激光織構(gòu)對干摩擦性能的影響及機(jī)理研究

齊燁，常秋英，王斌，李娟

（1.北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京100044；2.中國兵器科學(xué)研究院，北京100089）

激光織構(gòu)對干摩擦性能的影響及機(jī)理研究

齊燁1，常秋英1，王斌1，李娟2

（1.北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京100044；2.中國兵器科學(xué)研究院，北京100089）

采用LM-YLP-20F-Ⅱ型激光打標(biāo)機(jī)進(jìn)行表面織構(gòu)化處理，形成具有規(guī)則排列的圓形微坑陣列。通過環(huán)-塊線接觸摩擦磨損試驗(yàn)，研究了不同面密度的激光表面織構(gòu)對干摩擦磨損性能的影響，采用探針輪廓儀和掃描電鏡對試件的表面形貌進(jìn)行了分析。建立了摩擦副的簡化接觸有限元模型，模擬摩擦副的滑動摩擦過程，從應(yīng)力的角度分析表面織構(gòu)對干摩擦性能的影響機(jī)理。試驗(yàn)結(jié)果表明：激光表面織構(gòu)化對試件表面硬度影響顯著；當(dāng)激光織構(gòu)面密度小于20%時，構(gòu)成摩擦副的兩試件的磨損量都小于無織構(gòu)情況；當(dāng)織構(gòu)面密度大于20%時，與無織構(gòu)情況相比，織構(gòu)化試件的磨損仍降低，但對偶件的磨損反而增大。仿真結(jié)果表明：對織構(gòu)化試件的對偶件來說，在一定的織構(gòu)面密度范圍內(nèi)，在平均應(yīng)力無大幅提高的前提下，織構(gòu)凹坑的存在，緩解了接觸區(qū)應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而有利于降低磨損。

材料表面與界面；磨損；激光表面織構(gòu)；干摩擦；有限元仿真

0　引言

目前，表面織構(gòu)越來越廣泛地被用于改善摩擦學(xué)性能的研究中，大部分相關(guān)研究都是圍繞表面織構(gòu)在油潤滑狀態(tài)下的摩擦學(xué)性能進(jìn)行的［1-4］，而表面織構(gòu)在干摩擦狀態(tài)下的研究很少。眾所周知，這兩種情況下表面織構(gòu)的作用機(jī)理完全不同［5］。目前，車輛系統(tǒng)主要通過硬化剎車盤（轂）和更換抗磨性能優(yōu)良材料［6］來提升剎車制動系統(tǒng)的抗磨性。激光表面織構(gòu)改善干摩擦性能的技術(shù)對于提升裝甲車剎車制動系統(tǒng)的摩擦磨損壽命提供了新的思路和方法。無論從機(jī)理研究還是工程應(yīng)用的角度，對織構(gòu)化摩擦試件的干摩擦磨損性能進(jìn)行系統(tǒng)研究都具有重要意義。

目前只能檢索到有限的研究工作探索激光表面織構(gòu)在干摩擦狀態(tài)下的相關(guān)性能［7-11］。一些研究人員提出激光表面織構(gòu)增加了摩擦副表面的粗糙度導(dǎo)致干摩擦系數(shù)值變大［9］，而另外一些學(xué)者發(fā)現(xiàn)激光表面織構(gòu)具有收集磨粒的作用從而降低了干摩擦系數(shù)值［10］，二者的結(jié)果完全相反。幾乎所有激光表面織構(gòu)的干摩擦磨損性能研究都表明激光表面織構(gòu)具有良好的抗磨性。胡天昌等測得45#鋼表面激光織構(gòu)化后硬度并沒有發(fā)生改變，提出由于微坑收集磨粒降低了磨粒磨損［10］；宋起飛等提出激光表面織構(gòu)使得表面出現(xiàn)了很多高硬度單元體從而提升了織構(gòu)化試件的抗磨性能［9］，但是并沒有詳細(xì)說明單元體的硬度如何測量和表征。并且以上抗磨性能的研究都是針對織構(gòu)化試件的磨損性能，并沒有考慮其對偶件的磨損情況，無論從機(jī)理分析還是從工程應(yīng)用的角度分析對偶件的磨損都具有重要的意義。

