復(fù)合工藝制備的表面微凹坑織構(gòu)的摩擦性能研究*

(江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院激光技術(shù)研究所 江蘇鎮(zhèn)江 212013)

在機(jī)械傳動(dòng)過(guò)程中，摩擦副之間的摩擦磨損行為是導(dǎo)致工作效率、安全系數(shù)和零件使用壽命降低的主要因素。機(jī)械傳動(dòng)中各種摩擦磨損引起的能量損失高達(dá)40%，每年有約80%的零件因摩擦磨損而損壞，造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)數(shù)千億[1]。近年來(lái)，科學(xué)家們通過(guò)仿生學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，生物表面的非光滑織構(gòu)可以一定程度上減小摩擦，提高耐磨性[2]。1966年，HAMILTON等[3]首次提出了凹坑型表面微織構(gòu)，并驗(yàn)證了此類非光滑表面的減摩性能。以色列的ETSION等[4]采用激光加工技術(shù)在活塞環(huán)表面加工出表面微織構(gòu)，并研究了表面織構(gòu)的不同參數(shù)對(duì)摩擦性能的影響，研究表明，微織構(gòu)的形狀、大小及分布等對(duì)材料表面摩擦學(xué)性能有十分顯著的影響。近年來(lái)，研究人員提出了多種有效的材料表面微織構(gòu)加工方法，主要有激光噴丸技術(shù)(LPT)[5]、激光表面織構(gòu)技術(shù)(LST)[6-7]、機(jī)械壓刻[8]、電化學(xué)加工技術(shù)[9]、反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)(RIE)[10]等。這些加工方法都為單一的加工工藝，既有其優(yōu)點(diǎn)也有其不足，例如反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)具有加工尺寸微細(xì)、可控性高、無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn)，但只能進(jìn)行各向異性刻蝕加工，材料具有一定的局限性；激光噴丸技術(shù)與機(jī)械壓刻技術(shù)雖然加工材料局限性小，但主要依靠接觸力進(jìn)行加工，加工結(jié)果受隨機(jī)因素影響較大，幾何精度不高；激光加工技術(shù)為非接觸式加工，定域性高、清潔無(wú)污染，加工效率高，但加工表面存在毛刺、重熔層等缺陷，加工表面精度不高；電化學(xué)加工工藝能獲得較高表面精度的加工結(jié)果，但幾何精度不高，部分實(shí)驗(yàn)廢液對(duì)環(huán)境具有一定的污染性。

為進(jìn)一步提高織構(gòu)表面加工質(zhì)量，本文作者將激光加工與電化學(xué)加工技術(shù)相結(jié)合，采用復(fù)合加工工藝在鋁合金材料表面制備了凹坑型微織構(gòu)，通過(guò)摩擦磨損試驗(yàn)研究了復(fù)合加工工藝制備出的試件的摩擦學(xué)性能，并分析凹坑織構(gòu)的直徑、深度和面積密度對(duì)鋁合金材料表面摩擦性能的影響，為凹坑型微織構(gòu)在鋁合金工件上的研究與實(shí)際應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

1 表面微織構(gòu)加工及摩擦磨損試驗(yàn)

1.1 表面微織構(gòu)的加工試驗(yàn)

試樣材料為7075鋁合金，尺寸為20 mm×30 mm×8 mm，加工前試樣表面用500目、800目、1 200目、1 500目普通砂紙及W10的金相砂紙打磨光滑，用乙醇溶液清洗后烘干備用。

加工所采用的皮秒脈沖激光電化學(xué)復(fù)合微加工系統(tǒng)如圖1所示，主要由皮秒脈沖激光輻照系統(tǒng)、電化學(xué)加工系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)組成。采用的皮秒激光器為Edgewave PX100-1-GM 超短脈沖激光器，激光波長(zhǎng)為1 064 nm、最大單脈沖能量為250 μJ、重復(fù)頻率為0.4～50 MHz、脈沖寬度為15 ps。電化學(xué)加工采用的電解液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的NaNO3溶液，加工電壓為1 V。根據(jù)所設(shè)定的激光加工參數(shù)(功率、重復(fù)頻率、掃描速度、掃描次數(shù))在試樣表面加工出不同參數(shù)的陣列凹坑結(jié)構(gòu)。

凹坑型微織構(gòu)的主要參數(shù)是凹坑直徑、深度和面積密度，其設(shè)計(jì)示意圖如圖2所示。在加工時(shí)通過(guò)改變凹坑間距來(lái)達(dá)到改變凹坑密度的效果。加工實(shí)物圖如圖3所示。

