浸植物油激光凹坑填充試件表面的摩擦磨損性能

鄒 翩， 于愛兵， 秦 拓， 李克凡， 王貴林， 吳森凱

(寧波大學(xué)機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院， 浙江 寧波 315211)

0 前 言

表面織構(gòu)能夠用于儲存潤滑油、磨屑和磨粒，可有效改善加工表面的摩擦學(xué)特性，已在工程領(lǐng)域得到應(yīng)用[1]。 將固體潤滑劑材料填充于試件表面凹坑織構(gòu)內(nèi)，織構(gòu)作為固體潤滑劑的容器，能夠發(fā)揮固體潤滑劑的減摩性能，從而進(jìn)一步提高織構(gòu)試件表面的摩擦磨損性能[2，3]。 例如:Wu 等[4]在硬質(zhì)合金凹槽織構(gòu)內(nèi)填充二硫化鉬能夠使織構(gòu)表面摩擦系數(shù)降低20%～25%。Zimmerman 等[5]的研究表明在TiN 表面微坑織構(gòu)內(nèi)填充石墨能顯著提高材料的減摩性能。

聚酰亞胺(PI)是多孔材料，具備自潤滑特性，其內(nèi)部連通的孔隙能夠儲存潤滑油[6]，是典型的固-液復(fù)合潤滑材料[7]。 浦玉萍等[8]通過對聚酰亞胺分別添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的MoS2、Pb 和聚四氟乙烯(PTFE)后進(jìn)行對比，表明發(fā)現(xiàn)PI/5%PTFE 復(fù)合材料的平均孔徑顯著增大。 上述學(xué)者將不同固體自潤滑材料進(jìn)行混合，得到效果較優(yōu)的復(fù)合固體潤滑材料的配比，由于潤滑液的潤滑效果比固體潤滑材料的潤滑效果更好，有學(xué)者考慮進(jìn)一步將潤滑液和固體潤滑材料結(jié)合。 Li 等[9]用造孔劑的孔隙結(jié)構(gòu)存儲潤滑油PAO6，將其填充到PTFE材料中制備出具有固液協(xié)同潤滑作用的摩擦副材料，此材料可實(shí)現(xiàn)超低摩擦。 趙歡等[10]采用熱壓固化工藝將六方氮化硼封裝于巴氏合金銷表面織構(gòu)內(nèi)，在礦物油潤滑條件下，能有效降低摩擦系數(shù)，減小磨損量。 上述工作研究表明，在凹坑內(nèi)填充固體潤滑劑并采用礦物油潤滑或?qū)⒌V物油浸入自潤滑材料中，可以在摩擦過程中進(jìn)一步獲得較小的磨損量和摩擦系數(shù)。

鑒于礦物潤滑油的環(huán)境、毒性以及成本上升問題，植物潤滑油的使用開始被關(guān)注[11]。 植物油具有良好的潤滑性、低揮發(fā)性、高黏度指數(shù)，例如大豆油、菜籽油、葵花籽油、蓖麻油、花生油等，均可作為環(huán)保潤滑油。綜上所述，在凹坑中填充固體潤滑劑并采用礦物油潤滑或?qū)⒌V物油浸入自潤滑材料中，可改善試件表面的摩擦磨損性能，而植物油比礦物油環(huán)保且具有良好的潤滑性，因此，有必要探索植物油對凹坑填充試件的減摩作用，進(jìn)一步研究不同植物油對試件表面摩擦磨損性能的影響。 本工作將PI/5%PTFE 復(fù)合材料填充到45 鋼激光凹坑織構(gòu)中，再將所得的填充試件浸入不同種類的植物油中，分析不同種類植物油對激光凹坑填充試件表面摩擦磨損性能的影響。

1 試 驗(yàn)

1.1 試件制備

45 鋼試件尺寸為35 mm×28 mm×6 mm。 凹坑填充材料選用牌號為YS-20 的PI 模塑粉和牌號為DF-17A的PTFE 粉末。 選用蓖麻油、大豆油、玉米油3 種植物油。

