吳 澤 鄧建新 宋文龍 張 輝 陳 振

(山東大學機械工程學院，山東濟南 250061)

隨著科學技術的發(fā)展，高性能機械產(chǎn)品的設計與制造對摩擦零部件的摩擦磨損特性提出了更高的要求。提高零件加工精度和使用潤滑劑是改善摩擦副表面摩擦磨損特性的傳統(tǒng)基本途徑。近年來摩擦學領域出現(xiàn)了表面微細規(guī)則造型的潤滑理論，但其相關報道大都局限在機械零部件等金屬基表面微細規(guī)則造型的潤滑研究［9-11］，對于硬質(zhì)合金、陶瓷等超硬材料的相關研究報道很少。

本文選用硬質(zhì)合金YG6為基體，在其表面加工微孔并裝填潤滑劑MoS2制備試樣，通過摩擦試驗研究其摩擦磨損性能，優(yōu)化微孔結(jié)構(gòu)參數(shù)，并探討其在摩擦過程中的減摩潤滑機理。

1 實驗部分

1.1 微孔表面制備

選用硬質(zhì)合金YG6為基體，使用DZW-10電火花微細孔加工機床在其表面加工圓形微孔。通過加工用電極、加工電規(guī)準參數(shù)、加工進給量的選擇設定來控制微孔的大小和深度。本實驗電火花加工選擇紫銅電極，設定加工電壓為125 V、電容為10 nF的電參數(shù)，通過選用不同直徑的電極加工出直徑為φ0.2～0.5 mm不等的微孔，控制加工進給量，得到孔深為0.2～0.8 mm不等的微孔(同一試樣小孔的直徑和深度一致)，微孔形貌(孔徑為φ0.3 mm，孔深為0.8 mm)如圖1所示。通過自制的專用工具把MoS2固體潤滑劑粉體裝填到微孔里面，壓實以排盡孔洞里的空氣。

1.2 摩擦試驗

在UMT球-盤式摩擦試驗機上測試存儲固體潤滑劑的微孔表面摩擦磨損性能，對偶件采用直徑為4 mm的WC球，硬度為92 HRC，硬質(zhì)合金YG6基體為16 mm×16 mm×4.5 mm的試樣，硬度為89 HRC。硬質(zhì)合金YG6試樣固定在摩擦盤上不動，WC球垂直加載作用于下方的YG6試樣，并作往復直線運動，試驗時間為5 min。測試摩擦副在不同載荷和相對滑動速度條件下的摩擦系數(shù)，試樣接觸表面的磨痕截面為圓弧形，表面形貌近似為矩形，通過讀數(shù)顯微鏡測定磨痕寬度以計算磨損量。結(jié)合SEM掃描圖片及EDX能譜分析結(jié)果闡述微孔試樣潤滑及磨損機理。通過不同微孔結(jié)構(gòu)參數(shù)試樣的試驗測試，設計優(yōu)化微孔的尺寸及排列，以改善微孔表面摩擦磨損性能。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 摩擦學性能

圖2、圖3為YG6光滑表面與YG6微孔潤滑表面摩擦特性隨相對滑動速度和載荷的變化曲線，其中微孔直徑為0.4 mm，孔中心距為1 mm，深度為0.8 mm。從圖2相對滑動速度對摩擦性能的影響曲線可見，裝填固體潤滑劑的微孔基體摩擦系數(shù)(每次試驗摩擦系數(shù)的平均值，下同)明顯比光滑表面的小。在2 mm/s的速度時，微孔表面的平均摩擦系數(shù)只有約0.04左右，而光滑表面的摩擦系數(shù)為0.24；在速度由10 mm/s時，微孔表面平均摩擦系數(shù)為0.13，仍比光滑表面(摩擦系數(shù)為0.25)減小50%。微孔試樣在低速時摩擦系數(shù)極小，磨損也較少，而當滑動速度大于7 mm/s時，磨擦系數(shù)急劇增大，同時磨損加劇。分析認為由于微孔的存在導致基體機械強度有所降低，隨著相對滑動速度的增加，即單位時間內(nèi)表面摩擦次數(shù)增加，表面磨損加劇，導致摩擦系數(shù)增大。