鑒于以上情況，本文利用激光加工技術(shù)在45#鋼表面制備出規(guī)則的凹坑型織構(gòu)，研究激光表面織構(gòu)在干摩擦狀態(tài)下的摩擦學(xué)性能，不僅考察了織構(gòu)化試件的磨損性能，并研究了其對偶件的磨損性能。同時系統(tǒng)考察了激光加工對試件表面硬度的影響，并結(jié)合有限元數(shù)值仿真計算的結(jié)果，進(jìn)一步完善了表面織構(gòu)化影響干摩擦磨損性能的機(jī)理。

1　摩擦磨損試驗(yàn)

摩擦磨損試驗(yàn)采用M-2000型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，圖1為M-2000型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。該試驗(yàn)機(jī)的載荷加載范圍為0～2 000 N，轉(zhuǎn)速可選200 r/min和400 r/min，既可進(jìn)行環(huán)-環(huán)線接觸滑動、滾動摩擦磨損試驗(yàn)，也可進(jìn)行環(huán)-塊線接觸滑動摩擦磨損試驗(yàn)。本研究選用環(huán)-塊線接觸試件，環(huán)的尺寸為40 mm×10 mm，塊的尺寸為9 mm×10 mm× 15 mm，環(huán)試件的基材為45#鋼并進(jìn)行了熱處理，塊試件基材為12Cr.采用LM-YLP-20F-Ⅱ型激光打標(biāo)機(jī)在環(huán)試件的外圓周面上按照一定的排列方式加工圓形微凹坑陣列，塊試件不進(jìn)行織構(gòu)化處理，主要的激光加工參數(shù)分別為：平均功率18 W，脈沖頻率20 kHz，速度100 mm/s，打標(biāo)循環(huán)過程重復(fù)7次。加工完成后用砂紙拋光表面織構(gòu)微坑邊緣的毛刺，并用酒精和丙酮對試件進(jìn)行超聲波清洗。由于環(huán)試件外圓周表面是一個曲面，顯微硬度計和探針輪廓儀很難對該表面進(jìn)行測量，本試驗(yàn)選擇在相同基材的平面加工出完全相同的激光表面織構(gòu)，在該織構(gòu)化平面上測量硬度值和織構(gòu)凹坑的截面形貌參數(shù)。圖2（a）為掃描電鏡下看到的織構(gòu)凹坑排列形貌，圖2（b）為探針輪廓儀測量得到的織構(gòu)凹坑幾何截面形貌，可以看出微凹坑直徑為500 μm左右，深度為120 μm±20 μm.表面織構(gòu)的面密度定義為所有織構(gòu)凹坑在接觸表面的面積總和與接觸表面總面積的比值，改變凹坑之間的相鄰距離，可以得到具有不同面密度值的表面織構(gòu)。

圖1　M-2000型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of M-2000 friction and wear tester

試驗(yàn)中加工了5種不同的面密度，分別為6.6%、9.1%、13.7%、20.0%、33.0%，對無織構(gòu)試件與織構(gòu)化試件進(jìn)行同等條件的干摩擦試驗(yàn)，試驗(yàn)載荷為100 N，轉(zhuǎn)速為200 r/min，每組試驗(yàn)至少重復(fù)3次，每組試驗(yàn)時長為60 min.試驗(yàn)前后用酒精和丙酮對試件超聲清洗，采用高精度天平（精度為0.1 mg）在試驗(yàn)前后對試件進(jìn)行稱重，計算磨損量。

