激光加工的仿生凹坑對M2高速鋼高溫摩擦磨損的影響

張海峰， 賀春山

（長春大學(xué) 機械與車輛工程學(xué)院，吉林 長春 130022）

0 引 言

高速鋼具有較高的硬度、紅硬性，熱塑性好，在工業(yè)領(lǐng)域作為刀具材料和模具材料得到了廣泛的應(yīng)用［1－2］。M2（W6Mo5Cr4V2）高速鋼還具有較好強度和韌性，是制作沖壓模具的常用鋼種［3］。由于沖壓模具惡劣的工況環(huán)境（高溫、高壓、高沖擊性），使得模具的使用時長較短。欲延長模具的使用壽命，在生產(chǎn)中增加經(jīng)濟效益，就需要對模具的主要受損部位加強高溫下的耐磨性能。吉林大學(xué)近年來模擬生物的表面形貌，在材料表面加工出仿生耦元來提高材料的各種性能。周宏教授的課題組應(yīng)用仿生原理，在工、模具材料的表面上采用激光技術(shù)加工出不同種類的仿生耦元，提高了材料 的 耐 磨 性［4－6］、熱 疲 勞 性［7－10］及 材 料 的 強度［11－12］，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用和較高的評價。文中應(yīng)用仿生原理，在M2高速鋼的表面上應(yīng)用激光技術(shù)加工出凹坑狀仿生耦元，探討凹坑狀仿生耦元的形貌及排列對高溫摩擦磨損性能的影響。

1 實驗材料與研究方法

實驗選用的高速鋼牌號為W6Mo5Cr4V2（美國牌號為M2）。其化學(xué)成分見表1。

表1 M2高速鋼的化學(xué)成分 %

顯微組織照片如圖1所示（常溫下其硬度為65HRC）。

圖1 M2高速鋼顯微組織照片

用線切割把M2高速鋼切成尺寸為Φ6mm×12mm的圓柱形試件，應(yīng)用砂紙打磨并拋光后，用無水乙醇及丙酮超聲波清洗。應(yīng)用型號為JHM－1GXY－600B的數(shù)控激光器在圓柱體的端面加工生成凹坑型仿生耦元。

激光加工參數(shù)見表2。

表2 激光加工參數(shù)

實驗以凹坑的直徑及凹坑的間距為研究對象設(shè)計了兩組試樣，試樣的參數(shù)見表3。

表3 凹坑在試件表面的直徑及排布

應(yīng)用型號為MG2000銷－盤式高溫摩擦磨損試驗機，測試試樣的耐磨性。實驗的溫度為26、200、380、500℃，載 荷 為35N，主 軸 轉(zhuǎn) 速 為600r／min。對磨副試件形狀為Φ60mm×10mm的盤狀，材料為GCr15，硬度為64HRC。應(yīng)用FA2004電子天平（精度為0.1mg）進行測量并記錄磨損前后的質(zhì)量差值，標(biāo)定試件的耐磨性。每組試樣在同一溫度下磨損3次，每次磨損時間為3min，實驗結(jié)果取3次磨損的平均值。試件每次磨損后用砂紙打磨光滑平整，然后用無水酒精超聲波清洗。實驗中摩擦力矩M由計算機通過傳感器記錄，應(yīng)用如下公式計算摩擦系數(shù)：

式中：μ——摩擦系數(shù)；

M——摩擦力矩；

Q——正壓力，實驗中Q＝35N；

R——對磨副盤半徑，本實驗中R＝30mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 凹坑的直徑對高溫磨損性能的影響

M2高速鋼在不同溫度下的磨損失重曲線如圖2所示。

圖2 M2高速鋼在不同溫度下的失重量曲線

由圖2可見，在200℃以內(nèi)磨損的失重量隨著溫度的升高緩慢增加。在超過200℃之后，磨損的失重量隨著溫度的升高增加得較快。這顯示出M2高速鋼磨損在高溫時的損失重量與溫度之間呈現(xiàn)了非線性關(guān)系。

不同直徑的凹坑間距相同時，在380℃時的磨損失重量如圖3所示。

圖3 不同直徑的凹坑在380℃時的磨損失重量

由圖中可見，隨著凹坑直徑的增加，磨損的失重量降低，這說明凹坑直徑增加后，磨損量是逐漸減小的。

2.2 凹坑對摩擦系數(shù)的影響

摩擦系數(shù)是磨損中重要的參數(shù)，因此實驗中對高溫磨損中摩擦系數(shù)做了以下測定。

含有凹坑（直徑：430μm；間距：450μm）的M2高速鋼在溫度為：26、200、380、500℃的摩擦系數(shù)曲線如圖4所示。

圖4 含有凹坑的M2高速鋼在不同溫度下的摩擦系數(shù)

