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(1. 太原理工大學(xué)新型傳感器與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西太原 030024； 2. 太原理工大學(xué)教育部新材料界面科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西太原 030024; 3. 太原理工大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院， 山西太原 030024)

引言

軸向柱塞泵具有工作壓力高、效率高、壽命長(zhǎng)以及易于變量控制等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、船舶和航空航天等領(lǐng)域。軸向柱塞泵配流副不僅要同時(shí)滿足支撐、密封和配流多重功能，同時(shí)還需具備摩擦系數(shù)小、 磨損率低等特點(diǎn)， 以提高整泵的工作效率和使用壽命。

國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)軸向柱塞泵配流副摩擦磨損特性開(kāi)展了大量研究[1]。趙存然等[2]采用 MMU-10端面摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)研究了某航空軸向柱塞泵配流副(材料為PEEK-38CrMoAlA)在3#航空煤油介質(zhì)中的摩擦磨損特性。ZHU等[3]研究了低速工況下表面形貌對(duì)配流副摩擦磨損特性的影響規(guī)律，結(jié)果表明表面光滑的硬材料可以防止軟材料附著，顯著提升摩擦副的摩擦磨損性能。

韓國(guó)航空航天大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)在基體材料為AISI 4340的配流盤(pán)表面添加PVD TiN[4], duplex TiN[5]，CrSiN[6]和 Cr-X-N (X=Si,Zr)[7]涂層，并利用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試其摩擦特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在低速條件下配流副摩擦特性得到改善。周杰等[8]就海水徑向柱塞泵陶瓷摩擦副的摩擦學(xué)性能開(kāi)展研究，得出ZrO2與17-4PH配對(duì)適合作為海水環(huán)境中接觸摩擦副配對(duì)材料。

李陽(yáng)等[9]利用自行研制的配流副摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)在150～750 r/min 轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)研究了織構(gòu)化配流副的摩擦磨損特性，研究結(jié)果表明：設(shè)計(jì)合理的表面織構(gòu)能有效減小摩擦系數(shù)和磨損量。鄧海順等[10]研究了低壓區(qū)織構(gòu)化配流副的摩擦特性，發(fā)現(xiàn)低壓區(qū)表面織構(gòu)能降低配流副摩擦系數(shù)，最大減摩率可達(dá)29.1%。WU等[11-12]在海水潤(rùn)滑條件下研究了仿生非光滑表面對(duì)高壓海水柱塞泵中玻璃纖維環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料和316 L不銹鋼組成的摩擦副的摩擦磨損特性，研究結(jié)果表明：仿生非光滑表面類似于表面織構(gòu)可以提高摩擦副的潤(rùn)滑效果，其中半球形凹坑效果最佳，可以使摩擦系數(shù)降低63.18%(1000 r/min)或43.29% (1200 r/min)，同時(shí)磨損狀況也有改善。

由上述研究文獻(xiàn)可得出當(dāng)前對(duì)柱塞泵配流副摩擦磨損特性的研究成果大多是基于中低轉(zhuǎn)速工況(≤1500 r/min)下得出，而目前的柱塞泵產(chǎn)品額定轉(zhuǎn)速都在1500 r/min以上，部分產(chǎn)品甚至高達(dá)3000 r/min。高轉(zhuǎn)速會(huì)使得配流副表面摩擦發(fā)熱增加，溫度升高從而加快配流副的磨損。因此有必要就配流副在高轉(zhuǎn)速工況下的摩擦磨損特性進(jìn)行進(jìn)一步研究。

