微織構對PTFE/GCr15軸承鋼潤滑特性與摩擦性能影響

戴一帆，李娟，陳文剛，李昊，劉云偉，劉偉，譚澤飛

(西南林業(yè)大學機械與交通學院,昆明 650224)

聚四氟乙烯(PTFE)具有優(yōu)異的化學穩(wěn)定性、較低的摩擦系數(shù)和高溫穩(wěn)定性[1-3]。目前,在高性能機械密封件中的應用中越來越廣泛。液壓密封件的基本工作原理是通過為液壓系統(tǒng)提供適當?shù)拿芊鈦矸乐刮廴疚镞M入系統(tǒng)或防止液壓油泄漏。但由于PTFE力學強度低,在與鋼為基體配副對磨時,會產(chǎn)生嚴重的磨損,從而導致密封失效。因此有必要對PTFE的磨損失效進行研究。

一般的摩擦學理論認為,越光滑的表面會帶來越優(yōu)異的摩擦學性能。因此,在過去,研究人員通過提高材料的表面精度來改善摩擦性能。然而研究表明,具有微織構凹槽的不平面也具有優(yōu)異的摩擦學性質[4-5]。Chen等[6]采用激光在304不銹鋼表面加工了酒窩形狀織構,研究了酒窩織構在油潤滑條件下的摩擦學性能。結果表明,織構的存在能有效地起到減摩抗磨的作用。Krupka等[7]討論了微織構形態(tài)對油膜厚度的影響。研究表明織構可以明顯增加油膜厚度。Rahmani 等[8]使用優(yōu)化程序找到最佳尺寸參數(shù)織構,發(fā)現(xiàn)織構的存在增加了非對稱織構滑塊軸承的承載能力和潤滑劑流量比,同時降低了摩擦系數(shù)。Yang等[9]研究了織構橫截面形狀對流體動力潤滑的影響。結果表明,在低負荷、低速條件下,球面織構能明顯降低摩擦系數(shù)。與之相反,Jendoubitff 等[10]使用飛秒激光對PTFE 表面進行微織構處理,并研究了織構處理后的摩擦學特性。結果表明,織構表面摩擦系數(shù)增加。這可能是因為接觸中的高壓導致流體部分或完全填充腔體,腔體中出現(xiàn)渦流,并且由于黏性耗散而增加摩擦。Galda等[11]研究了光滑和織構處理的軸承表面在發(fā)生潤滑轉化時的摩擦學性能,結果表明,在穩(wěn)定的負載和速度下,光滑表面的摩擦學性能優(yōu)于織構處理表面。很明顯,不同織構處理在不同環(huán)境下對摩擦學性能的影響各不相同,需要系統(tǒng)地研究織構處理對材料表面摩擦學性能的影響。

目前研究中微織構主要應用于金屬-金屬材料摩擦副中,非金屬-金屬摩擦副研究非常少。故筆者從仿真分析和實驗研究兩方面來探究表面織構對PTFE/GCr15 軸承鋼摩擦副摩擦學特性。一般采用Navier-Stokes(N-S)方程來模擬織構表面潤滑特性,借助Fluent 2021 R2 來計算模擬,針對圓形、三角形、水滴形織構作為研究對象,討論其流體動力學。為檢測摩擦特性,進行銷-盤摩擦磨損實驗,其中上面試樣為PTFE材料,下面試樣為GCr15軸承鋼,織構通過激光加工到GCr15 表面,來探究其對偶副PTFE 在不同形狀織構和不同轉速下的磨損情況,其中潤滑條件為水潤滑和油潤滑。

1 流場仿真模型

1.1 流場幾何模型簡化以及相關參數(shù)設置

圖1為流場簡化過程。將回轉式流場延伸成一個直線流場,再截取一個織構進行流場分析。模型計算的邊界條件為：所有壁面均使用無滑移邊界條件,上壁面靜止,下壁面移動,當延伸成直線場時,轉速為100,500,1 000 r/min 對應的移速分別為0.105,0.525 m/s和1.05 m/s,前后左右4個壁面設為周期邊界。由于設置的周期邊界,因此前后左右邊界各點對應壓力和流量等相同,且有效地模擬了一個無限大的流場區(qū)域。圖中也標示了油膜尺寸和織構尺寸,油膜厚度為10 μm,織構的深度為30 μm。

