒面最大應力的影響規(guī)律。朱佩元[13]采用了仿真與實驗的方法,研究結果表明,溝槽型織構能有效提高齒輪的抗膠合能力,提升其摩擦學性能。李浩[14]提出了基于分形理論的齒面構形設計,將數(shù)值分析、仿真與實驗相結合,為織構化齒輪設計提供了理論借鑒和方案參考。Petare等[15]比較了2種不同加工方式下齒輪的表面性能,結果表明,采用激光織構化處理齒輪表面,再輔以磨料拋光后,可以大幅提高齒輪的表面性能。
隨著磁流體技術的發(fā)展,越來越多學者開始關注磁流體在潤滑方面的應用。恭飛等[16]研究了不同配比的磁流體在不同條件下的摩擦學性能,驗證了磁流體代替?zhèn)鹘y(tǒng)液壓介質的可行性。Gao等[17-18]對不同形貌的Fe3O4納米顆粒進行了摩擦學性能研究,結果表明,片狀的Fe3O4納米顆粒表現(xiàn)出更好的摩擦學性能。Yang等[19]采用脈沖磁場處理硬質合金,對比了材料在不同潤滑介質下的摩擦磨損性能,結果表明,脈沖磁場可以提高合金的摩擦磨損性能,且在磁流體潤滑下,其性能可以得到進一步提升。在軸承磁流體潤滑方面,Hu等[20-21]探究了磁流體軸承的支撐和摩擦學性能,結果表明,在磁場條件下,磁流體空氣密封圈可以提供良好的支撐性,減小摩擦磨損。在此基礎上,Xu等[22]進一步探究了在乏油工況下磁流體空氣密封圈的性能,結果表明,在適當?shù)拇艌鰲l件下磁流體可以延遲乏油狀況的出現(xiàn)時間。
磁流體與織構的協(xié)同作用也引起了人們的廣泛關注。Chen等[23]制備的磁性陣列薄膜表面在高速條件下具有良好的摩擦學性能。Zhou等[24]在刀具表面加工微織構,并輔以磁流體潤滑,探究了織構與磁流體的協(xié)同作用機理。Zhang等[25]在Zhou的基礎上,進一步探究了磁場作用下刀具的切削和抗磨損性能。
由以上研究可知,磁流體技術和織構技術均引起了人們的廣泛關注。在不同領域的學者們已經開始注重將織構技術與磁流體潤滑相結合,旨在進一步提高摩擦副的摩擦學性能。在齒輪潤滑領域,學者們目前主要通過實驗和理論分析[26-27]的方法探究織構或磁流體的單一作用影響,并未將二者結合并探究其協(xié)同作用。筆者通過納秒激光器在航空齒輪材料表面加工微織構,并將磁流體應用于摩擦副表面,探究不同載荷下織構與磁流體的協(xié)同作用對航空齒輪材料30CrMo3A摩擦學性能的影響,并進一步分析其影響規(guī)律。
試樣采用航空用齒輪材料30CrMo3A,并經表面滲碳處理。試樣規(guī)格為30 mm×20 mm,表面粗糙度為0.02 μm,硬度約為750HV。將商用二酯基磁流體(簡稱MF)及其基載液癸二酸二異辛酯(簡稱DOS)作為潤滑劑,潤滑劑的物理化學性質如表1所示。
表1 潤滑劑的物理化學性質
Tab.1 Physiochemical properties of lubricating oil
激光表面技術具有加工速度快,精度高,無污染,可控制微織構的尺寸和形狀等優(yōu)點。采用納秒激光器加工圓形織構,織構加工參數(shù)如表2所示。經激光加工織構后,把試樣放在無水乙醇中超聲震蕩清洗10 min,再用氮氣吹干其表面,以去除加工過程中的雜質,最后用激光共聚焦顯微鏡觀察織構化表面(Textured Surface,簡稱TS)的形貌及尺寸,如圖1所示,織構直徑約為466 μm,最大深度約為50μm,中心間距約為670 μm,在凹坑邊緣及內部存在激光熔融物形成的凸起結構。采用EDS檢測圖1中、點的元素含量,發(fā)現(xiàn)點的氧元素略有增加。這是因為在激光高溫加工織構過程中,材料表面與空氣發(fā)生了氧化反應。
表2 納秒激光加工的激光參數(shù)
