激光織構GCr15鋼油潤滑摩擦磨損性能試驗

2020-09-14 08:32:34李穗平

實驗室研究與探索 2020年7期

李穗平

（重慶電子工程職業學院智能制造與汽車學院，重慶400031）

0 引言

激光表面織構技術是一種利用激光加工方法在機械零部件表面加工出一系列微尺度量級幾何形狀的技術，它可以有效降低摩擦副的摩擦磨損并增加其承載能力。

國內外學者對激光表面織構技術在相容性摩擦副改性應用上已經有了廣泛研究。Etsion［1］綜述了表面織構技術在機械密封、潤滑和干接觸等裝置中的應用，指出該技術是一種有效改善表面摩擦學性能的可行手段。Dong等［2］指出TiNi合金表面合適幾何參數的微凹坑織構可降低摩擦系數并減少磨損。Wang等［3］發現水潤滑推力軸承表面的球冠狀織構有助于磨合過程中摩擦化學磨損機制的形成，從而提高軸承的承載能力。Fu等［4］研究了拋物線形截面織構對平行滑塊潤滑特性的影響，發現與摩擦副運動方向平行的織構表面產生的油膜承載力最大。Shen等［5］研究了平底、單斜底和等腰雙斜底圓孔狀表面織構對推力滑動軸承承載力的影響，結果表明平底圓孔狀表面織構的油膜承載力最大。Yu等［6］的試驗結果表明密封環上加工的圓孔狀激光織構可以顯著降低摩擦副的溫升、摩擦力矩和摩擦系數。Akturk等［7］發現具有楔形織構的D2工具鋼刀具加工后的6111-T4鋁帶的摩擦系數比無織構刀具加工后的鋁帶的摩擦系數更低。Xiong［8］和Yamakiri等［9］運用環-盤摩擦試驗對圓孔激光織構的摩擦磨損機理進行了研究，發現表面織構起著存儲潤滑油和吸附磨屑的作用，從而可減小摩擦副的摩擦系數、增大其承載力并減緩其摩擦損傷。尹明虎等［10］分析了圓柱形、方形和三角形表面織構對滑動軸承性能的影響，發現存在最優的織構位置、密度、寬度和寬深比，使軸承的承載能力最大，摩擦系數最小。

上述研究大多僅考慮了表面織構對摩擦系數的影響，織構對材料磨損特性的影響很少考慮。由于大部分機械零部件工作于油潤滑條件下，而油潤滑條件下織構的磨損特性研究更是少之又少。此外，作為制造軸承的常用材料，國內外學者對高碳鉻軸承鋼GCr15織構表面的摩擦磨損特性研究還相對匱乏。本文綜合考察了常見的方孔、圓孔和三角孔激光表面織構的面積率、孔深、載荷以及摩擦副往復運動頻率對油潤滑條件下GCr15軸承鋼表面摩擦和磨損特性的影響，旨在為今后的GCr15表面織構優化設計提供一定的試驗參考。

1 試驗設計

1.1 試驗裝置及參數設定

軸承鋼織構表面摩擦磨損試驗的物理模型設定為兩個做相對往復運動的平行平面，美國Rtec公司生產的MFT-5000型多功能在線測量材料摩擦磨損試驗機為這種試驗提供了可能。該試驗機采用模塊化設計，可實現多種摩擦磨損測試模塊的互換，如旋轉球盤／銷盤、高速往復、Timken環塊等。此外，該試驗機的白光干涉儀組件還可對試件的三維表面形貌進行觀測。

該試驗機以高速往復運動形式工作時，其工作示意圖如圖1所示。往復摩擦試驗裝置如圖2所示，下試件固定于往復工作臺上的儲油槽內，儲油槽中可以添加潤滑油，本研究采用動力黏度η為45 mPa·s的10號機油對摩擦副進行潤滑，其中磨損試驗時使用了油浴潤滑以避免對試件的快速破壞，而摩擦系數試驗時使用了滴油潤滑。往復工作臺以頻率fr沿x方向做往復運動（對應的平均線速度U＝0．02fr）。上試件置于其上表面的夾具固定，并承受豎直方向載荷F。上下試件材料均為高碳鉻軸承鋼GCr15，其表面硬度為HRC 60～70。上試件的對磨面為8 mm×8 mm的矩形，下試件的對磨面為20 mm×10 mm的矩形區域。它們的實物圖如圖3所示，其中，圖3（b）為節省加工費用，同一塊下試件表面上加工有4個實驗區。

