潤(rùn)滑條件對(duì)黃豆/不銹鋼摩擦副摩擦學(xué)行為的影響*

黎 繁 田 斌 史俊豐 冉志勇

(北京工商大學(xué)人工智能學(xué)院 北京 100048)

在食品加工機(jī)械領(lǐng)域，機(jī)械部件的摩擦學(xué)性能直接關(guān)系到食品的安全問(wèn)題[1-3]。當(dāng)食品機(jī)械部件的表面磨損超過(guò)一定的量，就會(huì)在磨損表面出現(xiàn)細(xì)菌滋生和黏附繁殖。因此，研究食品機(jī)械部件表面性能顯得非常重要[4]。

食品機(jī)械加工部件中的摩擦學(xué)性能已經(jīng)得到了相應(yīng)的重視和研究[5-7]。張紫銅等[8]通過(guò)微摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)研究了二甲基硅氧烷(PDMS)表面改性對(duì)牛奶潤(rùn)滑特性評(píng)估的影響，發(fā)現(xiàn)親水PDMS表面的摩擦因數(shù)大于疏水PDMS表面。KARIMI等[9]通過(guò)研究不同小麥與壓縮塑料、鍍鋅鐵、膠合板的摩擦因數(shù)發(fā)現(xiàn)，摩擦因數(shù)會(huì)隨著小麥水分含量的增加而增大。BAHRI等[10]在干摩擦條件下采用球-盤(pán)摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)，分別用TiN涂層試樣和304L不銹鋼試樣與橄欖種子進(jìn)行對(duì)摩，結(jié)果表明，摩擦因數(shù)隨著時(shí)間的變化呈先低后高的趨勢(shì)，同時(shí)試樣表面有較為明顯的劃痕，磨損率與時(shí)間也呈正相關(guān)增長(zhǎng)。吳越等人[11]發(fā)現(xiàn)醫(yī)用鋇餐中添加增稠劑有利于摩擦因數(shù)的降低。由上述研究可以看出，潤(rùn)滑條件對(duì)食品與機(jī)械部件組成的摩擦副的摩擦學(xué)性能有著顯著影響。黃豆作為食品中的主要品種之一，在實(shí)際加工過(guò)程中，存在含水和干燥條件下與機(jī)械部件之間的摩擦磨損問(wèn)題。因此，將黃豆與機(jī)械部件進(jìn)行直接配副，探索不同潤(rùn)滑條件對(duì)食品機(jī)械的摩擦學(xué)性能影響是很必要的。

本文作者以黃豆/ 316L不銹鋼摩擦副為研究對(duì)象，在干摩擦和水潤(rùn)摩擦兩種不同條件下，對(duì)比該摩擦副的摩擦磨損行為規(guī)律，探究潤(rùn)滑條件對(duì)其摩擦學(xué)機(jī)制的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

黃豆/不銹鋼摩擦副中，不銹鋼試樣材質(zhì)為316L不銹鋼，其尺寸為60 mm×30 mm×3 mm，粗糙度Ra為3.36 nm、硬度154HV；黃豆試樣來(lái)自本地超市的同一批黃豆，平均直徑7.04 mm。采用圖1(a)中自制模具冷鑲的方式，利用夾具限位和上表面平面限位的方法，將4顆黃豆鑲嵌在圖1(b)中的同一個(gè)試樣上，且黃豆的頂點(diǎn)處于半徑約5.8 mm的同一個(gè)圓周平面上[12]。

圖1 黃豆制備模具(a)和試樣實(shí)物(b)Fig.1 Soybean mould (a) and soybean sample(b)

1.2 試驗(yàn)方法

滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)在常溫常壓下進(jìn)行，試驗(yàn)裝置為MMW-1A 微機(jī)控制萬(wàn)能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)。黃豆試樣作為固定上試樣，旋轉(zhuǎn)的316L不銹鋼為下試樣，其他具體工況參數(shù)為載荷100 N、轉(zhuǎn)速400 r/min、時(shí)間60 min，潤(rùn)滑條件分別為干摩擦和水潤(rùn)滑。其中，采用約3 s每滴的頻率加水來(lái)模擬水潤(rùn)滑條件。每一種工況條件下的試驗(yàn)均重復(fù)3組，所得數(shù)據(jù)取平均值。

