激光織構化形貌對密封配副摩擦學性能的影響

萬 軼，李建亮

(1.南京航空航天大學金城學院機電工程系，南京211156;2.南京理工大學材料科學與工程學院，南京210094)

引 言

近年來的大量研究結果表明［1-3］，摩擦接觸面之間并非越光滑其抗磨減摩性就越好，反而一定非光滑形貌的表面(表面織構)具有更好的摩擦學特性。目前，加工表面形貌的方法有激光表面織構技術、反應離子蝕刻技術、電解加工技術和壓刻技術等［4-5］。其中，激光表面織構技術是利用激光快速熔融作用，在工件表面加工一定形狀和分布的微細形貌，該技術加工速度快、對環境無污染及形狀尺寸可控性好，因此得以廣泛的應用。以色列學者ETSION［6-8］及其團隊在激光織構端面機械密封方面做了大量的工作，在對端面密封、滑軸承、活塞環/缸套等部件的研究中發現，表面織構可以起到增加油膜厚度、提高承載能力、降低摩擦和磨損的作用，并且在邊界潤滑或混合潤滑時，作為潤滑油存儲器為表面提供潤滑，也可以作為儲屑槽捕捉接觸面間的磨損顆粒。常見織構的形狀有孔形、矩形和槽形等［9-10］;織構分布大小和分布又決定了密度，其中，織構的直徑、深度和分布方式對摩擦性能的影響較大［11-12］。

在端面密封情況下，配副表面的織構形貌對摩擦學性能影響方面的研究較少。作者采用激光織構化技術對GCr15鋼盤表面進行處理，利用環/盤式摩擦試驗機對織構化配副在油潤滑和干摩擦情況下進行摩擦性能試驗，研究不同織構形貌對端面密封材料摩擦學性能的影響。

1 試驗方法及設備

1．1 織構化樣品制備

采用玻璃增強聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene，PTFE)/GCr15鋼盤環作為摩擦配副。GCr15鋼盤尺寸為?48mm×8mm，先將其研磨拋光至表面粗糙度低于0.1μm，然后將鋼盤在丙酮中超聲清洗后用于激光織構化。激光參量為:脈沖激光波長1064nm，脈沖寬度450ns，脈沖頻率10kHz，循環脈沖1～6次。激光織構化試驗后，采用Talysurf CCI 3維非接觸白光干涉表面形貌儀觀察表面織構的形貌。

1．2 摩擦磨損試驗

采用河北宣化機械廠生產MG-2000型環/盤式摩擦試驗機進行摩擦磨損試驗。試驗條件為:油潤滑(粘度為0.0136Pa·s)/干摩擦，滑動速率1m/s，載荷100N，滑動半徑為20mm，滑動距離3000m。磨損量用TG328A(s)分析天平測得，精度為0.1mg，磨損率與載荷、滑行距離和材料密度有關。為保證試驗的準確及可重復性，每次試驗前后都用丙酮清洗，測量3次取平均值。摩擦磨損試驗后，將試樣清洗，用Axiover 40 MAT金相顯微鏡對磨損表面形貌進行觀察。

2 試驗結果與分析

2．1 激光織構化形貌

圖1為GCr15盤表面的不同形貌的織構，其中圖1a為微孔型織構，由6個脈沖形成，周向間距為500μm，徑向間距為400μm;圖1b為凹槽型織構，由6個脈沖循環形成，槽寬為150μm，沿周向每隔5°排列。

Fig.1 Two surface texturing shapesa—dimple b—groove

圖2 為白光干涉表面形貌儀觀察到的單脈沖激光在GCr15盤表面的微孔形貌。在激光熔融過程中，利用經過聚焦的高功率密度激光束照射工件，使工件被迅速熔化飛濺，用于單脈沖的功率小，只有受輻照位置處的表面很淺的一層材料的熔化飛濺，并且熔化范圍較小無法產生一定的深度。隨著循環脈沖次數增多，微孔的直徑和深度都相應增大。

Fig.2 Morphology of micro-dimple surface with single pulse lasera—3-D morphology of white light interference b—dimple depth

6個脈沖激光形成的表面微孔形貌如圖3所示?；w材料表面沒有經過拋光處理，微孔呈圓錐狀，周圍有激光輻照后形成的濺射物和毛刺，微孔深度約為30μm ～40μm，直徑約為150μm。

