1、窑 开发与创新 窑0引言近年来袁随着变频驱动技术的发展袁变频调速感应电机在机械工业领域的应用更加广泛袁 轴承作为电机的关键零部件袁其可靠性直接影响电机的服役寿命袁而电蚀失效是此类电机轴承的主要失效方式1袁严重制约了电机的发展遥 目前袁采用绝缘轴承是解决该类问题的最佳方法袁绝缘轴承可有效阻断轴电流袁 提高电机的可靠性并延长其服役寿命2遥 然而袁传统绝缘轴承采用的氧化铝涂层材料存在热导率低和针孔结构缺陷袁会降低涂层绝缘性能遥氮化铝具有硬度高绝缘性能好等特点袁 被广泛应用于电子器件绝缘层袁 使用氮化铝材料替代氧化铝可有效改善轴承散热条件并加强绝缘性能遥绝缘轴承在运输和安装的过程中易受到外界机械载荷的
2、作用而使绝缘涂层产生裂纹损伤袁 在极化作用下涂层中的电荷会在缺陷处聚集袁导致缺陷处电压升高袁易造成局部击穿3曰绝缘轴承在运行过程中受到滚动体的周期性冲击与磨损袁 从而导致绝缘轴承的绝缘性能以及机械稳定性下降袁综上考虑袁有必要对氮化铝涂层材料的摩擦磨损性能磨损进行研究遥随着计算机科学的发展袁 学者们开始尝试借助仿真分析软件对机械零部件之间的磨损行为进行数值模拟分析遥 Bortoleto 等4采用增强拉格朗日-欧拉渊ALE冤与 Ar鄄chard 磨损模型结合的方法袁 分析了在销-盘式摩擦试验中袁销的干摩擦滑动磨损遥 Rezaei 等5采用二维应变有限元Simulation Research on
3、Wear Mechanism of AlN Insulating Coating Based on ABAQUSWANG He1袁2袁3袁 JIN Yi-Fan1袁 WANG Yan-Xiang1袁 WEN Kai-Xiang1袁 YAN Guang-Yu1袁2袁3渊1.School of Mechanical Engineering袁Shenyang Jianzhu University袁Shenyang Liaoning 110168袁China曰2.Joint international Research Laboratory of Modern Construction Enginee
4、ring Equipment and Technology袁Shenyang Liaoning 110168袁China曰3.National-LocalJointEngineeringLaboratoryofNCMachiningEquipmentandTechnologyofHigh-GradeStone袁ShenyangLiaoning 110168袁China冤Abstract院 Aluminum nitride is widely used for insulating coatings due to its excellent insulating properties and h
5、igh hardness.However袁 thereare fewer studies on the frictional wear of aluminum nitride coatings袁 and the wear removal mechanism is still unclear.In this paper袁 Aluminumnitride coating wear model was constructed based on ABAQUS finite element software using Archard wear model and JH-2 ceramic damage
6、model袁 and the wear mechanism of aluminum nitride material was investigated.The results show that the load and the skidding distance are themain factors affecting the wear袁 and the wear of the aluminum nitride material increases with both.According to the stress variation of thematerial袁 it is class
