激光織構(gòu)GCr15鋼油潤(rùn)滑摩擦磨損性能試驗(yàn)

李穗平

（重慶電子工程職業(yè)學(xué)院智能制造與汽車(chē)學(xué)院，重慶400031）

0 引 言

激光表面織構(gòu)技術(shù)是一種利用激光加工方法在機(jī)械零部件表面加工出一系列微尺度量級(jí)幾何形狀的技術(shù)，它可以有效降低摩擦副的摩擦磨損并增加其承載能力。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)激光表面織構(gòu)技術(shù)在相容性摩擦副改性應(yīng)用上已經(jīng)有了廣泛研究。Etsion［1］綜述了表面織構(gòu)技術(shù)在機(jī)械密封、潤(rùn)滑和干接觸等裝置中的應(yīng)用，指出該技術(shù)是一種有效改善表面摩擦學(xué)性能的可行手段。Dong等［2］指出TiNi合金表面合適幾何參數(shù)的微凹坑織構(gòu)可降低摩擦系數(shù)并減少磨損。Wang等［3］發(fā)現(xiàn)水潤(rùn)滑推力軸承表面的球冠狀織構(gòu)有助于磨合過(guò)程中摩擦化學(xué)磨損機(jī)制的形成，從而提高軸承的承載能力。Fu等［4］研究了拋物線(xiàn)形截面織構(gòu)對(duì)平行滑塊潤(rùn)滑特性的影響，發(fā)現(xiàn)與摩擦副運(yùn)動(dòng)方向平行的織構(gòu)表面產(chǎn)生的油膜承載力最大。Shen等［5］研究了平底、單斜底和等腰雙斜底圓孔狀表面織構(gòu)對(duì)推力滑動(dòng)軸承承載力的影響，結(jié)果表明平底圓孔狀表面織構(gòu)的油膜承載力最大。Yu等［6］的試驗(yàn)結(jié)果表明密封環(huán)上加工的圓孔狀激光織構(gòu)可以顯著降低摩擦副的溫升、摩擦力矩和摩擦系數(shù)。Akturk等［7］發(fā)現(xiàn)具有楔形織構(gòu)的D2工具鋼刀具加工后的6111-T4鋁帶的摩擦系數(shù)比無(wú)織構(gòu)刀具加工后的鋁帶的摩擦系數(shù)更低。Xiong［8］和Yamakiri等［9］運(yùn)用環(huán)-盤(pán)摩擦試驗(yàn)對(duì)圓孔激光織構(gòu)的摩擦磨損機(jī)理進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)表面織構(gòu)起著存儲(chǔ)潤(rùn)滑油和吸附磨屑的作用，從而可減小摩擦副的摩擦系數(shù)、增大其承載力并減緩其摩擦損傷。尹明虎等［10］分析了圓柱形、方形和三角形表面織構(gòu)對(duì)滑動(dòng)軸承性能的影響，發(fā)現(xiàn)存在最優(yōu)的織構(gòu)位置、密度、寬度和寬深比，使軸承的承載能力最大，摩擦系數(shù)最小。

上述研究大多僅考慮了表面織構(gòu)對(duì)摩擦系數(shù)的影響，織構(gòu)對(duì)材料磨損特性的影響很少考慮。由于大部分機(jī)械零部件工作于油潤(rùn)滑條件下，而油潤(rùn)滑條件下織構(gòu)的磨損特性研究更是少之又少。此外，作為制造軸承的常用材料，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)高碳鉻軸承鋼GCr15織構(gòu)表面的摩擦磨損特性研究還相對(duì)匱乏。本文綜合考察了常見(jiàn)的方孔、圓孔和三角孔激光表面織構(gòu)的面積率、孔深、載荷以及摩擦副往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻率對(duì)油潤(rùn)滑條件下GCr15軸承鋼表面摩擦和磨損特性的影響，旨在為今后的GCr15表面織構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的試驗(yàn)參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)裝置及參數(shù)設(shè)定

