專利名稱：：激光微造型與合金化復(fù)合改性的密封摩擦副及加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于一種改性的密封性摩擦副及表面復(fù)合改性方法，特別是一種激光微造型與合金化復(fù)合改性的密封摩擦副及加工方法。
背景技術(shù)：
：重載車輛的傳動機構(gòu)的動密封通常在高壓(P)、高速(V)、貧油苛刻條件下工作，由于密封壓力的增大，在啟動過程中，密封通常處于無油或少油狀態(tài)，不良的潤滑狀態(tài)對密封表面損傷較大，會加速失效。另外，平行接觸密封油膜承載能力有限，高壓下油膜厚度變薄，導(dǎo)致過多的金屬與金屬接觸，處于混合摩擦狀態(tài)，摩擦系數(shù)較高，磨損嚴(yán)重并導(dǎo)致燒損。為了改善機械密封的性能、延長密封壽命，密封技術(shù)工作者進行了密封表面微造型技術(shù)的研究，但絕大多數(shù)研究著重于表面微造型對流體潤滑膜厚度的影響，很少考慮微造型及與其它表面技術(shù)復(fù)合對耐磨性能的影響。國內(nèi)外已有激光表面微造型改善密封表面摩擦學(xué)性能方面的研究，并有一定量文獻。Estion對激光微造型端面密封的壽命進行了實驗研究，表明表面激光微造型后顯著提高了潤滑膜剛度和使用壽命(EtsionI，HalperinG.TribologyTransaction,2002，45(3):430~434)。于新奇等采用激光表面造型技術(shù)在機械密封環(huán)端面上加工出微孔，降低了端面機械密封的摩擦系數(shù)(于新奇，何松，蔡仁良，等。流體機械，2003，31(1):729)。專利CN101016949A公開了一種變分布多孔端面密封結(jié)構(gòu)，提高了密封的液膜剛度(彭旭東，李繼云，盛頌恩，白少先，發(fā)明專利CN101016949A)?，F(xiàn)有的研究均著重于提高全油潤滑條件下液膜的厚度和剛度，而沒考慮在貧油及干摩擦條件下對密封環(huán)耐磨性能的影響，更沒有考慮從材料表面改性的角度來改善貧油以及干摩擦條件下的磨損性能?？傊?，現(xiàn)有技術(shù)的缺陷為密封摩擦副在貧油和干摩擦條件下摩擦系數(shù)仍然較高，磨損嚴(yán)重。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種在貧油以及干摩擦狀態(tài)下具有低摩擦系數(shù)和良好耐磨性能的激光微造型與合金化復(fù)合改性的密封摩擦副及加工方法。3實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為一種激光微造型與合金化復(fù)合改性的密封摩擦畐IJ，該材料合金化表面包含微造型。該摩擦副材料合金化表面是等離子滲鉻或者滲鉬的表面。摩擦副材料表面的微造型為微孔或溝槽。一種基于上述的激光微造型與合金化復(fù)合改性的密封摩擦副的加工方法，包括以下步驟(1)將密封樣品拋光處理，并進行超聲清洗；(2)用脈沖激光器在拋光后的密封樣品表面刻蝕微造型；(3)將刻蝕微造型后的樣品滲鉬或者滲鉻處理。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點1)利用激光微造型降低密封摩擦副的摩擦系數(shù)，利用表面合金化提高表面耐磨性能2)激光表面微造型與表面合金化復(fù)合改性，改善了密封摩擦副在貧油以及干摩擦狀態(tài)下的摩擦磨損性能，貧油潤滑條件下，摩擦系數(shù)降低了20%以上，摩擦副的磨損率降低了40%以上；干摩擦條件下，摩擦系數(shù)降低了15%以上，摩擦副的磨損率降低了50%以上。圖1是本發(fā)明的激光微造型與合金化復(fù)合改性的密封摩擦副微造型為微孔的結(jié)構(gòu)圖。圖2是本發(fā)明的激光微造型與合金化復(fù)合改性的密封摩擦副微造型為溝槽的結(jié)構(gòu)圖。具體實施例方式本發(fā)明的一種激光微造型與合金化復(fù)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離子滲鉻或者滲鉬的表面。所述摩擦副材料表面的微造型為微孔，微孔直徑為100200pm，深度為2030hhi,微孔間距在300800tim之間，微孔面積密度在2.0%20.9%之間。