基于以上原因，針對(duì)目前配流盤(pán)/缸體摩擦副在高轉(zhuǎn)速工況下摩擦磨損特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并分析在高轉(zhuǎn)速工況下配流副的磨損機(jī)理。實(shí)驗(yàn)選用配流副常用銅材之一的CuPb15Sn5作為研究對(duì)象模擬缸體；選用38CrMoAl模擬配流盤(pán)。通過(guò)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)模擬柱塞泵配流副工況，摩擦副采用盤(pán)-環(huán)接觸，模擬配流副密封帶接觸形式。利用測(cè)得的摩擦系數(shù)、磨損量、表面形貌等數(shù)據(jù)結(jié)合試樣表面物相和微觀結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，分析在高轉(zhuǎn)速工況下配流副表面磨損機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本次實(shí)驗(yàn)采用MMU-10H微機(jī)控制摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試配流副在高轉(zhuǎn)速條件下摩擦磨損特性，試驗(yàn)機(jī)原理如圖1所示。上試樣安裝在主軸上，主軸由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)模擬柱塞泵缸體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，主軸轉(zhuǎn)速范圍0～2000 r/min。下試樣固定于油盒底部模擬配流盤(pán)，摩擦副負(fù)載力由液壓油缸加載，最大加載力10000 N。潤(rùn)滑介質(zhì)為L(zhǎng)-HM46抗磨液壓油，油盒內(nèi)潤(rùn)滑介質(zhì)由潤(rùn)滑油泵通過(guò)管路供應(yīng)，流量可調(diào)，回油通過(guò)油管回到油箱。實(shí)驗(yàn)時(shí)摩擦系數(shù)由力矩傳感器測(cè)量得到的數(shù)據(jù)間接計(jì)算獲得；試驗(yàn)力、轉(zhuǎn)速的控制和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集均由計(jì)算機(jī)控制，采樣頻率10 Hz。

圖1 試驗(yàn)機(jī)原理圖

圖2 試樣示意圖

1.2 試樣加工

試樣示意圖如圖2所示，上試樣材料選用柱塞缸體表面常用材料之一的CuPb15Sn5，下試樣選用配流盤(pán)常用材料38CrMoAl，按照配流盤(pán)生產(chǎn)要求調(diào)制預(yù)處理后再進(jìn)行滲氮(Quenching Tempering and Nitriding Treatment，QTN)，之后對(duì)表面進(jìn)行研磨。實(shí)驗(yàn)設(shè)置2組對(duì)照組，分別為38CrMoAl原材料未熱處理(Not Heat Treatment, NHT)試樣和滲氮處理(Nitriding Treatment, NT)試樣(未調(diào)質(zhì))，其余加工工藝與實(shí)驗(yàn)組一致。試樣表面硬度統(tǒng)一為維氏硬度計(jì)在10 kg加載力下5次測(cè)量求得的平均值，各試樣硬度見(jiàn)表1。上試樣表面粗糙度為0.2 μm，下試樣表面粗糙度為0.4 μm，上下試樣原始形貌如圖3所示。

表1 試樣表面硬度

圖3 上下試樣表面形貌

1.3 實(shí)驗(yàn)流程

所有實(shí)驗(yàn)均在預(yù)定工況下，上試樣相對(duì)下試樣轉(zhuǎn)動(dòng)27430 r，轉(zhuǎn)化為滑動(dòng)距離2000 m(滑動(dòng)距離根據(jù)實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)數(shù)和摩擦表面平均直徑計(jì)算)。實(shí)驗(yàn)時(shí)通過(guò)潤(rùn)滑泵供應(yīng)潤(rùn)滑油，潤(rùn)滑油選用國(guó)內(nèi)液壓系統(tǒng)廣泛使用的L-HM 46抗磨液壓油，潤(rùn)滑油流量為1.5 mL/s。實(shí)驗(yàn)配對(duì)方式如表2所示。由于溫度會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果尤其是磨損率產(chǎn)生較大影響，且實(shí)驗(yàn)時(shí)摩擦副發(fā)熱會(huì)造成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)溫度升高， 因此每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束以后對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行充分冷卻后進(jìn)行下一組實(shí)驗(yàn)， 確保每次實(shí)驗(yàn)初始溫度為(23±1) ℃。為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確可靠，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。所有試樣在實(shí)驗(yàn)前后均用丙酮溶液超聲清洗10 min后再用酒精清洗，清洗后烘干稱重。稱重選用精度為0.0001 g的分析天平，每個(gè)試樣需要稱重5次并計(jì)算平均值。實(shí)驗(yàn)后使用超景深顯微鏡(VHX-600)觀測(cè)試樣表面形貌。

表2 實(shí)驗(yàn)分組方式

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 材料特性

使用XRD對(duì)下試樣表面物相進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。對(duì)照2組下試樣檢測(cè)結(jié)果表明試樣表面存在少量氮化物，這是由于試樣在滲氮后試樣表面生成的氮化物在后續(xù)表面研磨時(shí)并沒(méi)有完全除去。除此之外其余2組下試樣的物相檢測(cè)結(jié)果一致，都沒(méi)有氮化物存在。