軸承鋼織構(gòu)表面摩擦磨損試驗(yàn)的物理模型設(shè)定為兩個(gè)做相對(duì)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的平行平面，美國(guó)Rtec公司生產(chǎn)的MFT-5000型多功能在線(xiàn)測(cè)量材料摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)為這種試驗(yàn)提供了可能。該試驗(yàn)機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)多種摩擦磨損測(cè)試模塊的互換，如旋轉(zhuǎn)球盤(pán)／銷(xiāo)盤(pán)、高速往復(fù)、Timken環(huán)塊等。此外，該試驗(yàn)機(jī)的白光干涉儀組件還可對(duì)試件的三維表面形貌進(jìn)行觀測(cè)。

該試驗(yàn)機(jī)以高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)形式工作時(shí)，其工作示意圖如圖1所示。往復(fù)摩擦試驗(yàn)裝置如圖2所示，下試件固定于往復(fù)工作臺(tái)上的儲(chǔ)油槽內(nèi)，儲(chǔ)油槽中可以添加潤(rùn)滑油，本研究采用動(dòng)力黏度η為45 mPa·s的10號(hào)機(jī)油對(duì)摩擦副進(jìn)行潤(rùn)滑，其中磨損試驗(yàn)時(shí)使用了油浴潤(rùn)滑以避免對(duì)試件的快速破壞，而摩擦系數(shù)試驗(yàn)時(shí)使用了滴油潤(rùn)滑。往復(fù)工作臺(tái)以頻率fr沿x方向做往復(fù)運(yùn)動(dòng)（對(duì)應(yīng)的平均線(xiàn)速度U＝0．02fr）。上試件置于其上表面的夾具固定，并承受豎直方向載荷F。上下試件材料均為高碳鉻軸承鋼GCr15，其表面硬度為HRC 60～70。上試件的對(duì)磨面為8 mm×8 mm的矩形，下試件的對(duì)磨面為20 mm×10 mm的矩形區(qū)域。它們的實(shí)物圖如圖3所示，其中，圖3（b）為節(jié)省加工費(fèi)用，同一塊下試件表面上加工有4個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)。

圖1 往復(fù)摩擦試驗(yàn)示意圖

圖2 往復(fù)摩擦試驗(yàn)裝置

圖3 上、下試件的實(shí)物圖（mm）

1.2 表面織構(gòu)的表征與加工

1.2.1 表面織構(gòu)的表征

以常見(jiàn)的容易加工的方孔、圓孔和等邊三角孔3種形狀的表面微造型織構(gòu)作為研究對(duì)象，它們的形貌參數(shù)如圖4所示。3種微造型的中心距均為a，其中方孔微造型邊長(zhǎng)為b，圓孔微造型直徑為d，三角孔微造型邊長(zhǎng)為c。這樣，3種表面的微造型面積率分別可用表示。故3種微造型面積率相等時(shí)，滿(mǎn)足：

圖4 表面織構(gòu)形貌參數(shù)（mm）

1.2.2 試樣的前處理

棒狀GCr15金屬坯料經(jīng)線(xiàn)切割成要求的尺寸后，試件的表面粗糙度達(dá)不到試驗(yàn)要求，需后續(xù)處理。首先分別依次用400、600、800、1 200和2 000目的砂紙打磨上試件和加工表面織構(gòu)之前的下試件的對(duì)磨面，然后在P-1型金相試樣拋光機(jī)上使用W5型金剛石研磨粉對(duì)上下試件的對(duì)磨面進(jìn)行精磨拋光處理。

1.2.3 表面織構(gòu)的加工

激光表面織構(gòu)在重慶旭安科技有限公司生產(chǎn)的DP-75F型半導(dǎo)體泵浦激光打標(biāo)機(jī)上進(jìn)行加工。表面織構(gòu)的形狀和尺寸可通過(guò)調(diào)節(jié)激光束的行進(jìn)速度、輸出功率、重復(fù)頻率和打標(biāo)次數(shù)這4個(gè)工藝參數(shù)加以控制。經(jīng)多次嘗試，確定合適的工藝參數(shù)組合為：激光束行進(jìn)速度300～600 mm／s，輸出功率設(shè)定為20% ～40%，重復(fù)頻率30 kHz，打標(biāo)次數(shù)3～10次。