所述摩擦副材料表面的微造型也可以為溝槽，溝槽長度為5mm，寬度為100拜，深度為20-30Pm，與摩擦方向垂直，放射狀等間距分布，溝槽之間的距離為500pm800fim?；谏鲜黾す馕⒃煨团c合金化復(fù)合改性的密封摩擦副的加工方法，包括以下步驟(l)將密封樣品拋光處理，并進行超聲清洗；將密封樣品拋光至粗糙度Ra為0.020.04pm，用丙酮進行超聲清洗。(2)用脈沖激光器在拋光后的密封樣品表面刻蝕微造型刻蝕微造型使用的脈沖激光器是Nd:YAG型脈沖激光器；激光波長為1064nm;激光輸出脈沖能量為30pJ/脈沖；激光脈沖頻率為1100Hz;激光脈沖寬度為450500ns。(3)將刻蝕微造型后的樣品滲鉬或者滲鉻處理。該步驟是在等離子滲金屬爐內(nèi)進行的，在處理過程中以純鉬或鉻為源極，源極電壓8001000V，以上述激光刻蝕微造型的密封摩擦副為陰極，陰極電壓為400500V;源極與陰極間的距離為20mm;工作氣氛為氬氣，壓強為4045Pa，材料表面溫度為800900°C，保溫時間為34h。下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進一步詳細(xì)的說明實施例1:將45鋼密封環(huán)(外徑44mm,內(nèi)徑36mm，厚8mm，硬度HRC25,其化學(xué)成分(wto/o)為C:0.46;Mm0.67;Si:0.28;P:0.017;S:0.025;Cr:0.04)拋光至Ra=0.020.04|xm，用丙酮超聲清洗3min;用波長為1064nm，輸出脈沖能量為30^J，脈沖頻率為1100Hz，脈沖寬度為450500ns的Nd:YAG脈沖激光器在密封材料表面加工如圖1所示的直徑為200^m、深度為20-30utm，周向距離為300nm,軸向距離為300pm,密度為20.9%的微孔。將刻蝕微造型的樣品放入15KW的雙輝等離子滲金屬爐，并作為陰極，以純鉻(4>100mmx5mm，純度99.9%)作為源極，陰極和源極距離為20mm,爐內(nèi)抽真空至1.0xl(T2Pa,充99.9%高純氬氣至4045Pa，當(dāng)氣壓達(dá)到預(yù)定值后，打開陰極電源，將電壓調(diào)至400500V，去除工件表面的油污和氧化膜，保持1530min，然后將源極電壓調(diào)至8001000V，在工件和源極之間產(chǎn)生雙層輝光，利用光電高溫計測試工件表面溫度，通過調(diào)整源極電壓將溫度控制在800900°C,保溫4h。達(dá)到設(shè)定時間后，關(guān)掉電源，讓工件隨爐冷卻。采用MG-2000高溫高速摩擦磨損試驗機，環(huán)/環(huán)式運動方式進行摩擦學(xué)性能測試。采用聚四氟乙烯環(huán)作上試樣(外徑巾44mm,內(nèi)徑36mm，厚8mm),微造型和合金化復(fù)合處理的密封材料作下試樣，將激光微造型化以及表面合金化后的密封材料試樣浸泡在潤滑油中12h，然后用離心機以200rpm的速度旋轉(zhuǎn)lmin去除多余的潤滑油，施加載荷為202000N，調(diào)整轉(zhuǎn)速為1002000rpm，對應(yīng)的線速度為0.25.0m/s，進行貧油摩擦潤滑實驗以及干摩擦實驗。密封摩擦副經(jīng)激光微造型與滲鉻復(fù)合改性后，摩擦磨損性能的結(jié)果如表1所示，貧油狀態(tài)下的摩擦系數(shù)由0.085降低為0.060,降低了29%，磨損率由12.3X10—7mm3/(Nm)降低為4.8Xl(T7mm3/(Nm),降低了60%:干摩擦狀態(tài)下的摩擦系數(shù)由0.210降低為0.145，降低了45%，磨損率由80.5Xl(T7mm3/(Nm)降低為28.8Xl(T7mm3/(Nm)，降低了64%。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>實施例2:將45鋼密封環(huán)(外徑44mm，內(nèi)徑36mm，厚8mm，硬度HRC25，其化學(xué)成分(wt%)為c:0.46;Mn:0.67;Si:0.28;P:0.017;S:0.025;Cr:0.04)拋光至Ra二0.020.04tim，用丙酮超聲清洗3min;用Nd:YAG脈沖激光器(激光波長1064nm;激光輸出脈沖能量30pJ;激光脈沖頻率1100Hz;激光脈沖寬度450500ns)在密封材料盤表面加工如圖1所示的直徑為100pm、深度為20-30um，周向距離為800|im，軸向距離為800pim,密度為2%的微孔。