采用YAG-W200B 型激光焊接機(jī)在45 鋼試件表面加工出凹坑織構(gòu)，通過預(yù)試驗(yàn)，選擇凹坑織構(gòu)表面減摩效果最好的一組結(jié)構(gòu)參數(shù)[12]:平均直徑為380.7 μm，平均深度為310.3 μm，平均中心間距為d1＝1 000 μm，d2＝1 242 μm，激光加工的凹坑織構(gòu)如圖1 所示。 激光打孔工藝參數(shù)為:電流220 A，脈寬0.5 ms，離焦量3 mm，單點(diǎn)脈沖。 分別使用粒度為800，1 500，2 000，3 000號金相砂紙對凹坑織構(gòu)試件表面進(jìn)行打磨。 采用KQ-50DB 型超聲波清洗機(jī)對打磨后的凹坑織構(gòu)試件進(jìn)行清洗，清洗液選用75%酒精溶液。

浸油凹坑填充PI/5%PTFE 試件的制備過程分為混粉、填充、燒結(jié)和浸油4 步，如圖2 所示。

圖2 試件的制備過程Fig.2 Preparation process of specimen

首先，將PI 和PTFE 粉末放置于101-00B 型電熱鼓風(fēng)干燥箱進(jìn)行干燥預(yù)處理。 用電子天平按質(zhì)量比95 ∶5稱取干燥后的PI 和PTFE 粉末，并倒入多功能高速攪拌機(jī)，攪拌90 s，冷卻20 min，上述過程重復(fù)8 次獲得PI/5%PTFE 混合粉末。 在凹坑織構(gòu)試件表面涂厚1 mm 的PI/5%PTFE 粉末，放置上下壓板，采用MSY-50型液壓機(jī)對壓板雙向加壓。 將凹坑涂覆試件放入RFX-40型聚四氟乙烯轉(zhuǎn)盤式燒結(jié)爐中，設(shè)定燒結(jié)溫度330 ℃，保溫時(shí)間60 min，燒結(jié)完成后隨爐冷卻至室溫取出，使用粒度為1 500，2 000，3 000 號金相砂紙對燒結(jié)試樣打磨并清洗，最后使用鼓風(fēng)干燥箱在80 ℃下干燥2 h，獲得如圖3 所示凹坑填充試件(簡稱TFS)。 將凹坑填充鋼試件置于分別裝有蓖麻油、大豆油及玉米油的燒杯中，浸漬20 h 后，取出試樣，去除表面浮油，獲得浸蓖麻油凹坑填充試件(簡稱CTFS)、浸大豆油凹坑填充試件(簡稱STFS)、浸玉米油凹坑填充試件(簡稱MTFS)。

1.2 性能表征

植物油的黏度通過GB/T265 型運(yùn)動黏度測定儀測定。 試樣的摩擦學(xué)性能測試在SFT-2M 型球-盤摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，施加載荷為10 N，摩擦半徑4 mm，電機(jī)轉(zhuǎn)速400 r/min，測試時(shí)間為60 min。 對摩副選用直徑為5 mm 的GCr15 軸承鋼對摩球。 在摩擦磨損過程，對摩球與試件表面凹坑的接觸數(shù)量為10 ～11 個(gè)。 每組試驗(yàn)重復(fù)3 次，計(jì)算平均摩擦系數(shù)。 試件表面的微觀形貌通過SU5000 型掃描電鏡(SEM)觀察。 摩擦磨損試驗(yàn)后的浸油凹坑填充試件表面磨痕寬度和深度利用KH-8700 型三維數(shù)字顯微鏡測量，計(jì)算平均磨損體積，公式如下[13]。

其中，V為磨損體積，mm3；h為磨痕深度，mm；b為磨痕寬度，mm；r為磨痕軌道半徑，mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 摩擦系數(shù)