由于激光熔融現(xiàn)象，激光加工后的微造型難免會(huì)存在燒熔雜質(zhì)堆積于微造型底部和邊緣，因此需要用拋光毛刷對(duì)加工后的表面進(jìn)行清理，以清除雜質(zhì)。最后將試樣置于無(wú)水乙醇溶液中，并用KWD-1012A型單槽式超聲波清洗機(jī)進(jìn)行超聲清洗15 min。

激光加工后的試件表面織構(gòu)的尺寸參數(shù)如表1所示。微造型表面的面積率Ar通過(guò)改變?cè)煨椭行木郺來(lái)控制，本研究中保持3種微造型的尺寸不變：b＝300 μm，d ＝338．5 μm，c＝455．9 μm。5 種面積率對(duì)應(yīng)的微造型中心距分別為1 200、960、800、685．7、600 μm。

1.2.4 表面織構(gòu)的三維形貌觀測(cè)

使用MFT-5000型多功能在線(xiàn)測(cè)量材料摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的白光干涉儀組件對(duì)試件進(jìn)行三維表面形貌觀測(cè)。圖5給出了微造型面積率為19．14%的方孔、圓孔和三角孔織構(gòu)試件的表面形貌圖，圖5（a）、（b）和（c）分別對(duì)應(yīng)表1中的試件A4、B4和C4。

表1 激光織構(gòu)試件的尺寸參數(shù)

圖5 方孔、圓孔和三角孔織構(gòu)試件表面形貌

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

所有試驗(yàn)均在環(huán)境溫度為26℃下進(jìn)行。磨損測(cè)試前后，在精度為0．1 mg的電子天平上各稱(chēng)量一次上下試件的總質(zhì)量，其差值即為磨損量。單次摩擦系數(shù)試驗(yàn)時(shí)間為10 min（長(zhǎng)于摩擦系數(shù)保持穩(wěn)定所需的時(shí)間），單次磨損量試驗(yàn)時(shí)間為15 min，摩擦系數(shù)和磨損量均取同一試件3次試驗(yàn)的平均結(jié)果。

2.1 微造型面積率影響

圖6所示為微造型面積率Ar與摩擦系數(shù)f的關(guān)系。研究所用試件為表1中的A1～A5、B1～B5和C1～C5。從圖6可以看出，隨著面積率的增大，3種形狀織構(gòu)表面的摩擦系數(shù)均先減小后增大。織構(gòu)形狀為方孔或圓孔時(shí)，使摩擦系數(shù)最小的織構(gòu)面積率為9．76%；織構(gòu)形狀為三角孔時(shí)，使摩擦系數(shù)最小的造型面積率為14．06%。這表明對(duì)于特定孔深和形狀的織構(gòu)表面，存在一個(gè)最優(yōu)的織構(gòu)面積率。這一結(jié)論與于海武關(guān)于圓柱形微造型織構(gòu)化表面的研究結(jié)果類(lèi)似［11］。圖中水平虛線(xiàn)指示的是相同工況下無(wú)織構(gòu)的表面的摩擦系數(shù)，其值為0．149，它大于織構(gòu)表面的摩擦系數(shù)。這表明表面織構(gòu)能夠減小摩擦系數(shù)，且相較于其他兩種微造型，圓孔微造型的減摩作用最為顯著。

圖6 微造型面積率與摩擦系數(shù)的關(guān)系

圖7 給出了織構(gòu)面積率Ar與磨損量W的關(guān)系?？梢钥闯?，磨損量與圖6摩擦系數(shù)的變化趨勢(shì)幾乎一致，也即隨著面積率的增大，3種形狀織構(gòu)表面的磨損量均呈先減小后增大的趨勢(shì)，且圓孔織構(gòu)表面的耐磨性最好。此外，還可以看出，3種形狀織構(gòu)表面均存在的使磨損量最少的最優(yōu)微織構(gòu)面積率，即9．76%。這表明恰當(dāng)面積率的微造型在減小表面摩擦系數(shù)的同時(shí)，還可以減少材料磨損。

