初始徑向微溝槽對(duì)摩擦副磨損性能影響研究

袁 偉，于 潔，郭前建，王志文

(山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255000)

1 引言

機(jī)械設(shè)備中做相對(duì)運(yùn)動(dòng)的摩擦副表面難免會(huì)出現(xiàn)與運(yùn)動(dòng)方向垂直的溝槽或縫隙，如對(duì)接曲軸軸瓦的微溝槽。接觸副的片狀零件加工過(guò)程中難免產(chǎn)生一定的殘余內(nèi)應(yīng)力，如差速器中差速齒輪球形墊片，在磨損過(guò)程中，材料逐漸變薄，在摩擦力和殘余內(nèi)應(yīng)力的共同作用下，易引起材料的徑向開(kāi)裂縫隙。這種垂直于相對(duì)滑動(dòng)方向的微溝槽，對(duì)零件在工作中的磨損性能和可靠性具有重要影響。當(dāng)微溝槽出現(xiàn)在零件使用早期，處于非劇烈磨損失效階段時(shí)，溝槽寬度與周期內(nèi)滑動(dòng)跡線長(zhǎng)度相比甚小，并不足以演變?yōu)橹旅怨收希诜遣鹦稜顟B(tài)下很難被發(fā)現(xiàn)，這種帶傷工作的摩擦副，所表現(xiàn)的磨損性能特征，受到了研究者和生產(chǎn)商的廣泛關(guān)注。

以往研究中主要通過(guò)人為改變摩擦副結(jié)構(gòu)形貌的方式，在摩擦副表面設(shè)置初始溝槽，并對(duì)帶有初始溝槽的試樣進(jìn)行摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)研究。文獻(xiàn)[1]研究了存在約1 mm裂紋的接觸表面上的應(yīng)力應(yīng)變特征和材料強(qiáng)度。文獻(xiàn)[2]分析了存在半圓形裂紋表面的應(yīng)力分布。利用線切割加工人工裂紋或微溝槽[3]，經(jīng)常被用來(lái)進(jìn)行加速試驗(yàn)和摩擦學(xué)性能研究。摩擦界面溝槽的存在[4-5]，一方面改變了材料的連續(xù)性和各向同性，從而改變了接觸副的瞬時(shí)接觸狀態(tài)；另一方面具有捕獲磨屑和儲(chǔ)存潤(rùn)滑油的能力[6]，從而減輕磨屑對(duì)界面磨損的影響，特別是在交變載荷的作用下[7]，磨粒磨損易誘發(fā)其他磨損形式。

初始徑向微溝槽的存在下，應(yīng)用廣泛的耐磨材料(如GCR15)所表現(xiàn)的摩擦磨損特征，可以通過(guò)球-盤(pán)摩擦磨損試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)條件下，在線監(jiān)測(cè)技術(shù)能更加有效地高頻監(jiān)測(cè)摩擦副的摩擦磨損狀態(tài)，有利于磨損演變過(guò)程的研究。目前，在線鐵譜在磨損狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)估計(jì)方面得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，如西安交通大學(xué)研發(fā)的在線圖像可視鐵譜儀(OLVF)[8-9]，能夠有效地對(duì)磨損磨粒進(jìn)行在線可視監(jiān)測(cè)與分析，有利于對(duì)磨損狀態(tài)的準(zhǔn)確判斷。此外，結(jié)合磨痕形貌和磨粒特征進(jìn)行觀測(cè)分析，能夠更加準(zhǔn)確地探究摩擦副在不同工況條件和運(yùn)行過(guò)程中的磨損模式。

采用不同條數(shù)徑向溝槽的盤(pán)試樣進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。通過(guò)OLVF磨損率信號(hào)進(jìn)行在線實(shí)時(shí)可視監(jiān)測(cè)。選用利于加速磨損的實(shí)驗(yàn)條件，如增大接觸比壓，使用無(wú)添加劑的白油潤(rùn)滑，低轉(zhuǎn)速確保不形成動(dòng)壓潤(rùn)滑等。應(yīng)用TR200輪廓儀和掃描電子顯微鏡(SEM)觀測(cè)磨痕截面輪廓和微觀形貌特征，對(duì)特定磨損現(xiàn)象的磨損機(jī)理進(jìn)行探究。

2 理論基礎(chǔ)

2.1 IPCA參數(shù)

在線圖像可視鐵譜儀(OLVF)[10]是應(yīng)用電磁線圈產(chǎn)生可控強(qiáng)磁場(chǎng)力使流經(jīng)磨粒沉積區(qū)域的油液中鐵磁性顆粒按譜線分布沉積。沉積結(jié)束后，OLVF中內(nèi)置的CMOS攝像頭獲取鐵譜圖片。通過(guò)對(duì)鐵譜圖片進(jìn)行圖像處理，將彩色圖片轉(zhuǎn)換成灰度圖片，從而計(jì)算出磨粒的百分覆蓋面積比(IPCA)參數(shù)，記為Kt。

