激光表面織構參數對乏油潤滑下鋼球-鋼盤摩擦學性能影響*

劉天霞 李 靖 盧 星 江志波

(1.北方民族大學化學與化學工程學院 寧夏銀川 750021；2.化工技術基礎國家民委重點實驗室(北方民族大學) 寧夏銀川 750021)

表面織構化通常是使用化學或物理的方法在摩擦副表面上制備微/納米結構來實現非光滑表面[1-2]。研究發(fā)現，具有規(guī)則排列的形貌/圖案的非光滑表面會表現出優(yōu)異的摩擦學性能[3-6]。目前，微米或納米尺度的大凹坑、小凹坑、凹槽、凹痕、橢圓形和圓形等表面紋理，已成功用于多種材料表面并取得了良好的減磨效果[7-9]。表面織構已經成為汽車氣缸、機械密封、軸承等領域提升摩擦副減摩抗磨性能和處理松動失效的常用技術[10]。

激光打標已成為制作產品標識的一種常見技術[11]，光纖激光器具有加工精度高、效率高、安全環(huán)保等優(yōu)點，在精細加工方面有著巨大的優(yōu)勢[12]。但實際操作過程中發(fā)現光纖激光打標機在標刻表面微織構時會出現標刻圖形不規(guī)則、標刻不完全等問題，因此本文作者針對表面微織構標刻時所存在的問題進行了探討優(yōu)化。

研究人員探究了不同幾何形狀和不同參數組合的表面紋理在提高摩擦學性能方面的效果[13]。SEID AHMED等[14]利用圓盤球式摩擦試驗機對無紋理和3種有紋理的樣品的摩擦學性能進行了詳細研究。發(fā)現相對于無紋理的表面，有紋理的表面表現出了更低的摩擦因數和更好的耐磨性。WANG等[15]通過正交試驗，探討了不同織構參數對氣缸-活塞環(huán)摩擦副摩擦磨損特性的影響，發(fā)現表面織構是降低氣缸-活塞環(huán)摩擦副摩擦磨損有效途徑。林乃明等[16]采用正交試驗設計方案，研究表面織構的形狀、間距和面積對316L不銹鋼磨損失重的影響。發(fā)現表面織構化的316L不銹鋼試樣的摩擦因數高于表面拋光試樣的摩擦因數，但磨損失重明顯低于表面拋光試樣，表明表面織構化顯著提高了316L不銹鋼的耐磨性。

綜上所述，表面織構在改善接觸界面的摩擦學行為方面起到了積極的作用，表面織構參數對于提高材料表面的摩擦性能至關重要[17]。然而目前國內對三角形織構的研究較少，關于三角形織構參數對摩擦學性能的影響程度和摩擦機制還有待進一步探索。本文作者采用蘇州普拉托激光科技有限公司生產的FB-20光纖激光打標機加工不同參數的三角形織構，設計正交試驗，借助可控氣氛微型摩擦磨損實驗儀研究不同參數的三角形織構的抗磨減摩性能，以獲得三角形織構的最優(yōu)參數，為三角形織構在工程中的應用打下基礎。

1 實驗部分

1.1 實驗設備及材料

光纖激光打標機(FB-20，蘇州普拉托激光科技有限公司生產)；3D激光掃描顯微鏡(VK-X200K/X210，KEYENCE)；微機萬能工具顯微鏡(19JPC-V，上海光學儀器一廠生產)；超聲波清洗機(AS03T，安萊立思儀器科技有限公司生產)；可控氣氛微型摩擦磨損實驗儀(WTM-2E，蘭州中科凱華科技開發(fā)有限公司生產)。