Tab.2 Laser parameters about nanosecond laser processing
采用UMT?3摩擦磨損實驗機進行往復摩擦磨損實驗,上試樣采用直徑為9.525 mm的氮化硅陶瓷球,下試樣為30CrMo3A合金試塊。往復行程距離為12 mm,頻率為1 Hz(速度為12 mm/s)。實驗施加的載荷分別為10、20、40、60、100 N,探究了低速低載、低速中載和低速重載等條件下,磁流體和織構對30CrMo3A齒輪硬質合金摩擦學性能的影響。在實驗前后均將試樣置于無水乙醇中超聲震蕩清洗10 min,并用氮氣吹干。每組實驗均重復進行3次實驗,取3次實驗穩(wěn)定階段的平均值,并計算平均摩擦因數(shù)(ACOF)。
采用激光共聚焦顯微鏡觀察磨痕,并計算磨痕的截面面積,采用式(1)計算磨損率。采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察磨痕的微觀形貌,并通過EDS觀測其化學元素的含量。
式中:W為磨損率,mm3/(N·m);V為磨損體積,mm3;F為加載力,N;S為滑動距離,m。
在不同載荷下,不同潤滑劑對30CrMo3A合金非織構表面(Untextured Surfac,UT)摩擦因數(shù)的影響如圖2所示。如圖2a所示,在低載荷下,UT–MF的摩擦因數(shù)先緩慢震蕩上升,然后趨于穩(wěn)定,其最大摩擦因數(shù)為0.14左右;UT–DOS的摩擦因數(shù)在前800 s時間內不斷上升,最后趨于穩(wěn)定,其最大摩擦因數(shù)超過了0.16。如圖2b、c所示,在中高載荷下,UT–MF的摩擦因數(shù)先緩慢下降,然后緩慢上升,其摩擦因數(shù)的震蕩區(qū)間為0.12~0.14,UT–DOS的摩擦因數(shù)的震蕩區(qū)間為0.14~0.16。由摩擦因數(shù)曲線可知,UT–MF在摩擦過程中的摩擦因數(shù)更低,且更穩(wěn)定,這意味著在MF潤滑下合金表面的減摩性能更優(yōu)。摩擦因數(shù)出現(xiàn)波動的原因可能是不同潤滑劑對摩擦接觸區(qū)之間磨屑的處理方式不同,DOS無法轉移磨屑,導致磨屑在摩擦副表面不斷黏結撕裂;MF能夠包覆轉移磨屑,隨著載荷的增大,摩擦接觸面的磨屑增多,導致其摩擦因數(shù)緩慢上升。
對比了不同載荷下,光滑合金表面在MF潤滑和DOS潤滑條件下的平均摩擦因數(shù)變化情況,如圖2d所示。由圖2d可知,在DOS潤滑條件下,合金表面的平均摩擦因數(shù)隨著載荷的增大,呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢,而在MF潤滑條件下摩擦因數(shù)相對穩(wěn)定,呈緩慢上升趨勢,其平均摩擦因數(shù)在載荷為20 N時最大降低了約17.5%。
在DOS潤滑條件下,織構表面(Textured Surface,TS)和非織構表面在不同載荷下的摩擦因數(shù)對比情況如圖3所示。可以看出,在低載荷(圖3a)和重載荷(圖3c)條件下,TS的摩擦因數(shù)更加穩(wěn)定,但在重載下,TS的摩擦因數(shù)會突然上升。這是由于載荷較大會導致織構在短時間內的磨損較嚴重,使得織構效應減弱。在中載荷下,TS的摩擦因數(shù)(圖3b)也體現(xiàn)出摩擦因數(shù)突然上升的特點,前期摩擦因數(shù)的上升是因為激光織構化產生的熔融峰不斷參與摩擦,而后期摩擦因數(shù)的上升是因為織構磨損嚴重??傮w而言,TS在不同載荷下的摩擦因數(shù)均低于UT的摩擦因數(shù),這說明織構表面在減摩方面優(yōu)于非織構表面。
