45鋼的黏結(jié)型激光微織構(gòu)表面摩擦學(xué)性能及固體潤滑機理分析

華?？?，王 蓉，周 萬，劉 凱，符永宏，紀敬虎

(江蘇大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

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45鋼的黏結(jié)型激光微織構(gòu)表面摩擦學(xué)性能及固體潤滑機理分析

華?？?，王 蓉，周 萬，劉 凱，符永宏，紀敬虎

(江蘇大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

采用二極管泵浦聲光調(diào)Q Nd:YAG激光器在45鋼表面進行織構(gòu)化處理，對填充不同質(zhì)量分數(shù)聚酰亞胺(PI)的MoS2復(fù)合固體潤滑劑織構(gòu)試樣在銷-盤線接觸摩擦磨損試驗機上進行了不同工況下的滾動摩擦性能實驗。利用掃描電子顯微鏡觀察和分析材料磨損形貌和元素分布。結(jié)果表明：填充黏結(jié)型MoS2復(fù)合固體潤滑劑織構(gòu)表面的摩擦因數(shù)均隨著載荷和轉(zhuǎn)速的增大而減小，其中MoS2+20%(質(zhì)量分數(shù))PI復(fù)合潤滑劑具有最佳的減摩性能。在線接觸滾動過程中，存在氧化磨損、磨粒磨損和黏著磨損。高速重載能促進轉(zhuǎn)移膜在對偶面形成，顯示出良好的減摩性能。

激光織構(gòu)；復(fù)合固體潤滑劑；線接觸；滾動摩擦

激光表面織構(gòu)化技術(shù)[1]以其加工速度快，對環(huán)境無污染以及優(yōu)良的表面織構(gòu)控制能力等優(yōu)點而得到廣泛關(guān)注，目前的研究主要集中在織構(gòu)化表面的流體介質(zhì)潤滑方面[2]，而對其固體潤滑的研究起步較晚，在許多特殊工況(如高溫、重載、真空等)場合，固體潤滑具有不可替代的作用[3]。如今，一些國內(nèi)外的學(xué)者對織構(gòu)表面的固體潤滑也作了一些初步的研究。在國外，Guleryuz等[4]研究了TiN涂層織構(gòu)表面的摩擦和潤滑機理。Luster等[5]通過濺射在織構(gòu)表面沉積VN薄膜，結(jié)果表明：織構(gòu)表面涂覆VN涂層改善了其摩擦潤滑性能。Rapoport等[6,7]將MoS2顆粒分別涂覆在鋼基材表面和激光織構(gòu)面CdZnSe薄膜表面，結(jié)果表明：激光織構(gòu)面CdZnSe+MoS2薄膜的摩擦和磨損特性明顯優(yōu)于同等條件下鋼基材表面的摩擦和磨損特性。在國內(nèi)，朱鵬等[8]用熱模壓成型法制備了MoS2改性聚酰亞胺材料，研究其摩擦磨損性能，結(jié)果表明：載荷的增大有利于減小摩擦因數(shù)。鄧建新等[9]在硬質(zhì)合金表面加工出微凹槽，并在造型表面填充MoS2，結(jié)果表明：MoS2潤滑的織構(gòu)表面的摩擦因數(shù)比無潤滑織構(gòu)表面的摩擦因數(shù)降低20%～25%。

以往的激光織構(gòu)表面固體潤滑摩擦特性的研究主要是采用單一二硫化鉬或石墨等作為潤滑劑[10]，而對黏結(jié)型復(fù)合固體潤滑劑的摩擦特性研究較少。聚酰亞胺(PI)是20世紀50年代發(fā)展起來的一類高分子材料, 具有良好的力學(xué)性能、耐高溫性能, 尤其作為一種減摩耐磨膠黏固化物被廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療器械等領(lǐng)域[11]。MoS2因具有典型的六方晶系層狀結(jié)構(gòu)(層間硫原子結(jié)合力極弱)，顯著的力學(xué)各向異性，在外力作用下，表現(xiàn)出更佳的成膜性，被廣泛用作固體潤滑劑[12]。目前在膠黏固化物特性及其物理性能、固體潤滑劑種類及其含量對摩擦潤滑性能的影響方面已開展了較多研究工作[13-16]。

