初始表面粗糙度對(duì)溝槽織構(gòu)摩擦性能的影響

紀(jì)敬虎，周加鵬，王沫陽，王偉，符永宏

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初始表面粗糙度對(duì)溝槽織構(gòu)摩擦性能的影響

紀(jì)敬虎1,2，周加鵬1，王沫陽1，王偉2，符永宏1

（1.江蘇大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇華青流體科技有限公司，江蘇 蘇州 215600）

探究初始表面粗糙度大小對(duì)激光溝槽織構(gòu)化表面摩擦性能的影響規(guī)律。采用脈沖光纖激光器在不同粗糙度的45#鋼試樣表面制備具有不同深度、規(guī)則排列的溝槽織構(gòu)，利用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行銷-盤式往復(fù)摩擦試驗(yàn)，研究初始表面粗糙度對(duì)溝槽織構(gòu)化表面摩擦系數(shù)的影響規(guī)律，以及不同初始表面粗糙度條件下，激光溝槽織構(gòu)化表面的摩擦學(xué)行為。溝槽織構(gòu)能夠有效降低表面的摩擦系數(shù)，初始表面粗糙度、載荷和速度的大小對(duì)溝槽織構(gòu)的潤滑減摩性能有較大影響。在較低的載荷下，溝槽織構(gòu)能有效提高表面的流體動(dòng)壓潤滑效應(yīng)；在較高的載荷下，溝槽織構(gòu)能夠有效改善表面的邊界潤滑性能。存在最優(yōu)初始表面粗糙度，使得摩擦系數(shù)達(dá)到最小，初始表面粗糙度最優(yōu)值的大小應(yīng)根據(jù)載荷和速度大小來確定。根據(jù)摩擦副表面的載荷和速度工況條件，合理優(yōu)化初始表面粗糙度能使溝槽織構(gòu)獲得較為理想的潤滑減摩效果。

表面織構(gòu)；溝槽；粗糙度；摩擦學(xué)特性

表面織構(gòu)具有良好的潤滑減摩性能，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械零部件表面的摩擦學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)[1]。溝槽織構(gòu)作為表面織構(gòu)的一種重要類型，由于自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，不僅具有提高流體動(dòng)壓承載能力和改善摩擦表面潤滑狀態(tài)的作用，而且能疏導(dǎo)潤滑介質(zhì)，為摩擦表面提供潤滑劑以保障持續(xù)潤滑，業(yè)已受到了摩擦學(xué)研究人員和工程技術(shù)人員廣泛的關(guān)注[2-3]。

早期的試驗(yàn)研究表明，在摩擦表面制備溝槽織構(gòu)，不僅有利于提高摩擦副滑動(dòng)穩(wěn)態(tài)精度和降低摩擦磨損，而且不會(huì)發(fā)生任何潤滑劑降解現(xiàn)象[4]。為了充分揭示溝槽的潤滑減摩機(jī)理，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究工作。根據(jù)摩擦表面工況參數(shù)，通過優(yōu)化溝槽幾何參數(shù)可以獲得最佳的流體動(dòng)力潤滑效應(yīng)[5-6]。在不同的接觸方式下，溝槽與運(yùn)動(dòng)方向的夾角對(duì)表面摩擦性能影響是完全不同的[7-8]。進(jìn)一步的理論分析和試驗(yàn)研究結(jié)果還表明，溝槽的排布形式對(duì)表面摩擦學(xué)性能有重要的影響[9]。以上研究結(jié)果不僅豐富了溝槽織構(gòu)的潤滑減摩機(jī)理，而且為表面織構(gòu)摩擦學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)的工程應(yīng)用提供了理論依據(jù)。關(guān)于溝槽織構(gòu)化表面摩擦學(xué)性能的研究，主要集中于在特定的初始表面上制備溝槽來改善其摩擦學(xué)行為，重點(diǎn)關(guān)注溝槽的幾何形貌參數(shù)對(duì)摩擦性能的影響[10-13]，而忽略了初始表面初始粗糙度大小對(duì)溝槽織構(gòu)化表面摩擦學(xué)性能的影響。馬國亮等通過試驗(yàn)研究了不同粗糙度條件下凹坑織構(gòu)化表面的潤滑特性，結(jié)果表明，初始表面粗糙度存在一個(gè)最優(yōu)值范圍，使得織構(gòu)化表面具有最優(yōu)的摩擦學(xué)性能[14]。因此，有必要研究初始表面粗糙度對(duì)溝槽織構(gòu)化表面摩擦學(xué)性能的影響.

