織構參數對不銹鋼與豬股骨間摩擦性能的影響*

史于濤 胡亞輝 鄭清春 張春秋 李向軍

(1.天津市先進機電系統設計與智能控制重點實驗室 天津 300384；2.機電工程國家級實驗教學示范中心(天津理工大學) 天津 300384)

骨科手術中很大比例都是骨鉆削手術，在鉆削過程中會產生較大的鉆削力，為了保證手術后骨的結構性和生物活性,要嚴格控制鉆削力。現代仿生學和摩擦學都認為，合理的織構化表面具有良好的抗磨減摩性能。國內外學者也通過實驗驗證了在刀具或刀具材料上加工不同形貌不同尺寸的織構，能實現很好的抗磨減摩效果[1-4]。KANG等[5]在鋁的表面加工了微米尺寸的微織構,在水潤滑的環境下測試了材料的摩擦性能，試驗表明在水潤滑條件下織構表面的摩擦因數都有所減小。HOHM等[6]在鈦和軸承鋼材料表面加工出條紋狀微納微織構，實驗證明在油潤滑的條件下，織構化的試件相比于無織構的試件摩擦因數有所減小。張貴梁等[7]在硬質合金表面用光纖激光打標機加工出微織構，試驗表明微織構能有效地降低硬質合金表面的摩擦因數。王沫陽等[8]用激光在45鋼表面制備微凹槽織構，實驗表明在富油、低載、高速時微凹槽織構具有較好的潤滑減摩效果，織構面的平均摩擦因數最大比無織構面下降超過60%。

目前關于表面織構化的應用大多集中在金屬加工領域，鮮有在生物醫療方面的微織構減摩性研究報道，從醫工結合的角度研究表面微織構刀具在加工生物材料時的抗磨減摩作用具有重要意義。本文作者從減小摩擦因數能夠減小切削力的角度來研究微織構在醫療鉆頭上的應用。首先采用激光打標機在醫用麻花鉆的材料4Cr13不銹鋼上加工出不同參數的溝槽微織構，然后通過銷-盤摩擦磨損實驗，研究溝槽微織構參數對4Cr13不銹鋼摩擦特性的影響，并分析微織構的作用機制。

1 減磨機制分析及溝槽模型設計

1.1 溝槽織構的減摩機制分析

表面溝槽微織構的減摩機制主要從2個方面分析，第一，由于溝槽的存在，摩擦副表面接觸時，摩擦產生的磨屑掉進溝槽內，破壞了耕犁作用，減輕了磨粒磨損，有效地減小了二次摩擦，減輕了摩擦副表面的磨損和減小摩擦因數；第二，溝槽內可以儲存潤滑液，可以為摩擦副提供潤滑，使接觸表面有穩定的潤滑膜，也可以充當冷卻液降溫。溝槽表面織構由于形成收斂楔而產生流體動壓力，支撐起兩接觸表面，從而減小摩擦[9]，具體如圖1所示。

圖1 摩擦副運動模型及溝槽減摩機制原理圖

1.2 溝槽模型設計

溝槽的設計多種多樣，眾多學者對于不同材料不同加工方式的微織構應用研究表明，當織構與摩擦運動方向垂直時，微織構的減摩效果最好[10-12]。因此，文中設計出如圖2所示的放射狀溝槽,表面溝槽微織構的主要參數有線寬W，深度h及溝槽間的夾角θ。

圖2 溝槽幾何模型圖

2 試驗材料的制備及方案設計

2.1 試驗材料的制備

試驗選用4Cr13不銹鋼作為盤試樣，尺寸為φ31.7 mm×10 mm，將試樣盤表面拋光并在丙酮溶液中超聲清洗，使其表面粗糙度小于0.8 μm，利用YLP-F20激光打標機在試樣盤表面加工出不同參數的微織構，激光打標的參數參考文獻[13]確定，加工后再次超聲清洗。加工后的盤試樣如圖3所示，豬骨的結構和性能與人骨相近，所以銷試樣采用新鮮豬股骨，加工成柱狀，尺寸為φ6 mm×15 mm，如圖3所示。

圖3 實驗設備及試樣

2.2 試驗設計

為減小臨床手術中醫用鉆頭的鉆削力，基于上述溝槽織構的減摩機制，在醫用鉆頭上加工了溝槽織構。為了構建合適的溝槽織構結構，在醫用麻花鉆常用的4Cr13不銹鋼材料上加工出不同參數的溝槽微織構，并與豬骨構成摩擦副，研究微織構參數對摩擦因數的影響。文中采用單因素試驗法，每個因素設置4個水平，并做一組無微織構的對照實驗。具體試驗方案如表1所示。

表1 試驗方案

2.3 摩擦磨損試驗

摩擦磨損試驗在立式萬能摩擦磨損試驗機上進行，采用銷-盤摩擦副，試驗條件為常溫常壓，潤滑條件為生理鹽水潤滑。實驗參數為：法向載荷70 N，主軸轉速60 r/min，時間15 min。