TS–DOS和UT–DOS的平均摩擦因數(shù)變化情況如圖3d所示,隨著載荷的增大,織構表面的平均摩擦因數(shù)明顯上升。在低載荷條件下,織構效應最為明顯,與非織構表面相比,其平均摩擦因數(shù)最高降低了約26.2%。
DOS潤滑的非織構表面和MF潤滑的織構表面的摩擦因數(shù)對比情況如圖4所示。由圖4可知,在不同載荷下,經磁流體和織構協(xié)同作用后合金表面的摩擦因數(shù)均低于DOS潤滑下的非織構表面的摩擦因數(shù)。與UT–MF的摩擦因數(shù)曲線(圖2a、b)相比,TS–MF的摩擦因數(shù)曲線(圖4a、b)更加平穩(wěn);在高載荷下(圖4c),減輕了織構磨損,消除了摩擦因數(shù)突變(圖3c)。對比UT–MF(圖2d)、TS–DOS(圖3d)和TS–MF(圖4d)的平均摩擦因數(shù)可知,在低載荷下,TS–MF的平均摩擦因數(shù)介于UT–MF和TS–DOS的平均摩擦因數(shù)之間。隨著載荷的增大,TS–MF的平均摩擦因數(shù)基本不變,減摩效果優(yōu)于UT–MF和TS–DOS。這得益于磁流體和織構的協(xié)同作用,大幅減少了參與摩擦的磨屑,提高了減摩效果。在磁流體和織構的協(xié)同作用下,不同載荷下合金表面的平均摩擦因數(shù)均能降低17.5%左右。
圖2 DOS和MF潤滑條件下,光滑表面在不同載荷下的摩擦因數(shù)對比
圖3 DOS潤滑條件下織構表面和光滑表面在不同載荷下的摩擦因數(shù)對比
圖4 DOS潤滑的光滑表面和MF潤滑的織構表面在不同載荷下的摩擦因數(shù)對比
UT–DOS、UT–MF、TS–DOS和TS–MF的磨損量和磨損率隨載荷的變化情況如圖5a、b所示。由圖5a可知,UT–DOS、UT–MF、TS–DOS和TS–MF的磨損量均隨著載荷的增大而增大,其中UT–DOS的磨損量在載荷10~60 N下增長得較為穩(wěn)定,但在載荷100 N下,其磨損量突增。由此可見,在DOS潤滑下的光滑表面無法在高載荷下具有明顯的抗磨效果。TS–DOS在不同載荷下的磨損量相較于UT–DOS、UT–MF和TS–MF,表現(xiàn)為最低,其在載荷10 N下基本無磨損,隨著載荷的增大,織構被磨損,且摩擦副之間的磨屑增多,從而使磨損量增大,但其磨損量始終低于UT–DOS的磨損量。UT–MF和TS–MF在低載下的磨損量比UT–DOS的磨損量低,隨著載荷的增大,高濃度的MF更易發(fā)生團聚,無法發(fā)揮Fe3O4納米粒子的滾動軸承作用[19],且其磨削作用增強,因此UT–MF的磨損量急劇增大。雖然TS–MF的磨損量比UT–DOS的磨損量高,但遠低于UT–MF的磨損量,這主要取決于織構的抗磨作用。
由圖5b可知,隨著載荷的增大,TS–DOS一直保持低磨損率。這是因為在摩擦過程中,織構可以存儲磨屑,減小磨屑與基體之間的摩擦,從“三體磨損”變?yōu)椤岸w磨損”。在高載荷下,UT–DOS的磨損率會大幅增加,而UT–MF和TS–MF在中高載荷下一直保持著高磨損率。相較于UT–DOS,TS–DOS的抗磨效果更好,在低載荷下的磨損率可降低約96.9%,在高載荷下的磨損率最大可降低約60.6%;UT–MF在低載荷下的磨損率降低了約6.2%,在中高載荷下高濃度的MF會大幅加劇磨損;TS–MF在低載荷下的磨損率最大可降低約58.6%,在中載荷下磨損率會增加1倍左右,在高載荷下磨損率降低了約14.2%,表明磁流體會削弱織構的抗磨作用。
圖5 磨損量和磨損率隨載荷的變化情況