圖4 下試樣X(jué)RD衍射圖譜

圖5 下試樣截面金相圖

上述下試樣垂直表面切開(kāi)，將截面打磨拋光后用4%硝酸酒精溶液腐蝕，使用金相顯微鏡觀察試樣表層截面金相組織，如圖5所示。對(duì)照1組和對(duì)照2組試樣沒(méi)有經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理，因此試樣表面金相組織一致，均為珠光體和鐵素體。實(shí)驗(yàn)1組調(diào)質(zhì)處理使得金相組織轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w，回火索氏體碳化物分散度更大，表面組織細(xì)化。

2.2 不同工況下摩擦特性對(duì)比

該實(shí)驗(yàn)條件下的試樣配對(duì)方式同實(shí)驗(yàn)1組；由于上、下試樣硬度差較大，磨損主要發(fā)生在上試樣，故對(duì)比磨損率時(shí)只計(jì)算上試樣磨損率?？紤]到柱塞泵的壽命通常按照工作時(shí)間計(jì)算，對(duì)應(yīng)于配流副滑動(dòng)距離，因此磨損率采用單位滑動(dòng)距離摩擦副的質(zhì)量損失計(jì)算，單位為mg/m。

首先研究實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速對(duì)配流副摩擦磨損特性的影響，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)選取實(shí)驗(yàn)壓力為設(shè)置3 MPa，實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速分別為500 r/min和1800 r/min。如圖6和圖7所示分別為上述2種轉(zhuǎn)速工況下的上試樣表面形貌和上試樣磨損率，由此可以發(fā)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)壓力一致時(shí)增加轉(zhuǎn)速會(huì)使摩擦副磨損率增加，且試樣表面會(huì)發(fā)生粘著磨損。因?yàn)檩^高的轉(zhuǎn)速使得摩擦表面溫度升高，摩擦副在高溫下更容易發(fā)生粘著磨損。因此高轉(zhuǎn)速工況下的摩擦副對(duì)材料的摩擦特性有更高的要求。

圖6 500 r/min和1800 r/min兩種轉(zhuǎn)速上試樣表面形貌

圖7 500 r/min和1800 r/min兩種轉(zhuǎn)速磨損率

當(dāng)轉(zhuǎn)速為1800 r/min時(shí)，改變加載壓力，可得到不同壓力條件下的磨損率，經(jīng)過(guò)擬合得到如圖8所示的磨損率曲線，從曲線可以看出磨損率隨壓力的增加是非線性的，在轉(zhuǎn)速較低時(shí)磨損率的增加并不明顯，當(dāng)壓力超過(guò)2.5 MPa后磨損率曲線斜率增加磨損加劇。

圖8 轉(zhuǎn)速為1800 r/min時(shí)不同實(shí)驗(yàn)壓力條件下磨損率曲線

基于以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選擇2.5 MPa，1800 r/min為后續(xù)高轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)基本實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

2.3 高轉(zhuǎn)速條件下摩擦磨損結(jié)果分析

1) 摩擦系數(shù)與磨損率

實(shí)驗(yàn)?zāi)Σ料禂?shù)如圖9所示。從實(shí)驗(yàn)?zāi)Σ料禂?shù)曲線可以得出在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始階段，對(duì)照1組的摩擦系數(shù)在實(shí)驗(yàn)初期從0.06逐漸增加至0.1，在實(shí)驗(yàn)距離達(dá)到800 m時(shí)摩擦系數(shù)迅速增加至0.12，并出現(xiàn)大幅波動(dòng)，最高值甚至達(dá)到0.15。對(duì)照2組和實(shí)驗(yàn)1組摩擦系數(shù)均在0.07～0.08之間，與對(duì)照2組相比實(shí)驗(yàn)1組更加穩(wěn)定，摩擦系數(shù)波動(dòng)更小摩擦過(guò)程更加平穩(wěn)。

圖9 摩擦系數(shù)

圖10為各組實(shí)驗(yàn)?zāi)p率，由該圖可以看出實(shí)驗(yàn)?zāi)p率結(jié)果與摩擦系數(shù)結(jié)果一致，實(shí)驗(yàn)1組上試樣磨損率最低且比2個(gè)對(duì)照組分別減小69%和57%。

