織構(gòu)化的鋁合金表面摩擦學(xué)特性研究

薛 超,盧 艷,陳 娟

(1.武漢科技大學(xué)冶金裝備及其控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢,430081；2.武漢科技大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)與制造工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢,430081)

隨著人類(lèi)科技的進(jìn)步、工業(yè)水平的不斷提升，現(xiàn)代工業(yè)對(duì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中摩擦表面的穩(wěn)定性、耐磨性和潤(rùn)滑特性都提出了更高的要求。傳統(tǒng)摩擦學(xué)理論認(rèn)為，相互接觸的結(jié)構(gòu)表面越光滑，摩擦系數(shù)及磨損量就越小。但是，在上個(gè)世紀(jì)60年代Hamilton等[1]指出，表面微織構(gòu)在平行摩擦副表面可當(dāng)做微型動(dòng)壓軸承，從而改善結(jié)構(gòu)表面的摩擦、潤(rùn)滑性能[2-3]。也就是說(shuō)，并非結(jié)構(gòu)表面越光滑其摩擦性能就越好，具有微織構(gòu)的結(jié)構(gòu)表面在潤(rùn)滑油的作用下，微織構(gòu)的凹槽內(nèi)部可以?xún)?chǔ)存一部分潤(rùn)滑油，在兩個(gè)結(jié)構(gòu)表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)中形成動(dòng)壓潤(rùn)滑以減小兩表面的摩擦阻力。現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)提供了多種加工方法來(lái)構(gòu)建不同的表面織構(gòu)，如激光表面微造型技術(shù)(LST)[4]、表面噴丸處理技術(shù)[5]、反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)(RIE)[6]等。目前，與表面織構(gòu)應(yīng)用相關(guān)的研究可分為兩類(lèi)，一是借助微/宏觀尺度織構(gòu)的動(dòng)壓潤(rùn)滑特性來(lái)研究織構(gòu)的減阻性能[7-8]，二是利用微/納尺度織構(gòu)的疏水或者超疏水特性[9-10]，建立微通道模型來(lái)研究其減阻性能。其中圍繞表面織構(gòu)的動(dòng)壓潤(rùn)滑性能，Ramesh等[11]和Wakuda等[12]研究了圓孔型織構(gòu)化機(jī)械密封的摩擦學(xué)性能和密封性能，指出圓孔織構(gòu)分別在混合潤(rùn)滑區(qū)和全膜潤(rùn)滑區(qū)具有增摩和減摩的效果[13]。本課題組對(duì)微循環(huán)表面網(wǎng)狀形態(tài)的織構(gòu)潤(rùn)滑特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，微循環(huán)網(wǎng)狀形態(tài)的織構(gòu)可有效地改善表面摩擦性能[14]。同時(shí)，織構(gòu)的排布與形狀也是影響織構(gòu)動(dòng)壓潤(rùn)滑效果的因素，Sahlin等[15]利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD )法分析了不同織構(gòu)的油膜壓力分布，為織構(gòu)排布優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。劉東雷等[16]采用皮秒激光技術(shù)實(shí)現(xiàn)了鑄鐵表面的微織構(gòu)化，發(fā)現(xiàn)具有凹坑、網(wǎng)紋、斷紋和光滑等 4 種不同形貌的表面摩擦磨損性能依次降低；另一方面,大量研究已證實(shí)，微織構(gòu)在流-固表面接觸條件下也能產(chǎn)生很好的減阻效果，因?yàn)槲?納尺度的織構(gòu)往往具有較好的疏水/超疏水性能[17]，可以有效減小流-固表面摩擦力。本課題組利用電化學(xué)法制備了層級(jí)微織構(gòu)，并證實(shí)了所制織構(gòu)具有超疏水特性，同時(shí)借助建立微通道模型驗(yàn)證了該織構(gòu)的減阻特性[18]。Li等[19]運(yùn)用噴砂技術(shù)制備出噴砂鋁微織構(gòu)表面，研究了其對(duì)黏附力以及減阻的影響。郝秀清等[20]在鋁板上加工出接觸角為 156°的超疏水表面，并使用粒子圖像測(cè)速(PIV)技術(shù)對(duì)該超疏水表面與親水表面進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明，超疏水表面最大能實(shí)現(xiàn)8.72%的減阻效果。不過(guò)，需要指出的是，微/納尺度織構(gòu)的加工大多依賴(lài)化學(xué)方法，在基底表面鍍上疏水織構(gòu)層，往往基膜結(jié)合力較弱、表面耐磨性較差，相比之下，對(duì)宏觀尺度織構(gòu)的研究具有更強(qiáng)的實(shí)用性。綜上可知，微織構(gòu)減阻為摩擦學(xué)領(lǐng)域一大研究熱點(diǎn)，但大多數(shù)相關(guān)研究都注重織構(gòu)形狀，力圖通過(guò)構(gòu)建一些新型織構(gòu)來(lái)研究其減阻效果，而運(yùn)用試驗(yàn)方法，針對(duì)參數(shù)化表面織構(gòu)對(duì)摩擦減阻影響的研究還有所欠缺。因此，本文基于不同條狀、網(wǎng)狀織構(gòu)的摩擦學(xué)試驗(yàn)，結(jié)合動(dòng)壓潤(rùn)滑理論，研究了織構(gòu)的深度、網(wǎng)狀織構(gòu)的排布夾角以及單織構(gòu)的接觸面積對(duì)鋁合金摩擦系數(shù)以及磨損量的影響，以期為微織構(gòu)的減阻優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法及織構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)方法