圖4 為凹坑填充試件和3 種浸植物油凹坑填充試件的摩擦系數(shù)對比，凹坑填充試件(TFS)的摩擦系數(shù)在0.480 左右波動較大，浸大豆油凹坑填充試件(STFS)和浸玉米油凹坑填充試件(MTFS)的摩擦系數(shù)波動較小，后期分別穩(wěn)定在0.080 和0.085；浸蓖麻油凹坑填充試件(CTFS)的摩擦系數(shù)逐漸穩(wěn)定在0.042。 CTFS 的平均摩擦系數(shù)最小，STFS、MTFS 次之，TFS 最大。 潤滑油進(jìn)入多孔復(fù)合材料的孔隙中，在摩擦過程中從凹坑織構(gòu)中被擠壓受熱溢出到兩摩擦副之間，形成一層潤滑油膜，減少了兩摩擦副界面間直接接觸，因此與凹坑填充試件相比，浸油凹坑填充試件的摩擦系數(shù)更小。 摩擦系數(shù)越小，表明植物油的潤滑性越好[14]，因此浸蓖麻油凹坑填充試件的減摩效果最好。

圖4 不同凹坑填充試件的摩擦系數(shù)Fig.4 Coefficients of friction of the different texture filled specimens

圖5 為25、40 ℃條件下3 種植物油的黏度，在2 種溫度下，蓖麻油的黏度均高于玉米油和大豆油，黏度越高，油膜厚度和強(qiáng)度越大[15]，有助于摩擦副處于更佳的潤滑狀態(tài)，降低摩擦力[16]，當(dāng)潤滑油從填充凹坑織構(gòu)中被擠壓到兩接觸界面時(shí)，蓖麻油的黏度最高，因此浸蓖麻油凹坑填充試件的摩擦系數(shù)最小。

圖5 植物油的黏度對比Fig.5 Comparison of viscosity of vegetable oils

Wang 等[17]在7 種植物油潤滑條件下，對高溫鎳基合金GH4169 試件表面進(jìn)行微量潤滑研磨試驗(yàn)，研究結(jié)果表明潤滑油的黏度越高，潤滑油分子間膠態(tài)力越大，從而使油膜增厚加強(qiáng)。 高黏度的潤滑油能在摩擦副界面停留更長時(shí)間[18]，而浸大豆油填充試件(STFS)和浸玉米油填充試件(MTFS)表面的油膜較薄，摩擦后期油膜的承載能力和強(qiáng)度低，摩擦副之間摩擦系數(shù)上升，因此浸蓖麻油填充試件(CTFS)的摩擦系數(shù)最穩(wěn)定。

2.2 磨損量

經(jīng)測量計(jì)算得到浸玉米油、浸大豆油、浸蓖麻油凹坑填充試件的表面磨損量分別為1.70，0.68，0.10 mm3，與浸玉米油(MTFS)和浸大豆油(STFS)凹坑填充試件相比，浸蓖麻油凹坑填充試件(CTFS)表面的磨損量分別降低了94.12%，85.29%。 經(jīng)測量計(jì)算得到凹坑填充試件(TFS)表面磨損量為84.8 mm3，凹坑填充試件(TFS)的磨損量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于浸油凹坑填充試件。 潤滑油從填充凹坑織構(gòu)中被擠壓到摩擦副界面，可以減輕基體與對摩球之間的相互作用程度。 此外，植物油的主要成分為丙三醇和脂肪酸，其中脂肪酸分為飽和脂肪酸和不飽和脂肪酸，飽和脂肪酸的潤滑性能優(yōu)于不飽和脂肪酸[19]，但是蓖麻酸在不飽和脂肪酸中較為特殊，只存在于蓖麻油中[20]，且蓖麻油酸屬于單羥基不飽和酸，這種酸的外電子會相互作用而發(fā)生摩擦聚合，進(jìn)而在接觸表面上形成摩擦聚合油膜，起到抗磨的作用，提高油膜承載能力[21]，因此浸蓖麻油凹坑填充試件(CTFS)表面的磨損量更小。

