激冷合金鑄鐵微織構表面摩擦磨損試驗研究

摘 要：采用激光織構技術在激冷合金鑄鐵表面制出不同尺寸溝槽形織構，開展摩擦磨損試驗，研究織構間距和織構寬度對摩擦系數(shù)和磨損量的影響。結果發(fā)現(xiàn)，當織構間距和寬度均為100μm時，試樣與對磨球間平均摩擦系數(shù)值為0.1885，試樣磨損量為17.1mg，與無織構時相比顯著降低。研究表明溝槽形微織構可有效提升激冷合金鑄鐵表面的耐磨性。

關鍵詞：激冷合金鑄鐵 溝槽形微織構 摩擦磨損

0 引言

激冷合金鑄鐵廣泛用于制造需要耐磨和耐沖擊的零件，如汽車發(fā)動機曲軸和凸輪軸、軋鋼機軋輥及磨粉機磨輥等[1-2]，雖然該材料硬度高耐磨性好，但在實際使用過程中仍不可避免由于磨損而失效，從而對相關設備的性能產生不良影響。研究人員主要從潤滑技術和表面工程技術著手提升零件的摩擦學性能。潤滑技術利用各種潤滑劑來優(yōu)化機械部件的運作，有效降低摩擦阻力并減少磨損，延長使用壽命，提高整體機械性能[3]。表面工程技術通過對材料工作表面進行預處理、涂層和熱處理等，改善固體材料表面的形態(tài)、化學成分、微觀結構和應力狀態(tài)，旨在達到預定的表面性能，以適應不同的工作條件和要求[4]。近年來，表面微織構因其優(yōu)異的減摩性能，已成為國內外學者的重點研究對象，通過在材料表面制造預定的圖案或結構，可有效改善材料的表面性能[5]。因此，開展仿生織構形貌參數(shù)對激冷合金鑄鐵摩擦和磨損特性的研究，對提高其應用表面耐磨性具有重要的現(xiàn)實意義。

微織構技術通過在材料表面上創(chuàng)建微小的凹凸或圖案，以此來改變兩個接觸表面之間的摩擦行為[6]。紀敬虎等人[7]使用激光在45鋼表面制造了V形凹槽織構并開展摩擦試驗，在油潤滑條件下，表面織構顯著降低了摩擦系數(shù)。尤其是在低載荷和較高轉速的工作環(huán)境中，摩擦系數(shù)最多減少了64%。此外，隨著凹槽深度和邊長的增加，平均摩擦系數(shù)也逐漸降低。劉成龍等[8]在潤滑軌道上使用飛秒激光加工出梳齒狀織構，使?jié)櫥湍軌蚨ㄏ蛞苿樱c普通表面相比，這種織構使摩擦系數(shù)減少了約30%。Chen等[9]結合超精密車床切削技術和飛秒激光技術，在刀具表面制備了仿豬籠草結構，這種獨特的結構能夠將切削液定向輸送至切削區(qū)域，使磨損量相比未處理的表面降低了85%以上。為探究凹坑織構的內部減摩機制，GREINER等[10]從斷裂力學的角度出發(fā)，研究黃銅表面上凹坑深度和直徑對其摩擦學性能的影響，揭示了凹坑結構的幾何特性如何影響材料的摩擦行為和耐久性。閆彩等人[11]通過分析微凹坑密度對缸套摩擦潤滑性能的影響，揭示了面積占有率與摩擦學性能之間的重要關系，并指出凹坑面積占有率控制在5%到20%之間時，可以有效改善摩擦學性能。另外，其他研究者也提到通過合理設計凹坑的面積占有率和分布，可最大化地發(fā)揮凹坑織構的減摩和抗磨損功能[12-14]。

通過以上分析可知，根據(jù)特定應用和工作條件，精確控制微織構的參數(shù)，可以實現(xiàn)特定的摩擦行為，滿足不同應用的需求。然而，利用微織構技術對激冷合金鑄鐵表面進行改性的方法尚未得到廣泛應用，缺乏織構形貌參數(shù)對其表面摩擦磨損特性的研究。鑒于此，本文將通過激光織構技術在激冷合金鑄鐵表面加工具有不同寬度和間距的溝槽形微織構，并通過開展摩擦磨損試驗，對激冷合金鑄鐵微織構表面摩擦磨損進行試驗研究。

1 激冷合金鑄鐵微織構表面摩擦磨損試驗設計

1.1 摩擦磨損試樣制備

通過開展激冷合金鑄鐵表面激光織構加工預試驗，當激光功率為7W、激光頻率為35kHz、掃描次數(shù)為10次、掃描速度為500mm/s時表面織構質量最為良好。采用以上參數(shù)在激冷合金鑄鐵樣塊上制備出織構寬度分別為50μm、100μm、150μm，織構間距分別為70μm、100μm、150μm的9組織構尺寸組合。圖1為溝槽織構表面的3D輪廓圖和放大160倍的實物圖。

1.2 設備選擇

1.2.1 摩擦磨損試驗機

試驗采用MDW-02高速往復式摩擦磨損試驗機（圖2），試驗基體材料為激冷合金鑄鐵。為縮短摩擦磨損試驗時間、降低試驗難度，結合激冷合金鑄鐵零件實際應用時的接觸情況，本試驗采用氮化硅小球作為對磨件，以有效反映真實接觸情況，且使摩擦磨損特性分析結果具有參考價值。試驗設置為：使用直徑為5mm的碳化硅小球作為對磨件，試驗力設置為20N，頻率為2Hz（速度為24mm/s），往復行程為6mm，每組試驗時間為60min。

1.2.2 稱重

摩擦磨損試驗前后對試樣及對磨球分別進行20分鐘超聲波清洗，使用花潮高科HC萬分位分析天平對試樣及對磨球進行稱重，每個樣品稱重三次并記錄平均值，以磨損失重對織構耐磨性進行分析。