在載荷100 N下,30CrMo3A合金表面磨痕的整體形貌如圖6所示。由圖6a可知,在DOS潤滑下,摩擦區(qū)域存在大量黏附物,在摩擦過程中接觸區(qū)的潤滑劑被擠壓到兩側,從而使?jié)櫥湍ぷ儽11],易導致材料間的直接接觸,使得摩擦因數(shù)和磨損量上升。由圖6b可知,摩擦表面的黏附物明顯比光滑表面少,且基本集中在非織構區(qū)域,這說明織構具有抗黏結作用[28]和存儲磨屑的能力。在高載荷摩擦過程中,織構中的潤滑油還能持續(xù)供給摩擦副表面,減小摩擦磨損。相較于DOS潤滑(圖6c、d),以MF潤滑的磨損表面沒有出現(xiàn)大面積的黏附物,這說明MF比DOS具有更明顯的磨屑處理能力,MF可以將磨屑包覆,而其中的納米顆??蓪⒛バ紡哪Σ两佑|區(qū)去除[24],從而減少黏著磨損。在較大載荷下,摩擦副表面更易產生瞬時高溫,在摩擦副的極壓和瞬時高溫作用下,高濃度的磁流體易喪失穩(wěn)定性,導致Fe3O4納米粒子發(fā)生團聚,而大顆粒的團聚物反復參與摩擦,加劇了合金表面的磨損。由圖6d可知,由于織構的存在,提高了摩擦表面的散熱能力[28],減少了納米粒子間的團聚,且在摩擦副表面的部分大顆粒團聚物會進入織構內,不再參與摩擦,故TS–MF的磨損量遠低于UT–MF的磨損量。
在載荷100 N下30CrMo3A齒輪合金表面的局部磨痕形貌如圖7所示。由圖7a可知,在DOS潤滑下的光滑表面存在大量無法處理的磨屑黏附在合金表面,且表面有較深的犁溝,點的EDS檢測結果如圖8a所示,其氧元素的含量大幅增加,這說明磨屑反復參與了摩擦,發(fā)生了強烈的氧化反應,并最終形成黏附物,附著在磨損表面。事實上,磨屑在反復附著–撕裂的過程中會導致摩擦因數(shù)的上升,但磨屑黏附在材料表面能減少合金表面與陶瓷球之間的接觸,減小磨損。綜上所述,在DOS潤滑下光滑表面的磨損形式主要為氧化磨損、黏著磨損和磨粒磨損。圖7b中的犁溝明顯淺于圖7a中的犁溝,這也印證了前文所述織構具有磨屑存儲能力,減少了“三體磨損”,但其處理磨屑能力有限,在合金表面仍會發(fā)生黏著磨損。點的EDS檢測結果如圖8b所示,其氧元素的含量明顯高于未摩擦的合金表面,但低于圖7a中的點,說明在DOS潤滑下雖然織構表面也發(fā)生了氧化磨損,但其劇烈程度明顯低于DOS潤滑下的光滑表面;在DOS潤滑下織構表面的磨損形式與在DOS潤滑下光滑表面的磨損形式一致,但磨粒磨損、氧化磨損和黏著磨損明顯減弱。
圖6 在載荷100 N下30CrMo3A齒輪合金表面磨痕的整體形貌
圖7 在載荷100 N下30CrMo3A齒輪合金表面的局部磨痕形貌
在MF潤滑下光滑表面和織構表面的局部磨痕形貌如圖7c、d所示。整體而言,2種摩擦表面相對于DOS潤滑下的光滑表面,其犁溝明顯減少。這是由于磁流體能產生微滾珠效應,并吸附在材料表面,起到了減摩抗磨作用[29]。點的EDS檢測結果如圖8c、d所示,其元素含量與合金表面元素含量相差不大,說明在摩擦表面沒有發(fā)生強烈的氧化磨損,在MF潤滑下合金表面的磨損形式以磨粒磨損為主。
通過以上實驗研究可知,在30CrMo3A航空齒輪合金表面,織構和磁流體的協(xié)同作用能顯著影響其摩擦學性能,具體結論如下。
1)與UT–DOS相比,TS–DOS、UT–MF和TS–MF均能有效提高30CrMo3A航空齒輪合金材料的減摩性能。其中,在中低載荷條件下,織構作用效果更顯著,TS–DOS的摩擦因數(shù)最大降低了約26.2%。
2)在不同載荷下,經磁流體作用后齒輪合金光滑表面的平均摩擦因數(shù)變化平穩(wěn),經磁流體與織構協(xié)同作用后,能進一步提高齒輪合金表面的減摩性能。與UT–DOS相比,TS–MF的摩擦因數(shù)降低了17%左右,且在中高載荷條件下,TS–MF的減摩效果優(yōu)于TS–DOS。