試驗(yàn)中通過(guò)測(cè)量摩擦力矩和軸向試驗(yàn)力，來(lái)計(jì)算黃豆和316L不銹鋼的摩擦因數(shù)，具體計(jì)算公式如下：

式中：μ為摩擦因數(shù)；T為實(shí)測(cè)摩擦力矩(N·mm)；p為軸向力(N)；R為黃豆與不銹鋼接觸點(diǎn)所在圓的半徑(mm)。

采用光學(xué)顯微鏡觀察和測(cè)量不同潤(rùn)滑條件下不銹鋼試樣和黃豆試樣的磨損表面形貌和磨痕寬度；采用NanoMap-D三維形貌儀在光學(xué)模式下對(duì)不同潤(rùn)滑條件下不銹鋼試樣的磨損表面形貌進(jìn)行觀察，利用自帶掃描探針圖像軟件對(duì)不銹鋼進(jìn)行表面粗糙度分析；利用Bruker HYPERION 1000顯微紅外光譜儀對(duì)不銹鋼磨損表面進(jìn)行成分檢測(cè)。

2 結(jié)果與分析

2.1 摩擦因數(shù)

圖2所示為不同潤(rùn)滑條件下黃豆/316L不銹鋼摩擦副的摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化曲線和平均摩擦因數(shù)。

由圖2(a)中可看出，在干摩擦的條件下，316L不銹鋼與黃豆之間的摩擦因數(shù)大致沒(méi)有變化，曲線整體較為平滑，幾乎沒(méi)有波動(dòng);而在水潤(rùn)滑的條件下，316L不銹鋼與黃豆之間的摩擦因數(shù)顯著升高，且摩擦過(guò)程中波動(dòng)幅度較大，但整體呈下降趨勢(shì)?；谒疂?rùn)滑條件下摩擦因數(shù)的變化趨勢(shì)，以260 s為界線，統(tǒng)一將整個(gè)摩擦磨損過(guò)程分為波動(dòng)階段和相對(duì)穩(wěn)定階段，統(tǒng)計(jì)其平均摩擦因數(shù)如圖2(b)所示?？傻?，波動(dòng)階段中，水潤(rùn)滑條件和干摩擦條件下的平均摩擦因數(shù)分別為1.52、0.21；穩(wěn)定階段下的平均摩擦因數(shù)則分別為1.06、0.24?？梢钥闯?，水潤(rùn)滑條件下波動(dòng)階段的摩擦因數(shù)反映了其摩擦非常劇烈，其穩(wěn)定階段的平均摩擦因數(shù)約為干摩擦條件下平均摩擦因數(shù)的4.4倍，反映了不同潤(rùn)滑條件下其摩擦過(guò)程有著顯著的差異。

圖2 不同潤(rùn)滑條件下黃豆/316L不銹鋼摩擦副的摩擦 因數(shù)隨時(shí)間的變化曲線(a)和平均摩擦因數(shù)(b)Fig.2 Friction coefficient curves along with time (a) and average friction coefficient (b) of soybean/316L stainless steel friction pair under different lubrication conditions

圖3所示為不同潤(rùn)滑條件下試樣的磨痕寬度。對(duì)于不銹鋼試樣，干摩擦條件下的磨痕寬度約為4.26 mm；水潤(rùn)滑條件下的磨痕寬度約為4.69 mm，比干摩擦條件下的磨痕寬度提高約10%。對(duì)于黃豆試樣，干摩擦條件下的磨痕寬度約為2.44 mm；水潤(rùn)滑條件下的磨痕寬度約為6.26 mm，比干摩擦條件下的磨痕寬度提高約1.6倍。由上可見(jiàn)，水潤(rùn)滑條件下不銹鋼表面磨痕的變寬是由于對(duì)摩黃豆磨痕顯著增加所致。

圖3 不同摩擦條件下不銹鋼和黃豆的磨痕寬度Fig.3 Wear scar width of stainless steel and soybean sanmples under different friction conditions