圖2　表面織構(gòu)形貌Fig.2 The morphology of surface texture

2　試驗(yàn)結(jié)果

2.1激光織構(gòu)化表面硬度測量

對織構(gòu)化試件和無織構(gòu)試件進(jìn)行顯微硬度測量，得到激光加工對材料表面硬度的變化影響。在無織構(gòu)試件表面取3點(diǎn)位置測量顯微硬度（見表1），取平均值為452HV.在激光織構(gòu)化表面取多點(diǎn)測量織構(gòu)凹坑間表面的顯微硬度，發(fā)現(xiàn)試件無凹坑處表面的硬度全部降低了。圖3為面密度20.0%織構(gòu)化試件表面的顯微硬度測量位置分布情況，選了7個位置進(jìn)行硬度測試，織構(gòu)微坑內(nèi)部無法進(jìn)行顯微硬度測量改用洛氏硬度計測量，測量結(jié)果列于表1中。將位置1～7的測量值取平均值為345HV，可見激光加工后試件表面無微坑處的硬度降低了23.7%.坑內(nèi)的洛氏硬度值為64HRC（800HV），微坑內(nèi)部的硬度值較原試件提升了77.0%.從圖2（a）中可以看到織構(gòu)凹坑底部及內(nèi)壁覆蓋著激光融覆層和大量熔渣，這些冷卻的熔融物使得凹坑內(nèi)壁的硬度高于基體本來的硬度，最終激光織構(gòu)化表面形成了高低硬度交替變化的格局。

表1　環(huán)試件表面硬度測量結(jié)果Tab.1 Surface hardness of rings

圖3　織構(gòu)化試件表面顯微硬度測量位置（織構(gòu)面密度20.0%）Fig.3 Positions of microhardness measuring on textured surface（area density of textures of 20.0%）

2.2激光織構(gòu)化對磨損量的影響

試件在試驗(yàn)前后清洗烘干后，用電子天平稱重，取3次重復(fù)試驗(yàn)的磨損量平均值作為環(huán)塊試件的干摩擦磨損量，如表2中數(shù)據(jù)。激光織構(gòu)化環(huán)試件的磨損量與無織構(gòu)試件相比降低了很多，減磨效果顯著。當(dāng)激光織構(gòu)面密度從6.6%增加到20.0%的過程中，環(huán)試件的磨損量從0.056 9 g迅速降低至0.018 1 g，減磨效果從48.3%上升到83.4%，提升明顯。當(dāng)激光織構(gòu)面密度從20.0%提升到33.0%，環(huán)試件的磨損量沒有降低，減磨效果不再提升。根據(jù)表面硬度測量結(jié)果，在激光織構(gòu)化表面形成了一個個較軟組織包圍高硬度微坑規(guī)律性變化的格局，較硬的微坑鑲嵌在較軟的基體上發(fā)揮支撐載荷、抵抗磨損、阻止磨粒犁削的作用，而周圍較軟的組織則可以緩解接觸表面應(yīng)力的集中。

表2　環(huán)塊試件磨損量平均值Tab.2 Average wear losses of rings and blocks

激光表面織構(gòu)使得環(huán)試件表面出現(xiàn)了高硬度區(qū)，對塊試件表面具有嚴(yán)重的磨削作用，隨著織構(gòu)面密度的增加，高硬度區(qū)面積增加，磨削作用加強(qiáng)造成塊試件的磨損量不斷上升。有趣的是，當(dāng)織構(gòu)面密度低于20.0%時，塊試件的磨損量始終小于無織構(gòu)情況的磨損量，在后文有限元仿真模擬中將對該現(xiàn)象進(jìn)一步解釋；當(dāng)織構(gòu)面密度高于33.0%時，塊試件的磨損量高于無織構(gòu)情況對應(yīng)的磨損量，激光織構(gòu)具有加劇塊磨損的作用。綜合考慮摩擦副對偶件的磨損性能，選擇激光織構(gòu)面密度低于20.0%的范圍對于環(huán)塊試件都具有減磨效果。