圖7 微造型面積率與磨損量的關(guān)系

2.2 微造型孔深影響

圖8 所示為微造型孔深h與摩擦系數(shù)f的關(guān)系。研究所用的試件為表1 中的A6／A1／A7／A8／A9、B6／B1／B7／B8／B9 和C6／C1／C7／C8／C9 試件，對(duì)應(yīng)的孔深分別為6．01、7．06、11．77、17．96 和28．64 μm。

圖8 微造型孔深與摩擦系數(shù)關(guān)系

從圖8可以看出，隨著孔深的增大，3種形狀織構(gòu)表面的摩擦系數(shù)均先減小后增大，最優(yōu)孔深均約為11．77 μm。這表明對(duì)于特定面積率的織構(gòu)表面，存在一使表面摩擦系數(shù)最小的最優(yōu)織構(gòu)孔深。圖中水平虛線(xiàn)為相同工況下無(wú)織構(gòu)表面的摩擦系數(shù)?？梢钥闯?，除h＝6．01 μm時(shí)三角孔織構(gòu)表面摩擦系數(shù)大于0．149外，其他條件下的表面織構(gòu)均能起到減小摩擦力的作用，且三角孔、方孔和圓孔微造型的減摩作用依次增強(qiáng)。此外，由圖8還可以看出，當(dāng)微造型孔深較大時(shí)，3種織構(gòu)表面的摩擦系數(shù)逐漸趨于一致并且減弱。Mourier等［12］指出，在彈流潤(rùn)滑狀態(tài)下，較淺的微造型深度更有助于摩擦副表面之間產(chǎn)生流體動(dòng)壓效應(yīng)，過(guò)大的微造型深度反而會(huì)減弱這種效果。此時(shí)，微造型形狀對(duì)表面摩擦學(xué)性能造成的差異也會(huì)縮小。

圖9給出h與W的關(guān)系?？梢钥闯觯p量與圖8摩擦系數(shù)的變化趨勢(shì)幾乎一致，也即隨著孔深的增大，3種形狀織構(gòu)表面的磨損量均呈先減小后增大的趨勢(shì)，且圓孔織構(gòu)表面的磨損量最少?？梢?jiàn)，無(wú)論是在滴油潤(rùn)滑還是油浴潤(rùn)滑條件下，均存在一個(gè)最優(yōu)微造型孔深，使造型表面獲得最小的摩擦系數(shù)和最少的磨損量。

圖9 微造型孔深與磨損量的關(guān)系

2.3 載荷影響

圖10 所示為載荷F與f的關(guān)系。研究所用的試件為表1中的A7、B7 和C7，載荷分別取60、100、140、180和220 N。從圖10可以看出，隨著載荷的增大，3種形狀織構(gòu)表面的摩擦系數(shù)均逐漸增大。這是由于本試驗(yàn)是在滴油潤(rùn)滑條件下進(jìn)行的，摩擦副處于邊界潤(rùn)滑或者混合潤(rùn)滑狀態(tài)，由經(jīng)典的Stribeck曲線(xiàn)可知，在上述潤(rùn)滑狀態(tài)下，隨著載荷的增大，Hersey數(shù)（ηU／F）減小，摩擦系數(shù)隨之增大。同時(shí)，載荷的增大也會(huì)導(dǎo)致粗糙摩擦副之間相互接觸的微凸體數(shù)目增多，進(jìn)而增大摩擦系數(shù)。在相同的載荷作用下，圓孔微造型再次表現(xiàn)出比方孔和三角孔微造型更優(yōu)異的減摩作用。

