不同電解液及電解時(shí)間下表面形貌對(duì)45鋼減磨性的影響*

郝建軍 李 超 蘇 杭 閆獻(xiàn)國(guó) 陳 峙

(太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,智能裝備與控制技術(shù)研究所 山西太原 030000)

齒輪傳動(dòng)是一種常見的傳動(dòng)形式，由于其使用壽命長(zhǎng)，傳動(dòng)效率高及結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用。但在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，較高的嚙合頻率使得齒面快速磨損，產(chǎn)生噪聲并影響傳動(dòng)精度。許多學(xué)者的研究均發(fā)現(xiàn)：適當(dāng)改變零件表面形貌，可顯著改善摩擦副之間的接觸狀態(tài)，從而減少磨損；同時(shí)零件表面形成的凹坑可存儲(chǔ)部分磨屑，使得零件壽命提高[1-6]。目前,研究人員在改變軸承表面形貌從而提升其性能方面進(jìn)行了大量研究，并取得了良好的效果[7-10]。為提高齒輪耐磨性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者將表面形貌與齒輪傳動(dòng)相結(jié)合進(jìn)行了深入研究。清華大學(xué)湯麗萍和劉瑩[11]建立了交叉紋理與普通磨削紋理的接觸模型，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了理論模型的正確性，同時(shí)分析得出了最優(yōu)的紋理參數(shù)如交叉紋理寬深比、夾角及分布密度。吉林大學(xué)邵飛先[12]在乏油潤(rùn)滑條件下比較了具有弧形槽的試樣和普通試樣的摩擦學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)具有弧形槽的試樣的摩擦因數(shù)較低且耐磨性可提高40%；試樣的磨損量隨著耦合體密度的增加呈先減小后變大的趨勢(shì)。安徽工程大學(xué)蘇永生等[13]通過有限元仿真研究了齒面微槽織構(gòu)對(duì)齒面應(yīng)力的影響,并分別研究了溝槽寬度、深度、間距及齒頂距離對(duì)齒面應(yīng)力的影響，同時(shí)對(duì)比了扭矩對(duì)帶織構(gòu)齒面與光滑齒面的影響。GUPTA等[14]通過化學(xué)腐蝕的方式，制造了數(shù)百微米不等的凹坑，通過紅外熱像儀、電子掃描顯微鏡及能譜儀得到了常規(guī)齒輪與織構(gòu)齒輪的潤(rùn)滑油溫度、磨損前后圖像及齒輪表面元素組成，發(fā)現(xiàn)磨屑顆粒被留在凹坑中，且?guī)Э棙?gòu)齒輪的振動(dòng)振幅、潤(rùn)滑油溫升及磨損程度相比普通齒輪均得到降低。李直[15]對(duì)不同形貌齒面的時(shí)變摩擦特性進(jìn)行了研究，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)齒輪在不同嚙合區(qū)域表面形貌對(duì)于齒面摩擦因數(shù)曲線的影響程度是不同的，部分表面形貌改善了嚙合線節(jié)點(diǎn)附近區(qū)域的摩擦性能，而部分表面則改善了節(jié)點(diǎn)兩側(cè)區(qū)域的摩擦性能。

目前大量試驗(yàn)研究均使用激光加工或電化學(xué)加工的方式來(lái)改變材料表面形貌或制備織構(gòu)，其中電化學(xué)加工方式中電解液多使用中性或酸性溶液，對(duì)復(fù)合電解液以及復(fù)合電解液與材料的匹配性研究甚少。因此，為探索復(fù)合電解液與45鋼齒輪的電化學(xué)匹配性，本文作者對(duì)45鋼試件進(jìn)行了電化學(xué)試驗(yàn)，研究了試件在不同溶液下電解時(shí)間對(duì)凹坑形貌形成的影響，以及在干摩擦和乏油潤(rùn)滑條件下表面形貌對(duì)摩擦性能的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試件電化學(xué)處理