為了深入揭示初始表面粗糙度對(duì)溝槽織構(gòu)化表面摩擦學(xué)性能的影響，本文采用脈沖光纖激光器在不同初始粗糙度的45#鋼試樣表面加工溝槽織構(gòu)，采用Rtec多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)中的銷-盤式往復(fù)運(yùn)動(dòng)模塊進(jìn)行摩擦學(xué)性能試驗(yàn)，研究初始粗糙度大小對(duì)溝槽織構(gòu)化表面摩擦系數(shù)的影響，分析其潤滑減摩機(jī)理，為溝槽織構(gòu)摩擦學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論支撐。

1 試驗(yàn)

1.1 材料及制備

試樣材料采用45#鋼，上試樣為圓柱銷，其直徑為6 mm，高度為25 mm；下試樣為35 mm×25 mm× 6 mm的長方體。首先對(duì)上試樣下表面依次采用80、180、400、600、800、1000、1500目的水磨砂紙進(jìn)行打磨，然后利用pg-2拋光機(jī)拋光。為控制下試樣上表面的粗糙度，依次采用上述不同目數(shù)的水磨石砂紙對(duì)其進(jìn)行打磨，使其初始表面粗糙度分別控制在(0.05±0.01)、(0.15±0.01)、(0.25±0.01)、(0.35±0.01) μm范圍內(nèi)，獲得不同初始表面粗糙度試樣最后所采用的砂紙型號(hào)見表1。

表1 獲取不同初始表面初始粗糙度最后采用的砂紙

Tab.1 Abrasive last adopted for obtaining various values of the initial surface roughness

試樣表面經(jīng)砂紙拋光處理后，置于超聲波清洗機(jī)內(nèi)清洗20 min。經(jīng)干燥處理后，采用WKYO-NT1100表面微觀幾何形貌三維測量儀進(jìn)行初始表面粗糙度檢測，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同初始表面粗糙度試樣表面形貌

采用脈沖光纖激光器，使用輪廓迂回法在試樣表面加工出寬度和間距分別為60、800 μm且深度不同的溝槽織構(gòu)。通過改變掃描速度和加工次數(shù)來控制溝槽深度，具體加工參數(shù)見表2。

表2 脈沖光纖激光加工參數(shù)

Tab.2 Processing parameters of pulse fiber laser

加工完成后，采用此前加工粗糙表面時(shí)所用的最后一道砂紙?jiān)龠M(jìn)行打磨處理，一是為了去除由激光熱效應(yīng)產(chǎn)生的熔渣，二是為了保證試樣的初始表面粗糙度不變。然后，利用超聲清洗機(jī)對(duì)溝槽織構(gòu)試樣表面進(jìn)行清洗，晾干后，利用Nano-Focus光學(xué)輪廓儀對(duì)試樣表面進(jìn)行測量。圖2為溝槽深度為9 μm時(shí)，織構(gòu)化45#鋼試樣照片與表面形貌SEM照片，圖3為其三維幾何形貌圖和二維截面形貌圖。

圖2 激光溝槽織構(gòu)化表面試樣照片

圖3 溝槽織構(gòu)幾何形貌

1.2 摩擦磨損試驗(yàn)

試驗(yàn)采用Rtec多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)中的銷-盤式往復(fù)運(yùn)動(dòng)模塊，下試樣固定在工作臺(tái)上，上試樣做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，行程為15 mm，如圖4所示。在每次試驗(yàn)前，將上試樣與下試樣均置于無水乙醇中進(jìn)行30 min的超聲清洗，然后進(jìn)行干燥處理。試驗(yàn)在室內(nèi)溫度為20 ℃的條件下進(jìn)行，試驗(yàn)載荷采用10 N和20 N兩種，對(duì)應(yīng)接觸壓力分別為0.35、0.7 MPa。上試樣往復(fù)運(yùn)動(dòng)的平均滑動(dòng)速度在0.03~0.3 m/s范圍內(nèi)。采用30號(hào)通用機(jī)械潤滑油作為潤滑劑，室溫條件下動(dòng)力黏度為98 mPa?s。每組試驗(yàn)持續(xù)5 min，且重復(fù)兩次。每組試驗(yàn)供油一次，供油量每次控制在0.4 mL。