本工作基于激光表面織構(gòu)化技術(shù)在45鋼表面加工出微凹腔形貌，以MoS2為固體潤滑組元，以聚酰亞胺為黏結(jié)劑，考察其在線接觸滾動狀態(tài)下的摩擦磨損性能，獲得復(fù)合固體潤滑劑最佳配比，并探討其潤滑機理。

1 實驗

1.1 潤滑劑

采用MoS2作為固體潤滑劑，純度99.5%，顆粒尺寸為0.5μm；采用SKPI-MS10型聚酰亞胺粉末作為膠黏固化物。

1.2 試樣加工與制備

選用45鋼作為試樣基材，經(jīng)拋光處理后表面粗糙度Ra達到0.1μm。激光織構(gòu)設(shè)備采用本課題組自主研制的二極管泵浦Nd：YAG激光微加工設(shè)備，利用“單脈沖同點間隔多次”加工工藝在基材表面加工出微織構(gòu)。加工參數(shù)如下：激光重復(fù)頻率1600Hz，電流18A，脈沖重復(fù)次數(shù)10次，織構(gòu)密度27.7%?？棙?gòu)后的表面經(jīng)拋光、超聲清洗后，利用WYKO-NT1100表面形貌三維測量儀對微凹腔的加工形貌進行觀測。圖1所示為單個凹腔顯微形貌圖，凹腔直徑71μm左右，凹腔深度15μm左右。圖2所示為試樣激光微織構(gòu)表面形貌圖，由圖2可知，凹腔均勻分布于試樣表面。

圖1 單個凹腔形貌Fig.1 The morphology of single cavity

圖2 微織構(gòu)表面形貌圖Fig.2 The morphology of micro-textured surface

按不同質(zhì)量比將MoS2和PI均勻混合，并將復(fù)合粉料均勻涂覆于試樣表面，利用熱壓成型工藝制備試樣毛坯。再將制備好的試樣毛坯經(jīng)02#金相紙研磨、拋光，加工成摩擦磨損試樣。

1.3 實驗設(shè)備與方法

采用MMW-1A萬能摩擦磨損試驗機對試樣的摩擦磨損性能進行評價。實驗裝置如圖3所示，上試樣裝夾在試驗機主軸上，下試樣固定在工作臺上，采用銷子圓柱面與上下試樣織構(gòu)面線接觸的方式。實驗時，載荷100～500N，轉(zhuǎn)速100～500r/min，溫度10℃，濕度55%。

圖3 實驗裝置裝配圖Fig.3 Assembly drawing of experimental device

采用電子熱場發(fā)射掃描電鏡JSM-7001F(Thermal Field Emission SEM)對試樣進行表面形貌觀測和X射線能譜分析(EDS)。

2 結(jié)果與分析

2.1 PI質(zhì)量分數(shù)對織構(gòu)表面摩擦磨損性能的影響

圖4為填充了不同質(zhì)量分數(shù)PI的復(fù)合固體潤滑劑的織構(gòu)表面摩擦因數(shù)，由圖4可知，盡管織構(gòu)表面的PI含量不同，但其摩擦因數(shù)變化趨勢大體一致，均呈現(xiàn)先快速上升后逐漸趨于穩(wěn)定的規(guī)律。在實驗初始階段，摩擦因數(shù)上升較快，隨著實驗的進行，對磨面的微凸體與微孔中的復(fù)合潤滑劑接觸，由于潤滑劑硬度低，對磨面的擠壓和摩擦熱的共同作用使其析出微凹腔，從而在織構(gòu)表面形成自潤滑膜，在對偶表面形成轉(zhuǎn)移膜。機械應(yīng)力和熱應(yīng)力的共同作用使得摩擦副之間形成自潤滑膜的生成、破損、脫落與再生的循環(huán)過程，當磨損進入穩(wěn)定階段時，摩擦因數(shù)也隨之保持穩(wěn)定。圖5為織構(gòu)表面摩擦因數(shù)隨PI質(zhì)量分數(shù)的變化曲線，由圖5可知，不同質(zhì)量分數(shù)的PI對織構(gòu)表面摩擦因數(shù)的影響是不同的。當PI質(zhì)量分數(shù)較低時，隨著PI質(zhì)量分數(shù)的增加織構(gòu)表面的摩擦因數(shù)有所減小，但當PI含量超過20%(質(zhì)量分數(shù)，下同)后，隨著PI質(zhì)量分數(shù)的增加表面摩擦因數(shù)反而增大了。這主要是因為PI質(zhì)量分數(shù)較低時(小于10%)，MoS2顆粒分散不均勻，部分MoS2顆粒之間會出現(xiàn)彼此相連而無聚合物黏結(jié)現(xiàn)象，結(jié)合不好的MoS2顆粒在摩擦過程中極易脫落，膜的耐磨性差，缺陷多，在循環(huán)應(yīng)力作用下，潤滑膜的不均勻?qū)е铝四Σ烈驍?shù)的升高；PI質(zhì)量分數(shù)較高時(大于20%)，MoS2在黏結(jié)劑中的分布呈高度彌散狀態(tài)，復(fù)合膜與對偶面對磨時，PI在摩擦接觸區(qū)所占的面積相當大，潤滑膜的摩擦性能主要取決于PI 的性質(zhì)，潤滑作用不明顯，摩擦因數(shù)相對較大。且摩擦熱會增加潤滑膜的黏性，局部熔融而發(fā)生劇烈磨損，摩擦因數(shù)產(chǎn)生較大的波動。而當復(fù)合潤滑劑含20%PI時，對偶件表面形成的轉(zhuǎn)移膜較致密，MoS2顆粒在潤滑膜中分布也較均勻，與對偶件表面的結(jié)合力較強，在摩擦過程中不易從對偶件表面脫落，從而提高了復(fù)合潤滑劑的減摩效果，因此MoS2+20%PI復(fù)合潤滑劑在微織構(gòu)表面表現(xiàn)出較佳的減摩性能。