7、ified into completely broken type袁 partially broken type and elastic deformation type袁 and the experimental data combinedwith the stress analysis of the three types of materials together reveal the wear mechanism of aluminum nitride material.Keywords院 AlN曰 Wear mechanism曰 Simulation基于 ABAQUS 的 AlN 绝
8、缘涂层磨损机理仿真研究王 贺1袁2袁3袁靳一帆1袁王延祥1袁温凯翔1袁闫广宇1袁2袁3渊1.沈阳建筑大学 机械工程学院袁 辽宁 沈阳 110168曰 2.现代建筑工程装备与技术国际合作联合实验室袁 辽宁 沈阳 110168曰3.高档石材数控加工装备与技术国家地方联合工程实验室袁 辽宁 沈阳 110168冤摘要院 氮化铝由于其优异的绝缘性和高硬度袁 被广泛用于绝缘涂层袁 有关氮化铝涂层的摩擦磨损研究较少袁 磨损去除机理尚不明确遥 本文基于 ABAQUS 有限元软件袁 采用 Archard 磨损模型和 JH-2 陶瓷损伤模型搭建了氮化铝涂层磨损模型袁 对氮化铝材料的磨损机理进行了研究遥 结果表明载
9、荷与滑行距离是影响磨损的主要因素袁 氮化铝材料的磨损量随两者的增加而增加遥 根据材料的应力曲线变化将其分为完全破碎型尧 部分破碎型和弹性变形型袁 结合实验数据与三种类型材料的应力分析共同揭示了氮化铝材料的磨损机理遥关键词院 氮化铝曰 磨损机理曰 仿真中图分类号院 TP39文献标识码院 粤doi:10.3969/j.issn.1002-6673.2023.04.009机电产品开发与创新阅藻增藻造燥责皂藻灶贼 驭 陨灶灶燥增葬贼蚤燥灶 燥枣 M葬糟澡蚤灶藻则赠 驭 E造藻糟贼则蚤糟葬造 P则燥凿怎糟贼泽灾燥造援36熏晕燥援4Jul援熏圆园23第 36 卷第 4 期圆园23 年 7 月文章编号院 员
10、园园圆原远远苑猿 渊圆园23冤 园4原034原园5修稿日期院圆园23原02原18作者简介院王贺(1981-冤袁男袁副教授袁硕士生导师遥 研究方向院薄膜制备袁陶瓷材料精密加工袁掘进机刀具系统遥34窑 开发与创新 窑模型和 Archard 磨损模型袁 分析了轴承径向滑动的磨损遥张志宏等6采用 Archard 磨损模型袁分析了枪管涂层的磨损量和磨损状态的分布遥 李静等7基于 Archard 磨损模型开发了用于自润滑轴承磨损子程序袁 分析了自润滑轴承在运行过程中衬套的长时间磨损情况遥周旭等8基于轴承力学分析模型和 Archard 磨损模型袁分析了轴承的磨损特性并提出了一种用于轴承磨损寿命的分析方法遥
11、B.Sub鄄ramanian 等9采用直流反应磁控溅射法在低碳钢上制备了氮化铝涂层袁 通过环块法摩擦磨损实验分析了涂层的摩擦磨损性能遥 Lin 等10采用非平衡磁控溅射法制备了CrN/AlN 超晶格涂层袁通过球盘式摩擦磨损实验测试了涂层的耐磨性能袁分析了分子层周期与涂层性能的关系遥本文采用 Archard 磨损模型与 Johnson-Holmquist 陶瓷损伤模型袁 基于 ABAQUS 构建了有限元模型来模拟氮化铝涂层的摩擦磨损遥 通过摩擦磨损实验数据对模型进行修正袁 结合仿真与实验结果分析了氮化铝涂层的磨损去除机理袁对以后的研究和生产应用具有重要意义袁对绝缘轴承技术的发展具有促进作用遥1有