圖4 銷-盤式摩擦副結(jié)構(gòu)

2 結(jié)果與討論

2.1 溝槽織構(gòu)對(duì)摩擦系數(shù)的影響

為了研究溝槽織構(gòu)對(duì)表面摩擦性能的影響，盡可能減小粗糙度的影響，在此將討論初始表面粗糙度為0.05 μm時(shí)溝槽織構(gòu)對(duì)表面摩擦系數(shù)的影響。圖5給出了載荷分別為0.35、0.7 MPa條件下，具有不同溝槽深度的織構(gòu)化表面的摩擦系數(shù)隨平均滑動(dòng)速度的變化曲線。由圖5a可以看出，在0.35 MPa的載荷下，未織構(gòu)化表面的摩擦系數(shù)基本隨著速度的升高呈逐漸減小的趨勢。這說明此時(shí)表面處于混合潤滑狀態(tài)，載荷由表面粗糙峰和潤滑油膜所產(chǎn)生的流體動(dòng)壓力承擔(dān)。對(duì)于溝槽深度為9 μm和15 μm的織構(gòu)化表面，其摩擦系數(shù)基本隨著速度的升高呈逐漸增大的趨勢。這說明此時(shí)表面處于流體動(dòng)壓潤滑狀態(tài)，載荷由潤滑油膜所產(chǎn)生的流體動(dòng)壓力承擔(dān)。對(duì)于溝槽深度為22 μm的織構(gòu)化表面，摩擦系數(shù)隨著速度的升高而基本保持不變。這說明表面處于邊界潤滑狀態(tài)，溝槽織溝不僅沒有起到提高表面流體動(dòng)壓潤滑效應(yīng)的作用，而且增大了表面粗糙度，從而使溝槽織構(gòu)化表面的摩擦系數(shù)增大。由圖5b可以看出，在0.7 MPa的載荷下，對(duì)于未織構(gòu)化和織構(gòu)化表面，摩擦系數(shù)隨著速度的升高均基本保持不變，說明此時(shí)表面處于邊界潤滑狀態(tài)。還可以看出，溝槽深度對(duì)表面邊界潤滑性能有較大影響。這主要是因?yàn)樵谶吔鐫櫥瑺顟B(tài)下，溝槽織構(gòu)可以起到儲(chǔ)存潤滑介質(zhì)，為摩擦表面提供和補(bǔ)給潤滑劑的作用。

圖5 不同溝槽深度條件下摩擦系數(shù)隨平均滑動(dòng)速度的變化曲線

由以上分析可以得出，在較低的載荷下，溝槽織構(gòu)能有效提高表面的流體動(dòng)壓潤滑效應(yīng)，較小的溝槽深度有利于增強(qiáng)流體動(dòng)壓潤滑性能。在較高的載荷下，溝槽織構(gòu)能夠有效改善表面的邊界潤滑性能，較大的溝槽深度有利于降低摩擦系數(shù)。