圖1 流場簡化過程

由于存在周期邊界,通過Hypermesh 畫出各簡化后的織構流場六面體網(wǎng)格,且對應的周期邊界處網(wǎng)格應對齊,為了保證求解精度,網(wǎng)格數(shù)量控制在80 萬左右,最后導入Fluent 進行參數(shù)設置。流場的黏性物理模型采用層流,由于考慮空化效應對動壓潤滑的影響,還采用兩相流中的Schnerr-Sauer 空化模型來進行計算,其中兩相分別為氣態(tài)和液態(tài)。壓力速度耦合用Coupled 方式,壓力采用Presto,動量采用Second Order Upwind,其它保持默認設置。計算需要的相關參數(shù)見表1。

表1 計算參數(shù)

2 流場模型計算結果分析

2.1 空化對動壁面壓力影響

根據(jù)仿真結果發(fā)現(xiàn),水作為介質時,流經(jīng)織構內腔的壓力并未降到空化壓力,所以并未產(chǎn)生空化現(xiàn)象；當潤滑油作為介質時,轉速為100 r/min 也無法產(chǎn)生空化氣泡,只有500 r/min和1 000 r/min時產(chǎn)生了空化氣泡。圖2 為轉速1 000 r/min 時,考慮空化和未考慮空化三角織構移動壁面的絕對壓力分布圖,即當絕對壓力小于大氣壓時,表明產(chǎn)生了負壓；絕對壓力大于大氣壓時,表明處于增壓區(qū)。未考慮空化時,由圖2a可見,潤滑油在進入織構時,產(chǎn)生了負壓區(qū),負壓區(qū)主要集中在織構入口處。產(chǎn)生這種現(xiàn)象主要是由于具有一定黏度的流體進入收斂區(qū)域就會產(chǎn)生壓力,即流體動力潤滑的楔效應[12]。當考慮空化時,由圖2b 可見,很明顯發(fā)現(xiàn)負壓區(qū)最低壓力等于空化壓力30 000 Pa。由此可知,空化抑制了負壓增加,且產(chǎn)生空化時,織構出口處最高壓力大于不考慮空化時的壓力。因此可以推斷空化形成有利于微織構在提高摩擦磨損性能更明顯。圖3是轉速為500 r/min和1 000 r/min產(chǎn)生氣泡體積分數(shù),氣泡主要分布在移動下壁面織構入口處,隨著速度升高,油蒸汽體積分數(shù)占比越大,且空化區(qū)域逐漸向織構中部擴散。

圖2 三角織構未考慮空化和考慮空化移動下壁面絕對壓力云圖(1 000 r/min)

圖3 不同轉速下三角織構產(chǎn)生的氣體體積分數(shù)

2.2 潤滑特性分析

圖4 為1 000 r/min下水潤滑和油潤滑油膜內部產(chǎn)生的壓力云圖。流體從左邊進入織構內部產(chǎn)生負壓,在織構入口處產(chǎn)生負壓絕對值最大,然后逐漸向右發(fā)散,負壓逐漸減小并開始產(chǎn)生正壓,正壓向右開始收斂,在織構出口處產(chǎn)生的正壓值達到最大。由圖4a3 可以看出,在水潤滑中水滴織構流場產(chǎn)生的正壓力最大,最大正壓值為1 051.59 Pa,且正壓區(qū)間也大于其它織構,正壓與負壓絕對值之差最大,產(chǎn)生的動壓效果最好。由圖4a2可知,三角織構正壓區(qū)最大壓力為987.74 Pa,但是產(chǎn)生的負壓絕對值也較大,產(chǎn)生的動壓效果遠不及水滴織構。由圖4a1 圓形織構作為對稱織構,正壓和負壓絕對值之差較小,且產(chǎn)生的正壓范圍較其它兩種織構也比較小。由圖4b1～圖4b3可以看出,在油潤滑條件下,仍然是水滴織構產(chǎn)生的動壓效果最好。與水潤滑相比,油潤滑產(chǎn)生的流場壓力遠高于水潤滑,壓力絕對值為水潤滑條件產(chǎn)生的壓力值的70～100 倍。這主要和流體動力黏度和密度有關,其中潤滑油的動力黏度值為液態(tài)水的84倍。另外一個原因就是,在1 000 r/min 轉速下,由于潤滑油空化壓力絕對值比水潤滑要大,流場會產(chǎn)生空化,也能促進流場的動壓效應。圖5為水潤滑和油潤滑條件下各個織構在不同轉速下的油膜內部中心軸線壓力變化曲線。由圖5可以看出,隨著速度的升高,各潤滑條件下產(chǎn)生的壓力越大,油膜和水膜的承載能力越強。其中在100 r/min 時,由于轉速較低,各織構產(chǎn)生的流體動壓效果不明顯。由以上可知,在水潤滑中,由于液態(tài)水動力黏度較低,所以產(chǎn)生的水膜不穩(wěn)定,水膜承載力非常弱,其中在中高轉速下水滴織構產(chǎn)生最大的正壓值最大,動壓效果最好,在低轉速下,三種織構產(chǎn)生的動壓效果均不明顯。在油潤滑中,由于黏度較高,能產(chǎn)生穩(wěn)定的油膜,且油承載力高,其中水滴織構產(chǎn)生的動壓效果最好并且水滴織構流場油膜承載力也最大。