圖4 不同復(fù)合潤滑劑織構(gòu)表面的摩擦因數(shù)變化曲線(載荷：200N；轉(zhuǎn)速：100r/min)Fig.4 The friction coefficient change curves of the textured surface with different composite lubricants (load:200N;rotating speed:100r/min)

圖5 織構(gòu)表面摩擦因數(shù)隨PI質(zhì)量分數(shù)的變化曲線Fig.5 The curve of friction coefficient of the textured surface with different mass fraction of PI

2.2 不同載荷對黏結(jié)型結(jié)構(gòu)表面摩擦因數(shù)的影響

圖6 織構(gòu)表面摩擦因數(shù)隨載荷的變化曲線Fig.6 The curve of friction coefficient of the textured surface under various loads

圖6為100r/min的轉(zhuǎn)速條件下，載荷對填充了20%PI的復(fù)合潤滑劑織構(gòu)表面摩擦因數(shù)的影響。結(jié)果表明：隨著載荷的增大，織構(gòu)面的摩擦因數(shù)呈減小趨勢，這說明PI復(fù)合固體潤滑劑在較高載荷下減摩性能更顯著。這主要是因為隨著載荷的增大，更多的固體潤滑劑被擠出，而形成的固體潤滑轉(zhuǎn)移膜也更加致密；另外，由赫茲彈性接觸區(qū)的半寬公式可知，載荷增大則接觸區(qū)半寬增大，滾動摩擦副實際接觸區(qū)域也隨之增大，從而潤滑膜對金屬表面的吸附增強，使其能更好地實現(xiàn)潤滑性能。

2.3 不同轉(zhuǎn)速對黏結(jié)型結(jié)構(gòu)表面摩擦因數(shù)的影響

圖7為100N的載荷條件下，轉(zhuǎn)速對填充了20%PI的復(fù)合潤滑劑織構(gòu)表面摩擦因數(shù)的影響。結(jié)果表明：隨著轉(zhuǎn)速的增大，織構(gòu)面的摩擦因數(shù)呈減小趨勢。這是因為一方面，圓柱銷的滾動速度隨著轉(zhuǎn)速的增大而加快了，這使得微凹坑內(nèi)復(fù)合固體潤滑劑更快地被擠出，固體潤滑膜的轉(zhuǎn)移更頻繁，從而可以更快地修補試樣表面破損的潤滑轉(zhuǎn)移薄膜，使減摩效果更好；另一方面，轉(zhuǎn)速的增加對滾動摩擦副表面有一定的升溫效果，由二硫化鉬的性質(zhì)決定，復(fù)合固體潤滑劑溫度的上升也會使得織構(gòu)表面的摩擦因數(shù)有所減小；再者，轉(zhuǎn)速的增加也使得固體潤滑劑具有更好的晶粒取向，從而更易成膜。