2.2 初始表面粗糙度對(duì)摩擦系數(shù)的影響

為了研究初始表面粗糙度的大小對(duì)溝槽織構(gòu)化表面摩擦性能的影響，在此將討論在給定載荷和溝槽深度條件下，初始表面粗糙度對(duì)表面摩擦系數(shù)的影響。圖6給出了溝槽深度為9 μm時(shí)，在0.35、0.7 MPa兩種載荷下，具有不同初始表面粗糙度的溝槽織構(gòu)化表面的摩擦系數(shù)隨平均滑動(dòng)速度的變化曲線。由圖6可以看出，初始表面粗糙度的大小對(duì)溝槽織構(gòu)化表面的摩擦系數(shù)有較大影響，存在最優(yōu)值使得表面的摩擦系數(shù)達(dá)到最小，且最優(yōu)值大小受載荷和速度變化的影響。在0.35 MPa的載荷下，初始表面粗糙度的大小對(duì)溝槽織構(gòu)化表面摩擦系數(shù)的影響隨著速度的升高而減小，最佳粗糙度值隨著速度的升高而增大。這主要是因?yàn)楫?dāng)粗糙度為0.05 μm時(shí)，溝槽織構(gòu)的流體動(dòng)壓效應(yīng)隨著速度的增大而增強(qiáng)，載荷主要由油膜承載，而油液剪切力隨著速度的增大而增大，導(dǎo)致了摩擦系數(shù)逐漸增大。隨著初始表面粗糙度的增大，摩擦表面的承載能力由粗糙峰以及粗糙峰和溝槽織構(gòu)所產(chǎn)生的流體動(dòng)壓效應(yīng)共同承擔(dān)，初始表面粗糙度削弱了溝槽織構(gòu)的流體動(dòng)壓潤滑效應(yīng)。在0.7 MPa的載荷下，速度變化對(duì)摩擦系數(shù)影響不大，摩擦表面處于邊界潤滑狀態(tài)，初始表面粗糙度的最優(yōu)值不受速度變化的影響。綜上所述，溝槽織構(gòu)化的初始表面粗糙度并非越小越好，而是存在最優(yōu)的初始值使得摩擦系數(shù)達(dá)到最小，其大小應(yīng)根據(jù)載荷和速度大小來確定。

圖6 不同初始表面粗糙度條件下，摩擦系數(shù)隨平均滑動(dòng)速度的變化曲線

3 結(jié)論

1）溝槽織構(gòu)能夠有效降低表面的摩擦系數(shù)，初始表面粗糙度、載荷和速度的大小對(duì)溝槽織構(gòu)的潤滑減摩性能有較大影響。

2）在初始表面粗糙度為0.05 μm的條件下，當(dāng)載荷為0.35 MPa時(shí)，溝槽織構(gòu)能有效提高表面的流體動(dòng)壓潤滑效應(yīng)，較小的溝槽深度有利于增強(qiáng)流體動(dòng)壓潤滑性能。當(dāng)載荷為0.7 MPa時(shí)，溝槽織構(gòu)能夠有效改善表面的邊界潤滑性能，較大的溝槽深度有利于降低摩擦系數(shù)。

3）在給定的工況條件下，溝槽織構(gòu)化表面的初始表面并非越光滑越好，而是存在最優(yōu)初始表面粗糙度值使得摩擦系數(shù)達(dá)到最小，最優(yōu)值的大小應(yīng)根據(jù)載荷和速度大小來確定。

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Effect of Initial Roughness on the Tribological Properties of Textured Surfaces with Micro-grooves

1,2,1,1,2,1

(1.Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China; 2.Jiangsu Huaqing Fluid Technology Co. Ltd, Suzhou 215600, China)

The work aims to investigate the influence laws of initial roughness on the tribological properties of laser micro-groove textured surfaces. The regularly arranged micro-grooves were fabricated on the surface of 45#steel specimens with different roughness by pulse fiber laser. The pin-to-disc reciprocating test was carried out by friction and wear tester to study the influence of initial roughness on the friction coefficient of micro-groove textured surface and the tribological behavior of laser micro-groove textured surface under different initial roughness.The friction coefficient could be significantly reduced by groove texture. The initial roughness, load and sliding velocity had significant effect on the tribological properties of groove texture. Hydrodynamic lubrication could be significantly improved by groove texture under the lower load, and boundary lubrication could be effectively improved by groove texture at higher load. There was the optimal initial roughness to minimize the friction coefficient. The optimal value of initial surface roughness could be determined according to load and sliding speed. The ideal performance of friction reduction of the textured surfaces can be obtained by optimizing the initial surface roughness according to the load and speed.

surface texture; groove; roughness; tribological property

2018-08-03；

2018-10-07

Supported by the National Natural Science Foundation of China (51305168, 51375211, 51775248)

JI Jing-hu (1982—), Male, Doctor, Associate professor, Research focus: surface texturing tribology. E-mail: jijinghu@ujs.edu.cn

TH117.1

A

1001-3660(2019)02-0139-05

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.02.020

2018-08-03；

2018-10-07

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51305168，51375211，51775248）

紀(jì)敬虎（1982—），男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)楸砻婵棙?gòu)摩擦學(xué)。郵箱：jijinghu@ujs.edu.cn