304不銹鋼盤(浩瑞金屬官方直銷店)；砂紙(600-3 000目，昆山鑫博銳五金磨具)。

1.2 激光加工參數對三角形織構形貌的優(yōu)化實驗

加工試樣為直徑2.2 cm、厚度3 mm的304不銹鋼圓盤，實驗開始前將其置于無水乙醇中超聲洗滌10 min，以去除表面污染，放在脫脂棉上自然干燥。

利用光纖激光打標機選擇不同的參數搭配對試樣進行標刻，以線間距、關光延時、開光延時、結束延時、拐角延時5個參數為主，改變參數并觀察分析標刻效果，找到標刻微織構形貌較好的參數組合，去除加工過程中微凹坑周邊的銳邊、毛刺等缺陷。線間距取值0.01～0.20 mm，每次改變0.01 mm，關光延時、開光延時、結束延時、拐角延時分別取值0～300 μs，每次增加10 μs，選擇合適的延時，以其為中心±10 μs再繼續(xù)調整優(yōu)化；再調整其余參數解決光纖激光打標機標刻不全的問題。微織構的填充效果選擇雙向填充，保證效率和效果；先標刻填充線再標刻輪廓線；系統(tǒng)默認參數為功率50%、頻率20 kHz、行走速度1 000 mm/s、開光延時-100 μs、關光延時100 μs、結束延時100 μs、拐角延時100 μs、跳轉速度4 000 mm/s、跳轉位置延時500 μs、跳轉位置延時100 μs、光斑大小0.05 mm，織構尺寸選擇深度42～47 μm、尺寸50 μm、間距150 μm的等腰三角形(底0.25 mm，高0.125 mm)。每次重復三組避免出現偶然誤差。標刻完成后用萬能工具顯微鏡在100倍下觀察分析形貌，再用3 000目砂紙打磨，去除激光標刻產生的鋼盤表面熔融物并再次拍照保存。

1.3 不同參數微織構對摩擦學性能的影響

加工試樣為直徑2.2 cm、厚度3 mm的304不銹鋼圓盤，鋼盤表面用600、800、1 000、1 500、2 000、2 500、3 000目砂紙分梯度逐級打磨，放入裝有無水乙醇的燒杯中超聲清洗15 min，再放在脫脂棉上自然干燥后先稱量。按設計要求標刻加工鋼盤，利用打標機軟件里的繪制、修剪、陣列功能，標刻不同形貌表面微織構，置于自然環(huán)境下冷卻后，依次用600、800、1 000、1 500、2 000、2 500、3 000目砂紙按橫向和縱向交替打磨，再用拋光膏處理鋼盤表面，超聲清洗15 min后晾干并稱量，備用。

Evaluation of the precipitation estimation accuracy of IMERG over mainland China with CGDPA

摩擦實驗在可控氣氛微型摩擦磨損實驗儀上進行，利用鋼球-鋼盤摩擦副，采取正交試驗，對3種織構深度、織構尺寸、織構間距以及不同形貌對摩擦學性能的影響進行了研究?？棙媴嫡辉O計方案如表1所示。鋼球材料為GCr15鋼，尺寸為φ6 mm，實驗條件為載荷8.82 N，速度400 r/min，旋轉半徑2 mm。每個實驗重復3次。實驗前，在鋼盤表面均勻涂抹一層液體石蠟，浸潤鋼盤表面，并除去多余液體石蠟，以模擬乏油潤滑狀態(tài)。實驗結束后立即將鋼盤和鋼球放入丙酮中超聲清洗30 min，去除油漬、磨屑等，晾干后稱量并計算磨損量，并用保鮮膜封存，以防止其表面氧化。

表1 不同織構參數正交設計

1.4 分析方法

在可控氣氛微型摩擦磨損實驗儀上測試各個表面微織構的平均摩擦因數；用微機萬能工具顯微鏡測試表面微織構形貌、磨斑直徑、磨痕；用電子天平稱量記錄磨損量并與計算得到的磨損量進行對比。通過磨斑直徑計算磨損量的公式[18]如下所示：

式中：A為磨損量，g；d為磨斑直徑，mm；R為鋼球半徑，mm：ρ為鋼球密度，g/cm3。

2 結果與討論

2.1 三角形微織構形貌加工的最佳參數組合

選擇不合適的線間距會出現嚴重的重點現象和較差的對稱性；選擇合適的開光延時可以除去開光時產生的重點以及初始段缺筆現象；選擇合適的關光延時可以有效地除去不閉合與重點現象；結束延時過大或過小會導致“重影”，即在不該標刻的地方標刻；對激光痕跡影響最大的是拐角延時，拐角延時過大將會對織構整體標刻痕跡有影響，如激光痕跡暗淡、缺筆嚴重、模糊不清，最后只剩松散點，如圖1(a)所示。

圖1 微織構打磨后形貌

由于激光器以及微織構尺寸的限制，只能使標刻痕跡盡可能地優(yōu)化。依次選取適當參數，通過實驗發(fā)現，修飾加工后效果相對較好的參數是線間距0.01 mm，開光延時-91 μs，關光延時114 μs，結束延時112 μs，拐角延時97 μs。采用該優(yōu)化同參數加工的微織構形貌如圖1(b)所示。通過實驗發(fā)現，5個參數對表面微織構形貌質量影響程度為：拐角延時>開光延時>關光延時>線間距>結束延時。