圖10 載荷與摩擦系數(shù)的關(guān)系

圖11 所示為F與W的關(guān)系?？梢钥闯?，隨著載荷的增加，3種形狀織構(gòu)表面的磨損量均呈持續(xù)上升而后趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)。根據(jù)粘著磨損機(jī)理可知，載荷越大，摩擦副之間相互接觸的微凸峰數(shù)目越多，摩擦副相互運(yùn)動(dòng)的阻力增大，犁溝效應(yīng)增強(qiáng)，磨損趨于嚴(yán)重［13］。然而，當(dāng)載荷較大（220 N）時(shí)，摩擦副會(huì)更快進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段，雖然在磨合階段其磨損率更大，但是由于磨合時(shí)間短，導(dǎo)致其磨損量與磨合時(shí)間更長(zhǎng)、磨損率更小的稍小載荷（180 N）作用下的摩擦副的磨損量相差不大［14］。

圖11 載荷與磨損量的關(guān)系

2.4 往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻率影響

圖12 所示為下試件往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻率fr與摩擦系數(shù)f的關(guān)系。研究所用的試件為表1中的A7、B7和C7，往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻率分別取值3、6、9、12和15 Hz（對(duì)應(yīng)的平均線(xiàn)速度U 分別為0．06、0．12、0．18、0．24 和0．3 m／s）。從圖12可以看出，隨著往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻率的增大，3種形狀織構(gòu)表面的摩擦系數(shù)均逐漸減小。根據(jù)邊界或者混合潤(rùn)滑狀態(tài)下的Stribeck曲線(xiàn)可知，隨著線(xiàn)速度U的增大，Hersey數(shù)增大，摩擦系數(shù)隨之減小。在同一往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻率下，三角孔、方孔和圓孔織構(gòu)表面的摩擦系數(shù)依次減小，而圓孔微造型減摩性能最優(yōu)。

圖12 往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻率與摩擦系數(shù)的關(guān)系

圖13 所示為下試件fr與W的關(guān)系?？梢钥闯?，隨著往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻率的增大，3種形狀織構(gòu)表面的磨損量均呈增大趨勢(shì)，具體可劃分為急劇增大和趨于平穩(wěn)兩個(gè)區(qū)段。發(fā)生這種變化可能的原因是在低頻摩擦區(qū)段，發(fā)生黏著磨損或疲勞剝層磨損，磨損機(jī)理發(fā)生很大變化，磨損量大幅增加；而在高頻摩擦區(qū)段，發(fā)生表層撕裂或剝離，磨損機(jī)理沒(méi)有本質(zhì)變化，故其磨損量變化不明顯［15］。當(dāng)往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻率較小時(shí)，磨損量出現(xiàn)負(fù)數(shù)，意味著磨損后上下試件的質(zhì)量和比磨損前大，這是由于較小的往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻率不足以將磨損過(guò)程中產(chǎn)生的磨屑甩出摩擦副表面，同時(shí)，往復(fù)工作臺(tái)及油槽中的雜物可能被吸附至摩擦副表面。

圖13 往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻率與磨損量的關(guān)系

3 結(jié) 論

本文通過(guò)往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)，研究了方孔、圓孔和三角孔激光織構(gòu)在油潤(rùn)滑條件下對(duì)GCr15材料摩擦磨損特性的影響，相關(guān)結(jié)論如下：

（1）油潤(rùn)滑條件下存在最優(yōu)的織構(gòu)面積率，使上述3種織構(gòu)表面獲得最小的摩擦系數(shù)和最少的磨損量。

（2）油潤(rùn)滑條件下存在最優(yōu)的微造型孔深，使上述3種織構(gòu)表面獲得最小的摩擦系數(shù)和最少的磨損量。

（3）油潤(rùn)滑條件下載荷的增加會(huì)導(dǎo)致上述3種織構(gòu)表面的摩擦系數(shù)增大、磨損量增大。

（4）油潤(rùn)滑條件下增大摩擦副的往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻率會(huì)導(dǎo)致上述3種織構(gòu)表面的摩擦系數(shù)減小、磨損量增大。

（5）油潤(rùn)滑條件下圓孔激光織構(gòu)表面具有最小的摩擦系數(shù)和最好的耐磨性，方孔織構(gòu)表面次之，三角孔織構(gòu)表面的摩擦磨損性能最差。