圖1 往復摩擦試驗示意圖

圖2 往復摩擦試驗裝置

圖3 上、下試件的實物圖（mm）

1.2 表面織構的表征與加工

1.2.1 表面織構的表征

以常見的容易加工的方孔、圓孔和等邊三角孔3種形狀的表面微造型織構作為研究對象，它們的形貌參數如圖4所示。3種微造型的中心距均為a，其中方孔微造型邊長為b，圓孔微造型直徑為d，三角孔微造型邊長為c。這樣，3種表面的微造型面積率分別可用表示。故3種微造型面積率相等時，滿足：

圖4 表面織構形貌參數（mm）

1.2.2 試樣的前處理

棒狀GCr15金屬坯料經線切割成要求的尺寸后，試件的表面粗糙度達不到試驗要求，需后續處理。首先分別依次用400、600、800、1 200和2 000目的砂紙打磨上試件和加工表面織構之前的下試件的對磨面，然后在P-1型金相試樣拋光機上使用W5型金剛石研磨粉對上下試件的對磨面進行精磨拋光處理。

1.2.3 表面織構的加工

激光表面織構在重慶旭安科技有限公司生產的DP-75F型半導體泵浦激光打標機上進行加工。表面織構的形狀和尺寸可通過調節激光束的行進速度、輸出功率、重復頻率和打標次數這4個工藝參數加以控制。經多次嘗試，確定合適的工藝參數組合為：激光束行進速度300～600 mm／s，輸出功率設定為20% ～40%，重復頻率30 kHz，打標次數3～10次。

由于激光熔融現象，激光加工后的微造型難免會存在燒熔雜質堆積于微造型底部和邊緣，因此需要用拋光毛刷對加工后的表面進行清理，以清除雜質。最后將試樣置于無水乙醇溶液中，并用KWD-1012A型單槽式超聲波清洗機進行超聲清洗15 min。

激光加工后的試件表面織構的尺寸參數如表1所示。微造型表面的面積率Ar通過改變造型中心距a來控制，本研究中保持3種微造型的尺寸不變：b＝300 μm，d ＝338．5 μm，c＝455．9 μm。5 種面積率對應的微造型中心距分別為1 200、960、800、685．7、600 μm。

1.2.4 表面織構的三維形貌觀測

使用MFT-5000型多功能在線測量材料摩擦磨損試驗機的白光干涉儀組件對試件進行三維表面形貌觀測。圖5給出了微造型面積率為19．14%的方孔、圓孔和三角孔織構試件的表面形貌圖，圖5（a）、（b）和（c）分別對應表1中的試件A4、B4和C4。

表1 激光織構試件的尺寸參數

圖5 方孔、圓孔和三角孔織構試件表面形貌

2 試驗結果分析

所有試驗均在環境溫度為26℃下進行。磨損測試前后，在精度為0．1 mg的電子天平上各稱量一次上下試件的總質量，其差值即為磨損量。單次摩擦系數試驗時間為10 min（長于摩擦系數保持穩定所需的時間），單次磨損量試驗時間為15 min，摩擦系數和磨損量均取同一試件3次試驗的平均結果。

2.1 微造型面積率影響

圖6所示為微造型面積率Ar與摩擦系數f的關系。研究所用試件為表1中的A1～A5、B1～B5和C1～C5。從圖6可以看出，隨著面積率的增大，3種形狀織構表面的摩擦系數均先減小后增大。織構形狀為方孔或圓孔時，使摩擦系數最小的織構面積率為9．76%；織構形狀為三角孔時，使摩擦系數最小的造型面積率為14．06%。這表明對于特定孔深和形狀的織構表面，存在一個最優的織構面積率。這一結論與于海武關于圓柱形微造型織構化表面的研究結果類似［11］。圖中水平虛線指示的是相同工況下無織構的表面的摩擦系數，其值為0．149，它大于織構表面的摩擦系數。這表明表面織構能夠減小摩擦系數，且相較于其他兩種微造型，圓孔微造型的減摩作用最為顯著。

圖6 微造型面積率與摩擦系數的關系

圖7 給出了織構面積率Ar與磨損量W的關系?？梢钥闯?，磨損量與圖6摩擦系數的變化趨勢幾乎一致，也即隨著面積率的增大，3種形狀織構表面的磨損量均呈先減小后增大的趨勢，且圓孔織構表面的耐磨性最好。此外，還可以看出，3種形狀織構表面均存在的使磨損量最少的最優微織構面積率，即9．76%。這表明恰當面積率的微造型在減小表面摩擦系數的同時，還可以減少材料磨損。

圖7 微造型面積率與磨損量的關系

2.2 微造型孔深影響

圖8 所示為微造型孔深h與摩擦系數f的關系。研究所用的試件為表1 中的A6／A1／A7／A8／A9、B6／B1／B7／B8／B9 和C6／C1／C7／C8／C9 試件，對應的孔深分別為6．01、7．06、11．77、17．96 和28．64 μm。

