多微孔隙不锈钢板的制造及其在气浮止推轴承的应用研究

发布时间：2020-06-06 10:56

【摘要】：多微孔隙材料体内含有大量相互联通微小孔,所以多孔质气体润滑轴承相较于传统的小孔节流型、狭缝节流型气体润滑轴承具有更高的承载能力和静刚度,并具有更好的稳定性。多孔质气体润滑轴承的多孔质节流器要求多孔体材料具有良好的透气性,并且具有较高的强度和刚度,以保证多孔质材料承受较大压力时不发生变形或破坏。目前已有的石墨多孔质节流器、烧结金属粉末多孔质节流器均只能在低压下工作,无法承受较高压力。金属丝网本身具有孔隙结构,网内的金属丝连续无断裂使得丝网具有较高的力学性能,以金属丝网为材料制备金属多孔体也将继承这些优势。为获得一种以金属丝网为原材料、制备工艺简单、具有较高强度和刚度、并可以直接用于成型加工的金属多孔材料,本论文提出一种新型多微孔隙不锈钢板材制备方法,并研究了材料的结构表征、力学性能、成型性能及在气浮推力轴承的承载特性。本研究设计了一套不锈钢丝网、粉末预成型的坯体制造装置,该装置包括粉末铺设平台、粉末轧制设备和网、粉卷绕设备,其自动化程度高、效率高,结构简单,便于实现坯体的自动化、规模化生产。提出了以不锈钢丝网和不锈钢粉末复合坯体为原材料,通过对复合坯体压制、轧制最后烧结的方法制备多微孔不锈钢板材的工艺,并以该工艺制备了孔隙率为10%~40%,厚度为0.5~4.5 mm的多微孔隙不锈钢板材,其中包括不含不锈钢粉末的烧结多层不锈钢丝网多孔板和含有粉末的烧结不锈钢丝网、粉末复合多孔板。多孔材料的孔隙率、孔隙及骨架结构、孔径参数决定其功能应用。通过宏观测量和显微观察法研究了多微孔隙不锈钢板的孔隙及骨架结构:烧结不锈钢丝网多孔板材的表面孔隙形状为规则的正方形,表面金属丝被轧制成扁平状,内部孔隙因金属丝的随机分布呈现大小不一的矩形;烧结不锈钢丝网、粉末复合多孔板表面孔隙形状因粉末嵌入网孔呈现不规则性,形状各异,内部孔隙分则为体心立方和面心立方排列。研究了制备工艺参数对多微孔隙不锈钢板孔隙率的影响:轧制下压量越大,材料的孔隙率越低;烧结温度越高,材料的孔隙率越低。数据对比表明,轧制量的选择对多孔板的孔隙率有决定性影响,烧结温度对孔隙率影响较为微弱。通过气泡实验法研究了多微孔隙不锈钢板材的孔径参数:多微孔隙不锈钢板材的孔径随着原材料丝径的减小、烧结温度的升高而减小,烧结丝网多孔不锈钢板材的平均孔径尺寸介于4.16~5.51μm,绝大多数孔径小于10μm,尺寸分布均匀;烧结丝网、粉末复合多孔不锈钢板的平均孔径约20μm,最小孔径2.3μm,最大孔径86.3μm,分布范围较广。通过气体渗透法研究了烧结不锈钢多孔板的气体透过性能,孔隙率越高,透过性能越好;原材料丝径对透气性也有影响,但是不及孔隙率对透气性的影响显著;烧结不锈钢丝网、粉末复合多孔板的透气性最好。材料的力学性能是评价其使用性能的重要指标,文章以抗拉强度为指标研究了烧结温度、原材料丝径、孔隙率等参数对拉伸性能的影响:多微孔隙不锈钢板材的抗拉强度随着烧结温度的升高、原材料丝径的增粗和孔隙率的降低而升高。其中,原材料为60目丝网、烧结温度1330℃、孔隙率越15%的多孔板抗拉强度达到380 MPa,达到致密不锈钢材料的70%。通过冲击力学实验研究了多微孔隙不锈钢板材的冲击力学行为:多微孔隙不锈钢板材的冲击韧性随烧结温度、原材料丝径、孔隙率的变化与拉伸实验有着相似的变化规律。多孔板的力学性能数据表明,其抗拉强度和冲击韧性相较于传统的烧结不锈钢粉末、纤维多孔体具有大幅提升。通过胀形实验和筒形拉深试验研究了多微孔隙不锈钢板材的冲压成型特性。实验显示,孔隙率为15%,坯体直径180 mm,厚度1.5 mm的坯体材料在凸模直径110 mm模具下,胀形高度达到30 mm未出现破裂,说明多微孔隙不锈钢板具有良好的塑性成形性能,可被冷塑性加工成为各种形状的零件。以多微孔隙不锈钢板材为多孔质节流器,设计、制备了带有气腔的多孔质气体静压推力轴承,并实验研究了轴承的静态承载特性。多孔质气体静压轴承的承载力和静刚度随着外部供气压力的增大和节流面的增大而增大;而在节流面面积相同时,局部多孔质气体静压轴承的承载力和静刚度相比于单面节流轴承均有所增大。与其他形式的多孔质气体静压推力轴承的静态承载性能数据对比,以多微孔隙不锈钢板材作为多孔质节流器的轴承具有较高的承载能力,且在高压极限承载试验中,节流器直径为30 mm的气浮轴承测得最高承载力达5108 N。以流体力学理论为基础,建立了多孔质气体静压轴承的静态性能数学模型;利用计算流体力学软件FLUENT,模拟了多孔质气体静压轴承的静态性能,并与实验结果相对比,验证了数值模拟的正确性。最后,将以多微孔不锈钢板制备的气浮止推轴承用于高速电主轴的减振测试,试验结果数据证明,气浮轴承对高速运转的电主轴的振动具有良好的抑制作用,这对多微孔不锈钢板在气浮轴承中应用具指导意义。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.4;TG142.71;TH133.3

【参考文献】