圖1 復(fù)合微加工系統(tǒng)示意圖Fig 1 Diagram of composite micromachining system

圖2 凹坑織構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖Fig 2 Diagram of pit texture design

圖3 鋁合金凹坑試樣Fig 3 Pit sample of aluminum alloy

1.2 表面微織構(gòu)的摩擦磨損試驗(yàn)

織構(gòu)試樣在復(fù)合加工后采用乙醇溶液進(jìn)行超聲清洗并烘干，在MFT-5000型RTEC摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)。摩擦模式為銷-塊往復(fù)式摩擦，試驗(yàn)環(huán)境為正常大氣壓，所用載荷為20、50、100和150 N,滑動(dòng)速度為1 mm/s，滑動(dòng)單行程為10 mm，試驗(yàn)時(shí)間為300 s，潤(rùn)滑方式為油潤(rùn)滑。試驗(yàn)過(guò)程中，摩擦因數(shù)每秒輸出100個(gè)數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)由摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)所配備的計(jì)算機(jī)收集并記錄。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 復(fù)合加工試樣表面形貌

圖4所示為共聚焦顯微鏡放大10倍時(shí)織構(gòu)化試樣的表面形貌，可以看出鋁合金表面的凹坑陣列十分整齊清晰，凹坑間距約為480 μm。圖5所示為放大20倍時(shí)試樣表面凹坑的三維形貌，可看出，采用皮秒脈沖激光與電化學(xué)復(fù)合加工方法制備出的凹坑形狀較為清晰，坑壁光滑無(wú)明顯毛刺與殘?jiān)?，凹坑邊緣幾乎不存在熔融金屬重鑄層，試樣表面質(zhì)量良好；凹坑形狀呈倒錐形，孔壁錐度很小，凹坑直徑隨深度的增加而略微減小。

圖4 直徑120 μm、面積密度5%的凹坑試樣表面形貌Fig 4 Surface topography of a pit sample with a diameter of 120 μm and an area density of 5%

圖5 織構(gòu)試樣表面凹坑的三維形貌Fig 5 Three-dimensional topography of the pits on the surface of the textured specimen

2.2 凹坑型微織構(gòu)的減摩性能

圖6所示為同一行程內(nèi)，相同加工條件時(shí)光滑試樣與微織構(gòu)試樣摩擦因數(shù)隨時(shí)間變化的曲線?？梢钥闯?，起始時(shí)兩試樣摩擦因數(shù)基本相同，隨著滑動(dòng)的進(jìn)行，織構(gòu)化試樣表面摩擦因數(shù)減小速度遠(yuǎn)大于光滑試樣。由此可見(jiàn)，凹坑型微織構(gòu)具有十分明顯的減摩效果。

圖6 同一行程內(nèi)載荷150 N、滑動(dòng) 速度1 mm/s時(shí)摩擦因數(shù)曲線Fig 6 Friction coefficient curves under load of 150 N and sliding speed of 1 mm/s

對(duì)于凹坑型表面微織構(gòu)的減摩機(jī)制具有多種解釋，主要分為以下幾種：儲(chǔ)存池原理[11]、二次潤(rùn)滑理論[12]和流體動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)[13]。在油潤(rùn)滑狀態(tài)下，材料表面加工的小凹坑仿佛微型“儲(chǔ)存池”，既可捕獲滑動(dòng)摩擦過(guò)程中產(chǎn)生的微小磨粒，也可儲(chǔ)存部分潤(rùn)滑油[14]。而在相對(duì)滑動(dòng)過(guò)程中，凹坑中的潤(rùn)滑油被不斷擠壓溢出、被帶出至兩摩擦副之間，可保持潤(rùn)滑的持續(xù)進(jìn)行，形成二次潤(rùn)滑。此外，在相對(duì)滑動(dòng)過(guò)程中，凹坑各處油膜壓力隨著潤(rùn)滑介質(zhì)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而不斷降低或增加，當(dāng)增加的壓力超過(guò)降低的壓力時(shí)，會(huì)為整個(gè)油膜提供更高的承載能力，在此情況下，形成了流體動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)。