將經(jīng)過激光微造型的樣品放入15KW的雙輝等離子滲金屬爐，并作為陰極，以純鉬(cM00mmx5mm，純度99.9%)作為源極，陰極和源極距離為20mm，爐內(nèi)抽真空至1.0xl(T2Pa，充99.9%高純氬氣至4045Pa，當(dāng)氣壓達(dá)到預(yù)定值后，打開陰極電源，將電壓調(diào)至400500V,去除工件表面的油污和氧化膜，保持1530min，然后將源極電壓調(diào)至8001000V，在工件和源極之間產(chǎn)生雙層輝光，利用光電高溫計測試工件表面溫度，通過調(diào)整源極電壓將溫度控制在80090(TC，保溫4h。達(dá)到設(shè)定時間后，關(guān)掉電源，讓工件隨爐冷卻。采用MG-2000高溫高速摩擦磨損試驗機，環(huán)/環(huán)式運動方式進行摩擦學(xué)性能測試。采用聚四氟乙烯環(huán)作上試樣(外徑4)44mm，內(nèi)徑36mm，厚8mm)，微造型和合金化復(fù)合處理的密封材料作下試樣，將激光微造型化以及表面合金化后的密封材料試樣浸泡在潤滑油中12h，然后用離心機以200rpm的速度旋轉(zhuǎn)lmin去除多余的潤滑油，施加載荷為202000N，調(diào)整轉(zhuǎn)速為1002000rpm，對應(yīng)的線速度為0.25.0m/s，進行貧油摩擦潤滑實驗以及干摩擦實驗。密封摩擦副表面激光表面微造型與等離子滲鉬復(fù)合改性后的摩擦磨損性能如表2所示，經(jīng)微造型與滲鉬復(fù)合處理，貧油狀態(tài)下的摩擦系數(shù)由0.085降低為0.055，降低了35%,磨損率由12.3Xl(T7mm3/(Nm)降低為5.1Xl(r7mm3/(Nm)，降低了58%;干摩擦狀態(tài)下的摩擦系數(shù)由0.160降低為0.130，降低了18%,磨損率由80.5X10—7mm3/(Nm)降低為30.7Xl(T7mm3/(Nm)，降低了62%。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>實施例3:將45鋼環(huán)(外徑44mm，內(nèi)徑36mm，厚8mm,硬度HRC25,其化學(xué)成分(wt%)為C:0.46;Mn:0.67;Si:0.28;P:0.017;S:0.025;Cr:0.04)拋光至Ra二0.020.04nm，用丙酮超聲清洗3min;用Nd:YAG脈沖激光器(激光波長1064nm;激光輸出脈沖能量30|iJ;激光脈沖頻率1100Hz;激光脈沖寬度450ns)在密封材料表面加工如圖2所示的長度為5mm，寬度為100pm,深度為2030ym，與摩擦方向垂直，間距為500800nm的放射狀等間距分布的溝槽。將經(jīng)過激光微造型并拋光清洗后的樣品放入15KW的雙輝等離子滲金屬爐，并作為陰極，以純Mo((M00mmx5mm，純度99.9%)作為源極，陰極和源極距離為20mm，爐內(nèi)抽真空至1.0xl(T2Pa，充99.9%高純氬氣至4045Pa，當(dāng)氣壓達(dá)到預(yù)定值后，打開陰極電源，將電壓調(diào)至400500V，去除工件表面的油污和氧化膜，保持1530min，然后將源極電壓調(diào)至800V，在工件和源極之間產(chǎn)生雙層輝光，利用光電高溫計測試工件表面溫度，通過調(diào)整源極電壓將溫度控制在80(TC,保溫4h。達(dá)到設(shè)定時間后，先關(guān)掉源極電壓，15min后關(guān)掉陰極電壓，讓工件隨爐冷卻。采用MG-2000高溫高速摩擦磨損試驗機，環(huán)/環(huán)式運動方式進行摩擦學(xué)性能測試。采用聚四氟乙烯環(huán)作上試樣(外徑4)44mm，內(nèi)徑36mm,厚8mm),微造型和合金化復(fù)合處理的密封材料作下試樣，將激光微造型化以及表面合金化后的密封材料試樣浸泡在潤滑油中12h，然后用離心機以200rpm的速度旋轉(zhuǎn)lmin去除多余的潤滑油，施加載荷為202000N,調(diào)整轉(zhuǎn)速為1002000rpm，對應(yīng)的線速度為0.25.0m/s，進行貧油摩擦潤滑實驗以及干摩擦實驗。