2.2 不銹鋼磨損表面分析

圖4所示為不同潤(rùn)滑條件下316L不銹鋼試樣的磨損表面清洗前的光學(xué)形貌。

圖4 不同摩擦條件下清洗前的316L不 銹鋼試樣磨損表面光學(xué)形貌Fig.4 Worn surface optical topography of 316L stainless steel specimen under different friction conditions before cleaning：(a)dry friction;(b)water lubrication

磨損試驗(yàn)結(jié)束后，通過(guò)觀察不銹鋼未清洗狀態(tài)的磨損表面，可以更好地反映摩擦過(guò)程中黃豆在不銹鋼摩擦表面的狀態(tài)。由圖4可得，在干摩擦條件下，316L不銹鋼表面磨損形貌以犁溝為主，犁溝數(shù)量較大且深淺不一，且犁溝之間存在一定的黑色黏著物；水潤(rùn)滑條件下，316L不銹鋼的表面則基本被一層局部有顆粒夾雜的黏狀物覆蓋。以上結(jié)果表明，在不同潤(rùn)滑條件下，不銹鋼的摩擦表面有著截然不同的磨損條件，也預(yù)示著磨損機(jī)制的顯著差異。

進(jìn)一步將不銹鋼試樣磨損表面清洗后進(jìn)行形貌對(duì)比，圖5所示為316L不銹鋼試樣磨損表面的典型三維形貌?？梢?jiàn)，316L不銹鋼表面磨痕形貌均以沿著滑動(dòng)摩擦方向平行分布犁溝為主。水潤(rùn)滑條件下，磨痕表面整體較為平坦，只有數(shù)條較明顯的犁溝；與水潤(rùn)滑相比，干摩擦條件下，磨痕表面的犁溝呈現(xiàn)數(shù)量顯著增多、深度明顯加大的現(xiàn)象，單條犁溝也呈現(xiàn)劇烈起伏的輪廓。這點(diǎn)可以通過(guò)磨損表面的粗糙度進(jìn)一步得到驗(yàn)證，其中干摩擦條件下的磨損表面粗糙度約為156.37 nm，水潤(rùn)滑條件下的磨損表面粗糙度約為15.81 nm。顯然，干摩擦條件下的表面磨損粗糙度是水潤(rùn)滑條件下的磨損表面粗糙度的9.89倍。結(jié)合前面清洗前的不銹鋼試樣磨損表面來(lái)看，水潤(rùn)滑條件下不銹鋼表面覆蓋的黏狀物對(duì)其形成了有效的保護(hù)。

圖5 不同潤(rùn)滑條件下的316L不銹鋼磨損表面典型三維形貌Fig.5 Typical three-dimensional morphology of the wear surface of 316L stainless steel under different lubrication conditions： (a)dry friction;(b)water lubrication

2.3 黃豆磨損表面分析

圖6所示為不同潤(rùn)滑條件下黃豆試樣的磨損表面形貌?？梢?jiàn)，干摩擦條件下，黃豆磨損表面磨痕面積較小，磨痕表面犁溝較為清晰，磨痕表面有部分外皮脫落和黑色粉末，且外皮呈現(xiàn)脆性開(kāi)裂或剝離；水潤(rùn)條件下的黃豆磨損表面則呈現(xiàn)截然不同的形貌，首先磨痕面積接近黃豆的直徑大小，磨痕表面整體平整，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何犁溝形貌和黑色氧化物粉末，黃豆外皮幾乎全部脫落，并有柔性卷曲現(xiàn)象，表面邊緣存在黏著物粘附和涂抹形貌。結(jié)合前面不銹鋼的磨損形貌，可以推斷，水潤(rùn)滑條件下，黃豆試樣在接觸到水時(shí)會(huì)快速發(fā)生軟化和分解，進(jìn)而在不銹鋼表面形成軟質(zhì)黏狀物覆蓋，從而將黃豆/不銹鋼之間的摩擦逐步轉(zhuǎn)化為黃豆和黃豆分解物之間的摩擦，從而使得不銹鋼磨損表面得到很好的保護(hù)，不銹鋼磨損表面的犁溝顯著減少，而黃豆磨損表面則完全沒(méi)有犁溝形貌。