試驗(yàn)樣品采用經(jīng)線切割的10 mm×10 mm×50 mm的45鋼長(zhǎng)方體，為除去試樣表面氧化膜并方便后續(xù)測(cè)量依次用400、800、1 200、1 500目砂紙對(duì)工藝面進(jìn)行手工打磨，并使用輪廓儀測(cè)量打磨表面。通過調(diào)整各組表面粗糙度使之盡可能一致，之后使用無(wú)水乙醇溶液在超聲波清洗機(jī)中清洗8 min，使用熱吹風(fēng)機(jī)快速吹干后備用。

電解液、電解時(shí)間及電極距離等加工參數(shù)將在很大程度上影響試驗(yàn)制備的試樣的表面形貌，文中試驗(yàn)使用2種成分不同的電解液。其中A組電解液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的氯化銨溶液，B組電解液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的氯化鈉和10%的次氯酸鈉混合溶液。電解電源采用24 V直流高頻脈沖電源，兩電極距離為80 mm，電解液溫度為25 ℃。電解時(shí)間分別為60、180、300 s，分別設(shè)為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)試驗(yàn)組，并設(shè)置未電解處理的樣品作為0號(hào)對(duì)照組。表1給出了A組與B組的試驗(yàn)方案。

表1 電解試驗(yàn)方案

1.2 表面磨損試驗(yàn)設(shè)備

文中摩擦磨損試驗(yàn)在圖1所示的CFT-1型常溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，選用Si3N4陶瓷研磨球?yàn)閷?duì)摩副。采用往復(fù)磨損試驗(yàn)方式，磨損半徑為6 mm，轉(zhuǎn)速為500 r/min，法相載荷為100 N，磨損時(shí)間為60 min。使用 MoticAE2000MET金相顯微鏡和VHX-2000超景深顯微鏡觀察磨損前后試樣表面與凹坑形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 表面形貌分析

圖2所示為A組未處理試樣的表面形貌，可觀察到未經(jīng)電解處理試件存在少量毛刺并有明顯機(jī)加工條紋。如圖3所示，電解加工60 s后試件表面變得較為光滑，且出現(xiàn)了隨機(jī)分布的圓形凹坑，凹坑直徑為50～80 μm，此特征不均勻分布且邊緣較為鋒利。使用B組電解液電解300 s后的試件形貌如圖4所示，可見加工后試件表面出現(xiàn)了密集的類圓坑形貌，且圓坑的分布密度隨著電解加工時(shí)間的增加而增加，如圖5、6所示。整體試驗(yàn)B組所制備的圓坑相較于A組電解工件表面的凹坑邊緣更加圓潤(rùn)，且表面質(zhì)量較好。通過對(duì)比不同電解加工時(shí)間的超景深圖像可知：試件在B組溶液中被加工后會(huì)出現(xiàn)20～70 μm的圓形凹坑形貌，并且凹坑不會(huì)隨著電解時(shí)間的增加而擴(kuò)展，而是其密度逐步增大，如圖5、6所示。根據(jù)超景深試驗(yàn)設(shè)備測(cè)量的凹坑深度，B組2號(hào)電解試驗(yàn)試件凹坑深度平均為4 μm，最大深度可達(dá)6 μm；B組3號(hào)電解試驗(yàn)試件凹坑深度平均為8 μm左右，最大深度可達(dá)10 μm。