對(duì)磨粒沉積過(guò)程，作如下假設(shè)：(1)磨粒在油液分布均勻；(2)磨粒形狀近似為球形，粒徑均勻且無(wú)外源磨粒；(3)磨粒沉積無(wú)縱向疊加。因此，在采集周期內(nèi)，沉積的磨粒二維覆蓋面積與磨損率具有密切的正相關(guān)性，磨損過(guò)程中IPCA參數(shù)值的變化可以近似表征摩擦副磨損率的變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)磨損的在線監(jiān)測(cè)。根據(jù)IPCA定義可知，磨損表征參數(shù)Kt的表示式為[11]：

式中：C—鐵譜譜片中沉積的磨粒所占可視沉積區(qū)域的像素點(diǎn)數(shù)；w和h—可視沉積區(qū)域?qū)挾群透叨鹊南袼攸c(diǎn)數(shù)。

盡管該參數(shù)基于嚴(yán)格假設(shè)之上，但在磨損監(jiān)測(cè)過(guò)程中，通過(guò)在線高頻采集獲取的磨損過(guò)程動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，具有總體有效性和重要參考價(jià)值。

2.2 球-盤(pán)Hertz接觸

球-盤(pán)實(shí)驗(yàn)中接觸模型，可等效為球體與光滑剛性平面的Hertz接觸，在法向載荷Fn的作用下，球體產(chǎn)生彈性變形，變形后球-盤(pán)接觸由點(diǎn)接觸演化為面接觸。應(yīng)用彈性力學(xué)中Hertz接觸，可以得出接觸半徑a：

式中：E′—系統(tǒng)性彈性模量，；E1、E2—兩摩擦副材料的彈性模量；υ1、υ2—兩摩擦副材料的泊松比。

而接觸副的平均接觸壓力為：

在滑動(dòng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，初始接觸半徑和平均接觸壓力對(duì)磨損歷程有重要影響，特別是存在非連續(xù)性材料的周期性滑動(dòng)副。

3 試樣與實(shí)驗(yàn)

采用球-盤(pán)摩擦磨損實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)由試樣固定裝置、杠桿加載系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及供油系統(tǒng)組成。球、盤(pán)試樣同采用軸承鋼GCr15材料，硬度為420HV，球試樣直徑為6mm，盤(pán)試樣直徑為60mm，厚度為5mm，表面粗糙度Ra=0.2μm，實(shí)驗(yàn)中球盤(pán)相對(duì)滑動(dòng)線速度為12.5m/s.由Archard磨損計(jì)算模型可知，當(dāng)接觸比壓p＞H/3(H為材料的布氏硬度)時(shí)，磨損增長(zhǎng)較為顯著，根據(jù)式(3)計(jì)算得到相應(yīng)的臨界載荷Fc為25N，因此，采用加速磨損實(shí)驗(yàn)，法向載荷設(shè)為2Fc=50N。由式(2)可知Hertz接觸直徑2a=0.211mm。盤(pán)試樣上沿徑向方向開(kāi)設(shè)微型溝槽，參照Hertz接觸直徑，微溝槽寬度設(shè)為0.25mm，深度為盤(pán)試樣厚度5mm，因此，球試樣經(jīng)過(guò)該溝槽時(shí)，摩擦副的接觸壓力會(huì)顯著增加。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程通過(guò)OLVF在線監(jiān)測(cè)油液中磨粒含量，輸出IPCA參數(shù)曲線。為了縮短實(shí)驗(yàn)周期，盤(pán)試樣不經(jīng)過(guò)任何熱處理。為防止實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生磁化磨粒，影響OLVF監(jiān)測(cè)結(jié)果，粗加工后對(duì)盤(pán)試樣進(jìn)行去磁化處理。然后，對(duì)盤(pán)試樣精磨拋光，使表面粗糙度達(dá)到0.2μm，并在去離子水中超聲波震蕩清洗。為加速磨損實(shí)驗(yàn)過(guò)程，選用32#白礦油潤(rùn)滑。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用蠕動(dòng)泵連續(xù)開(kāi)環(huán)供油，為保證單次采集周期內(nèi)所需油液量與供油量持平，防止磨粒在油液中滯留，供油速度定為3.5ml/min，OLVF采集周期設(shè)為5min。通過(guò)設(shè)置無(wú)溝槽(T1-0)、單溝槽(T2-1)、四溝槽(T3-4)和八溝槽(T4-8)等4種不同溝槽數(shù)的盤(pán)試樣的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)徑向溝槽下GCr15材料配副的摩擦磨損性能評(píng)價(jià)。