2.2 在干摩擦和乏油摩擦條件下未織構面與織構面對摩擦性能的影響

HUANG等[19]的研究表明，在乏油、低速輕載(400 r/min、8.82 N)條件下，更能體現表面微織構容納磨屑和儲存潤滑油的作用。文中在該條件下通過實驗對比研究了深度為42～47 μm、尺寸為50 μm、間距為150 μm的三角形矩陣織構與未織構表面對摩擦性能的影響，結果如圖2和圖3所示。比較無織構表面添加潤滑劑和未添加潤滑劑2種情況下的摩擦因數，可以看出潤滑劑對光滑表面有一定的減摩效果。無任何潤滑劑時，摩擦劇烈，且整個實驗過程產生的噪聲較大。添加液體石蠟后，前15 min摩擦因數比無潤滑劑時顯著降低，曲線整體平緩上升；15 min后，隨著磨屑的增多以及潤滑劑的消耗，摩擦因數激增，與無潤滑劑時摩擦因數相似，達到高位后逐漸平穩(wěn)，平穩(wěn)后的摩擦因數甚至比干摩擦時高。但乏油摩擦比干摩擦的平均磨斑直徑減小約16.8%，如圖3(a)、(b)所示。

圖2 干摩擦和乏油潤滑條件下無織構 面與織構面摩擦因數變化曲線

圖3 干摩擦及乏油潤滑擦條件下織構面和未織構面磨斑直徑

比較圖3中織構面在干摩擦和乏油條件下的摩擦因數，可以看出在干摩擦條件下，織構面實驗前期的摩擦因數相對于未織構面平穩(wěn)，在0.5左右波動；當添加液體石蠟后，織構面平均摩擦因數僅為0.128，且磨損量大大減小，如圖3(d)所示。由此可見，表面微織構具有一定的儲油能力，在潤滑劑存在的情況下，表面微織構的減摩抗磨效果更明顯。

2.3 乏油潤滑條件下不同形貌微織構對摩擦學性能的影響

為探討織構形貌對摩擦學性能的影響，研究了加工參數均為深度42～47 μm、尺寸50 μm、間距150 μm的橢圓形、六邊形和三角形微織構在乏油、低速輕載(400 r/min、8.82 N)條件下摩擦性能。3種織構摩擦因數隨時間變化曲線如圖4所示?？梢?，相對于橢圓形和六邊形微織構，三角形微織構的摩擦因數最低，在整個實驗過程中都表現出較為穩(wěn)定的趨勢，減摩效果最好。如圖5所示，橢圓形微織構和六邊形微織構的平均磨斑直徑分別為0.378和0.397 mm，三角形微織構的平均磨斑直徑僅為0.282 mm，相對于橢圓形微織構和六邊形微織構的平均磨斑直徑分別減少34%和40.8%?？梢娢⒖棙嫷男蚊矊ζ淠Σ烈驍岛湍p量的影響較大，3種形貌中三角形織構減摩抗磨效果最好。

圖4 乏油潤滑條件下不同形貌微織構摩擦因數變化

2.4 不同微織構參數對摩擦學性能的影響

圖6展示了不同參數的三角形織構在乏油潤滑條件下的摩擦因數曲線。圖中標注的1-9分別對應表1中正交試驗的1-9，表示三角形織構的具體參數。從圖中可以看出，所有試件的摩擦因數均呈現先減后增的趨勢，最終趨于穩(wěn)定，且大部分處于0.1～0.15之間。不同參數的9種織構的摩擦因數分別穩(wěn)定在0.113、0.108、0.121、0.113、0.132、0.14、0.124、0.135、0.141，其中在織構深度為18～23 μm條件下，摩擦因數最低且穩(wěn)定。

圖6 不同參數的三角形織構的摩擦因數曲線

圖7所示為摩擦因數與磨損量隨織構參數的變化。由圖7(a)、(d)可知，隨著織構深度的增加，其平均摩擦因數和磨損量呈現出增大的趨勢。分析其原因是在乏油潤滑時凹坑底部油層會存在回流，回流的產生將會減少從凹坑內部進入到收斂間隙的潤滑油，使得楔形效應減弱，升力變?。豢棙嬌疃仍絹碓酱?，導致潤滑油產生的摩擦升力越小，使得平均摩擦因數和磨損量隨之增大。

由圖7(b)可知，平均摩擦因數隨著織構尺寸的增大而增大。其原因可能是隨著織構尺寸的增加，微織構內部所存儲的潤滑劑會越來越多，使得油膜的動壓效應相對提高，油膜的承載能力和最大壓力也會隨之增大，摩擦因數降低。但隨著織構尺寸的不斷增加，微織構內潤滑油體積增長速率會快于微織構出口面積增加速率，導致堆積在微織構內部的潤滑油產生反向渦流現象，對油膜的潤滑性能起到消極作用，所以微織構的尺寸越大時，其潤滑性能就會越差，因而磨損量增大，如圖7(e)所示。圖7(e)中，在微織構尺寸為150 μm時，磨損量相對較小。這可能是由于當微織構尺寸為150 μm時，摩擦副動壓效果比較好，在承載力相同情況下，油膜厚度值相對較大，能有效避免粗糙峰接觸，進而磨損區(qū)域減小，磨損量降低。

