GCr15鋼微織構(gòu)表面固體潤滑性能研究*

華希俊 朱翊航 王 皓 平國峰 朱 偉 田之翔 解 玄

(1.江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 江蘇鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇希西維軸承有限公司 江蘇鎮(zhèn)江 212013；3.江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院 江蘇鎮(zhèn)江 212013)

聚四氟乙烯(PTFE)是一種常用的高分子聚合物，具有較高的結(jié)晶度、穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)、優(yōu)異的自潤滑性能等特點(diǎn)，在機(jī)械、化工設(shè)備、電子和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用[1-3]。目前，對PTFE的研究主要集中在各種改性填料對PTFE力學(xué)性能和摩擦性能影響方面[4]。林啟權(quán)等[5]采用粉末冶金的方法制備了二硫化鉬(MoS2)、二硫化鎢(WS2)單獨(dú)和復(fù)合填充改性PTFE復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)添加不同種類的固體潤滑劑，PTFE復(fù)合材料表現(xiàn)出不同的表面磨損形態(tài)，呈現(xiàn)不同的磨損機(jī)制。KHEDKAR等[6]研究了PTFE和碳、石墨、玻璃纖維、MoS2、聚對苯二甲酰對苯二胺(PPA)纖維等復(fù)合填充的PTFE材料的摩擦學(xué)行為。隨著PTFE自潤滑材料的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，對其在高溫、重載、真空等苛刻環(huán)境下的性能要求越來越高，通過改善摩擦學(xué)性能可進(jìn)一步挖掘其潛在應(yīng)用場合[7]。

新近發(fā)展起來的表面織構(gòu)技術(shù)，為改善機(jī)械摩擦副之間摩擦磨損狀況提供了行之有效的解決方案[8-10]，在摩擦副表面加工出微織構(gòu)形貌可使摩擦副適應(yīng)更為復(fù)雜的工況條件[11-12]。LI等[13]通過激光織構(gòu)技術(shù)在CuSn6圓盤上制備了不同織構(gòu)表面，使用銷-盤式摩擦副在干摩擦條件下進(jìn)行織構(gòu)化圓盤與PTFE材料的對摩試驗(yàn)，結(jié)果表明，表面織構(gòu)對摩擦和磨損性能有顯著影響。TRIPATHI等[14]以鑄鐵材料為研究對象，分別采用超聲波表面改性技術(shù)和激光織構(gòu)工藝在鑄鐵材料表面上進(jìn)行微織構(gòu)造型，使用球-盤式摩擦試驗(yàn)機(jī)研究微織構(gòu)對材料干摩擦和油潤滑下摩擦學(xué)性能的影響。HARISH等[15]以高碳鉻鋼為研究對象，利用20 W光纖激光器在高碳鉻鋼的表面上加工出矩形以及圓形的微織構(gòu)凹坑，并在試樣表面涂覆一層石墨C潤滑顆粒，使用銷-盤摩擦副研究矩形和圓形凹坑對高碳鉻鋼摩擦性能的影響。

近年來，研究人員深入開展了微織構(gòu)技術(shù)研究，并成功將其與固體潤滑相結(jié)合，使得機(jī)械零部件摩擦副之間的潤滑性能顯著改善[16-17]，但對于微織構(gòu)技術(shù)、PTFE襯墊與固體潤滑三者的復(fù)合效果研究尚不多見。本文作者通過滑動(dòng)摩擦性能試驗(yàn)，進(jìn)一步探究在添加納米MoS2介質(zhì)條件下，GCr15軸承鋼織構(gòu)表面與PTFE配副的摩擦學(xué)性能，為改善PTFE/GCr15鋼配副表面潤滑特性提供新的試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試樣制備

試驗(yàn)材料選用GCr15軸承鋼，其中上試樣為高度20 mm、直徑6 mm的圓柱銷，下試樣為30 mm×15 mm×4 mm的矩形塊。試樣表面經(jīng)粗磨、細(xì)磨、拋光處理，粗糙度達(dá)Ra0.05 μm。表1給出了軸承鋼元素含量。

表1 軸承鋼試樣元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)

采用Nd:YAG納秒激光器的“單脈沖同點(diǎn)間隔多次”加工模式對下試樣表面進(jìn)行微織構(gòu)加工，并在部分織構(gòu)試樣中采用壓填法填充納米MoS2固體潤滑劑，通過Nano-Focus共聚焦顯微鏡(μsurfmobile)觀測微織構(gòu)表面固體潤滑劑填充效果(如圖1所示)。在上試樣下表面采用環(huán)氧樹脂AB膠粘結(jié)PTFE襯墊。

圖1 試樣表面填充前后形貌

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用Rtec-MFT5000多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，選擇接觸方式為銷-塊往復(fù)滑動(dòng)摩擦副(如圖2所示)，試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，設(shè)置載荷為60 N，往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻率為2 Hz，往復(fù)運(yùn)動(dòng)行程為15 mm，試驗(yàn)時(shí)間為15 min。具體試驗(yàn)安排如表2所示。下試樣凹坑織構(gòu)形貌參數(shù)[18]為：直徑85 μm，深度10 μm，密度30%。