2.2 摩擦因數(shù)分析

圖7、圖8分別為干摩擦與乏油潤(rùn)滑條件下的摩擦因數(shù)。如圖7所示，在干摩擦條件下，摩擦因數(shù)整體都呈持續(xù)增大的趨勢(shì)，但不同電解時(shí)間得到的試件，由于凹坑尺寸不同摩擦?xí)r的表現(xiàn)也不盡相同。其中電解時(shí)間60 s的試件，在整個(gè)摩擦試驗(yàn)中都保持了較小的摩擦因數(shù)，且整體上升趨勢(shì)均小于其他試件。圖7(a)中電解時(shí)間為300 s的試樣，由于相對(duì)較長(zhǎng)的表面處理時(shí)間使得表面粗糙，以致摩擦因數(shù)大于未經(jīng)處理的試樣。由圖7(b)可看出，在使用復(fù)合電解液后，3個(gè)不同電解時(shí)間處理后的試樣的摩擦因數(shù)均小于未處理試樣，但凹坑密度過大也將使得磨屑在尖銳時(shí)迅速掉落，在形貌被破壞后對(duì)摩擦表面產(chǎn)生不利影響。A組和B組中擁有較小孔洞的1號(hào)試樣的摩擦因數(shù)均小于其他樣品的摩擦因數(shù)；在試驗(yàn)進(jìn)行到30 min時(shí)，由于部分凹坑被破壞試樣的摩擦因數(shù)將再次急劇上升。如圖8所示，在乏油潤(rùn)滑條件下，前期由于潤(rùn)滑油的存在使得試樣整體摩擦因數(shù)較小，但隨著對(duì)摩的陶瓷球?qū)?rùn)滑油擠壓到磨痕周圍，使得摩擦因數(shù)再次增大；當(dāng)磨痕達(dá)到一定寬度時(shí)，磨痕周圍的潤(rùn)滑油再次流入摩擦表面的間隙中，摩擦因數(shù)降低，循環(huán)反復(fù)多次，直至沒有足夠潤(rùn)滑油可流入摩擦副后，摩擦因數(shù)上升趨勢(shì)保持穩(wěn)定。但通過圖8可知，在300 s電解時(shí)間下的凹坑的減磨作用遠(yuǎn)小于電解60 s后的效果，因此試驗(yàn)條件下存在最佳加工參數(shù)與凹坑尺寸。從最優(yōu)組看，表面凹坑的存在發(fā)揮著一定儲(chǔ)油的作用，使得摩擦因數(shù)的上升趨勢(shì)緩慢，阻斷了摩擦因數(shù)進(jìn)一步增大的進(jìn)程。尤其在乏油潤(rùn)滑下，凹坑影響著整個(gè)運(yùn)行的過程。

2.3 磨損體積分析

文中試驗(yàn)使用的為自制的電解設(shè)備，其中電解時(shí)間與耗電量之間的關(guān)系可在程序中調(diào)取，耗電量更能直觀地反映電化學(xué)過程中對(duì)材料表面的處理程度，因此采用耗電量來(lái)說(shuō)明電解時(shí)間對(duì)磨損體積的影響。

圖9、10所示為干摩擦和乏油潤(rùn)滑條件下磨損體積隨電解試驗(yàn)時(shí)間的變化趨勢(shì)。對(duì)比每個(gè)試樣在干摩擦和乏油潤(rùn)滑條件下的磨損體積之后不難發(fā)現(xiàn)：在電解時(shí)間跨度較大的試驗(yàn)中，在干摩擦條件下各組1號(hào)為最優(yōu)工藝組，在乏油條件下A組2號(hào)、B組1號(hào)為最優(yōu)工藝組。其中，在干摩擦條件下，A組中最優(yōu)組磨損體積較對(duì)照組下降了約13%，B組中最優(yōu)組磨損體積較對(duì)照組降低了33%，如圖9所示。在乏油潤(rùn)滑條件下，A組最優(yōu)組磨損體積較對(duì)照組降低了14%，B組最優(yōu)組磨損體積較對(duì)照組下降了18%，如圖10所示。從圖9中可以看出，在干摩擦條件下，磨損體積隨著耗電量的增加呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)。由于小尺寸孔洞的存在使得摩擦過程中產(chǎn)生的磨屑、磨粒得以存儲(chǔ)，減輕了磨粒對(duì)摩擦表面的磨損，同時(shí)部分不規(guī)則磨屑經(jīng)過試驗(yàn)后變得較為圓滑，使得接觸的部分區(qū)域由干摩擦變?yōu)榛瑒?dòng)摩擦。兩者共同作用下大幅度降低了磨損體積。電解加工產(chǎn)生的孔洞半徑增大后，相較無(wú)孔洞表面在一定摩擦面內(nèi)磨粒的可移動(dòng)面積變小，部分磨屑迅速掉入孔洞內(nèi)，未起到改變部分區(qū)域摩擦狀態(tài)的作用。已經(jīng)有研究者發(fā)現(xiàn)，孔洞邊緣的受力將大于其余表面，大尺寸孔洞將更容易被破壞，在孔洞經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間摩擦被破壞后，內(nèi)部?jī)?chǔ)存的磨屑將再次破壞摩擦表面，使得大尺寸孔洞最終磨損體積大于小尺寸孔洞的磨損體積。