圖8 微造型孔深與摩擦系數關系

從圖8可以看出，隨著孔深的增大，3種形狀織構表面的摩擦系數均先減小后增大，最優孔深均約為11．77 μm。這表明對于特定面積率的織構表面，存在一使表面摩擦系數最小的最優織構孔深。圖中水平虛線為相同工況下無織構表面的摩擦系數。可以看出，除h＝6．01 μm時三角孔織構表面摩擦系數大于0．149外，其他條件下的表面織構均能起到減小摩擦力的作用，且三角孔、方孔和圓孔微造型的減摩作用依次增強。此外，由圖8還可以看出，當微造型孔深較大時，3種織構表面的摩擦系數逐漸趨于一致并且減弱。Mourier等［12］指出，在彈流潤滑狀態下，較淺的微造型深度更有助于摩擦副表面之間產生流體動壓效應，過大的微造型深度反而會減弱這種效果。此時，微造型形狀對表面摩擦學性能造成的差異也會縮小。

圖9給出h與W的關系?？梢钥闯觯p量與圖8摩擦系數的變化趨勢幾乎一致，也即隨著孔深的增大，3種形狀織構表面的磨損量均呈先減小后增大的趨勢，且圓孔織構表面的磨損量最少?？梢姡瑹o論是在滴油潤滑還是油浴潤滑條件下，均存在一個最優微造型孔深，使造型表面獲得最小的摩擦系數和最少的磨損量。

圖9 微造型孔深與磨損量的關系

2.3 載荷影響

圖10 所示為載荷F與f的關系。研究所用的試件為表1中的A7、B7 和C7，載荷分別取60、100、140、180和220 N。從圖10可以看出，隨著載荷的增大，3種形狀織構表面的摩擦系數均逐漸增大。這是由于本試驗是在滴油潤滑條件下進行的，摩擦副處于邊界潤滑或者混合潤滑狀態，由經典的Stribeck曲線可知，在上述潤滑狀態下，隨著載荷的增大，Hersey數（ηU／F）減小，摩擦系數隨之增大。同時，載荷的增大也會導致粗糙摩擦副之間相互接觸的微凸體數目增多，進而增大摩擦系數。在相同的載荷作用下，圓孔微造型再次表現出比方孔和三角孔微造型更優異的減摩作用。

圖10 載荷與摩擦系數的關系

圖11 所示為F與W的關系。可以看出，隨著載荷的增加，3種形狀織構表面的磨損量均呈持續上升而后趨于平穩的趨勢。根據粘著磨損機理可知，載荷越大，摩擦副之間相互接觸的微凸峰數目越多，摩擦副相互運動的阻力增大，犁溝效應增強，磨損趨于嚴重［13］。然而，當載荷較大（220 N）時，摩擦副會更快進入穩定磨損階段，雖然在磨合階段其磨損率更大，但是由于磨合時間短，導致其磨損量與磨合時間更長、磨損率更小的稍小載荷（180 N）作用下的摩擦副的磨損量相差不大［14］。

圖11 載荷與磨損量的關系

2.4 往復運動頻率影響

圖12 所示為下試件往復運動頻率fr與摩擦系數f的關系。研究所用的試件為表1中的A7、B7和C7，往復運動頻率分別取值3、6、9、12和15 Hz（對應的平均線速度U 分別為0．06、0．12、0．18、0．24 和0．3 m／s）。從圖12可以看出，隨著往復運動頻率的增大，3種形狀織構表面的摩擦系數均逐漸減小。根據邊界或者混合潤滑狀態下的Stribeck曲線可知，隨著線速度U的增大，Hersey數增大，摩擦系數隨之減小。在同一往復運動頻率下，三角孔、方孔和圓孔織構表面的摩擦系數依次減小，而圓孔微造型減摩性能最優。

圖12 往復運動頻率與摩擦系數的關系

圖13 所示為下試件fr與W的關系。可以看出，隨著往復運動頻率的增大，3種形狀織構表面的磨損量均呈增大趨勢，具體可劃分為急劇增大和趨于平穩兩個區段。發生這種變化可能的原因是在低頻摩擦區段，發生黏著磨損或疲勞剝層磨損，磨損機理發生很大變化，磨損量大幅增加；而在高頻摩擦區段，發生表層撕裂或剝離，磨損機理沒有本質變化，故其磨損量變化不明顯［15］。當往復運動頻率較小時，磨損量出現負數，意味著磨損后上下試件的質量和比磨損前大，這是由于較小的往復運動頻率不足以將磨損過程中產生的磨屑甩出摩擦副表面，同時，往復工作臺及油槽中的雜物可能被吸附至摩擦副表面。