圖4 不同潤滑條件下油膜內部壓力云圖(轉速為1 000 r/min)

圖5 不同轉速和潤滑條件下各織構油膜內部中心軸線壓力變化曲線

3 實驗部分

3.1 主要原材料

PTFE：浙江松華新材股份有限公司；

GCr15軸承鋼：昆山銘信誠金屬材料有限公司。

3.2 儀器及設備

金相試樣磨拋機：PG-1S 型,三思永恒科技(浙江)有限公司；

移動旋轉激光打標機：FLS-FB50 型,蘇州英谷激光公司；

多功能摩擦磨損試驗機：MR-070 型,濟南藍波實驗設備有限公司；

光學顯微鏡：YM200 型,濟南恒旭試驗機技術有限公司；

電子分析天平：FA324C 型,上海衡際科學儀器有限公司；

超聲波清洗機：SB25-12DTDS 型,寧波新藝超聲設備有限公司。

3.3 試樣制備

PTFE 通過金相切割機加工成直徑為5 mm,高為20 mm的圓柱銷。GCr15加工成40 mm×40 mm×8 mm矩形體,借助金相試樣磨拋機進行打磨拋光。拋光后,通過激光打標機在光滑面加工圓形、三角形、水滴形織構,激光打標參數(shù)為：激光輸出功率為50 W,速度為2 000 mm/s,激光加工次數(shù)為5次?？棙嬇帕蟹绞綖閳A周排列,且控制三種形狀的織構面積一致,面積占有率均控制在31%,織構具體參數(shù)可見圖1。激光加工后,使用1 200 目(2.1 μm)砂紙對下試樣表面打磨,使所有試樣表面粗糙度保持在3.5～5 μm。

3.4 摩擦磨損實驗

筆者通過摩擦磨損試驗機進行銷-盤回轉運動。上試樣為PTFE 圓柱銷,下試樣為激光加工處理好的GCr15。本次實驗主要有3 個因素：一是轉速(100,500,1 000 r/min)；二是下試樣表面的織構形式(無織構、圓形織構、三角織構、水滴織構)；三是潤滑條件(油潤滑和水潤滑),潤滑劑直接滴在下試樣表面。探究這些因素對上試樣PTFE磨損情況。實驗施加的載荷為20 N,時間為15 min,旋轉半徑為10 mm,在室溫和大氣條件下進行。實驗前后所有試樣通過超聲波清洗機清洗,通過電子分析天平稱量磨損前后試樣的質量變化,每個試樣稱三次,取平均數(shù)。實驗完成后通過光學顯微鏡拍攝上下試樣磨損表面,便于后續(xù)分析。