從圖10可知，在乏油潤(rùn)滑條件下，磨損體積與干摩擦下變化趨勢(shì)基本一致。B組中由于使用混電解液所產(chǎn)生的凹坑質(zhì)量較好，因此出現(xiàn)了磨損體積明顯減小的情況。

2.4 磨痕分析

圖11所示為A組試樣干摩擦磨痕形貌SEM圖，可以看出，試樣表面主要磨損形式為磨粒磨損，部分表面出現(xiàn)了由于黏著磨損產(chǎn)生的剝落痕跡，同時(shí)可以看到表面存在由于犁溝作用產(chǎn)生的沿摩擦方向的溝痕。

圖12所示為乏油潤(rùn)滑條件下B組0號(hào)和2號(hào)試件的磨痕微觀形貌?？梢杂^察到未電化學(xué)處理的B組0號(hào)試樣主要的磨損形式為黏著磨損，與B組2號(hào)試樣表面相比其剝落面積更大。在法相載荷的作用下，試樣表面先是產(chǎn)生磨粒和磨屑，剝落的磨粒在摩擦試驗(yàn)過程中不斷被打磨得細(xì)小、圓潤(rùn)，在往復(fù)摩擦后，與摩擦表面之間的潤(rùn)滑油混合形成油屑混合物，研磨球的運(yùn)動(dòng)使得混合物在磨痕表面均勻附著，直至最后油屑混合物減少，磨痕上的附著物隨著陶瓷球黏著剝落。從圖12(b)中可以觀察到B組2號(hào)試樣擁有較好的表面磨痕形貌，只出現(xiàn)了小面積的黏著磨損，這是因?yàn)殡娊馑a(chǎn)生的凹坑在摩擦磨前期，存儲(chǔ)了潤(rùn)滑油，改善了試件表面潤(rùn)滑條件。

3 結(jié)論

(1)經(jīng)電化學(xué)處理后由于凹坑的存在使得45鋼的摩擦因數(shù)減小，磨損體積降低。在氯化銨充當(dāng)電解液時(shí)，凹坑的尺寸將隨著電解時(shí)間而增加，而在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%氯化鈉與10%次氯酸鈉作為電解液時(shí)，凹坑的密度將隨著電解時(shí)間的增加而增加。

(2)試件的磨損體積基本呈先減小后增大的趨勢(shì)，因此存在最佳工藝組。乏油潤(rùn)滑條件下，B組電解工藝能有效降低磨損體積，最優(yōu)組磨損體積較對(duì)照組降低了18%；在干摩擦條件下，最優(yōu)組磨損體積較對(duì)照組降低了33%。對(duì)應(yīng)凹坑尺寸為20～40 μm，深度4～6 μm。

(3)當(dāng)使用15%氯化銨充當(dāng)電解液時(shí)，電解60 s后45鋼表面將隨機(jī)出現(xiàn)少量50～80 μm不等直徑的凹坑，電解180 和300 s后試樣表面形成類圓形凹坑直徑為300～350 μm。在20%氯化鈉與10%次氯酸鈉的混合電解溶液下，180 s后將產(chǎn)生直徑在70 μm左右、深度為6 μm的凹坑，300 s后凹坑直徑基本不變但深度加深至8 μm。