1.3 摩擦磨損試驗設計方案

試驗采用單因素分析法，為保證試驗數(shù)據(jù)準確可靠，在相同條件下將所有織構試樣一次全部制備。摩擦磨損試驗方案見表1。

2 試驗結果分析

2.1 試驗數(shù)據(jù)處理

試驗過程中摩擦系數(shù)的采樣為每秒一次，導致摩擦系數(shù)數(shù)據(jù)較為冗雜，給數(shù)據(jù)處理帶來影響，所以采用Savitzky-Golay數(shù)據(jù)平滑方法處理。該方法基于最小二乘擬合的原理，通過將數(shù)據(jù)點的子集擬合到一個多項式上，來計算中心點的平滑值，從而保留數(shù)據(jù)重要特征。

2.2 織構尺寸參數(shù)對摩擦系數(shù)的影響

在織構寬度為50μm時，對應織構間距分別為70μm、100μm、150μm以及無織構時摩擦系數(shù)變化情況見圖3?？芍棙嬮g距分別為70μm和150μm時摩擦系數(shù)值相比無織構時較小，而織構間距為100μm時摩擦系數(shù)值較高。當織構間距為70μm時，在相同試驗摩擦行程內相比其余間距有更多條織構，從而減摩效果明顯。當織構間距為100μm時由于織構微凸體與對磨球作用增強，導致微切削阻力增大，超過了表面織構減摩效果的積極作用，導致此時摩擦系數(shù)相較于無織構時略大。在試驗剛開始的500s內織構表面摩擦系數(shù)值均比無織構低，這是由于脫落的磨粒碎屑會被織構溝槽捕捉，有效避免磨粒摩擦。

織構寬度為100μm時，對應織構間距分別為70μm、100μm、150μm以及無織構時摩擦系數(shù)變化情況如圖4所示。不同織構間距下的織構表面所的摩擦系數(shù)均低于無織構表面，歸因于織構寬度較大情況下，磨擦過程中會較好分散接觸載荷，促使局部接觸應力降低，從而提升減摩效果。另外，可明顯看出間距為100μm時摩擦系數(shù)相較于其他間距最小，說明織構寬度和間距均為100μm時織構的減摩效果最為明顯。

織構寬度在150μm時，對應織構間距分別為70μm、100μm、150μm以及在無織構時的摩擦系數(shù)變化情況如圖5所示。同樣，在此織構寬度下，不同織構間距表面摩擦系數(shù)值均低于無織構表面，說明織構寬度分散接觸載荷的作用依然存在。另外可以發(fā)現(xiàn)的是，織構間距為100μm和150μm時的摩擦系數(shù)數(shù)據(jù)以及規(guī)律相差不大，且相較于織構間距為70μm時的摩擦系數(shù)低，這是由于較大織構寬度在對磨過程中可以更多的收集所產生的碎屑，防止其起到增摩作用，從而降低了摩擦系數(shù)。

9種織構和無織構試樣表面的平均摩擦系數(shù)如圖6所示，大部分微織構表面均有明顯降低摩擦系數(shù)的效果，相較于織構寬度為50μm和100μm的情況，織構寬度為150μm時平均摩擦系數(shù)較低，且遠低于無織構時的平均摩擦系數(shù)，其中織構間距及寬度均為100μm時平均摩擦系數(shù)最低，為0.1885，這說明表面微織構的存在可降低摩擦系數(shù)，且織構寬度越大減摩效果越明顯，主要由于織構寬度越大織構所占面積越大，捕獲磨粒及減少接觸面積效果越明顯，從而使表面耐磨質量有所提升。然而，織構寬度為50μm時的平均摩擦系數(shù)沒有太大優(yōu)勢，由于此時織構寬度以及深度都較小，嚴重影響織構捕獲磨粒的能力，導致減摩效果并不明顯。

2.3 織構尺寸參數(shù)對磨損失重的影響

不同織構尺寸參數(shù)下試樣平均磨損量如圖7所示。無織構時磨損量為19mg，除織構寬度和間距均為50μm時磨損量多于無織構外，其他織構尺寸參數(shù)都有減少磨損的作用，其中織構寬度和間距均為100μm時，試樣磨損量最少，為17.1mg，相比無織構時磨損減少10%。這種現(xiàn)象可理解為：使用激光對表面進行改性，在激光加工區(qū)域的化學成分和微觀結構發(fā)生改變，會對織構表面產生硬化效果，以及摩擦過程中起到儲存磨屑作用，從而減少磨損量。而織構寬度為50μm、織構間距100μm時，織構密度不合理等因素導致磨損量相比無織構時增多。通過分析可知，當織構寬度和間距均為100μm時織構的耐磨性最好。

3 結論

基于對激冷合金鑄鐵表面不同微織構尺寸參數(shù)表面的摩擦磨損試驗結果分析，相比于無織構表面，合理尺寸參數(shù)的表面微織構可發(fā)揮較好的減摩耐磨作用，在織構寬度和間距均為100μm時可獲得最佳的改性效果。該研究為采用激冷合金鑄鐵材料的工業(yè)應用（如汽車行業(yè)、冶金礦山、面粉加工等）進行耐磨技術研究提供指導，對于提高工業(yè)產品的性能和使用壽命具有重要意義。

基金項目：2022年河南省重點研發(fā)與推廣專項項目（222102110392）；2023年河南省高等學校重點科研項目（23A460024）；2024年鄭州科技學院教學改革項目（2024JGYB03）；2024年鄭州科技學院教學改革項目（2024JGQN09）；2023年度許昌市重點研發(fā)與推廣專項項目（20230211013）。

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