12、限元模型1.1 几何模型为了保证有限元分析的计算效率袁 对实验进行了适当的简化袁为了便于模型的建立袁将滚动摩擦简化为滑动摩擦袁见图 1袁为了减少运算时间袁利用 ABAQUS 软件仅建立了滚动体的 1/8 和涂层材料基体遥 滚动体材料为Gcr15 轴承钢袁 直径为 3 mm遥 氮化铝材料尺寸 20mm伊20mm伊2mm遥 按照摩擦磨损试验台的实际装配情况袁基体完全固定袁滚动体只保留摩擦方向的自由度遥 载荷垂直于基体袁滚动体与基体两者建立面面接触袁法向接触设置为硬接触袁 切向接触设置为定摩擦系数遥 根据实验测试结果袁滚动体与涂层基体之间的摩擦系数取平均值 0.3遥1.2 ABAQUS/Standa
13、rd 中的 Archard 磨损模型Archard 磨损模型是使用最为广泛的一种磨损模型袁多用于预测每个节点的材料去除率8袁其通用形式院V=kFHs渊1冤式中:V要磨损过程中去除材料的体积曰s要滑行距离曰F要法向载荷曰K要无量纲磨损系数曰H要磨损材料的硬度遥 对公式进行推导和变形可得到院hi+1=hi+kD窑 pi窑 ds渊2冤式中院hi+1要进行到渊i+1冤次增量步时的总磨损量曰pi要第 i次增量步时的接触压力曰kD为无量纲磨损系数曰hi要第 i次增量步的磨损深度遥在有限元仿真计算当中袁为了实现摩擦块磨损行为的求解袁 可以通过调用 UMESHMOTION子程序袁利用 Archard 磨损模型
14、求得摩擦块的磨损量遥1.3 ABAQUS/Explicit 中的 JH-2 磨损模型Johnson-Holmquist渊JH-2冤 模型是一种弹塑性损伤材料模型袁 常用于描述大应变率和高压下的玻璃和陶瓷等脆性材料袁该模型能够捕捉脆性材料的去除机制11袁氮化铝材料的 JH-2 模型相关常数袁见表 1遥在 ABAQUS 中编译 inp 文件可构建 JH-2 陶瓷损伤模型袁见图 2袁在装配时输入由 Archard 模型计算的磨损深度 a遥 为模拟涂层材料的破损需在单元设置中勾选单元删除袁载荷施加方向为摩擦力方向袁为滚动体施加在摩擦方向的线速度遥 采用动力显式分析对磨损过程进行求解遥2结果和讨论2.1
15、 磨损深度图 3 为法向载荷 3N 且滑行距离 200mm 时氮化铝基板自适应面上的磨损量袁Y 轴为磨损深度袁X 轴为节点编号遥 可得最大磨损量发生在节点 79744袁 磨损深度为6.90伊10-9mm遥最小磨损量发生在 62494 号节点袁磨损深度为 2.60伊10-9mm袁平均磨损深度为 4.65伊10-9mm遥图 4 为载荷 6N 且滑行距离 200mm 时氮化铝基板的磨损情况袁最大磨损深度出现在 65254 号节点袁磨损深度为 1.32伊10-8mm遥 最小磨损深度出现在 72154 号节点袁磨损深度为 4.09伊10-9mm遥 平均磨损深度为9.22伊10-9mm遥图1氮化铝摩擦磨损
16、实验几何模型表1氮化铝的JH-2模型参数12ParameterValuesParameterValuesDensity渊kg/m3冤3226HEL渊GPa冤9Shear modulus渊GPa冤127HEL pressure渊GPa冤5A0.85HEL bulk strain渊GPa冤0.0242B0.31HEL strength 渊GPa冤6C0.013D10.02M0.21D21.85N0.29K1渊GPa冤201Tensile strength渊GPa冤0.32K2渊GPa冤260HEL渊GPa冤9K3渊GPa冤0图2磨损去除材料模型XYZ35窑 开发与创新 窑图7氮化铝材料磨痕形貌图
17、5 为载荷 9N 且滑行距离 200 mm 氮化铝基板的磨损情况袁最大磨损深度出现在 75604 号节点袁磨损深度为 2.20伊10-8mm袁最小磨损深度出现在 110104 号节点袁磨损深度为 9.44伊10-9mm袁平均磨损深度为 1.40伊10-9mm遥图 6 为三种载荷下的最大磨损节点在不同滑行距离时的磨损深度图遥三种载荷下袁磨损深度均随滑行距离的增加而增加袁当滑行距离小于 25 mm 时袁磨损情况基本相同袁随着滑行距离的增加袁磨损情况逐渐发生变化袁在 3N的载荷下袁磨损深度增加较为平稳袁载荷增加到 6N 和 9N时袁磨损深度增加趋势变大遥当滑行距离较小时袁 三种载荷下的摩擦副都处于磨