圖10 實(shí)驗(yàn)?zāi)p率對(duì)比

2) 磨損表面形貌分析

對(duì)試驗(yàn)后所有試樣的表面形貌進(jìn)行觀測(cè)，各試樣表面形貌差別很大。如圖11所示為實(shí)驗(yàn)后試樣的表面形貌圖。對(duì)照1組上試樣表面已經(jīng)完全破壞，試樣表面粘著磨損嚴(yán)重，銅從試樣表面剝離留下的凹坑直徑超過(guò)198 μm，磨料磨損產(chǎn)生的表面犁溝寬度也超過(guò)70 μm，與之對(duì)應(yīng)的下試樣同樣出現(xiàn)了嚴(yán)重磨損，試樣表面粗糙峰消失，而且出現(xiàn)寬度大于100 μm的犁溝，犁溝內(nèi)有銅顆粒粘附在表面。對(duì)照2組表面磨損程度較輕，上試樣表面犁溝較淺，但仍然出現(xiàn)多處明顯的粘著磨損，除此之外上試樣表面出現(xiàn)塑性變形；下試樣表面局部粗糙峰徹底消失表面更加光滑，且有銅顆粒呈片狀積聚粘附在試樣表面，這些粘附在下試樣表面的銅在壓力作用下會(huì)和上試樣接觸，使上試樣表面發(fā)生粘著磨損或者擠壓其表面使之產(chǎn)生壓痕(塑性變形)。實(shí)驗(yàn)1組的表面磨損程度最輕，上試樣表面發(fā)生輕微的粘著磨損且沒(méi)有出現(xiàn)犁溝和塑性變形，整個(gè)表面有很好的光潔度；下試樣表面與上試樣類似，表面更加光滑且沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的銅顆粒粘著。

圖11 試樣表面形貌

3 磨損機(jī)理分析

當(dāng)38CrMoAl不進(jìn)行熱處理時(shí)，配對(duì)副的抗磨損性能最差，實(shí)驗(yàn)初期磨損產(chǎn)生的銅屑會(huì)粘附在38CrMoAl表面并逐漸積累，摩擦副出現(xiàn)銅-銅接觸進(jìn)而產(chǎn)生粘著磨損。粘著磨損使銅試樣表面粗糙度增加，由于摩擦副2表面硬度差較小，粗糙的銅試樣在38CrMoAl表面形成犁溝，加劇摩擦副的磨損。

在滲氮后，下試樣表面組織特性并沒(méi)有改變，只是材料硬度大幅提高，更加耐磨。對(duì)于38CrMoAl，銅在其表面積聚成片狀使之更容易與銅試樣發(fā)生粘著磨損或者擠壓銅試樣使之產(chǎn)生塑性變形，但由于38CrMoAl硬度極高，磨損破壞的銅試樣表面并不會(huì)在38CrMoAl表面產(chǎn)生犁溝。

實(shí)驗(yàn)組調(diào)質(zhì)預(yù)處理再滲氮，下試樣表面組織細(xì)化，碳化物分布均勻，表面特性得到改善。由于下試樣表面特性的改善，磨粒磨損產(chǎn)生的銅屑只有極少部分會(huì)粘附在下試樣表面，并不會(huì)出現(xiàn)大量銅顆粒積聚的現(xiàn)象,在摩擦副工作時(shí)不會(huì)出現(xiàn)銅-銅接觸。因此銅試樣不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的粘著磨損也沒(méi)有出現(xiàn)塑性變形和犁溝，表面光潔度良好。

4 結(jié)論

(1) 轉(zhuǎn)速會(huì)影響配流副的摩擦磨損特性，高轉(zhuǎn)速工況下配流副更易發(fā)生粘著磨損；增加壓力也會(huì)加快配流副磨損，但壓力對(duì)配流副磨損率的影響是非線性的，當(dāng)壓力超過(guò)2.5 MPa配流副磨損率急劇增加；

(2) 高轉(zhuǎn)速條件下，38CrMoAl在經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)和滲氮后與CuPb15Sn5組成的配流副具有優(yōu)良的摩擦磨損性能，使得配流副磨損率比38CrMoAl未經(jīng)熱處理和只滲氮處理分別降低69%和57%，有助于提高配流副的工作壽命；

(3) 調(diào)質(zhì)產(chǎn)生細(xì)化的表面組織可以大幅改善配流副的摩擦磨損特性。調(diào)質(zhì)后細(xì)化的表面組織可以減少高轉(zhuǎn)速工況下銅在38CrMoAl表面附著，避免了粘著磨損的發(fā)生。