3)織構能夠有效減小磨損,與UT–DOS相比,TS–DOS在不同的載荷下的抗磨效果更好,在低載荷下其磨損率可降低約96.9%,在高載荷下其磨損率最大可降低約60.6%。磁流體潤滑會加劇磨損,UT–MF在中高載荷下一直保持著高磨損率;在附加織構作用后,齒輪合金的磨損率有所下降,其在重載荷條件下的磨損率與UT–DOS相比,降低了約14.2%。
4)UT–DOS和TS–DOS的磨損形式主要為磨粒磨損、氧化磨損和黏著磨損,而UT–MF和TS–MF的磨損形式以磨粒磨損為主,說明磁流體能夠有效減少氧化磨損和黏著磨損。
[1] TRO? N, BRIMMERS J, BERGS T. Tool Wear in Dry Gear Hobbing of 20MnCr5Case-Hardening Steel, 42CrMo4Tempered Steel and EN-GJS-700-2 Cast Iron[J]. Wear, 2021, 476: 203737.
[2] 滕佰秋, 常春江. 航空發(fā)動機用新材料——16Cr3NiW-MoV-NbE齒輪鋼[J]. 航空發(fā)動機, 2003, 29(2): 34-37.
TENG Bai-qiu, CHANG Chun-jiang. New Material for Aeroengine—16Cr3NiWMoVNbE Gear Steel[J]. Aeroen-gine, 2003, 29(2): 34-37.
[3] 邱榮春, 陳葵, 文毅, 等. 航空齒輪材料16Cr3NiW-MoVNbE二次疊加滲碳熱處理工藝研究[J]. 機械傳動, 2020, 44(8): 165-170.
QIU Rong-chun, CHEN Kui, WEN Yi, et al. Research of Superimposed Carburizing Heat Treatment Process for Aviation Gear Material 16Cr3NiWMoVNbE[J]. Journal of Mechanical Transmission, 2020, 44(8): 165-170.
[4] HU Xuan, HUA Lin, HAN Xing-hui, et al. Effect of Heat Treatment Process on Microstructure and Crystallography of 20CrMnTiH Spur Bevel Gear[J]. Journal of Materials Engineering and Performance, 2020, 29(10): 6468-6483.
[5] BOBZIN K, BR?GELMANN T, KALSCHEUER C, et al. DLC Coated Spur Gears - Part Ⅱ: Coating Properties and Potential for Industrial Use[J]. Industrial Lubrication and Tribology, 2021, 73(4): 621-634.
[6] LIU Huai-ju, ZHU Cai-chao, WANG Zhan-jiang, et al. Investigation on the Effect of Coating Properties on Lubrication of a Coated Spur Gear Pair[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology, 2018, 232(3): 277-290.