圖2 摩擦磨損試驗(yàn)示意

表2 試驗(yàn)安排

2 結(jié)果與分析

2.1 固體潤滑介質(zhì)中不同表面處理方式的摩擦學(xué)特性

根據(jù)表2設(shè)計(jì)的摩擦試驗(yàn)，得出如圖3所示的不同表面處理?xiàng)l件下摩擦副表面的摩擦因數(shù)，可知，不同的表面處理方式對GCr15軸承鋼表面的摩擦影響也不相同，其摩擦因數(shù)由小到大依次為AS7組試樣、AS5組試樣、AS3組試樣、AS4組試樣、AS1組試樣、AS2組試樣。

從圖3(a)中可看出，AS2組試樣的摩擦因數(shù)在試驗(yàn)開始一段時(shí)間內(nèi)變化劇烈，且摩擦因數(shù)急劇上升，并出現(xiàn)了較大的振動(dòng)噪聲，在較短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)失效的情況。這是由于相較于AS1組試樣，AS2組試樣的表面粗糙度大，在上下試樣相對運(yùn)動(dòng)的過程中得不到有效的潤滑，發(fā)生嚴(yán)重黏著磨損及犁溝磨粒磨損。AS1組試樣摩擦因數(shù)在經(jīng)過短暫的小幅上升后，也很快出現(xiàn)如同AS2組試樣一樣的摩擦因數(shù)急劇增大，并伴有刺耳的噪聲，金屬表面層被破壞，試樣表面磨損情況嚴(yán)重。AS3與AS2及AS1組試樣相比，其摩擦因數(shù)較低，且摩擦因數(shù)保持基本穩(wěn)定。究其原因：在AS3組試樣表面壓填了納米MoS2固體潤滑劑，固體潤滑劑在摩擦副往復(fù)運(yùn)動(dòng)的過程中起到較好潤滑減摩作用。在摩擦的過程中，存儲(chǔ)在微織構(gòu)凹坑內(nèi)部的納米MoS2固體潤滑劑被擠出并帶到對摩擦副之間參與潤滑，可以及時(shí)補(bǔ)充接觸表面被消耗的固體潤滑劑，有助于保持固體潤滑薄膜的連續(xù)性，微凹坑還可以收集摩擦過程中產(chǎn)生的磨粒，防止磨粒劃傷表面。

圖3 不同表面處理方式試樣摩擦因數(shù)

AS4組試樣在試驗(yàn)過程中表現(xiàn)出較好的摩擦性能，這是源于PTFE襯墊的自潤滑特性，在初始階段PTFE自潤滑薄膜發(fā)生塑性變形，并在下試樣表面形成一層薄薄的潤滑薄膜，充當(dāng)潤滑介質(zhì)，有助于維持摩擦副相對運(yùn)動(dòng)過程中的穩(wěn)定性。不過從圖3(a)可以看出，隨著時(shí)間的推移，摩擦因數(shù)出現(xiàn)一定的上升趨勢，這表明下試樣表面上的潤滑薄膜并不穩(wěn)定，在潤滑薄膜生成與脫落的循環(huán)過程中，脫落的潤滑薄膜得不到有效的補(bǔ)充，直接導(dǎo)致潤滑性能下降。與AS4組試樣相比，AS5組試樣的摩擦因數(shù)更低，隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長，摩擦因數(shù)呈一定下降趨勢，這是因?yàn)樵谙略嚇颖砻嫱扛驳募{米MoS2固體潤滑劑起到了良好潤滑作用，在往復(fù)運(yùn)動(dòng)的過程中，PTFE與納米MoS2材料相互耦合，在下試樣表面形成一層復(fù)合固體潤滑膜，可以有效提高潤滑性能。與AS4組試樣相比，AS6組試樣的摩擦因數(shù)更小，這是因?yàn)锳S6組下試樣表面微凹坑發(fā)揮了捕獲PTFE自潤滑材料的作用，在對摩副之間的擠壓力作用下，PTFE材料逐步轉(zhuǎn)移到下試樣表面，形成穩(wěn)定的PTFE自潤滑薄膜，能夠?qū)ζ茡p的PTFE自潤滑薄膜進(jìn)行有效修復(fù)補(bǔ)充，更好地提高表面潤滑性能。AS7試樣組的摩擦因數(shù)最小，且減小幅度較為明顯，因?yàn)锳S7組試樣結(jié)合了表面激光微織構(gòu)技術(shù)與固體自潤滑技術(shù)，既發(fā)揮了微織構(gòu)凹坑收集固體潤滑劑、捕獲磨粒、對試樣表面的固體潤滑薄膜進(jìn)行補(bǔ)充的作用，又發(fā)揮了固體潤滑劑(納米MoS2與PTFE自潤滑材料)的作用，固體潤滑劑在對摩副之間形成一層連續(xù)且致密的復(fù)合固體潤滑膜，從而起到三者協(xié)同潤滑減摩的效果。