4 結(jié)果與討論

4.1 IPCA參數(shù)曲線

應(yīng)用OLVF對(duì)實(shí)驗(yàn)T1-0、T2-1、T3-4和T4-8的磨損過(guò)程進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，獲得IPCA參數(shù)曲線，如圖1所示。由經(jīng)典摩擦學(xué)理論可知，磨損過(guò)程可分為3個(gè)典型階段，即磨合期、穩(wěn)定磨損期和劇烈磨損期，磨損率呈現(xiàn)典型的“浴盆曲線”特征。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中獲取的IPCA參數(shù)曲線顯示：(1)在實(shí)驗(yàn)T1-0中，盤(pán)試樣接觸面連續(xù)的情況下，磨合期較短，約25min；(2)在實(shí)驗(yàn)T2-1、T3-4和T4-8中，隨著微溝槽條數(shù)的增多，磨合期較長(zhǎng)，分別約為60min、150min和200min，而Kt值呈現(xiàn)振蕩式降低的趨勢(shì)。(3)當(dāng)盤(pán)試樣上微溝槽數(shù)為4和8條時(shí)，Kt值分別在(25～50)min和(80～130)min的時(shí)間段里出現(xiàn)相對(duì)較低值，而后磨損再次增強(qiáng)并持續(xù)約60min。以上數(shù)據(jù)表面，單條微溝槽對(duì)摩擦副的磨損過(guò)程影響并不顯著，當(dāng)盤(pán)試樣上存在多條微溝槽時(shí)，摩擦副在磨合期的磨損率表現(xiàn)出一定的跳躍性。表明溝槽數(shù)越多，相對(duì)滑動(dòng)的接觸表面在磨合期階段的磨損過(guò)程越不穩(wěn)定。采用TR200二維輪廓儀，獲取實(shí)驗(yàn)T1-0、T2-1、T3-4及T4-8中盤(pán)試樣磨痕截面輪廓。由結(jié)果可知，如圖2所示。實(shí)驗(yàn)T1-0和T2-1中盤(pán)試樣的磨損量并沒(méi)有發(fā)生明顯變化，與IPCA監(jiān)測(cè)結(jié)果一致；當(dāng)微溝槽條數(shù)為4和8時(shí)，磨痕損失截面積增加顯著，分別達(dá)到9.1×10-9和15.3×10-9m2。通過(guò)對(duì)磨損率的在線監(jiān)測(cè)和盤(pán)試樣的磨痕截面分析表明：法向載荷相同的條件下，單溝槽對(duì)磨損量和磨損率影響較小；然而，當(dāng)微溝槽條數(shù)較多時(shí)，磨合期明顯延長(zhǎng)，磨損率和磨損量都顯著增大。

圖1 不同實(shí)驗(yàn)IPCA參數(shù)曲線Fig.1 IPCA Parameter Curves In Various Tests

圖2 盤(pán)試樣磨痕截面積Fig.2 Cross-Sectional Area of Wear Scar on Disc Specimen

4.2 磨痕特征分析

對(duì)實(shí)驗(yàn)后的盤(pán)試樣在無(wú)水乙醇或丙酮中進(jìn)行超聲振蕩清洗，然后放入掃描電子顯微鏡(SEM)內(nèi)，觀察其磨痕形貌。觀測(cè)點(diǎn)為距離溝槽位置后方15mm處，結(jié)果，如圖3所示。實(shí)驗(yàn)T1-0中，當(dāng)盤(pán)試樣無(wú)溝槽時(shí)，磨痕上出現(xiàn)大量犁溝形貌，主要磨損形式為磨粒磨損。而實(shí)驗(yàn)T2-1中，單溝槽盤(pán)試樣上，磨痕表面相對(duì)無(wú)溝槽盤(pán)試樣磨痕，較為光滑，但在比壓較大的磨痕中間區(qū)域，出現(xiàn)了顯著的疲勞點(diǎn)蝕特征。實(shí)驗(yàn)T3-4和T4-8的盤(pán)試樣磨痕形貌顯示，磨損過(guò)程中盤(pán)試樣接觸表面發(fā)生顯著的塑性流動(dòng)，特別是微溝槽為8條時(shí)，接觸表面材料易出現(xiàn)塑性流動(dòng)，發(fā)生疲勞磨損，材料流動(dòng)和磨損后留下較多凹坑。