[7] 魏松. 齒輪噴油潤滑試驗臺研制及測試研究[D]. 錦州: 遼寧工業(yè)大學, 2016.
WEI Song. Gear Injector Lubricating Test Bench Deve-lopment and Testing Research[D]. Jinzhou: Liaoning Uni-versity of Technology, 2016.
[8] 張瑞強, 劉少軍, 胡小舟. 供油壓力和滑油溫度對某航空齒輪潤滑噴嘴射流特性的影響[J]. 航空動力學報, 2016, 31(7): 1777-1784.
ZHANG Rui-qiang, LIU Shao-jun, HU Xiao-zhou. Ef-fects of Supply Pressure and Temperature of Oil on Jet Charac-teristics of Lubricating Nozzles for an Aviation Gears[J]. Journal of Aerospace Power, 2016, 31(7): 1777- 1784.
[9] SHI Yan-yan, YANG Rong, KONG Xiang-feng, et al. Study on Optimization Design Technique of Aviation Gear Body[J]. Applied Mechanics and Materials, 2013, 376: 371-376.
[10] XU Yu-fu, ZHENG Quan, ABUFLAHA R, et al. Influen-ce of Dimple Shape on Tribofilm Formation and Tribolo-gical Properties of Textured Surfaces under Full and Starved Lubrication[J]. Tribology International, 2019, 136: 267-275.
[11] ZHANG Zhi-hui, SHAO Fei-xian, LIANG Yun-hong, et al. Wear Behavior of Medium Carbon Steel with Biomi-metic Surface under Starved Lubricated Condi-tions[J]. Journal of Materials Engineering and Perfor-mance, 2017, 26(7): 3420-3430.
[12] 蘇永生, 齊國良, 李亮, 等. 齒輪仿生織構特征設計及有限元分析[J]. 潤滑與密封, 2021, 46(6): 65-70.
SU Yong-sheng, QI Guo-liang, LI Liang, et al. Design of Bionic Texture Features of Gear and Its Finite Element Analysis[J]. Lubrication Engineering, 2021, 46(6): 65-70.
[13] 朱佩元. 圓柱直齒輪溝槽微織構摩擦性能研究[D]. 廈門: 廈門理工學院, 2021: 34-72.
ZHU Pei-yuan. Research on Friction Performance of Cylindrical Spur Gear with Grooved Micro-Texture[D]. Xiamen: Xiamen University of Technology, 2021: 34-72.
[14] 李浩. 基于分形理論的齒面微織構設計及承載特性研究[D]. 合肥: 合肥工業(yè)大學, 2019: 40-84.
LI Hao. Research on Micro Texture and Bearing Proper-ties of Gear Surface Based on Fractal Theory[D]. Hefei: Hefei University of Technology, 2019: 40-84.
[15] PETARE A C, MISHRA A, PALANI I A, et al. Study of Laser Texturing Assisted Abrasive Flow Finishing for Enhancing Surface Quality and Microgeometry of Spur Gears[J]. The International Journal of Advanced Manu-facturing Technology, 2019, 101(1): 785-799.
[16] 恭飛, 吳張永, 朱啟晨, 等. NiFe2O4磁流體潤滑性實驗研究[J]. 材料導報, 2019, 33(S1): 126-131.
GONG Fei, WU Zhang-yong, ZHU Qi-chen, et al. Ex-peri--mental Study on the Lubricity of NiFe2O4Magnetic Fluid[J]. Materials Reports, 2019, 33(S1): 126-131.
[17] GAO Chuan-ping, WANG Yan-min, HU Da-wei, et al. Tribological Properties of Magnetite Nanoparticles with Various Morphologies as Lubricating Additives[J]. Jour-nal of Nanoparticle Research, 2013, 15(3): 1502.
[18] XIANG Long-hua, GAO Chuan-ping, WANG Yan-min, et al. Tribological and Tribochemical Properties of Magne-tite Nanoflakes as Additives in Oil Lubricants[J]. Par-ticuo-logy, 2014, 17: 136-144.