由圖7(c)、(f)可知，平均摩擦因數和磨損量隨著織構間距的增大，呈現出減小的趨勢。這是因為在激光加工過程中存在著一定的誤差，在微織構的邊緣會形成幾微米的毛刺，當微織構間距過小時，會使單位面積上的微小毛刺增多，嚴重影響304不銹鋼材料的表面粗糙度和流體動壓潤滑效果的形成；在兩者綜合的作用下，最終導致表面的摩擦因數和磨損量升高；隨著微織構間距的增大表面毛刺的影響逐漸減小，同時微織構的作用漸漸顯現，產生了明顯的流體動壓潤滑效果，摩擦因數和磨損量也得到了有效的降低。說明合適的微織構面積率可以提高304不銹鋼材料的減摩抗磨性能。

2.5 不同織構參數的摩擦因數及磨損量的方差分析

對平均摩擦因數以及磨損量的實驗結果進行方差分析，結果如表2、3所示。將表2中的平均摩擦因數的F值與F值分布表[20]中的值進行比較，可以發(fā)現深度、尺寸、間距在α=0.05上顯著，且各因素對平均摩擦因數的顯著性先后順序為深度>尺寸>間距。分析表3中的磨損量，可以發(fā)現深度在α=0.05上顯著，尺寸、間距不顯著；各因素對磨損量的顯著性先后順序為深度>間距>尺寸。

表2 摩擦因數方差分析

表3 磨損量方差分析

2.6 機制分析

圖8所示為乏油條件下，表面織構化試樣和304不銹鋼基材與GCr15鋼球對摩后的磨痕形貌。圖8(a)所示為304不銹鋼基材的磨痕形貌，其磨痕寬度為0.828 mm，磨痕表面出現了明顯的開裂和分層現象。圖8(b)、(c)和(d)所示分別是織構加工參數為42～47 μm、尺寸50 μm、間距150 μm的六邊形、橢圓形和三角形織構試樣的磨痕形貌，其磨痕寬度分別是0.441、0.272和0.049 mm，相對于未織構面的磨痕寬度分別減少了46.7%、67.1%和94%，且表面相對光滑未出現磨損特別嚴重的現象。可見，相對于未織構面，織構面的抗磨效果大大提升，其中三角形未織構的抗磨效果最好。 相比于未織構的表面，有織構表面經過強化處理后，其硬度、耐磨性、耐腐蝕性及高溫性能均可獲得較大的提高，因此具有很好的抗疲勞性能，抗磨效果大大提高。表面織構化可以減小摩擦副之間接觸面積，減小了摩擦副間的直接接觸，摩擦副在相對滑動過程中會有磨屑產生，微織構的存在可以容納磨粒，減弱“三體磨損”的發(fā)生和黏著摩擦，起到減摩抗磨作用。

圖8 乏油潤滑下未織構和不同形貌微織構試樣磨痕形貌

乏油條件下，織構可作為儲油結構，在摩擦副相對運動時提供已儲存的潤滑油來改善潤滑狀態(tài)；織構表面織構化可以改變摩擦副之間的接觸狀態(tài)以及潤滑狀態(tài)，提高摩擦副的減摩抗磨能力[21]。因此，織構除了能減少接觸面積和儲存磨屑外，還可作為一個微小的儲油池，在摩擦副對摩時提供“二次潤滑”，使其形成連續(xù)的潤滑膜；此外表面微織構的存在可以增大潤滑面積區(qū)域，從邊界潤滑過渡到混合潤滑，有利于減摩抗磨?？梢姡τ蜐櫥c干摩擦不一樣，其減摩機制并不是單一作用，而是由多種因素共同作用的結果。

3 結論

(1)當光纖激光打標機織構參數為線間距0.01 mm，開光延時-91 μs，關光延時114 μs，結束延時112 μs，拐角延時97 μs時，加工的304不銹鋼盤三角形微織構的形貌質量比默認參數時高。

(2)三角形微織構的加工參數對表面微織構形貌質量影響程度的先后順序為：拐角延時>開光延時>關光延時>線間距>結束延時。

(3)各織構因素對平均摩擦因數的影響程度和影響顯著性先后順序為深度>尺寸>間距，對磨損量影響程度和影響顯著性的先后順序為深度>間距>尺寸。

(4)橢圓形、六邊形和三角形微織構3種織構中，3種形貌中三角形織構減摩抗磨效果最好。三角形微織構的平均摩擦因數和磨損量最小的組合為深度18～23 μm，尺寸50 μm，間距150 μm。

(5)表面微織構減摩機制不是單一因素作用，是多個機制共同作用的結果。