試驗過程中，通過扭矩傳感器測出摩擦力矩，再通過摩擦力矩計算得到摩擦因數。試驗開始后，通過扭矩傳感器采集數據，10 s輸出一次。試驗初期銷盤處于磨合階段，接觸不完全,摩擦因數不穩定，磨合期后摩擦副間的摩擦因數趨于穩定。取穩定階段的平均值作為試驗結果。試驗設備如圖3所示。

3 結果與討論

3.1 溝槽寬度對摩擦學性能的影響

圖4(a)示出了溝槽間夾角為1.21°和溝槽深度為20 μm的不同寬度溝槽試樣以及無織構試樣的摩擦因數曲線。圖中顯示無織構試樣的摩擦因數上升快，數值大，并且數值震蕩劇烈，實驗過程中還伴隨著尖銳的噪聲，而織構試樣的摩擦因數均小于無織構試樣。圖4(a)顯示溝槽寬度為50 μm的試件的摩擦因數和無織構試件的摩擦因數大致相當。分析認為，50 μm寬度的溝槽收集磨屑的能力有限，使得磨屑在接觸面間多次摩擦，增大了摩擦因數；此外過窄的溝槽不能穩定地為接觸面提供潤滑液，接觸面之間沒能形成穩定的潤滑膜，處于邊界潤滑階段。圖4(b)顯示隨著溝槽寬度的增加，摩擦因數減少，溝槽寬度分別為100、150、200 μm的試件，與無織構試件相比摩擦因數分別降低18%、30%、37.5%。這表明合適的溝槽寬度在摩擦副摩擦中可起到更好的減摩作用。

圖4 織構寬度對摩擦因數的影響(h=20 μm,θ=1.21°)

3.2 溝槽深度對摩擦學性能的影響

圖5(a)示出了溝槽寬度為100 μm和溝槽間夾角為1.21°的不同深度織構試樣以及無織構試樣的摩擦因數曲線。可以看出，織構試樣的摩擦因數均小于無織構試樣，而溝槽深度為30 μm的試樣的摩擦因數遠大于其他織構試樣。分析原因為，加工30 μm深的溝槽需要去除大量的材料，去除的材料堆積在溝槽兩側，如圖6所示，增大了試件表面的粗糙度，同時也阻礙了接觸面間的磨屑進入溝槽和溝槽內儲存的潤滑液進入接觸面，增大了摩擦因數。溝槽深度為15 μm的試樣，摩擦因數經過磨合階段后進入穩定階段，大致為0.31，但穩定時間約500 s后，又開始緩慢爬升至一個新的高度，約為0.36。分析認為，100～600 s的穩定階段是由于溝槽的減摩作用，但隨著試驗的繼續，15 μm深的溝槽逐漸被磨屑填滿，試件表面近似于無織構試件的表面，因而摩擦因數又進一步地上升并最后穩定在0.36。溝槽深度為20和25 μm的試件的摩擦因數相差不大，且較其他試樣小，說明在文中的研究范圍這2個深度都較為適宜，而從加工織構的角度上考慮20 μm深度更為合適。基于上述分析，試樣的摩擦因數隨著溝槽深度的增大先減小而后增大，如圖5(b)所示。

圖5 織構深度對摩擦因數的影響(W=100 μm,θ=1.21°)

圖6 溝槽形貌

3.3 溝槽間角度對摩擦學性能的影響

圖7(a)示出了溝槽寬度為100 μm和深度20 μm的不同夾角微織構試樣和無織構試樣的摩擦因數曲線。圖7(b)顯示隨著溝槽夾角的增大摩擦因數也在增大。從圖7(a)中可以看出，溝槽夾角為1.45°和1.69°試樣的摩擦因數較大且具有小幅的震蕩，穩定后分別約為0.35和0.37。分析認為，較大的溝槽夾角造成較大的溝槽間距，上下試件的接觸面積較大，潤滑液不能及時地充滿摩擦面，局部的干摩擦造成了摩擦因數上升較快；潤滑液不能在較寬的摩擦面間形成穩定的潤滑膜,這是摩擦因數震蕩的原因；此外，磨屑也不能及時地進入溝槽內，在接觸面內反復摩擦加劇了磨料磨損和耕犁現象，增大了摩擦因數。溝槽間夾角0.97°和1.21°的試樣均表現出穩定的摩擦因數，分析認為合適的槽寬比有利于溝槽收集磨屑和為接觸面提供潤滑。

圖7 織構間夾角對摩擦因數的影響(W=100 μm,h=20 μm)

4 結論

(1)表面微溝槽幾何參數對試件的摩擦性能影響顯著，微溝槽具有收集磨屑、減少摩擦副接觸表面的接觸面積、存儲潤滑液和提供持續潤滑等優點，一定幾何形貌的表面織構可以提升摩擦副的減摩性能。

(2)在研究范圍內，摩擦因數隨著溝槽微織構的寬度增加而降低，隨著溝槽間夾角增大而增大。溝槽寬度的變化對摩擦因數的影響最顯著。

(3)激光加工后的表面處理對摩擦因數影響較大，因為激光加工后在試件表面形成熔渣的堆積，改變了表面的粗糙度。