[19] YANG Yong-feng, YANG Yi, LIAO Cheng-zhi, et al. En-hancing Tribological Performance of Cemented Carbide (WC-12Co) by Pulsed Magnetic Field Treatment and Magnetofluid[J]. Tribology International, 2021, 161: 107086.
[20] WANG Zhuang, HU Zheng-dong, HUANG Wei, et al. Elastic Support of Magnetic Fluids Bearing[J]. Journal of Physics D: Applied Physics, 2017, 50(43): 435004.
[21] HU Zheng-dong, WANG Zhuang, HUANG Wei, et al. Supporting and Friction Properties of Magnetic Fluids Bearings[J]. Tribology International, 2019, 130: 334-338.
[22] XU Man-cheng, DAI Qing-wen, HUANG Wei, et al. Using Magnetic Fluids to Improve the Behavior of Ball Bearings under Starved Lubrication[J]. Tribology Interna-tional, 2020, 141: 105950.
[23] CHEN Wen, HUANG Wei, WANG Xiao-lei. Effects of Magnetic Arrayed Films on Lubrication Transition Pro-per-ties of Magnetic Fluid[J]. Tribology International, 2014, 72: 172-178.
[24] ZHOU Chi-chi, GUO Xu-hong, ZHANG Ke-dong, et al. The Coupling Effect of Micro-Groove Textures and Nanofluids on Cutting Performance of Uncoated Cemen-ted Carbide Tools in Milling Ti-6Al-4V[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2019, 271: 36-45.
[25] ZHANG Liang, GUO Xu-hong, ZHANG Ke-dong, et al. Enhancing Cutting Performance of Uncoated Cemented Carbide Tools by Joint-Use of Magnetic Nanofluids and Micro-Texture under Magnetic Field[J]. Journal of Mate-rials Processing Technology, 2020, 284: 116764.
[26] 菅光霄, 王優(yōu)強, 于曉, 等. 齒輪磁流體潤滑與動力學耦合研究[J]. 摩擦學學報, 2021, 41(3): 325-333.
JIAN Guang-xiao, WANG You-qiang, YU Xiao, et al. Cou--pling on Ferrofluid Lubrication and Dynamics of Gear System[J]. Tribology, 2021, 41(3): 325-333.
[27] 趙晶晶, 王優(yōu)強. 沖擊載荷下不同載液磁流體直齒圓柱齒輪的彈流潤滑數(shù)值分析[J]. 機床與液壓, 2019, 47(22): 20-23.
ZHAO Jing-jing, WANG You-qiang. Non-Steady-State EHL Analysis of Impact Load in Involute Spur Gear under Different Carrier Fluid Ferrofluid[J]. Machine Tool & Hydraulics, 2019, 47(22): 20-23.
[28] 林國志, 梁良. 表面微織構對WC-8Co在往復摩擦磨損中粘結-擴散磨損特性的影響[J]. 摩擦學學報, 2021, 41(5): 657-668.
LIN Guo-zhi, LIANG Liang. Effect of Surface Micro- Texturing on Adhesion-Diffusion Wear Behavior of WC- 8Co in Reciprocating Sliding[J]. Tribology, 2021, 41(5): 657-668.
[29] 廖思捷. 不銹鋼表面磁性織構潤滑特性的研究[D]. 南京: 南京航空航天大學, 2010: 56-57.
LIAO Si-jie. Study on Lubrication Performance of Stain-less Steel Surface with Magnetic Texture[D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2010: 56-57.
Effect of Textures and Magnetofluid Interaction on Tribological Properties of 30CrMo3A Alloy
a,a,b,a,a,a,a
(a. School of Mechanical and Automotive Engineering b. Key Lab of Industrial Fluid Energy Conservation and Pollution Control, Ministry of Education, Qingdao University of Technology, Shandong Qingdao 266520, China)
The coupling effect of magnetic fluid technology and texture technology has attracted extensive attention, but in the tribology of gear materials, scholars mainly explore the single effect of texture or magnetic fluid through experimental and theoretical analysis. This work aims to investigate the tribological properties of 30CrMo3A alloy affected by the interaction between texture and magnetic fluid, and analyze the coupling mechanism.