密封摩擦副激光表面微造型與表面滲鉬復(fù)合改性，摩擦磨損性能的結(jié)果如表3所示，經(jīng)微造型與滲鉬復(fù)合處理，貧油狀態(tài)下的摩擦系數(shù)由0.110降低為0.060，降低了45%,磨損率由17.3Xl(T7mm3/(Nm)降低為10.3Xl()-7mm3/(Nm),降低了40%;干摩擦狀態(tài)下的摩擦系數(shù)由0.190降低為0.160，降低了16%,磨損率由80.5Xl(T7mm3/(Nm)降低為29.9Xl(T7mm3/(Nm)，降低了63%。<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>權(quán)利要求1、一種激光微造型與合金化復(fù)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、根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光微造型與合金化復(fù)合改性的密封摩擦副，其特征在于，該摩擦副材料合金化表面是等離子滲鉻或者滲鉬的表面。3、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的激光微造型與合金化復(fù)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為微孔或者溝槽。4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的激光微造型與合金化復(fù)合改性的密封摩擦副，其特征在于，微孔直徑為100200jam，深度為2030pm,微孔間距在300800jum之間，微孔面積密度在2.0%20.9%之間。5、根據(jù)權(quán)利要求3所述的激光微造型與合金化復(fù)合改性的密封摩擦副，其特征在于，摩擦副材料表面的溝槽長度為5mm，寬度為100pm，深度為20-30ixm,與摩擦方向垂直，放射狀等間距分布，溝槽之間的距離為500pm800nm。6、一種基于權(quán)利要求1所述的激光微造型與合金化復(fù)合改性的密封摩擦副的加工方法，其特征在于，包括以下步驟(1)將密封樣品拋光處理，并迸行超聲清洗；(2)用脈沖激光器在拋光后的密封樣品表面刻蝕微造型；(3)將刻蝕微造型后的樣品滲鉬或者滲鉻處理。7、根據(jù)權(quán)利要求6所述的激光微造型與合金化復(fù)合改性的密封摩擦副的加工方法，其特征在于，步驟(l)中將密封樣品拋光至粗糙度Ra為0.020.04ttm,用丙酮進行超聲清洗。8、根據(jù)權(quán)利要求6所述的激光微造型與合金化復(fù)合改性的密封摩擦副的加工方法，其特征在于，步驟(2)中刻蝕微造型使用的脈沖激光器是Nd:YAG型脈沖激光器；激光波長為1064nm;激光輸出脈沖能量為30^J/脈沖；激光脈沖頻率為1100Hz;激光脈沖寬度為450500ns。9、根據(jù)權(quán)利要求6所述的激光微造型與合金化復(fù)合改性的密封摩擦副的加工方法，其特征在于，步驟(3)進行滲鉬或者滲鉻處理是在等離子滲金屬爐內(nèi)進行的，在處理過程中以純鉬或鉻為源極，源極電壓8001000V，以上述激光刻蝕微造型的密封摩擦副為陰極，陰極電壓為400500V;源極與陰極間的距離為20mm;工作氣氛為氬氣，壓強為4045Pa，材料表面溫度為800900°C，保溫時間為34h。全文摘要本發(fā)明公開了一種激光微造型與合金化復(fù)合改性的密封摩擦副及加工方法，該材料合金化表面包含微造型。該摩擦副材料合金化表面是等離子滲鉻或者滲鉬的表面。摩擦副材料表面的微造型為微孔或溝槽。一種基于上述密封摩擦副的加工方法，包括以下步驟，首先將密封樣品拋光處理，并進行超聲清洗；然后用脈沖激光器在拋光后的密封樣品表面刻蝕微造型；最后將刻蝕微造型后的樣品滲鉬或者滲鉻處理。本發(fā)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數(shù)，利用表面合金化提高表面耐磨性能；激光表面微造型與表面合金化復(fù)合改性，改善了密封摩擦副在貧油以及干摩擦狀態(tài)下的摩擦磨損性能；本發(fā)明的密封摩擦副的加工方法簡單易行，便于實施。文檔編號B24B1/00GK101526136SQ20091002923公開日2009年9月9日申請日期2009年4月7日優(yōu)先權(quán)日2009年4月7日發(fā)明者軼萬,戴基卉,李建亮,熊黨生申請人:南京理工大學(xué)