圖3 實(shí)驗(yàn)后盤(pán)試樣磨痕形貌Fig.3 Morphologies of Wear Scars on Disc Samples After Tests

如圖4所示，由盤(pán)試樣微溝槽位置處SEM圖片可知，球試樣經(jīng)過(guò)微溝槽時(shí)，由于名義接觸面積先降低后增加地變化，磨痕寬度從溝槽前沿開(kāi)始逐漸增大，當(dāng)越過(guò)微溝槽時(shí)，接觸寬度增大更加顯著。這種現(xiàn)象是由于球試樣在相對(duì)滑動(dòng)過(guò)程中，對(duì)微溝槽后沿有一定的沖擊作用，該沖擊作用造成后沿磨痕表面發(fā)生疲勞點(diǎn)蝕。通過(guò)對(duì)比球試樣磨痕形貌特征可知，如圖5所示。在T1-0實(shí)驗(yàn)中，球試樣的磨痕形狀近似為球形，并沿滑動(dòng)方向出現(xiàn)粗細(xì)不等的條紋狀犁溝，而在T2-1實(shí)驗(yàn)中，受微溝槽的影響，球試樣磨痕呈現(xiàn)典型的橢圓形，且表面較為光滑。

圖4 實(shí)驗(yàn)T1-0盤(pán)試樣溝槽處磨痕形貌Fig.4 Wear Scar Morphology at the Groove Region of the Disc Specimen After Test T1-0

圖5 不同實(shí)驗(yàn)中球試樣磨痕形貌特征Fig.5 Characteristics of Wear Scars on Ball in Different Tests

球、盤(pán)磨痕的SEM形貌特征表明，初始徑向微溝槽能夠改變滑動(dòng)接觸副的接觸特征，降低磨粒磨損，但隨著溝槽數(shù)的增多，疲勞磨損較為明顯，特別是磨痕上接觸壓力較大的中間區(qū)域。

4.3 典型磨粒特征

根據(jù)OLVF的采樣監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)實(shí)驗(yàn)中Kt值較高的鐵譜樣本磨粒，通過(guò)二次收集、清洗和離散化處理以后，用金相顯微鏡進(jìn)行離線觀測(cè)。如圖6所示，實(shí)驗(yàn)T1-0中，在沒(méi)有微溝槽時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)典型的切削磨粒，結(jié)合相應(yīng)的盤(pán)試樣磨痕形貌，可以判斷該組實(shí)驗(yàn)中主要的磨損形式為磨粒磨損。而實(shí)驗(yàn)T2-1中，觀測(cè)到的磨粒形貌主要如圖6(中)所示，未觀測(cè)到細(xì)長(zhǎng)磨粒。當(dāng)微溝槽增加到8條時(shí)(實(shí)驗(yàn)T4-8)，由于球試驗(yàn)每次經(jīng)過(guò)微溝槽時(shí)，不可避免地產(chǎn)生一定的振動(dòng)，致使盤(pán)試樣磨痕出現(xiàn)疲勞磨損，磨合過(guò)程中材料表面發(fā)生的冷作硬化層被壓潰，產(chǎn)生邊沿整齊的特征磨粒。因此，相同工況條件下，微裂紋條數(shù)對(duì)GCr15材料的磨損形式具有重要影響，特別是條數(shù)達(dá)到8條時(shí)，影響更為顯著。

圖6 典型磨粒特征Fig.6 Typical Wear Particle Characteristics

5 結(jié)論

(1)滑動(dòng)摩擦副上徑向微溝槽較多時(shí)，磨合期磨損率波動(dòng)變化較大，特別是微溝槽數(shù)目為8條時(shí)，Kt值起伏變化顯著，磨合期持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，磨損量較大。(2)無(wú)溝槽下摩擦副磨損較小，主要的磨損形式為磨粒磨損；而單溝槽時(shí)磨損量無(wú)明顯增加，表面相對(duì)光滑；隨著溝槽數(shù)增加到4條時(shí)，磨痕中出現(xiàn)疲勞點(diǎn)蝕現(xiàn)象，特別是8條微溝槽時(shí)，疲勞點(diǎn)蝕非常顯著，磨損嚴(yán)重，溝槽前沿塑性變形明顯。(3)無(wú)初始微溝槽的摩擦副易發(fā)生磨粒磨損并產(chǎn)生細(xì)長(zhǎng)切削磨粒，而在微溝槽的作用下，磨粒磨損得到顯著改善，磨損形式發(fā)生改變，然而，微溝槽數(shù)較多時(shí)，易發(fā)生疲勞磨損，產(chǎn)生片狀磨粒，磨損惡化嚴(yán)重。