HMn58-2配流盤摩擦副表面激光加工微陣列對其摩擦磨損性能的影響

(1.太重集團榆次液壓工業(yè)有限公司， 山西 晉中 030600；2.太原科技大學(xué) 機械工程學(xué)院， 山西 太原 030024；3.北京信息科技大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院， 北京 100192)

引言

軸向柱塞泵結(jié)構(gòu)緊湊、徑向尺寸和轉(zhuǎn)動慣量小、容積效率高，能在高速和高壓下工作，因此廣泛應(yīng)用于高壓、大流量和流量需要調(diào)節(jié)的機械裝備液壓系統(tǒng)中[1-3]。軸向柱塞泵的配流盤與缸體構(gòu)成了配流摩擦副，相對滑動速度高，接觸壓力高，配對材料對柱塞泵的性能及使用壽命影響至關(guān)重要[4-5]。表面處理技術(shù)是提高配流副摩擦磨損性能的常用方法，如化學(xué)氣相沉積[6]、離子注入[7]、表面噴涂固體潤滑膜[8]及激光熔覆[9]等。

表面微織構(gòu)技術(shù)是利用仿生學(xué)原理，在材料表面加工一些如溝槽、凹坑和網(wǎng)狀[10]的微型結(jié)構(gòu)，以降低摩擦副的摩擦系數(shù)和磨損量。目前，該技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于軸承[11]、內(nèi)燃機活塞[12-13]等關(guān)鍵零部件，并取得了一定的效果。王曉雷等[14]利用納米壓痕儀在52100鋼表面加工了不同深度和密度的微結(jié)構(gòu)，考察了油潤滑條件下材料的摩擦磨損特性，發(fā)現(xiàn)織構(gòu)化表面與無織構(gòu)表面相比具有顯著的減磨效果。萬軼等[15]利用激光技術(shù)加工了不同密度的織構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在油潤滑條件下，織構(gòu)密度不同，摩擦磨損性能差異顯著。GALADA等[16]研究發(fā)現(xiàn)，與光滑表面相比，一定形狀及密度的織構(gòu)可以改善潤滑條件，提高摩擦性能。RONEN A等[17]研究發(fā)現(xiàn)表面微孔型織構(gòu)對流體潤滑效果影響顯著，可有效減少往復(fù)式零部件的摩擦磨損。

利用光纖激光在HMn58-2配流盤摩擦副表面制備了多邊形微陣列，利用正交實驗法，分析了微陣列直徑、深度、密度以及載荷和轉(zhuǎn)速等多因素對HMn58-2配流盤摩擦副摩擦磨損特性的影響，為表面微織構(gòu)技術(shù)在軸向柱塞泵配流盤上的應(yīng)用及其摩擦磨損性能改善提供了實驗依據(jù)和參考。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料及表面微陣列加工

微陣列加工配流盤材料為錳黃銅HMn58-2，表面硬度為160HBS。摩擦磨損試驗中，上試樣基體材料為軸向柱塞泵配流盤摩擦副常用配偶材料38CrMoAl，調(diào)質(zhì)后表面滲氮，表面硬度為HV960；下試樣材料為錳黃銅HMn58-2，配流盤結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.缸體配油孔 2.腰型配油窗口 3.內(nèi)密封帶4.外密封帶 5.輔助支撐帶 6.過渡區(qū)圖1 配流盤結(jié)構(gòu)

光纖式激光器的主要工作參數(shù)為：加工功率為10 W，波長1064 nm，加工頻率20 kHz，加工速度200 mm/s，通過控制加工次數(shù)來控制表面微凹坑陣列的深度。激光器加工前，首先用400-2000#砂紙對加工表面進行打磨，并用MP-2拋光機對試樣表面進行拋光處理。加工完成后，用2000#砂紙打磨試樣表面，去除激光加工時所形成的熔渣。隨后將試樣放入無水乙醇中采用CH-01BM超聲清洗機清洗10 min，并用吹風(fēng)機吹干備用。使用KEYENCE VHX-600E型數(shù)碼顯微鏡進行零件三維輪廓的測量；采用Quanta450FEG掃描電子顯微鏡觀察微陣列SEM形貌。圖2所示為配流盤試樣表面激光加工不同密度微陣列SEM表面及三維形貌。微陣列結(jié)構(gòu)的密度按式(1)進行計算：

圖2 激光加工直徑200 μm不同密度微陣列及表面形貌

(1)