2.3激光織構(gòu)化對摩擦系數(shù)的影響

圖4反應(yīng)了無織構(gòu)、織構(gòu)面密度20.0%和33.0%對應(yīng)的摩擦系數(shù)變化情況。在試驗(yàn)開始的磨合階段摩擦系數(shù)波動非常劇烈。當(dāng)試驗(yàn)剛剛進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)時，可以看出試件的摩擦系數(shù)呈小幅上升，并且織構(gòu)面密度33.0%所對應(yīng)的摩擦系數(shù)最大，無織構(gòu)試件對應(yīng)的摩擦系數(shù)最小，織構(gòu)面密度20.0%所對應(yīng)的摩擦系數(shù)居于二者之間，總的來說激光織構(gòu)化對摩擦系數(shù)的影響不是非常顯著，摩擦系數(shù)始終在0.5～0.6的范圍內(nèi)變化，并且試驗(yàn)后期摩擦系數(shù)趨于一致。面密度為6.6%、9.1%和13.7%時摩擦系數(shù)隨時間的變化和無織構(gòu)時幾乎重合，圖4中不再給出。上述摩擦系數(shù)的變化與文獻(xiàn)［10］的結(jié)論不同，可見表面織構(gòu)對摩擦系數(shù)的影響規(guī)律是比較復(fù)雜的。

3　有限元仿真

3.1建立有限元模型

利用ANSYS軟件建立兩個試件的有限元接觸模型，考察接觸區(qū)域應(yīng)力的分布情況。由于環(huán)塊試件的接觸區(qū)非常小，可以將其簡化成兩平行平面接觸，整個模型簡化為兩個尺寸很小的長方體接觸并相對摩擦運(yùn)動，上試件幾何尺寸4 mm×4 mm，下試件幾何尺寸10 mm×5 mm.選用半圓形織構(gòu)凹坑，凹坑直徑為0.6 mm.上下平面使用結(jié)構(gòu)實(shí)體單元PLANE42劃分網(wǎng)格，采用二維面-面接觸單元TARGE169和CONTA172描述上下表面之間的相互作用，圖5為織構(gòu)化試件有限元接觸模型。

圖4　摩擦系數(shù)隨試驗(yàn)時間的變化Fig.4 Friction coefficient vs.test time

圖5　織構(gòu)化試件有限元接觸模型Fig.5 Finite element contact model of textured specimen

在邊界條件的處理上采用了兩個載荷步來施加載荷：第1個載荷步中，下試件底面的所有節(jié)點(diǎn)上施加x、y兩個方向的位移約束，在上試件的上表面所有節(jié)點(diǎn)施加面載荷1 MPa；第2個載荷步中，上試件上表面所有節(jié)點(diǎn)施加y向位移6 mm.加載結(jié)束后計算求解得到應(yīng)力的分布結(jié)果。通過比較無織構(gòu)情況與織構(gòu)化情況對應(yīng)的摩擦副接觸面應(yīng)力分布結(jié)果，從表面織構(gòu)對接觸面應(yīng)力分布影響的角度分析表面織構(gòu)對干摩擦性能的影響。

3.2接觸應(yīng)力分布結(jié)果

模型上試件從下試件左端滑動到右端總共需要12個位移載荷子步。在對接觸表面應(yīng)力進(jìn)行分析時，本文選取了上下試件滑動摩擦的起始（載荷子步1）、中間（載荷子步6）和結(jié)束（載荷子步11）狀態(tài)對應(yīng)的應(yīng)力分布圖。圖6為無織構(gòu)試件對應(yīng)的接觸應(yīng)力分布結(jié)果，在上下試件相對運(yùn)動過程中，上試件下表面右側(cè)大部分時間處于應(yīng)力集中狀態(tài)，該處會過早磨損，隨著相對滑動的進(jìn)行，磨損區(qū)會從右側(cè)向左一直擴(kuò)展致使上試件的摩擦表面磨損嚴(yán)重。圖7中凹坑的存在減小了摩擦副的接觸面積，致使最大接觸應(yīng)力值略有增大，但最大接觸應(yīng)力值在塊試件接觸表面的位置在不斷的變化。隨著摩擦副的相對滑動，上試件接觸表面的每一點(diǎn)都會經(jīng)歷高應(yīng)力點(diǎn)和低應(yīng)力區(qū)的交替變換，上試件下表面不存在長時間處于高應(yīng)力集中的區(qū)域，與無織構(gòu)情況相比緩解了應(yīng)力集中，有利于降低磨損，該結(jié)果解釋了表2中面密度低于20.0%的激光織構(gòu)有利于降低上試件（塊）磨損量的原因。