4 結果與討論

4.1 摩擦系數(shù)分析

圖6為不同織構在水潤滑條件下不同轉速的摩擦系數(shù)曲線。由圖6 可以看出,水潤滑條件下所有試樣的摩擦系數(shù)均偏高。在轉速為100 r/min時,前9 min織構試樣均有明顯的減摩效果,其中三角織構減摩效果最佳,平均摩擦系數(shù)降低了54.32%。隨著時間的增加,圓形織構和水滴織構組摩擦系數(shù)逐漸高出無織構組,甚至出現(xiàn)了增摩效果,且水滴織構組摩擦系數(shù)也有增加的趨勢,相反無織構組摩擦系數(shù)卻在降低。這是由于潤滑劑隨著時間逐漸流失,潤滑狀態(tài)漸漸處于饑水狀態(tài),甚至產(chǎn)生了干摩擦。在表面粗糙處理下,無織構試樣表面形成了溝槽,其它織構表面則形成了一種復合織構。所以在全水潤滑條件下,三種織構處理的表面減摩效果優(yōu)于無織構表面。相反,在饑水狀態(tài)下,經(jīng)過表面粗糙處理的無織構組效果還優(yōu)于水滴和圓形復合織構。在轉速為500 r/min時,所有試樣表現(xiàn)較高的摩擦系數(shù),穩(wěn)定時摩擦系數(shù)主要在[0.24～0.28]之間,其中三角形織構組和無織構組摩擦系數(shù)波動了3 min就直線上升,水滴織構組摩擦系數(shù)是呈階梯形上升直至穩(wěn)定,圓形織構組摩擦系數(shù)很快就達到了穩(wěn)定階段。最后穩(wěn)定階段,粗糙處理后的無織構試樣摩擦系數(shù)最低。在轉速為1 000 r/min 時,所有組穩(wěn)定摩擦系數(shù)均偏高,分布在[0.25～0.28]之間,織構處理的試樣并沒有明顯減摩效果。由以上可知,在實驗時間內,水潤滑條件下,低轉速時,前期各個織構組均有減摩效果,其中三角織構組減摩效果最好,饑水狀態(tài)下,粗糙處理的無織構試樣摩擦系數(shù)反而低于水滴織構和圓形織構。在中高速時,可以發(fā)現(xiàn)織構組減摩區(qū)間非常短,甚至不存在減摩效果,這是由于在高速下,水的流失率更高。在這種邊界潤滑下,織構處理試樣的減摩效果并不佳,相反,在500 r/min時,粗糙處理過的無織構表面表現(xiàn)出較低的摩擦系數(shù)。

圖6 在水潤滑下不同織構不同轉速的摩擦系數(shù)

圖7 為油潤滑不同織構下不同轉速的摩擦系數(shù)。由圖7 可以看出,各試樣摩擦系數(shù)明顯低于水潤滑條件下的摩擦系數(shù),且有較強穩(wěn)定性,這主要是由于潤滑油的黏性遠高于水,且由仿真結果可知油潤滑在織構處產(chǎn)生的壓力遠大于水潤滑,油膜產(chǎn)生的承載力遠優(yōu)于水膜產(chǎn)生的承載力。在轉速為100 r/min 時,水滴織構試樣的平均摩擦系數(shù)為0.053 8,無織構試樣的平均摩擦系數(shù)為0.074,水滴織構試樣的摩擦系數(shù)比無織構試樣的降低了27.06%；三角織構也具有減摩效果,與無織構試樣相比,摩擦系數(shù)降低了14.44%,而圓形織構產(chǎn)生了增摩效果。在轉速為500 r/min和1 000 r/min時,與100 r/min轉速相比,摩擦系數(shù)升高了不少。但是水滴織構試樣的減摩效果仍是最好的,其次是三角織構,而圓形織構仍然沒有減摩效果。由以上可知,在油潤滑條件下,各試樣保持著較低的摩擦系數(shù),其中水滴織構試樣在三種轉速下,都保持著優(yōu)異的減摩效果；三角織構試樣隨著轉速的增加,減摩效果逐漸減弱；相反,圓形織構產(chǎn)生了增摩效果。雖然不少研究均得出油潤滑條件下,織構能夠起到“儲油存屑”的作用,能夠減少磨粒對材料表面的磨損影響,也能增加潤滑效果,對材料表面減摩抗磨有促進作用[13-15],但是也需要從織構其它方面如織構形狀、排列、面積占有率等考慮,織構面積或者面積占有率過大,就會減少表面接觸面積,從而會使表面產(chǎn)生更大的接觸應力?？棙嫷囊胍矔黾颖砻娲植诙?較大的粗糙度也可能會增大摩擦系數(shù)。在實驗中,無織構比圓形織構摩擦系數(shù)還低的原因主要是由于PTFE 材料本身硬度低,且為自潤滑材料,在摩擦過程中能形成穩(wěn)定的油膜,摩擦生熱也易于傳導,從而起到減摩效果[16]。

圖7 在油潤滑下不同織構不同轉速的摩擦系數(shù)