圖7 織構(gòu)表面摩擦因數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化曲線Fig.7 The curve of friction coefficient of the textured surface at various speeds

2.4 試樣表面磨痕分析

觀察織構(gòu)表面磨損形貌，發(fā)現(xiàn)當PI質(zhì)量分數(shù)為20%時，由于MoS2顆粒分布均勻，形成的潤滑膜致密，織構(gòu)表面幾乎沒有磨損，如圖8(c)所示。當PI質(zhì)量分數(shù)分別為0%，10%，30%時，試樣表面雖然有微小的凹凸，但總體比較平整，主要是輕微的磨粒磨損，如圖8(a)，(b)，(d)所示。當PI質(zhì)量分數(shù)為40%時，織構(gòu)表面潤滑效果較差，有溝槽產(chǎn)生，這是由于表面的微凸體、脫落的磨屑以及磨粒對試樣表面犁溝、切削所導(dǎo)致，如圖8(e)所示。當PI質(zhì)量分數(shù)高達50%時，作為一種不良導(dǎo)熱體，由于摩擦熱來不及導(dǎo)出，使接觸點溫度瞬間達到極高值，導(dǎo)致試樣表面發(fā)生塑性流變和局部軟化，如圖8(f)所示，出現(xiàn)黏著磨損。

圖8 織構(gòu)表面的磨痕形貌 (a)MoS2+0%PI;(b)MoS2+10%PI;(c)MoS2+20%PI;(d)MoS2+30%PI;(e)MoS2+40%PI;(f)MoS2+50%PIFig.8 The morphology of grinding marks for the textured surfaces (a)MoS2+0%PI;(b)MoS2+10%PI;(c)MoS2+20%PI;(d)MoS2+30%PI;(e)MoS2+40%PI;(f)MoS2+50%PI

2.5 試樣表面顯微組織分析

圖9為填充MoS2+20%PI復(fù)合固體潤滑劑的下試樣顯微組織照片?？梢钥闯?，磨損表面比較光滑，形成了較為完整的潤滑膜，僅存在微細磨痕，這說明復(fù)合固體潤滑劑成膜性好，具有良好的減摩性能。復(fù)合固體潤滑劑中的兩相分別為PI(灰色)和MoS2(白色)，PI相呈片狀連續(xù)分布，MoS2以小片狀分散其中，起到潤滑作用，如圖10所示。另外，由于復(fù)合固體潤滑劑與基材45鋼兩者的化學(xué)性質(zhì)不相溶、物理力學(xué)性能差別較大，在成型與燒結(jié)過程中，壓縮變形、彈性恢復(fù)、擴散燒結(jié)等不能協(xié)調(diào)一致，使得填充到凹腔中的復(fù)合固體潤滑劑與凹腔內(nèi)壁之間存在微隙，在機械摩擦力的反復(fù)作用下，產(chǎn)生一定的分離界面，類似于微裂紋，但微隙的存在不影響微腔中復(fù)合潤滑劑對表面潤滑膜的及時補充。

圖9 填充MoS2+20%PI復(fù)合固體潤滑劑的下試樣顯微組織照片 (a)凹腔織構(gòu)表面；(b)單個織構(gòu)表面Fig.9 Microstructure photographs of the below sample filled with MoS2 and 20% PI composite solid lubricant (a)the textured surfaces;(b)a single cavity surface

圖10 復(fù)合固體潤滑劑的顯微組織照片F(xiàn)ig.10 Microstructure photograph of composite solid lubricant

由圖9(b)可知，在摩擦磨損過程中，潤滑作用是由于分散在復(fù)合固體潤滑劑中的MoS2向潤滑膜表面遷移而產(chǎn)生的，并且隨著比較穩(wěn)固的潤滑膜與對偶件的相對運動，摩擦表面的部分犁溝逐漸變得光滑，形成光滑帶。此外，由于載荷分布不均，MoS2向轉(zhuǎn)移膜表面遷移后， 在磨削過程中摩擦副上受載高的區(qū)域逐漸變得光滑，并且隨著對磨時間的延長，MoS2向表面的遷移量增加，光滑的區(qū)域逐漸呈現(xiàn)金屬般光澤。