圖4示出了AS6與AS7試樣組磨損表面形貌，可以看出，相較于AS6組試樣，AS7試樣組表面更為平滑，這是因?yàn)樵趯δ^程中，從襯墊上脫落的PTFE顆粒與納米MoS2固體潤滑劑結(jié)合，有效增強(qiáng)了復(fù)合固體潤滑膜的承載能力，使得復(fù)合固體潤滑薄膜不易破壞，進(jìn)一步改善PTFE/GCr15鋼配副的潤滑特性。

圖4 不同表面處理方式下的表面磨損形貌

2.2 潤滑機(jī)制分析

為進(jìn)一步分析表面微織構(gòu)、PTFE自潤滑材料、固體潤滑劑三者的協(xié)同減摩效應(yīng)，采用SEM掃描電鏡觀測了試樣摩擦區(qū)域的微觀形貌，并借助SEM掃描電鏡上的EDS模塊分析了AS7組試樣表面元素組成成分。

從圖5、圖6中下試樣表面和微織構(gòu)凹坑周圍的EDS能譜圖可以看出，試樣表面含有F、Fe、Mo、S元素，這表明試樣表面生成一層由PTFE與納米MoS2材料構(gòu)成的復(fù)合潤滑膜，有利于提高對摩副之間的潤滑特性。從圖7中試樣微織構(gòu)凹坑內(nèi)部的EDS能譜圖可知，微織構(gòu)凹坑內(nèi)部既有納米MoS2材料，又有PTFE自潤滑材料，說明微織構(gòu)凹坑能捕獲納米MoS2和存儲(chǔ)PTFE自潤滑材料。此外在圖7所示的EDS能譜圖中還發(fā)現(xiàn)了Fe元素，這驗(yàn)證了微織構(gòu)凹坑可以捕獲試樣摩擦過程中產(chǎn)生的金屬磨粒。在穩(wěn)定的潤滑階段，微織構(gòu)凹坑內(nèi)的潤滑材料直接參與到表面潤滑膜的生成、彌散、剝落、再生成的動(dòng)態(tài)循環(huán)過程。

從圖5、圖6中下試樣摩擦磨損后的SEM形貌圖可以觀察到存在于試樣表面的固體潤滑膜。該潤滑膜的形成機(jī)制為：一方面，在上下試樣相對往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中，微織構(gòu)凹坑中最上端的少量納米MoS2被擠壓并拖抹到試樣表面；另一方面，上下試樣對摩過程中產(chǎn)生的摩擦熱會(huì)使微織構(gòu)凹坑內(nèi)部的固體潤滑劑(納米MoS2)發(fā)生熱脹效應(yīng)而微微凸起，凸起部分的固體潤滑劑同樣被帶到試樣表面。彌散到試樣表面上的納米MoS2與金屬基體表面結(jié)合性能較強(qiáng)，使得納米MoS2能在極短時(shí)間內(nèi)在試樣表面形成一層牢固的潤滑膜。在上下試樣不間斷的往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中，一方面從微織構(gòu)凹坑內(nèi)部滑移出來的固體潤滑劑源源不斷地對破損的固體潤滑膜進(jìn)行及時(shí)修補(bǔ)，并在原有的固體潤滑薄膜上形成一定堆積，有效提高潤滑膜厚度，從而明顯提升潤滑性能和承載能力；另一方面，上試樣上黏結(jié)的PTFE材料在下試樣表面微凸峰的劃刻下，逐漸在對摩副表面形成PTFE自潤滑薄膜；此外，對摩副之間摩擦熱使PTFE襯墊材料發(fā)生微區(qū)塑性變形，PTFE材料出現(xiàn)冷流現(xiàn)象，對下試樣表面進(jìn)行填充，也有利于形成穩(wěn)定的PTFE轉(zhuǎn)移膜。

圖5 試樣表面EDS圖譜

圖6 微織構(gòu)凹坑周圍EDS圖譜

圖7 微織構(gòu)凹坑內(nèi)部EDS圖譜

3 結(jié)論

(1)在納米MoS2作為潤滑介質(zhì)條件下，PTFE自潤滑襯墊與GCr15微織構(gòu)試樣對摩時(shí)的摩擦因數(shù)為0.123，相較于上下試樣均為光滑表面在干摩擦條件下對摩時(shí)的摩擦因數(shù)降低了29.7%。

(2)表面微織構(gòu)、聚四氟乙烯襯墊與納米MoS2潤滑介質(zhì)三者相結(jié)合，具有協(xié)同潤滑減摩效應(yīng)，可在摩擦副表面生成一層由PTFE與納米MoS2材料組成的致密、光滑復(fù)合潤滑膜，有效提高對摩副之間的潤滑特性。

(3)通過激光表面微織構(gòu)技術(shù)與固體自潤滑技術(shù)的集成融合，可顯著提升PTFE/GCr15鋼配副的表面摩擦學(xué)性能，在關(guān)節(jié)軸承、滑動(dòng)導(dǎo)軌及成形模具等工程領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。