圖6 不同潤(rùn)滑條件下黃豆試樣的磨損表面形貌Fig.6 Worn surface topography of soybean sample under different lubrication conditions: (a)dry friction;(b)water lubrication

2.4 不銹鋼磨損表面紅外光譜分析

為了進(jìn)一步對(duì)比不同潤(rùn)滑條件下不銹鋼試樣磨損表面黏附產(chǎn)物的差異，以黃豆本身原始的紅外光譜結(jié)果[13](見(jiàn)圖7)作為基礎(chǔ)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)束后未經(jīng)清洗處理的不銹鋼磨損表面進(jìn)行紅外光譜分析(見(jiàn)圖8)，來(lái)比較不銹鋼試樣磨損表面的黃豆轉(zhuǎn)移情況。

圖7 5種黃豆的紅外光譜圖[13]Fig.7 Infrared spectra of five soybean species[13]

圖8 不同潤(rùn)滑條件下316L不銹鋼試樣磨損表面的紅外光譜圖Fig.8 Infrared spectra of worn surface of 316L stainless steel specimen under different lubrication conditions

由圖7可知，黃豆在3 298～1 746 cm-1(對(duì)應(yīng)脂肪酸、皂苷、異黃酮)，1 655～1 398 cm-1與1 059 cm-1(對(duì)應(yīng)蛋白質(zhì))，1 240～1 159 cm-1與1 001 cm-1(對(duì)應(yīng)核酸、磷脂)等范圍內(nèi)，均存在黃豆主要組分的特征峰，代表了黃豆的主要組分[13]。

由圖8可知，干摩擦條件下，不銹鋼磨損表面的紅外光譜曲線在2 925、2 855和1 745 cm-1處出現(xiàn)較低的吸收峰，而1 454和1 399 cm-1處出現(xiàn)了更弱的吸收峰，均對(duì)應(yīng)圖7中黃豆磨損前的部分原始紅外光譜譜峰，但峰值均很低，表明摩擦表面的黃豆組分含量很低，反映了黃豆試樣在磨損過(guò)程中只存在向不銹鋼表面少量黏附轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象。而水潤(rùn)滑條件下，不銹鋼磨損表面紅外譜峰的特征峰不僅在2 925、2 855、1 745、1 454和1 399 cm-1處出現(xiàn)，與干摩擦條件下一致，而且這些譜峰的峰值大幅增強(qiáng)；另外還在3 301、1 654、1 545、1 241、1 143、1 057、1 001和927 cm-1等位置出現(xiàn)譜峰。不銹鋼磨損表面紅外光譜的以上吸收峰與磨損前的黃豆結(jié)果基本一致[13-15]，反映了黃豆的全部主要組分，表明不銹鋼摩擦表面黏附產(chǎn)物中存在大量黃豆組分。此外，不銹鋼試樣表面并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)新的組分，表明水潤(rùn)滑條件下不銹鋼試樣摩擦表面只存在黃豆的自身原有組分。與干摩擦條件相比，水潤(rùn)滑條件下不銹鋼磨損試樣表面對(duì)應(yīng)紅外光譜特征譜峰處的峰值大幅度提高，其他位置處的吸收特征譜峰也都出現(xiàn)，這同樣與水潤(rùn)滑條件下不銹鋼試樣磨損表面被黃豆黏狀物大量覆蓋的形貌結(jié)果相一致。

2.5 摩擦學(xué)機(jī)制討論

對(duì)于黃豆/不銹鋼摩擦副，干摩擦條件下，其磨損機(jī)制以磨粒磨損為主，而水潤(rùn)滑條件下，黏著磨損顯著增加。黃豆/不銹鋼摩擦副的摩擦磨損行為受到黃豆成分、硬度差異和潤(rùn)滑條件等三方面因素的顯著影響。

黃豆由組分和硬度差異較大的種皮和子葉構(gòu)成[12]，其中種皮的碳水化合物較高，而子葉的粗脂肪和粗蛋白明顯增大。黃豆種皮和子葉的最大承壓強(qiáng)度分別約為3和66 MPa，而不銹鋼的硬度則為154HV，兩者存在顯著的硬度差異。