圖6　無織構(gòu)模型滑動過程的接觸應(yīng)力結(jié)果Fig.6 Contact stress of non-textured model during sliding

圖7　織構(gòu)化模型滑動過程的接觸應(yīng)力結(jié)果Fig.7 Contact stress of textured model during sliding

4　結(jié)論

本文針對激光表面織構(gòu)對干摩擦性能的影響進(jìn)行了摩擦磨損試驗(yàn)研究，對織構(gòu)微坑內(nèi)部和外部表面進(jìn)行了硬度測試，并應(yīng)用有限元數(shù)值模擬的方法探究了摩擦副接觸表面的應(yīng)力分布情況，得到以下研究結(jié)論：

1）45#鋼試件（硬度452HV）進(jìn)行激光織構(gòu)化對表面硬度影響顯著，微坑內(nèi)部硬度高于基體硬度，微坑間表面硬度低于基體硬度。

2）當(dāng)織構(gòu)面密度小于20.0%時，織構(gòu)化試件減磨效果隨著面密度的增加提升顯著；當(dāng)織構(gòu)面密度大于20.0%，減磨效果不再上升。

3）對于織構(gòu)化試件的對偶件，隨著織構(gòu)面密度的增加，磨損量逐漸增加；當(dāng)織構(gòu)面密度小于20.0%時，對偶件的磨損量小于無織構(gòu)對應(yīng)的磨損量，激光織構(gòu)具有減磨效果；當(dāng)織構(gòu)面密度大于20.0%，對偶件的磨損量大于無織構(gòu)對應(yīng)的磨損量，激光表面織構(gòu)對其無減磨效果。

4）織構(gòu)凹坑的存在，改變了試件的應(yīng)力分布，使接觸區(qū)形成了高、低應(yīng)力交替分布的格局，隨著上試件的滑動，應(yīng)力集中點(diǎn)在不斷變化位置，而無織構(gòu)情況時上試件的應(yīng)力集中點(diǎn)位置不變，因此織構(gòu)的存在有利于緩解上試件的磨損。

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Research on Tribological Behaviors of Laser Surface Textures under Dry Sliding

QI Ye1，CHANG Qiu-ying1，WANG Bin1，LI Juan2
（1.School of Mechanical，Electronic and Control Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China；2.Ordnance Science and Research Academy of China，Beijing 100089，China）

Surface of specimen is textured with a LM-YLP-20F-Ⅱlaser marking machine to develop regularly arranged micro-dimples.Ring-block line contact friction tests are performed to study the influence of laser textures'area density on friction and wear behaviors under dry sliding.The morphologies of textures are examined with a stylus profiler and a scanning electron microscope.A simplified finite element contact model of friction pair with surface textures is developed to simulate sliding friction，and the stress distribution is obtained to analyze the effects of surface textures on tribological properties.The results show that the effect of laser surface texturing on the surface hardness of specimen is remarkable.Both the wear losses of two mating specimens are reduced compared with non-textured specimens when the area density of laser surface textures is less than 20%，and the wear rate of textured specimen still goes down.However the wear rate of the mating specimen goes up when the area density of laser surface textures is over 20%.High stress location and magnitude shift with the change in the dimples on contact surfaces，which is beneficial to wear resistance.

surface and interface of materials；wear；laser surface texture；dry friction；finite element simulation

TH117.1

A

1000-1093（2015）02-0200-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.02.002

2013-11-19

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51075026）；總裝備部預(yù)先研究項(xiàng)目（62501036025）

齊燁（1987—），女，碩士研究生。E-mail：11121436@bjtu.edu.cn；常秋英（1972—），女，副教授，碩士生導(dǎo)師。E-mail：qychang@bjtu.edu.cn