采用美國(guó)Bruker公司生產(chǎn)的UMT型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(如圖1所示)進(jìn)行銷(xiāo)-盤(pán)接觸旋轉(zhuǎn)對(duì)磨試驗(yàn)，主要操作步驟為：用專(zhuān)用夾具將鋁合金試件固定在油槽內(nèi)部，把銷(xiāo)盤(pán)安裝在試驗(yàn)機(jī)上方的夾具上，利用壓力傳感器監(jiān)測(cè)接觸壓力，試驗(yàn)過(guò)程中借助傳動(dòng)帶將整個(gè)油槽帶動(dòng)以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)對(duì)磨，并將整個(gè)摩擦副浸泡在潤(rùn)滑油(美孚黑霸王15W-40型，黏度106 cSt)中。試驗(yàn)中所用銷(xiāo)盤(pán)為不銹鋼材質(zhì)，直徑20 mm，接觸壓力為500 N，油槽轉(zhuǎn)速r為300 r/min，對(duì)磨時(shí)間為30 min，試驗(yàn)溫度為室溫，摩擦系數(shù)(COF)值由試驗(yàn)機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸出。試驗(yàn)結(jié)束后利用白光干涉儀采集試件輪廓數(shù)值，圖2所示為試驗(yàn)后的試件以及白光干涉儀采集輪廓數(shù)值的部位，輪廓采集范圍全部取試件磨損區(qū)域的邊緣處，以便直觀體現(xiàn)磨損深度Dw，以Dw表征試件的磨損量，其計(jì)算公式為

(1)

式中，y0、y分別為白光干涉儀在試件未磨損區(qū)及磨損底部所采集數(shù)值，m、n、i、j為樣本序號(hào)。

1—壓力傳感器；2—銷(xiāo)盤(pán)；3—油槽；4—試件；5—專(zhuān)用夾具；6—傳動(dòng)帶；

圖2 磨損量表征方法

1.2 織構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3所示為不同織構(gòu)夾角的鋁合金表面以及織構(gòu)參數(shù)表征示意圖。其中，織構(gòu)深度h、網(wǎng)狀織構(gòu)夾角α及單織構(gòu)/凸臺(tái)接觸面積Ss是表征織構(gòu)的3個(gè)重要變量參數(shù)。條紋狀及網(wǎng)狀織構(gòu)的間距固定為1000 μm,織構(gòu)凹槽寬度固定為500 μm。先使用銑床加工出試件坯樣，然后再經(jīng)過(guò)細(xì)砂紙水磨使其表面光滑，最后采用精密數(shù)控加工技術(shù)加工出具有不同參數(shù)織構(gòu)的試件并去除毛刺備用。各試件表面織構(gòu)特征值列于表1，其中Ⅰ～Ⅴ號(hào)試件表面為條紋狀織構(gòu)，Ⅵ～Ⅸ號(hào)試件表面為網(wǎng)狀織構(gòu)。

(a)不同織構(gòu)夾角的鋁合金表面 (b)織構(gòu)幾何表征圖3 不同織構(gòu)夾角的鋁合金表面和織構(gòu)幾何表征Fig.3 Surfaces of aluminum alloy with different texture angles and texture geometric representation

表1 織構(gòu)參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與理論分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

具有光滑表面及表面存在條紋狀或網(wǎng)狀織構(gòu)的鋁合金試件經(jīng)磨損試驗(yàn)后的表面形貌、對(duì)應(yīng)區(qū)域x、y方向的輪廓線(xiàn)圖如圖4所示。從圖4中可以看出，所有試件表面經(jīng)磨損后都出現(xiàn)圓弧形磨痕，對(duì)于具有條紋狀織構(gòu)的試件(圖4(b)～圖4(f))來(lái)說(shuō)，其表面磨痕隨著織構(gòu)深度值的增加而逐漸變淺，表明相應(yīng)試件磨損量不斷減少；當(dāng)網(wǎng)狀織構(gòu)夾角由30°增加至90°(圖4(g)～圖4(j))時(shí)，相應(yīng)試件表面磨痕逐漸加深，表明其磨損量不斷增多。