由圖中可知，隨著溫度的升高，摩擦系數(shù)緩慢下降。

隨著凹坑直徑的不斷增大，在間距不變，溫度一定的高溫環(huán)境（380℃）中的摩擦系數(shù)的變化曲線如圖5所示。

圖5 含有不同直徑凹坑的M2高速鋼在高溫下的摩擦系數(shù)

圖中顯示，隨著直徑的增大，摩擦系數(shù)減小。

在凹坑直徑不變的情況下，凹坑的間距逐漸加大，溫度一定的高溫環(huán)境中的摩擦系數(shù)變化曲線如圖6所示。

圖6 含有不同間距凹坑的M2高速鋼在高溫下的摩擦系數(shù)

由圖6可見，當(dāng)凹坑直徑增大時，摩擦系數(shù)減小。

2.3 磨損機理的分析

在溫度小于200℃時，磨損量的變化較小，這表明在未達到相變溫度時，表面的硬度及金相組織未發(fā)生變化，這時的磨損類型主要為微觀的犁削和切削。在磨損過程中會產(chǎn)生一些磨粒，隨著磨損的進行，磨粒會逐漸被磨損成圓柱狀或球狀，形成“滾動軸承”作用，從而使滑動磨損轉(zhuǎn)換為滾動磨損，增加了潤滑，提高了耐磨性。

隨著溫度的升高，高速鋼表面的金相組織發(fā)生了變化，使產(chǎn)生的磨粒軟化，被砸碎形成更小更細的磨粒。由于這些磨粒的總表面能較高，在高溫的作用下使得細微磨粒之間產(chǎn)生粘附作用，形成團聚體并粘附到試件表面產(chǎn)生粘附現(xiàn)象［13－14］，隨著溫度的升高，這種現(xiàn)象會逐漸加強，達到一定程度后就改變了表面的物象結(jié)構(gòu)［15］，使得材料表面軟化，隨著團聚體的增大，磨損量逐漸加大。高溫磨損過程中，由于摩擦表面會產(chǎn)生氧化還原反應(yīng)，從而形成了一層致密的氧化膜，這層氧化膜對基體起到了保護作用，而且也起到了潤滑的作用，這是高溫時摩擦系數(shù)降低的主要因素［15－16］。

激光在高速鋼表面加工形成凹坑時，由于加熱和冷卻的速度非常快，凹坑邊緣形成超細晶粒組織，耐磨性和韌性得到了較大的提高。凹坑增大的同時，凹坑邊緣的超細晶粒組織區(qū)域也相應(yīng)增大了，也就是在單位面積內(nèi)，磨損的接觸區(qū)域減小，耐磨面積增大，表現(xiàn)為摩擦系數(shù)減小，即耐磨性也相應(yīng)提高了。凹坑還可以起到收納磨粒的作用，吸收磨損間隙中細小磨粒的總表面能，調(diào)節(jié)磨粒間的應(yīng)力狀態(tài)，減少了參與犁削和切削的磨粒的數(shù)量，而且降低了團聚體的大小，從而使磨損量降低［14－15］。

凹坑的間距直接影響單位面積內(nèi)的凹坑數(shù)量，凹坑的數(shù)量增多將影響表面粗糙度的大小，表面粗糙度增加將使摩擦系數(shù)增加，使磨損量一定程度的增加。所以，在本實驗范圍內(nèi)凹坑間距越大，單位面積上粗糙度將逐漸降低，同時摩擦系數(shù)也將下降。

3 結(jié) 語

1）M2高速鋼磨損過程中，隨著溫度的升高，在200℃之后磨損失重量增加較快。這顯示出M2高速鋼磨損失重量與溫度之間為非線性關(guān)系。

2）在溫度及間距不變的情況下，隨著凹坑直徑的增大，磨損失重量下降。

3）在凹坑直徑及間距不變的情況下，溫度升高，摩擦系數(shù)下降。在溫度為380℃時，間距不變，在本實驗范圍內(nèi)，凹坑直徑不斷增大，摩擦系數(shù)下降。凹坑直徑不變，間距增大時，摩擦系數(shù)下降。

4）對磨損機理的分析表明，凹坑能夠容納磨粒，降低表面能。凹坑的間距、直徑增大能夠提高M2高速鋼的高溫耐磨性。

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