2.3 不同凹坑參數(shù)對(duì)減摩性能的影響

2.3.1 凹坑直徑對(duì)的影響

圖7所示為凹坑深度為20 μm、面積密度為15%時(shí)，不同載荷下不同直徑凹坑織構(gòu)試樣的摩擦因數(shù)曲線?？芍诘洼d狀態(tài)下時(shí)，不同直徑的凹坑織構(gòu)對(duì)摩擦因數(shù)的影響不大；隨著載荷的增加，試樣的摩擦因數(shù)隨凹坑直徑的增大而減小，即凹坑直徑的增大有助于減摩性能的提高。這與KIM等[15]采用激光在鑄鐵表面加工出的不同直徑的陣列凹坑的摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果一致。在文中的試驗(yàn)條件下，當(dāng)載荷為150 N、凹坑直徑為160 μm時(shí)，織構(gòu)試樣具有最佳的減摩效果，較之光滑試樣的摩擦因數(shù)降低了30%左右。這是因?yàn)檩^大直徑的凹坑更易捕捉兩摩擦副之間的磨粒，減小磨粒磨損，另外也具有更好的儲(chǔ)油效果。

圖7 不同直徑凹坑試樣摩擦因數(shù)隨載荷變化曲線Fig 7 Variation of friction coefficient with load of the pit samples with different diameter

2.3.2 凹坑深度的影響

圖8所示為織構(gòu)試樣摩擦因數(shù)隨凹坑深度變化曲線(工作載荷為100 N,面積密度為5%)?？芍谏疃却笥?0 μm時(shí)，不同試樣的摩擦因數(shù)隨凹坑深度的增加先減小后增大，深度為30 μm的凹坑試樣表面摩擦因數(shù)最小，但變化的幅值都小于1%，所以深度對(duì)摩擦性能的影響很小。PODGORNIK等[16]的研究也表明凹坑深度對(duì)摩擦因數(shù)的影響非常小，當(dāng)凹坑深度小于20 μm時(shí)摩擦因數(shù)隨深度的增加略為減小。

圖8 試樣摩擦因數(shù)隨凹坑深度和直徑變化曲線(100 N)Fig 8 Variation of friction coefficient with pit depth and diameter of the samples(100 N)

2.3.3 凹坑面積密度的影響

圖9顯示了凹坑面積密度為0、5%與15%的試樣摩擦因數(shù)隨載荷變化曲線(凹坑直徑為120 μm，深度為20 μm)。可知，不同面積密度的試樣摩擦因數(shù)都隨著載荷的增加而變大；相同載荷時(shí)，凹坑的面積密度越大摩擦因數(shù)越小，即較大面積密度的凹坑織構(gòu)具有更好的減摩效果。這是因?yàn)榘伎又睆较嗤瑫r(shí)，面積密度越大，潤(rùn)滑油“儲(chǔ)存池”越多，儲(chǔ)存效果越好[17]；凹坑面積密度越大，滑動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)壓潤(rùn)滑效果越明顯。而SEGU等[18]研究不銹鋼表面激光直刻制備的凹坑微織構(gòu)摩擦學(xué)性能時(shí)發(fā)現(xiàn)，在載荷為10 N、滑動(dòng)速度為0.18～0.55 m/s時(shí)，材料表面摩擦因數(shù)隨著面積密度(5%、7%與12%)的增大而減小，當(dāng)面積密度增大到20%時(shí)，其摩擦因數(shù)反而增大。這是因?yàn)榘伎用娣e密度過(guò)大時(shí)，試樣表面與上摩擦副的球頭接觸面積降低，平均壓力增大，潤(rùn)滑油膜更易被破壞，兩摩擦副之間的摩擦磨損增加，不利于減摩性能的改善。

圖9 不同面積密度的凹坑試樣摩擦因數(shù)隨載荷變化曲線Fig 9 Variation of friction coefficient with load for the pit samples with different area densities

3 結(jié)論

(1)采用皮秒脈沖激光與電化學(xué)加工復(fù)合方法制備的陣列微凹坑試樣，具有良好的表面形貌。

(2)在油潤(rùn)滑狀態(tài)下，凹坑型表面微織構(gòu)能顯著地改善鋁合金試樣的摩擦性能，在相同工作條件下，凹坑型微織構(gòu)的摩擦因數(shù)較之光滑表面最高可降低30%左右。

(3)在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，凹坑型表面微織構(gòu)試樣的摩擦因數(shù)隨凹坑直徑與凹坑面積密度的增加而減小，而凹坑深度的改變對(duì)試樣摩擦性能的影響不大。在合理參數(shù)范圍內(nèi)，增大凹坑直徑與凹坑面積密度可以改善材料表面的摩擦性能。