在磨損試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)磨損時(shí)間為200～1800 s時(shí)，試件表面的COF隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)如圖5所示。由圖5(a)可見(jiàn)，對(duì)于具有光滑表面的試件，其表面COF在磨損時(shí)間約為400 s時(shí)發(fā)生躍變，以此躍點(diǎn)為界可將COF變化區(qū)間分為(1)和(2)兩個(gè)階段，階段(1)為全膜潤(rùn)滑階段，階段(2)為混合潤(rùn)滑階段；而具有條紋狀織構(gòu)表面的試件，其表面COF在磨損期間出現(xiàn)些許波動(dòng)，但整體變化不大。至于表面存在網(wǎng)狀織構(gòu)的4組試件，從圖5(b) 中可以看出，其表面COF也均隨磨損時(shí)間的增加而呈現(xiàn)出波動(dòng)變化。

(a)光滑表面試件 (b)試件Ⅰ (c)試件Ⅱ (d)試件Ⅲ

(e)試件Ⅳ (f)試件Ⅴ (g)試件Ⅵ (h)試件Ⅶ

(i)試件Ⅷ (j)試件Ⅸ

(b)表面存在網(wǎng)狀織構(gòu)的試件

圖6所示為不同試件經(jīng)磨損試驗(yàn)1800 s時(shí)，其表面平均COF、磨損深度Dw隨相應(yīng)織構(gòu)參數(shù)變化曲線(xiàn)。由圖6(a)可以看出，隨著條紋狀織構(gòu)深度值的增大，相應(yīng)試件表面的平均COF先迅速降低然后降幅放緩，其Dw先升高然后又急劇下降，二者均呈現(xiàn)整體下降趨勢(shì)。需要指出的是，條紋狀織構(gòu)深度h為200 μm時(shí)，試件表面Dw較光滑表面(h為0)相應(yīng)值有所增加，這是因?yàn)楣饣砻娌淮嬖诳棙?gòu)，整個(gè)表面層同步磨損，所以磨損深度較淺，但其磨損總量仍然高于有織構(gòu)表面的相應(yīng)值。而對(duì)于表面具有網(wǎng)狀織構(gòu)的試件(圖6(b)和圖6(c))，當(dāng)織構(gòu)夾角α由30°增加到90°時(shí)，相應(yīng)試件表面的平均COF先增大后減小，但其具體變化值較小，為10-3數(shù)量級(jí)。試件表面Dw隨織構(gòu)夾角的增加而不斷增大，表明試件表面磨損程度越發(fā)嚴(yán)重。單織構(gòu)/凸臺(tái)接觸面積Ss越大,相應(yīng)試件表面磨損量越小。

(a)條紋狀織構(gòu)h值的影響

(b)網(wǎng)狀織構(gòu)α值的影響

(c)網(wǎng)狀織構(gòu)Ss值的影響圖6 平均摩擦系數(shù)、磨損深度隨織構(gòu)參數(shù)的變化曲線(xiàn)Fig.6 Variation curves of mean COF and Dw with texture parameters

2.2 理論分析

根據(jù)流量連續(xù)性條件，流入微元的質(zhì)量與流出微元的質(zhì)量相等，得出Reynolds方程的普遍形式為

(2)

(a)動(dòng)壓效應(yīng)

(b)擠壓效應(yīng)

圖8所示為光滑表面與織構(gòu)表面上的油膜分布示意圖。結(jié)合圖8分析試件磨損過(guò)程可知，在持續(xù)1800 s的磨損試驗(yàn)過(guò)程中，因油槽旋轉(zhuǎn)使得試件與銷(xiāo)盤(pán)表面間的潤(rùn)滑油受離心作用力，同時(shí)由于擠壓效應(yīng)，光滑表面壓力較大，所以當(dāng)磨損試驗(yàn)開(kāi)始后，前400 s內(nèi)試件光滑表面的摩擦系數(shù)小于有織構(gòu)試件表面的相應(yīng)值，加之部分潤(rùn)滑油的溢出，加快了油膜的破壞進(jìn)程，使得光滑表面由全膜潤(rùn)滑階段進(jìn)入混合潤(rùn)滑階段,銷(xiāo)盤(pán)與試件表面接觸形成犁削點(diǎn)(ploughing point)，此時(shí)液-固接觸轉(zhuǎn)變?yōu)楣?固接觸(圖8(a))，造成試件表面COF急劇增大，磨損加劇。而對(duì)于具有織構(gòu)的表面而言，其凹槽部位可儲(chǔ)存潤(rùn)滑油，避免了潤(rùn)滑油因離心力和擠壓力作用而溢出，同時(shí)由于擠壓效應(yīng)，表面壓力將會(huì)增加，從而導(dǎo)致摩擦系數(shù)出現(xiàn)波動(dòng)，凹槽內(nèi)部潤(rùn)滑油由于收斂間隙產(chǎn)生動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)，所以織構(gòu)表面會(huì)長(zhǎng)時(shí)間停留在全膜潤(rùn)滑階段(圖8(b))。在摩損試驗(yàn)過(guò)程中，由于擠壓與離心力的作用，導(dǎo)致潤(rùn)滑油不斷減少，之后由于油膜厚度減小，擠壓力增大，油膜壓力變大，所以摩擦系數(shù)波動(dòng)變化后相對(duì)平穩(wěn)(見(jiàn)圖5)。