對凹腔填充表面進行能譜分析，如圖11所示，表面成分中有少量O，F(xiàn)e元素存在。這可能是由于在摩擦過程中存在氧化磨損，有少部分二硫化鉬被氧化生成三氧化鉬，表面鐵元素也產(chǎn)生一定的氧化。圖 12是凹腔之間表面的能譜分析，表面成分中含有Mo，S元素，這說明凹腔中的復(fù)合固體潤滑劑已經(jīng)發(fā)生了轉(zhuǎn)移，并形成了較致密的潤滑膜。

3 結(jié)論

(1)填充PI含量為20%的MoS2復(fù)合固體潤滑劑時，織構(gòu)表面具有較佳的減摩潤滑效果。

(2)填充復(fù)合固體潤滑劑的織構(gòu)表面，在線接觸滾動條件下，摩擦因數(shù)隨著載荷和轉(zhuǎn)速的增加而減小，由此表明，高速重載工況更有利于轉(zhuǎn)移膜的形成。

(3)填充復(fù)合固體潤滑劑的織構(gòu)表面，在線接觸滾動條件下，能夠形成均勻致密的潤滑轉(zhuǎn)移膜，并存在氧化磨損、磨粒磨損和黏著磨損。

圖11 凹腔表面的EDS圖譜Fig.11 EDS spectra of the cavity surface

圖12 凹腔間表面的EDS圖譜Fig.12 EDS spectra of the surface between cavities

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中國(深圳)國際無人系統(tǒng)技術(shù)成果交易展覽會將于深圳舉行

11月17日-20日，中國(深圳)國際無人系統(tǒng)技術(shù)成果交易展覽會將于深圳大運中心舉辦。

本屆展覽會將作為深圳高交會分會場，與高交會共享組織架構(gòu)、客戶資源、媒體支持、專家支持、服務(wù)支持，是中國國際化的專業(yè)無人系統(tǒng)展覽。展覽會計劃邀請境內(nèi)外參展商110家以上，參會客商5萬人次以上。展會擁有靜態(tài)展10000m2，室外飛行展演場地15000m2。同時展覽會也是中國境內(nèi)具有正規(guī)飛行表演臨時空域報批手續(xù)的專業(yè)展覽會，屆時會舉辦精彩的無人機飛行表演及飛行比賽。

展覽的承辦單位——高博特廣告有限公司擁有10年的無人機展覽深厚資歷和6次成功的無人機展覽經(jīng)驗，其品牌展覽“尖兵之翼——中國無人機大會暨展覽會”是國內(nèi)規(guī)模較大的專業(yè)無人機展覽會。我們有理由期待，此次無人系統(tǒng)展覽必將再創(chuàng)輝煌！

Analysis of Tribological Property and Mechanism of Solid Lubrication on 45 Steel Bond-type Laser Micro-textured Surface

HUA Xi-jun,WANG Rong,ZHOU Wan, LIU Kai,FU Yong-hong,JI Jing-hu

(School of Mechanical Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,Jiangsu,China)

Q switched diode-pumped solid-state Nd: YAG laser was adopted to carry out texture processing on the surface of 45 steel. Rolling friction property test of textured samples filled with MoS2composite solid lubricant containing different mass fractions of PI was examined by a pin-plate line contact friction and wear tester under different working conditions. Wear morphologies and elements distribution were observed and analyzed by SEM. The results indicate that the friction coefficient of textured surface which is filled with bond-type MoS2solid lubricant decreases as the load and speed increase, and the composite lubricant containing MoS2plus 20%(mass fraction) PI has the best anti-friction property. The textured surfaces exist oxidation wear, abrasive wear and adhesive wear in the condition of line contact rolling . High speed and heavy load can promote transfer films forming on the counterpart face, and show good anti-friction performance.

laser texture;composite solid lubricant;line contact;rolling friction

TH117.1

A

1001-4381(2015)09-0039-07

國家自然科學(xué)基金資助項目(51375211,51305168);國家重大科技成果轉(zhuǎn)化項目(2060403);鎮(zhèn)江市工業(yè)科技支撐項目(GY2012 039)

2014-05-08；

2015-03-26

華希俊(1966-)，男，教授，工學(xué)博士， 主要從事激光表面改性與摩擦學(xué)設(shè)計、固體潤滑等方面的研究，聯(lián)系地址：江蘇省鎮(zhèn)江市京口區(qū)學(xué)府路301號江蘇大學(xué)機械工程學(xué)院(212013),E-mail：xjhua@ujs.edu.cn

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.09.007