4.2 磨損形貌和磨損量分析

圖8為不同織構在轉速1 000 r/min水潤滑條件下PTFE和對偶副GCr15軸承鋼磨損表面。

圖8 轉速1 000 r/min和水潤滑條件下PTFE/GCr15磨損表面

由圖8 可以明顯看出,PTFE 表面出現(xiàn)了磨痕,而GCr15 軸承鋼仍然只存在壓印,這主要是因為兩種材料強度差異大造成的。無織構、圓形織構和三角織構組的PTFE磨損較嚴重,表面出現(xiàn)了犁溝,且邊角處有明顯的材料剝落。水滴織構的PTFE表面也產(chǎn)生了凹痕,但是其深度明顯低于其它織構。其主要磨損機制是磨粒磨損,且伴隨著疲勞磨損。表2 為水潤滑條件下不同轉速和不同織構PTFE 的磨損量。在低轉速時,圓形和三角織構試樣幾乎沒有磨損,而水滴織構相對于無織構表面質量降低了4.3 mg。在中等轉速時,三角織構磨損量高出無織構試樣,其中水滴織構抗磨性表現(xiàn)得較好。在高轉速時,所有試樣磨損量都接近,但仍然是水滴織構減磨效果最好,與無織構相比,磨損量減少了5 mg。圖9 為油潤滑條件下的PTFE 和對偶副GCr15 軸承鋼磨損表面圖。從圖9 看出,GCr15 織構表面幾乎沒有磨損,表面只存在摩擦后的壓印,而PTFE表面幾乎也沒有磨損,并且通過稱量實驗后所有PTFE的質量,發(fā)現(xiàn)PTFE的質量變化均在0.3 mg內,屬于誤差范圍內,即沒有任何磨損,這說明在油潤滑條件下PTFE/GCr15軸承鋼具有良好的減摩效應。這主要是由于潤滑油在滑動過程中產(chǎn)生了較高的油膜承載力,很好地避免了PTFE 和GCr15 軸承鋼的直接接觸,且具有深度的織構對增加油膜的厚度也有一定促進作用[7]。

表2 水潤滑條件下不同轉速和不同織構的PTFE磨損量 mg

圖9 油潤滑條件下PTFE和對偶副織構處理的GCr15軸承鋼磨損表面

5 結論

(1)由Fluent 仿真分析可得,在不同潤滑介質下,油潤滑產(chǎn)生的壓力是水潤滑的100倍,油膜承載力遠高于水膜。在相同的轉速下,表面為水滴織構、三角織構、圓形織構產(chǎn)生的壓力依次遞減。相同潤滑介質下,隨著轉速的增加流場產(chǎn)生壓力也逐漸升高。在中高轉速下,各織構在油潤滑條件下均產(chǎn)生了空化,空化抑制了負壓的增加,從而對流場壓力的增加產(chǎn)生了積極作用。

(2)通過激光加工技術在PTFE的對偶副GCr15軸承鋼表面制備圓形、三角、水滴織構,面積占有率均為31%,且對所有試樣進行粗糙處理。在不同潤滑條件下,進行不同工況的摩擦磨損實驗,探究PTFE 磨損情況。實驗結果表明,水潤滑中,隨著轉速升高,流場水潤滑極其不穩(wěn)定,迅速就由全水潤滑進入邊界潤滑的狀態(tài)。三角織構和圓形織構適用于低轉速工況,能明顯降低摩擦系數(shù)和PTFE 的磨損質量。在中高轉速下,水滴織構具有較好的承壓能力,能明顯減少PTFE的磨損量。在油潤滑中,由于潤滑油的黏性大,在粗糙處理過的各試樣表面均能形成一層較穩(wěn)定的油膜,從而避免摩擦副直接接觸,因此PTFE 的磨損量均保持在0.3 mg 以內。其中,水滴織構在三種轉速下均保持最優(yōu)的減摩抗磨性能,最佳減摩效率達27.60%。

(3)粗糙處理過的各試樣表面均有3.5～5 μm 的凹痕,在潤滑過程中也能起到儲存磨屑和潤滑劑的功效,且PTFE 本身就是自潤滑材料能夠更好地吸收潤滑劑。故在實驗中,油潤滑條件下,無織構試樣摩擦系數(shù)與圓形織構的摩擦系數(shù)相近,甚至更低。說明在這種工況下這種微凹槽減摩效果比圓形復合凹槽效果更好。因為針對織構的減摩抗磨分析,應該從多個因素多個工況進行考慮,并不是所有織構均有減摩效果。