(a)光滑表面

(b)織構(gòu)表面

由圖5、圖6中有關(guān)試件表面COF及Dw的磨損試驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)磨損試驗(yàn)開(kāi)始后，前400 s內(nèi)試件光滑表面相比織構(gòu)表面具有更小的COF，隨著磨損時(shí)間的增加，具有織構(gòu)的鋁合金表面潤(rùn)滑效果更好，磨損量明顯降低，基于該試驗(yàn)結(jié)果，借助動(dòng)壓潤(rùn)滑模型對(duì)其潤(rùn)滑機(jī)理進(jìn)行分析，因油膜厚度直接影響動(dòng)壓潤(rùn)滑效果，故建立膜厚方程[12]

(3)

式中，Tf0為銷(xiāo)盤(pán)表面與試件織構(gòu)層表面的距離。接觸表面的摩擦力Ff與總承載量W分別為

(4)

(5)

式(4)和式(5)中，Ωs、Ωl分別為試件與銷(xiāo)盤(pán)接觸面處試件表面凸起的織構(gòu)層表面積以及織構(gòu)間凹陷區(qū)域的表面積。

由式(4)、式(5)聯(lián)立可得摩擦系數(shù)

(6)

對(duì)于具有條紋狀織構(gòu)的試件，由式(4)可知，油膜厚度Tf越大，界面摩擦力就越小，試件表面COF隨之降低，所以織構(gòu)凹槽越深，相應(yīng)的Tf就越大，導(dǎo)致COF減小，并且由于條紋狀織構(gòu)Ωs、Ωl相等，所以試件磨損量隨摩擦系數(shù)減小而減少，這與圖6(a)所示的試驗(yàn)結(jié)果吻合。對(duì)于具有網(wǎng)狀織構(gòu)的試件，當(dāng)織構(gòu)深度相等時(shí)，Tf0為擠壓效應(yīng)的主要影響參數(shù)，擠壓效應(yīng)越大，表面壓力就越大，由式(5)可知，摩擦副總承載量為全域壓力的積分，而Ss直接影響著織構(gòu)的儲(chǔ)油量，因此COF值受Tf0和Ss的耦合影響，當(dāng)α越大時(shí)其Ss值越小，織構(gòu)表面儲(chǔ)油面積(Ωl)越大，所以當(dāng)α為90°時(shí)，試件表面儲(chǔ)油量較多，在同等載荷作用下，Tf0較其它角度的網(wǎng)狀織構(gòu)更小，故網(wǎng)狀織構(gòu)的平均COF值隨織構(gòu)排布角度先增大后減小。此外，因Ss對(duì)Dw影響較大，故單織構(gòu)面積越小，相應(yīng)試件的耐磨性就越低,這與圖6(b)和圖6(c)所示的試驗(yàn)結(jié)果吻合，所以在實(shí)際工況條件下設(shè)計(jì)織構(gòu)夾角為30°，不僅能有效的降低試件表面COF，而且能保證試件具有更好的耐磨性。

3 結(jié)論

(1)在對(duì)具有光滑表面和織構(gòu)表面的鋁合金試件進(jìn)行銷(xiāo)-盤(pán)對(duì)磨時(shí)，織構(gòu)對(duì)試件表面動(dòng)壓潤(rùn)滑特性有較大影響，可以改變其摩擦系數(shù)、提高其耐磨性。

(2)摩擦系數(shù)隨條紋狀織構(gòu)深度參數(shù)h的增加而減小，h值越大，動(dòng)壓潤(rùn)滑效果越好，試件表面耐磨性也越高。

(3)對(duì)于網(wǎng)狀織構(gòu)而言，摩擦系數(shù)受單織構(gòu)面積Ss及銷(xiāo)盤(pán)表面與試件織構(gòu)層表面距離Tf0的耦合作用影響，而織構(gòu)夾角α又直接影響Ss，當(dāng)α為30°時(shí)耦合效果最佳，此時(shí)試件表面摩擦系數(shù)更小且耐磨性更好。