Fig.3 Morphology of micro-dimple surface with six pulses lasera—3-D morphology of white light interference b—dimple depth

2．2 油潤滑摩擦性能

圖4 為油潤滑下不同織構形貌的配副的摩擦學性能。從圖4a可知，光滑配副的摩擦因數較高(約0.1)，并且隨滑動距離的增大有升高的趨勢;表面經過凹槽織構化處理后，摩擦因數明顯降低，但由于表面粗糙度大導致摩擦因數波動范圍大;而環形微孔織構配副的摩擦因數低(0.06)且波動較小。圖4b為不同織構形貌的配副雙方的磨損率，凹槽織構和微孔織構的磨損率均低于光滑表面，與摩擦因數變化趨勢基本一致。在油潤滑的過程中，微孔型織構的存油能力優于凹槽形，隨著滑動距離增大，光滑接觸表面的潤滑劑被逐漸擠出摩擦表面，而表面織構對潤滑劑有一定的存儲能力，摩擦系數更低。而凹槽型織構的分布方式容易使潤滑油沿著徑向擠出，降低了織構的減摩能力，因此摩擦因數較微孔型織構高，且數值波動大。

Fig.4 Tribological properties of different texturing morphology with oil lubricationa—friction coefficient b—wear rate

2．3 干摩擦性能

Fig.5 Friction coefficient and wear rate of different texturing morphology with dry frictiona—friction coefficient b—wear rate

圖5a為干摩擦下不同表面織構形貌對摩擦因數的影響。在摩擦過程中，PTFE磨屑向配副表面轉移，生成了轉移膜，摩擦因數呈下降趨勢，隨后配副表面上的轉移膜完全形成，摩擦副轉化為聚四氟乙烯的層間摩擦，最終兩種織構表面的摩擦因數趨勢一致(約0.16)，都比光滑配副低。織構的存在對轉移膜的保持有利，且不同形貌的表面織構在干摩擦下對轉移膜的保持作用相同，摩擦因數趨于穩定值。

圖5b為干摩擦條件下不同表面織構形貌的配副雙方的磨損率。微孔型和凹槽型配副的磨損率都低于光滑配副，其中，微孔化配副的磨損率最低。隨著配副接觸面間形成PTFE轉移膜，其層間摩擦成為主導，無論凹槽型或微孔型織構的存在都對轉移膜的起保持作用，并且可以降低配副雙方的磨損率。

2．4 磨痕形貌

由圖6可以看出，凹槽型織構試樣的表面磨損較嚴重，槽的深度明顯變淺，存在較嚴重的犁溝;微孔型表面磨損最輕微，微孔的形貌保存的較完整，磨痕較淺且均勻;光滑試樣的表面黏著磨損現象比較嚴重。

Fig.6 Worn surfaces morphologies of three surfaces with dry frictiona—groove b—dimple c—smooth

織構的存在可以起到提高自潤滑材料PTFE膜在摩擦接觸面間的粘附作用，保持轉移膜的穩定性，同時可以捕獲磨屑減少磨粒磨損，和光滑配副相比，減小摩擦因數和磨損量。但凹槽型織構的排列方式使粗糙度沿著周向波動大，反而增大了配副材料(PTFE)的磨損率。

3 結論

(1)利用激光對GCr15鋼表面進行織構化處理，形成微孔型和凹槽型兩種織構形貌。單脈沖激光對材料表面剝落后形成的微孔深度影響較小，試驗中采用6個脈沖循環形成微孔和凹槽，直徑約為150μm，深度約為30μ ～40μm。

(2)油潤滑條件下，織構化處理可以明顯降低PTFE環/GCr15盤的摩擦因數(由0.1降低到0.055～0.075)，孔型織構的排列方式使鋼盤表面粗糙度分布均勻，油膜可以穩定存在;而凹槽型織構使油膜厚度不均勻，摩擦因數波動大。

(3)干摩擦條件下，表面織構可以起到提高自潤滑配副(PTFE)的粘附作用，對轉移膜的保持有利，和光滑配副相比，減小摩擦因數和磨損量，同時可以捕獲磨屑減少磨粒磨損;但凹槽型織構的排列方式使粗糙度不均勻，反而增大了配副(PTFE)的磨損率。

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