仿生織構(gòu)對(duì)65Mn 鋼摩擦學(xué)性能的影響

張桔幫，王海軍，陳文剛

（西南林業(yè)大學(xué)，云南 昆明 650224）

0 引 言

65Mn 鋼具有硬度高、韌性好、耐磨性好及淬透性高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于農(nóng)業(yè)機(jī)械、汽車(chē)船舶、鐵路建設(shè)、工業(yè)機(jī)械等領(lǐng)域關(guān)鍵部件的制造[1]，例如深松機(jī)具、犁鏵、旋耕刀、彈簧及磨床主軸等。這些部件通常要與水、土壤和巖石等接觸，工況惡劣，磨損嚴(yán)重[2]。所以提高65Mn 鋼部件表面耐磨性、延長(zhǎng)使用壽命尤為重要。

國(guó)內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)，自然界中生物體表往往具有潤(rùn)滑、自清潔、減摩耐磨等優(yōu)秀特性，這些特性與其體表的非光滑形態(tài)密切相關(guān)[3]，例如：蚯蚓、鯊魚(yú)、穿山甲等[4]。而模擬生物體表微結(jié)構(gòu)，在材料表面加工仿生織構(gòu)亦能獲得減黏、減阻、減摩、耐磨甚至是增摩、防污等多種功能，能有效提升材料表面摩擦學(xué)性能[5]。主要減摩機(jī)制為：微織構(gòu)能捕獲磨屑、儲(chǔ)存潤(rùn)滑劑、減小摩擦面積及產(chǎn)生微流體動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)等[6-7]。

基于仿生學(xué)原理，本研究模擬穿山甲鱗片表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并制備多種仿生織構(gòu)表面。通過(guò)摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，探究干摩擦和水潤(rùn)滑狀態(tài)下仿生織構(gòu)對(duì)65Mn 鋼表面摩擦學(xué)性能的影響。為仿生織構(gòu)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的運(yùn)用提供依據(jù)，降低磨損消耗，節(jié)約自然資源。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本研究以65Mn 鋼為實(shí)驗(yàn)基材。采用激光把65Mn 鋼板切割成40 mm×40 mm×8 mm 的規(guī)格，后使用PG-1S 金相式樣磨拋機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行磨拋處理，去除表面缺陷及氧化層。打磨過(guò)程中，分別采用38.0、19.0、12.5、10.0、6.5、5.5、5.0 μm 的SiC 砂紙打磨至出現(xiàn)金屬光澤，后采用金相拋光絨布及W0.5 的金剛石拋光膏將試樣拋光至鏡面，最后用超聲波清洗儀洗凈后油封待用。

1.2 仿生織構(gòu)表面

通過(guò)三維形貌儀掃描提取穿山甲鱗片表面輪廓特征（圖1（a）），提取方式為沿平行線方向掃描垂直與X軸方向的截面曲線輪廓，并讀取點(diǎn)的坐標(biāo)，得到了穿山甲鱗片表面織構(gòu)的寬度D、深度h以及間距L（圖1（b）），其形貌數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

圖1 穿山甲鱗片表面形貌圖

表1 鱗片表面織構(gòu)寬度、深度及間距 單位：μm

對(duì)鱗片數(shù)據(jù)適當(dāng)簡(jiǎn)化并通過(guò)三維軟件進(jìn)行模擬，建立以下3 種仿生織構(gòu)模型，見(jiàn)圖2。仿生織構(gòu)模型為前端收縮后端舒張的漸變溝槽微織構(gòu)，每個(gè)試樣有8 組仿生織構(gòu)前后銜接排列，各試樣的織構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表2。仿生織構(gòu)所包含的參數(shù)有：織構(gòu)前端寬度D1、后端寬度D2、織構(gòu)前端間距L1、后端間距L2及旋轉(zhuǎn)半徑R。采用激光打標(biāo)機(jī)加工仿生織構(gòu)試樣，加工參數(shù)為：速度5 000 mm/s、功率100%、頻率20 kHz、開(kāi)/關(guān)光延時(shí)300μs/100μs、結(jié)束延時(shí)300μs、拐角延時(shí)100 μs、填充方式為回型+Z 型。

圖2 仿生織構(gòu)試樣

表2 仿生織構(gòu)參數(shù)

1.3 摩擦磨損實(shí)驗(yàn)

采用MRTR-1 多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了干摩擦和水潤(rùn)滑條件下的摩擦磨損試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用銷(xiāo)-盤(pán)摩擦副，摩擦方式為回轉(zhuǎn)式（上試樣固定不動(dòng)，下試樣為旋轉(zhuǎn)部件），上試樣為直徑5 mm、高15 mm 的圓柱形GCr15 軸承鋼。

本研究進(jìn)行了2 種工況測(cè)試：（1）干摩擦狀態(tài)下，測(cè)試了有無(wú)織構(gòu)、不同尺寸以及不同旋轉(zhuǎn)半徑等參數(shù)對(duì)照組的摩擦磨損性能。（2）水潤(rùn)滑狀態(tài)下，重復(fù)上述對(duì)照實(shí)驗(yàn)。測(cè)試過(guò)程中用吸管把水添加到銷(xiāo)-盤(pán)摩擦副表面讓接觸點(diǎn)保持浸潤(rùn)狀態(tài)。為減少實(shí)驗(yàn)偶然性，每個(gè)對(duì)照組均進(jìn)行3 次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。設(shè)置固定參數(shù)：轉(zhuǎn)速為150 r/min、載荷為5 N、時(shí)間為120 min，每組實(shí)驗(yàn)均保持不變。每次實(shí)驗(yàn)前后均對(duì)上下試樣進(jìn)行清洗稱(chēng)重記錄，并采用光學(xué)顯微鏡觀察試樣磨損形貌。