式中，ρw—— 微陣列密度

D—— 微陣列直徑，μm

L—— 微陣列之間的長度，μm

1.2 摩擦磨損試驗

摩擦磨損實驗在MMW-1A立式萬能摩擦磨損實驗機上進行，通過內(nèi)置程序?qū)崟r記錄摩擦系數(shù)變化。選取面-面接觸的止推圈摩擦副形式，試驗原理如圖3所示。試驗時將摩擦副置于油池中，采用富油潤滑形式。每組試驗開始前進行10 min的預(yù)磨，使其在試驗開始后摩擦系數(shù)可以較快的達到穩(wěn)定值，試驗持續(xù)時間為20 min。摩擦磨損試驗結(jié)束后將試樣放入無水乙醇中超聲清洗15 min并吹干，去除殘留在試樣上的油污及雜質(zhì)。

圖3 摩擦磨損試驗原理圖

利用正交實驗法，選取載荷、轉(zhuǎn)速、微陣列直徑、深度和密度5個因素為實驗參數(shù)。通過比較在相同的載荷和轉(zhuǎn)速條件下，光滑試樣和微陣列試樣分別與38CrMoAl配偶所組成的摩擦副的平均摩擦系數(shù)，得出減磨率，分析各因素對摩擦磨損特性的影響。各因素及水平如表1所示。

表1 正交實驗因素及水平

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 油潤滑條件下的微陣列配流盤摩擦學(xué)行為分析

利用正交實驗法中的極差分析法，分析各因素對摩擦性能的影響程度，獲得各影響因素的最優(yōu)的組合方案。試驗結(jié)果如表2所示。平均減摩率計算公式為：

(2)

式中，Zf—— 平均減磨率

fg—— 光滑試樣組成的摩擦副的平均摩擦系數(shù)

fz—— 微陣列試樣組成的摩擦副的平均摩擦系數(shù)

在相同工況條件下，38CrMoAl對磨副與表面具有微列的試樣摩擦系數(shù)比光滑試件摩擦系數(shù)低，主要是因為表面微陣列可以起到儲存油液、收集磨屑的作用，合適的表面微陣列結(jié)構(gòu)可以有效的降低摩擦系數(shù)。按對摩擦性能的影響程度，從大到小分別為載荷、微陣列深度、轉(zhuǎn)速、微陣列直徑和密度。最優(yōu)組合方案為A4B4C4D4E3，即陣列直徑200 μm、深度40 μm、密度20%、載荷500 N及轉(zhuǎn)速700 r/min。

表2 正交試驗方案及結(jié)果

圖5為采用最佳工藝參數(shù)進行摩擦磨損試驗所記錄的摩擦系數(shù)曲線，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，具有微陣列結(jié)構(gòu)的試樣與38CrMoAl試件所組成的摩擦副對磨的摩擦系數(shù)相對于光滑試樣明顯降低，且變化趨勢也更加平穩(wěn)，說明微陣列結(jié)構(gòu)引入到軸向柱塞泵的配流副中將對改善配流副的摩擦及潤滑狀態(tài)起到一定的幫助。隨著試驗載荷的增大，微陣列的平均摩擦系數(shù)降低率會增大，這是因為載荷升高有利于流體動壓效應(yīng)的形成；另外，載荷增大也使得潤滑油膜更為致密，從而使摩擦因數(shù)隨著載荷的升高而降低。隨著試驗轉(zhuǎn)速的增大，微陣列試樣的摩擦系數(shù)平均降低率表現(xiàn)出了先增大后減小的現(xiàn)象，這主要是因為流體動壓效應(yīng)在轉(zhuǎn)速較低時表現(xiàn)的并不明顯，摩擦界面難以形成有效的動壓潤滑效果；隨著轉(zhuǎn)速的升高，流體動壓效應(yīng)逐漸增強，摩擦界面潤滑狀態(tài)逐漸改善；而當轉(zhuǎn)速過大時，摩擦界面的潤滑油膜因為較高的轉(zhuǎn)速被破壞，摩擦界面上的潤滑油液被甩出，此時微陣列結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的流體動壓效應(yīng)受到抑制，摩擦系數(shù)升高。