2.3 磨損表面形貌

圖6 為凹坑填充試件和浸玉米油凹坑填充試件的微觀SEM 形貌對比。 圖6a 可觀察到凹坑填充試件(TFS)表面存在剝落和犁溝，磨痕較深，以剝落磨損和磨粒磨損為主要的磨損類型；由圖6b 可知浸玉米油試件(MTFS)表面僅存在較淺的犁溝，磨損表面比較光滑，說明浸玉米油試件(MTFS)表面主要以磨粒磨損為主。 上述試驗(yàn)結(jié)果表明，浸玉米油凹坑填充試件(MTFS)中的潤滑油溢出后，增強(qiáng)了兩摩擦副之間的潤滑，因此與凹坑填充試件(TFS)相比，浸玉米油凹坑填充試件(MTFS)表面的磨損更輕微。

圖6 凹坑填充試件表面微觀形貌Fig.6 Surface microscopic topography of the texture-filled specimen specimens

圖7 為3 種浸油填充試件磨損表面的微觀SEM 形貌。 可觀察到3 種浸植物油填充試件表面沿滑動方向均存在犁溝，說明均以磨粒磨損為主。 由圖7a，7c 可知，浸玉米油填充試件(MTFS)表面的犁溝最深，浸蓖麻油填充試件(CTFS)表面的犁溝最淺。 上述試驗(yàn)結(jié)果表明，在3 類浸植物油凹坑填充試件中， 浸蓖麻油可以顯著改善凹坑填充試件表面的摩擦磨損。 植物油主要成分中飽和脂肪酸的潤滑性能優(yōu)于不飽和脂肪酸，且蓖麻油、大豆油、玉米油中飽和脂肪酸比例分別為52%，15%，13%，蓖麻油的飽和脂肪酸比例高于玉米油和大豆油[20]，飽和脂肪酸能夠通過增強(qiáng)分子之間的作用力在基體表面能形成更致密的保護(hù)膜，減少了對摩球和試件之間的摩擦[22]。 此外，選取的3 種植物油的分子結(jié)構(gòu)中，蓖麻油酸中同時(shí)存在-OH 和-COOH 2 個(gè)極性基團(tuán)，大豆油和玉米油中僅存在1 個(gè)-COOH 極性基團(tuán)[23]，蓖麻油分子間引力增大，在試件表面形成的油膜表現(xiàn)出高強(qiáng)度和耐久性[24]。 因此，相比于浸玉米油凹坑填充試件(MTFS) 和浸大豆油凹坑填充試件(STFS)，浸蓖麻油凹坑填充試件(CTFS)表面的磨損最輕微。

圖7 浸油填充試件表面微觀形貌Fig.7 Surface microscopic topography of the specimens with oil-filled texture

3 結(jié) 論

(1)在45 鋼試件的激光凹坑中填充PI/5%PTFE，并在試件的填充物中浸蓖麻油、大豆油和玉米油。 與凹坑填充試件相比，浸植物油凹坑填充試件的摩擦學(xué)性能更好；與浸玉米油和浸大豆油凹坑填充試件相比，浸蓖麻油凹坑填充試件表面的磨損量分別降低了94.12%、85.29%，且其表面磨損最輕微，呈現(xiàn)出較好的摩擦學(xué)性能。

(2)蓖麻油的黏度高、飽和脂肪酸比例高，可以在試件表面形成較高厚度和強(qiáng)度的油膜，有助于摩擦副處于更佳的潤滑狀態(tài)，降低摩擦力。 此外，蓖麻油酸僅在蓖麻油中存在，屬于單羥基不飽和酸，且同時(shí)存在2個(gè)極性基團(tuán)-OH 和-COOH，油膜抗磨和承載能力更好，因此浸蓖麻油試件的摩擦學(xué)性能更好。