A circular microtexture pattern was formed on the surface of 30CrMo3A alloy by nanosecond laser. The diameter of the circular texture is about 466 μm, the maximum depth is about 50 μm, and the center distance is about 670 μm. The tribological properties of untextured surfaces (UT) and textured surfaces (TS) under the condition of diester based magnetic fluid (MF) and its base carrier fluid (DOS) lubrication were tested with UMT-3 friction and wear testing machine. The test frequency was 1 Hz, and the load was 10 N, 20 N, 40 N, 60 N and 100 N, respectively. LSCM was used to observe the wear scars and calculate the wear rate. SEM-EDS was used to observe and analyze the surface morphology of different wear marks, and the wear mechanism was obtained.
The results showed that compared with UT-DOS, TS-DOS, UT-MF and TS-MF all showed good antifriction performance. Among them, the average friction coefficient of TS-DOS decreased by 26.2% at low speed and low load. With the increase of load, the ability of the texture to store lubricating oil and abrasive chips decreased, and its average friction coefficient increased. The frictional coefficients of UT-MF and TS-MF were basically unchanged. Under the loading of 20 N, the average frictional coefficients of UT-MF were reduced by 17.5% at most, while under different loads, the average frictional coefficients of TS-MF can be reduced by 17.5%.
TS-DOS had the best anti-wear effect. There was almost no wear under low speed and low load conditions. With the increase of load, the texture was worn, and its anti-wear effect was weakened. The maximum wear rate of TS-DOS decreased by 60.6% under heavy load conditions. TS-MF had good wear resistance at low speed and low load as well as low speed and heavy load, with wear rate reduced by 58.6% and 14.2% respectively, while UT-MF only had wear resistance at low speed and low load.
The wear surface of UT-DOS has serious adhesive wear, oxidation wear and abrasive wear. The texture can effectively store lubricating oil and wear debris, so as to reduce the adhesion wear and oxidation wear of the wear surface. Therefore, the wear form of TS-DOS is mainly abrasive wear, accompanied by slight adhesion wear and oxidation wear. Under the condition of magnetic fluid lubrication, the magnetic fluid can cover and transfer the wear debris, and the wear surface of UT-MF and TS-MF has almost no adhesion wear and oxidation wear. The wear form of UT-MF and TS-MF is mainly abrasive wear. In addition, Fe3O4nanoparticles in the magnetic fluid can polish the worn surface more smoothly. However, Fe3O4nanoparticles in the magnetic fluid with high mass fraction tend to agglomerate under high load, which will aggravate the micro-grinding effect of the magnetic fluid.
30CrMo3A gear alloy; the surface texture; diester based magnetic fluid; friction and wear; coupling mechanism
TH117.1
A
1001-3660(2022)11-0196-09
10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.11.017
2021?11?25;
2022?01?11
2021-11-25;
2022-01-11
國家自然科學基金(51575289);山東省自然科學基金(ZR2021ME063)
National Natural Science Foundation of China (51575289); Natural Science Foundation of Shandong Province (ZR2021ME063)
趙濤(1996—),男,碩士,主要研究方向為工程摩擦學應用。
ZHAO Tao (1996-), Male, Master, Research focus: application of engineering tribology.
王優(yōu)強(1970—),男,博導,教授,主要研究方向為摩擦學與表界面工程。
WANG You-qiang (1970-), Male, Doctoral supervisor, Professor, Research focus: tribology and surface interface engineering.
趙濤, 王優(yōu)強, 莫君, 等. 織構協(xié)同磁流體對30CrMo3A合金摩擦性能的影響[J]. 表面技術, 2022, 51(11): 196-204.
ZHAO Tao, WANG You-qiang, MO Jun, et al. Effect of Textures and Magnetofluid Interaction on Tribological Properties of 30CrMo3A Alloy[J]. Surface Technology, 2022, 51(11): 196-204.
責任編輯:彭颋