2 結(jié)果與分析

圖3 為不同潤(rùn)滑條件下摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線圖。可以看出，不同參數(shù)及條件下試樣的摩擦系數(shù)有顯著差異。干摩擦狀態(tài)下，前期3 種仿生試樣的摩擦系數(shù)緩慢上升，且均低于無(wú)織構(gòu)試樣的摩擦系數(shù)，有一定減摩效果，在趨于穩(wěn)定后并無(wú)明顯減摩效果；而無(wú)織構(gòu)試樣的摩擦系數(shù)在短時(shí)間內(nèi)急劇上升，系數(shù)波動(dòng)較大。如圖5（a）、（b）所示，實(shí)驗(yàn)后無(wú)織構(gòu)試樣表面出現(xiàn)大量長(zhǎng)距離犁溝磨痕，磨損嚴(yán)重，大量磨屑附著于摩擦表面；而實(shí)驗(yàn)后仿生織構(gòu)并未完全磨損失效，且接觸面磨痕較少（圖5（d）），從圖5（c）可以看出，磨屑主要附著于微織構(gòu)凹坑內(nèi)，摩擦副接觸表面只有少量磨屑附著，此外還有大量磨屑堆積于接觸面內(nèi)圈。由此可見(jiàn)，摩擦磨損過(guò)程中織構(gòu)可以起到收集磨粒的作用，能有效降低磨屑對(duì)試樣表面的磨損[8]?？棙?gòu)形貌對(duì)磨屑的存儲(chǔ)能力直接影響織構(gòu)表面的減摩能力，后期摩擦系數(shù)的升高與織構(gòu)內(nèi)磨屑存儲(chǔ)過(guò)多有直接關(guān)系?？棙?gòu)表面改變了界面的連續(xù)性，致使摩擦副無(wú)法形成長(zhǎng)距離連續(xù)劃痕從而抑制摩擦磨損，說(shuō)明摩擦力和摩擦系數(shù)穩(wěn)定性與表面接觸條件有關(guān)[9]。

圖3 干摩擦狀態(tài)下摩擦系數(shù)

圖5 干摩擦試樣表面磨損形貌

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，適當(dāng)?shù)谋砻婵棙?gòu)能有效減低水潤(rùn)滑狀態(tài)下65Mn 鋼的摩擦系數(shù)（圖4）。水潤(rùn)滑狀態(tài)下仿生織構(gòu)試樣12.5-0.4 型和12.5-0.6 型具有良好的減摩效果，相較于無(wú)織構(gòu)試樣，試樣12.5-0.4 型的平均摩擦系數(shù)比無(wú)織構(gòu)平均摩擦系數(shù)降低了37.6%，試樣12.5-0.6 型降低了26.4%，摩擦系數(shù)均比較穩(wěn)定。而試樣7.5-0.6 型摩擦系數(shù)較大，并無(wú)明顯減摩效果，顯然旋轉(zhuǎn)半徑（線速度）是影響織構(gòu)表面水潤(rùn)滑狀態(tài)下摩擦學(xué)性能的重要因素。

圖4 水潤(rùn)滑狀態(tài)下摩擦系數(shù)

圖6 顯示了2 種工況下上試樣的磨損質(zhì)量?？梢钥闯?，干磨狀態(tài)下織構(gòu)試樣12.5-0.4 型、12.5-0.6型磨損質(zhì)量有所下降，具有一定減磨效果。這與上述平均摩擦系數(shù)所反映的結(jié)論一致。相較于干摩擦，12.5-0.4 型及12.5-0.6 型試樣實(shí)驗(yàn)組在水潤(rùn)滑狀態(tài)下，上試樣磨損質(zhì)量大幅降低（圖6），具有良好減磨效果，試樣7.5-0.6 型次之，而無(wú)織構(gòu)試驗(yàn)組減磨效果甚微。說(shuō)明適合的參數(shù)條件下，仿生織構(gòu)表面能促進(jìn)摩擦表面形成穩(wěn)定的潤(rùn)滑水膜，從而分離摩擦表面，改善摩擦性能。在轉(zhuǎn)速150 r/min、載荷5 N 的水潤(rùn)滑條件下，無(wú)織構(gòu)光滑表面難以形成穩(wěn)定的潤(rùn)滑水膜，所以上試樣磨損質(zhì)量最大；試樣7.5-0.6 型表面形成了較穩(wěn)定的潤(rùn)滑水膜，但水膜承載能力不如12.5-0.4 型試樣。說(shuō)明旋轉(zhuǎn)半徑（線速度）是影響織構(gòu)試樣表面潤(rùn)滑水膜承載能力的重要因素。

圖6 上試樣摩擦質(zhì)量

3 結(jié) 語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，摩擦磨損過(guò)程中仿生織構(gòu)可以起到捕獲磨粒的作用，能有效提升材料表面摩擦學(xué)性能。合適的參數(shù)條件下，材料表面織構(gòu)化有益于獲得較為穩(wěn)定的摩擦系數(shù)。

水潤(rùn)滑條件下，仿生織構(gòu)表面能促進(jìn)摩擦表面形成穩(wěn)定的潤(rùn)滑水膜，獲得良好的減摩潤(rùn)滑效果；在轉(zhuǎn)速為150 r/min、載荷為5 N 的工況下，仿生織構(gòu)試樣12.5-0.4 型和12.5-0.6 型具有良好的減摩效果，試樣12.5-0.4 型的平均摩擦系數(shù)降低了37.6%，試樣12.5-0.6 型降低了26.4%。因此，仿生織構(gòu)是提升農(nóng)業(yè)、工業(yè)機(jī)具表面耐磨抗磨性的重要研究方向。