干摩擦條件下，黃豆以固體的狀態(tài)參與摩擦磨損，顯著的硬度差異使得磨粒磨損成為主導(dǎo)機(jī)制，黃豆的種皮和子葉同時(shí)參與摩擦磨損，在不銹鋼和黃豆磨損表面均出現(xiàn)明顯的犁溝形貌；隨著磨損的加劇，磨損表面還出現(xiàn)了黑色氧化物粉末，這可能與摩擦過(guò)程中發(fā)生美拉德反應(yīng)、糖類碳化以及氧化有關(guān)[15-16]。而由于摩擦過(guò)程中黃豆出現(xiàn)少量組分向摩擦表面的轉(zhuǎn)移，使得摩擦因數(shù)整體保持平穩(wěn)。

水潤(rùn)滑條件下，黃豆存在不同程度的糊化和分解，黃豆表面硬度進(jìn)一步顯著降低，導(dǎo)致摩擦因數(shù)顯著升高。開(kāi)始階段黃豆同時(shí)以固體和半固體的狀態(tài)參與摩擦磨損，犁溝和黏著同時(shí)存在導(dǎo)致摩擦因數(shù)較高；隨著磨損持續(xù)溫度升高導(dǎo)致黃豆的分解進(jìn)一步加劇，不銹鋼摩擦表面逐漸被黃豆分解的黏狀物覆蓋，黃豆與不銹鋼之間的摩擦轉(zhuǎn)化為黃豆與黃豆之間的摩擦，摩擦因數(shù)較開(kāi)始階段有所降低，而可能由于種皮或黃豆塊狀剝落的出現(xiàn)，導(dǎo)致了摩擦因數(shù)會(huì)出現(xiàn)短時(shí)升高。正是由于黃豆試樣在水作用下硬度的顯著降低，以及分解產(chǎn)物對(duì)不銹鋼磨損表面的覆蓋，使得不銹鋼磨損表面的犁溝顯著減少。但由于黃豆接觸面積的顯著增大，使得不銹鋼試樣磨痕的寬度有所增大，黃豆磨損表面完全沒(méi)有犁溝形貌，其磨損機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕责ぶp為主。而紅外譜峰結(jié)果顯示，水潤(rùn)滑條件下不銹鋼試樣摩擦表面的黏附產(chǎn)物都是黃豆自身組分，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)代表新組分的吸收峰，因此，在水潤(rùn)滑條件下黃豆組分在不銹鋼磨損表面的黏附所產(chǎn)生的隔離作用，是其改善不銹鋼試樣磨粒磨損的重要原因。

3 結(jié)論

(1)潤(rùn)滑條件對(duì)黃豆/不銹鋼摩擦副的摩擦磨損行為有著顯著的影響。在干摩擦條件下，摩擦副的摩擦因數(shù)整體平穩(wěn)且較低，穩(wěn)定階段平均摩擦因數(shù)約為0.24;不銹鋼和黃豆磨損表面存在數(shù)量較多且較深的犁溝形貌，黃豆和不銹鋼的磨痕均較小,不銹鋼磨損表面粗糙度約為156.37 nm。在水潤(rùn)滑條件下，摩擦因數(shù)在波動(dòng)階段就顯著提高，整體呈起伏波動(dòng)向下的趨勢(shì)，穩(wěn)定階段平均摩擦因數(shù)約為1.06；不銹鋼磨損表面的犁溝顯著減少，粗糙度降低至15.81 nm，黃豆磨損表面的犁溝完全消失，但磨損嚴(yán)重，其磨痕直徑提高約1.6倍。

(2)黃豆/不銹鋼摩擦副的摩擦磨損行為受到黃豆成分、硬度差異和潤(rùn)滑條件等三方面因素的顯著影響。干摩擦條件下，黃豆/不銹鋼摩擦副的磨損機(jī)制以磨粒磨損為主；而水潤(rùn)滑條件下，黃豆試樣的分解、硬度的降低和對(duì)不銹鋼試樣摩擦表面的覆蓋，導(dǎo)致其主要磨損機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)轲ぶp。