18、损磨合期袁 磨损深度大致相同遥 载荷增大会直接增大接触 面之 间 的 摩 擦力袁 使得表面接触位置的最大切应力增加袁 增加了产生裂纹的可能性遥 此外袁摩擦力增大袁所引起的拉应力也会增大袁从而使裂纹扩展加剧遥 在相同的滑动距离下袁从 3N到 6N 产生的磨损深度增量明显大于从 6N 到 9N 产生的磨损深度增量遥 随着磨损深度的增加袁滚动体与涂层之间的接触面积会增加袁导致材料接触部分所受的应力下降遥在同样的滑行距离下袁载荷越大接触面积的增加越明显袁接触表面之间的应力下降越显著袁 导致磨损深度增加的趋势下降遥2.2 磨损机理分析采用 Archard 模型获得各节点磨损深度后袁选择最小磨损深度与最大
19、磨损深度输入氮化铝 JH-2 模型中袁模拟在磨损过程中出现的两种极限情况遥 图 7 为仿真模型磨损表面袁可明显看出滚动体所形成的磨痕袁磨痕边缘存在应力集中区域遥在此磨损过程中袁模型中存在三种类型的单元袁单元 A 是磨损过程中完全破碎的单元曰单元 B 是未完全破碎残留大量应力的单元曰 单元 C 是始终保持在弹性阶段的单元袁图中分别表现为蓝色尧绿色和黄色部分区域遥图 8 为摩擦磨损实验后的表面形貌图遥其磨损后破碎形貌与仿真结果基本一致袁也可将材料的破碎分为 A尧B尧C 三种类型袁 并且根据上述三种单元存在的区域将磨损表面划分为 1尧2尧3 区域遥图3载荷3N下磨损深度图4载荷6N下磨损深度图5载荷
20、9N下磨损深度图6不同滑行距离下的磨损深度图8磨损表面形貌渊a冤渊b冤36窑 开发与创新 窑轴承钢球与氮化铝涂层发生磨损袁 涂层受到载荷产生的法向应力和摩擦力形成的表面拉应力袁 由于涂层表面十分光滑袁在初期的磨合阶段无明显磨损发生袁涂层在滚动体的往复运动中受到交变的接触应力在表面形成裂纹袁并且裂纹逐渐向四周扩散袁当裂纹相互连接时袁会造成局部剥落遥剥落的颗粒并不会及时排除接触表面袁会随着滚动体的运动继续挤压撞击涂层表面造成磨损袁 并在涂层留下磨粒造成的划痕遥 剥落的颗粒和被磨粒撞击破碎的材料被定义为单元类型 A遥裂纹的产生是由于氮化铝的共价键断裂所导致遥 氮化铝的晶胞中一共存在两种共价键袁Al尧
21、N 原子半满轨道形成的 B1键袁见图 9遥 在图中表示为 Al-N渊i冤渊i=1袁2袁3冤袁Al的空轨道和 N 的全满轨道形成的 B2键袁图中表示为Al-N0遥B2键相比于 B1键袁键长更长袁键能更小袁更易断裂13遥在磨损过程中袁与滚动体接触的氮化铝晶粒受到往复的交变接触应力会导致 B2键先发生断裂袁随后 B1键再断裂袁当围绕某一氮化铝晶粒周围的共价键全部断裂时袁 此氮化铝晶粒脱落遥脱落的晶粒参与磨损会挤压碰撞涂层表面袁也会使材料共价键的断裂袁从而造成涂层的破碎遥由图 10 可知袁 单元 A 在 0.0090.022s 时袁 应力在3MPa 到 18MPa 之间袁在 0.023s 时应力开始攀
22、升遥 在0.026s时应力到达 399Mpa袁单元 A 发生塑性变形袁并且应力在增长过程中逐渐超过氮化铝材料的屈服极限袁 材料开始破碎遥在 0.027s 时袁应力高达 2960MPa袁材料破碎袁应力激增遥时间超过 0.027s 时应力消失袁说明材料完全破碎导致单元被删除遥交变接触应力导致涂层表面形成裂纹袁裂纹会逐渐向四周扩散袁裂纹在扩散过程中会相互联通袁导致材料脱落袁脱落后的区域材料不再连续均匀袁将导致应力集中产生袁从而成为下次裂纹产生的起始点遥 在裂纹扩散中袁存在裂纹的区域材料受力面积逐渐减小袁 导致受到应力逐渐增大袁当应力超过材料的屈服极限袁材料会破损并剥落遥前期裂纹的产生是由于交变接触应
23、力导致共价键断裂袁随后在拉应力和剪切应力的作用下逐渐扩展加深袁拉应力和剪切应力不仅使共价键的断裂还导致了断裂键四周的晶胞发生塑性形变和滑移从而造成晶体缺陷14袁使涂层处于热力学不稳定状态从而存在大量残余应力遥 残留应力的单元即为 B 类单元遥由图 11 可知袁单元 B 在 0.026s 时袁应力为 116MPa袁在 0.029s 时袁应力为 272MPa袁应力在 0.0290.030s 时急剧升高袁 在 0.030s 时袁 达到最大值 988MPa遥 在 0.033s时袁应力下降至 496MPa 之后应力一直维持在 490MPa 上下袁这说明单元 B 存在 490MPa 的残余应力袁这是由于在