圖4 各因素對平均摩擦系數(shù)降低率的影響

圖5 試樣摩擦系數(shù)變化曲線

2.2 試樣表面磨損形貌分析

圖6a為未經(jīng)激光處理的光滑試樣在500 N,500 r/min條件下的表面磨損形貌圖，可見，材料表面存在明顯的磨粒磨損和一定程度的黏著磨損。由于38CrMoAl材料表面硬度遠高于HMn58-2，磨擦開始階段，雖然摩擦界面中的潤滑油起到一定的減磨和潤滑效果。但當摩擦副接觸面在一定壓力下反復(fù)摩擦?xí)r，摩擦界面會產(chǎn)生大量的熱而導(dǎo)致油液溫度升高，油液溫度的升高使其黏性下降。此時，摩擦界面的潤滑油膜很容易被破壞并在離心力的作用下被甩出摩擦副接觸面，且由于光滑試件的表面粗糙度比具有微結(jié)構(gòu)的試樣低得多，致使?jié)櫥碗y以有效的儲存，被破壞的潤滑油膜不能及時補充，潤滑效果逐漸變差，摩擦表面逐漸發(fā)生直接接觸，使得硬度較高的38CrMoAl材料表面微凸體壓入較軟的HMn58-2材料表面，且在滑動過程當中不斷擠壓HMn58-2表層金屬并在其表面犁出溝槽，產(chǎn)生一定量金屬碎屑，這些碎屑會因為潤滑狀態(tài)的變差難以被油液帶出摩擦界面而與兩材料表面形成三體磨損，加劇犁削的發(fā)生，這些都會導(dǎo)致摩擦系數(shù)的升高；同時，隨著摩擦的進行，摩擦表面發(fā)生直接接觸，導(dǎo)致兩種金屬在接觸位置產(chǎn)生瞬時高溫而發(fā)生黏著現(xiàn)象，隨后黏著部位因切應(yīng)力的作用被剪切，在不斷的滑動摩擦下，黏著與剪切交替發(fā)生，在積累到一定程度時，導(dǎo)致黏著磨損發(fā)生。圖6b為光滑試件表面磨損形貌的局部放大圖，可以看到材料表面除具有一定程度的黏著磨損特征外，還有明顯犁溝，且犁溝寬而深，表現(xiàn)出磨粒磨損的典型特征。圖6c為微陣列試樣在相同工況下的表面磨損形貌圖，材料表面只能觀察到一些較淺的犁溝，磨痕較為整齊， 且在圖6d的局部放大圖中并沒有看到明顯的黏著磨損的痕跡。結(jié)合試驗?zāi)Σ料禂?shù)，表明表面微陣列結(jié)構(gòu)在儲存潤滑油、捕捉磨屑，增強流體動壓效應(yīng)方面發(fā)揮了一定的作用，使摩擦界面的潤滑條件得到很大改善，降低了摩擦界面的接觸溫度和摩擦系數(shù)。綜上，激光加工表面微陣列結(jié)構(gòu)在降低摩擦方面具有明顯優(yōu)勢。

圖6 500 N，500 r/min條件下試樣表面磨損形貌

3 結(jié)論

(1) 采用光纖激光在HMn58-2錳黃銅軸向柱塞泵配流盤表面制備了微陣列凹坑。采用38CrMoAl與其對磨進行摩擦磨損試驗，結(jié)果表明，與相同工況條件下的光滑試樣相比，表面具有微陣列造型的試樣組成的摩擦副具有更低的摩擦系數(shù)，合適的工藝參數(shù)下，配流盤表面激光加工微陣列結(jié)構(gòu)在油潤滑條件下具有較好減磨效果；

(2) 分析了不同工藝參數(shù)對摩擦副表面摩擦磨損性能的影響，按影響程度大小，依次為載荷、微陣列深度、轉(zhuǎn)速、微陣列直徑和密度，對比各因素不同水平的平均減磨率，微陣列凹坑直徑、深度及密度越大、試驗載荷越大，減磨效果越明顯；隨試驗轉(zhuǎn)速增大，減磨效果先升高后降低。獲得了優(yōu)化的工藝參數(shù)為陣列直徑200 μm、深度40 μm、密度20%、載荷500 N及轉(zhuǎn)速700 r/min；

(3) 對試樣磨損形貌進行了SEM觀察，相同工況條件下的光滑試樣表面磨損較為嚴重，主要表現(xiàn)為磨粒磨損和黏著磨損；表面具有激光加工微陣列結(jié)構(gòu)的試樣表面磨損程度得到較大改善，主要為輕微的磨粒磨損。主要是由于表面微陣列增加了摩擦副表面的流體動壓效應(yīng)，提高了油膜承載能力；微陣列對磨屑的機械捕捉效應(yīng)及二次潤滑作用，使摩擦副表面摩擦系數(shù)降低，磨損更加穩(wěn)定均勻。