渗纳米C60油脂的粉末冶金材料制备及其水介质环境摩擦学性能研究

A new type of powder metallurgy friction material permeated with grease containing nano C60 is presented to solve the problem of diffucult lubrication and short life of water hydraulic components. The material takes powder metallurgy metal as base body, and is filled with grease containing nano C60 in its micro opening. When friction pair working, some heat is producted. The grease will melt and discharge from the small opening of the powder metallurgy. So the surfaces of friction pair are clothed with molten grease and nano C60. As a result of the high molecular hardness and compressive capacity of nano C60, molecular ball effect is formed to improve the friction performance under water lubrication. On the basis of the theoretical principle of osmosis mechanics and molecular kinetics, the studying means of finite element analysis, computer simulation, friction-wear test, and morphological analysis are adopted in this project. And the preparation of powder metallurgy permeated with grease containing nano C60, permeating mechanism of grease containing nano C60 to the micro opening of powder metallurgy, releasing mechanism and controlling ways of grease containing nano C60, anti-wear and anti-friction mechanism of friction pair are deeply studied. With all these efforts, the basic tribological characteristics of powder metallurgy friction material permeated with grease containing nano C60 under water condition are acquired, and the theoretic foundation can be provided to research and develope the novel water hydraulic components friction pair.

针对水液压元件摩擦副润滑困难、使用寿命短等方面的不足，制备一种新型渗纳米C60油脂的粉末冶金摩擦副材料。该摩擦副材料以粉末冶金为基体，在其微小孔隙内填充含有纳米C60的油脂。摩擦副工作时会产生热量，纳米C60油脂受热后不断地渗出并附着在摩擦副表面。由于纳米C60粒子具有非常高的硬度和抗压能力，能在摩擦面形成"滚珠"，将滑动摩擦变为滚动摩擦，且自润滑特性较好，从而可改善摩擦副在水介质环境下的摩擦性能。本项目在渗透力学和分子动力学理论的基础上，通过有限元分析、计算机模拟、摩擦磨损试验、形貌分析等研究手段，对渗纳米C60油脂的粉末冶金材料制备、纳米C60油脂在粉末冶金孔隙中的渗流机理、纳米C60油脂释放机理及释放速度控制方法、摩擦副的抗磨减摩机理等核心问题进行深入研究，从而获得渗纳米C60油脂的粉末冶金材料在水介质环境下的摩擦学性能，最终为水液压元件摩擦副材料的研究和发展提供技术和理论基础。

对PAH80水压柱塞泵进行了受力分析，并根据杜克沃思和鲁什凯茨强度计算公式，确定了粉末冶金的孔隙率应维持在30%以内。基于Bingham流变模型和Abid低雷诺数k-ε湍流模型对多孔介质渗流流场进行CFD仿真，发现渗流速度随着外界施加压力、孔隙度的增加及粘度的减小而增加，且与压力成近似线性关系，表现为Darcy流；孔隙度对油脂在铝青铜粉末冶金中的渗流速度影响最大，粘度次之，压力最小；外界施加压力为4.8MPa时，整个渗流最为稳定；入口形状对渗流速度影响不大、但对流场稳定性有影响。制备了孔隙率为30%铝青铜粉末冶金材料及纳米C60油脂，搭建了渗纳米C60油脂的粉末冶金制备试验台，并制备了材料试样。结果表明渗流结果与CFD仿真结果较为一致，外界施加压力为4.8MPa下对含纳米C60油脂进行渗流的方案是可行的。.基于滑靴副，通过整体缩小斜盘-滑靴大小、缩小时间尺寸的方法，建立了旋转分子动力学模型。提出了一种计算旋转模型摩擦力的方法，并基于旋转摩擦力计算方法，研究了外载对旋转分子动力学模型的摩擦特性的影响。结果表明摩擦力随着旋转角度的变化而波动，低载荷下摩擦力甚至会促进旋转体的运动，但平均摩擦力却始终阻碍旋转体的运动；外载是通过改变真实接触面积影响摩擦系数的，低载荷时，摩擦系数随着载荷的增加而减小，载荷增加到一定程度时，摩擦系数趋于稳定。.采用水驱油的方式，对渗纳米C60油脂的粉末冶金材料油脂释放进行了FLUENT仿真分析，研究了油脂释放速度与孔隙率和内压力等因素间的关系，发现油脂释放存在启动压力，温度、孔隙率和流场压力的增大都对油脂释放速度的提高有促进作用。将渗有纳米C60油脂的30%孔隙率的铝青铜试样置于端面摩擦试验机上进行摩擦试验，通过摩擦前后称重并进行修正的方式得到油脂释放速度，通过改变主轴转速与载荷大小来控制相关因素的变化。实验结果表明渗有纳米C60油脂的30%孔隙率的铝青铜具有良好的摩擦学性能，较高的转速会使摩擦副界面温度升高，从而油脂释放速度加快；较大的载荷也会使油脂释放速度变快。.