24、磨损过程中应力所造成的晶体缺陷导致遥由图 12 可知袁单元 C 在 0.0120.025s 时袁应力在5MPa上下袁在 0.0260.031s 时袁应力上升袁最大应力为332MPa遥在 0.0320.036s 时应力逐渐下降并逐渐恢复加载之前的应力大小袁在整个过程中应力并未超过材料屈服极限袁单元未发生破坏遥三种单元描述了摩擦磨损的整个过程袁 在磨损的初期无明显磨损产生袁 涂层在交变接触应力的影响下形成裂纹袁裂纹扩散贯通造成材料局部剥落袁剥落的颗粒产生磨粒磨损袁磨粒挤压撞击涂层材料袁使涂层破损袁在涂层图9氮化铝晶体结构图10单元A应力曲线图11单元B应力曲线图12单元C应力曲线37窑 开发与创新
25、 窑电话院 010-88301744 13691309293网址院 投稿邮箱院 中国机械工业联合会主管尧主办院 机电产品开发与创新 杂志渊双月刊冤邮发代号院 愿圆原源园员全年订价院 150 元特别提醒：本网站暂不接受在线投稿，敬请谅解！表面造成划痕遥 此外袁剥落区域的材料不再均匀连续袁这将导致应力集中产生袁从而成为下次裂纹产生的起始点遥在裂纹扩散途中袁存在裂纹的部分受力面积减小袁材料受到拉应力和切向应力会增大袁应力超过材料的屈服极限袁材料破损并脱落遥 拉应力和剪切应力不仅使共价键断裂袁还导致断裂键周围的晶胞发生塑性形变和滑移造成晶体缺陷袁使涂层处于热力学不稳定的状态袁产生大量的残余应力遥3结论
26、本文结合有限元软件和实验分析了氮化铝涂层的磨损机制袁得到相关结论如下院在本实验条件下袁 氮化铝涂层的磨损深度随着载荷的增加而增加袁 但 3N 到 6N 的磨损增加量明显大于 6N到 9N 的磨损增加量遥 随着磨损深度的增加袁滚动体与涂层之间的接触面积会增加袁使材料所受的接触应力下降遥在同样的滑行距离下袁载荷越大磨损深度越深袁接触面积的增加越明显袁接触表面之间的应力下降越显著袁导致磨损深度增加的幅度下降遥结合摩擦磨损实验和有限元分析研究了氮化铝涂层材料的磨损去除机理遥 当磨损发生时袁涂层受到交变接触应力袁逐渐形成裂纹袁裂纹扩散造成材料局部剥落遥剥落的颗粒挤压撞击涂层材料袁使涂层破损遥 在裂纹扩散
27、过程中袁存在裂纹的材料受力面积减小袁材料受到拉应力和切向应力会增大袁 当应力超过材料的屈服极限袁材料断裂剥落遥 拉应力和剪切力不仅使材料断裂袁还导致断裂区域周围的晶胞发生塑性形变和滑移会引起晶体缺陷袁会导致涂层残留大量应力袁在热力学上处于不稳定的状态遥参考文献院1 李庆林.电机轴承用 Al2O3基复合陶瓷绝缘涂层的制备及性能研究D.河南科技大学袁2017.2 李全伟袁杨斌袁王海袁李永皓袁杜广煜.风电绝缘轴承表面防护膜的制备及其绝缘性能研究J/OL.轴承院1-72023-03-08.http院/ 杨涛.轴承套圈绝缘涂层制备及其性能研究D.哈尔滨工业大学袁2011.4 Bortoleto E M袁
28、Rovani A C袁Seriacopi V袁et al.Experimental andnumerical analysis of dry contact in the pin on disc test J.Wear袁2013袁301渊1-2冤院19-26.5 Rezaei A袁Van Paepegem W袁De Baets P袁et al.Adaptive finite ele鄄ment simulation of wear evolution in radial sliding bearings J.Wear袁2012袁296渊1-2冤院660-671.6 张志宏袁李旭东.基于 ABAQ
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