圖3為相對滑動速度為5 mm/s時載荷對摩擦性能的影響曲線。可見，微孔潤滑試樣的摩擦系數(shù)小于光滑表面，且在較小載荷的情況下(小于50 N)，微孔潤滑能夠保持摩擦副之間極低的摩擦系數(shù)和良好的潤滑性；隨著載荷增大(大于50 N)微孔結(jié)構(gòu)與WC球摩擦副間的摩擦系數(shù)急劇增大，且磨損加劇，潤滑效果下降。根據(jù)對微彈流潤滑特征分析發(fā)現(xiàn)［13］，在一定的相對滑動條件下，隨著載荷的增大，真實接觸面(非微孔區(qū)域)與塑性接觸面(微孔區(qū)域)之間的高度差變小，有利于潤滑劑的析出，故隨著載荷的增大，摩擦系數(shù)有減小的趨勢(載荷從10 N增大到30 N，摩擦系數(shù)由0.07減小到0.04)；但當載荷超過微孔表面的承受能力范圍以后，磨損加劇，導致摩擦系數(shù)急劇增大。

2.2 微孔結(jié)構(gòu)試驗優(yōu)化

微孔的存在可以儲存潤滑劑，包納磨屑，但同時也會降低基體的強度，增加磨損，故需合理設計摩擦表面的微孔的尺寸和排列結(jié)構(gòu)，兼顧基體的潤滑與耐磨性能。以下測試了不同微孔結(jié)構(gòu)尺寸試樣的摩擦磨損性能。摩擦試驗條件為載荷30 N，相對滑動速度7 mm/s。

圖4為孔中心距1 mm、孔深0.8 mm情況下孔徑對微孔表面摩擦磨損特性影響曲線?？梢?，在本試驗條件下，在孔中心距一定的情況下，隨著孔徑的增大，摩擦系數(shù)逐漸減小，而磨損量則先減小再增大。分析原因如下：孔徑適當增大，單位接觸區(qū)域上的固體潤滑劑增多，潤滑效果增強，摩擦系數(shù)減小，改善基體抗磨性能，減少基體磨損；孔徑過大時，孔壁厚度變薄，基體強度降低，耐磨性降低，磨損量增大。

圖5為孔徑0.4 mm、孔深0.8 mm時孔中心距對微孔表面摩擦磨損特性影響曲線。可見，在孔徑一定的情況下，隨著孔中心距的增大，摩擦系數(shù)逐漸變大，而磨損體積則有減小的趨勢。光滑表面磨損量為2.81×10-4mm3，而孔中心距離0.5 mm的微孔表面的磨損量達到10.7×10-4mm3，磨損量增大近3倍；在孔間距較大時，微孔表面磨損量相對光滑表面要小。

圖6為孔徑0.4 mm、孔中心距1 mm情況下孔深對微孔表面摩擦磨損特性影響的曲線。可見，在摩擦面微孔的其它結(jié)構(gòu)參數(shù)一定的情況下，隨著孔深度的增加，摩擦系數(shù)略有減小，但磨損體積呈增大趨勢?？傮w來看，在試驗范圍內(nèi)，微孔深度變化對微孔表面摩擦磨損特性影響不是很明顯，主要影響潤滑作用時間。

表1 試驗優(yōu)化的表面微孔結(jié)構(gòu)參數(shù)及對應試樣摩擦特性(載荷30 N，速度7 mm/s)

由以上試驗觀測可知：孔徑0.4 mm，孔間距1.0 mm左右，孔深0.6～0.8 mm時，微孔表面具有最佳的潤滑和抗磨效果。此時孔徑與孔中心距之比為0.4，孔徑與孔深之比為0.5～0.7，按此比例結(jié)構(gòu)分別加工孔徑為0.2 mm、0.3mm、0.4mm和0.5 mm的微孔表面試樣，摩擦試驗均顯示較好的潤滑抗磨效果，如表1所示(D表示孔中心距，H表示孔深)。

2.3 潤滑機理分析

圖7、圖8給出了YG6光滑表面、微孔表面同WC球?qū)δr的磨損表面形貌SEM照片和能譜EDX分析圖。由圖7可見，光滑表面磨損嚴重，在磨痕處有明顯的劃痕和犁溝；而圖8a、b顯示微孔表面磨痕區(qū)域磨損輕微，且磨損表面附有大量的片狀粘附物。從能譜分析照片(圖8c、d)可見大量S元素和Mo元素，分析粘附物為固體潤滑劑MoS2。分析原因為：在相對摩擦過程中，MoS2固體潤滑劑受摩擦和擠壓作用從微孔中析出，并在摩擦副表面粘著、拖覆，在摩擦過程中潤滑劑固然要脫落，但在不斷的摩擦和擠壓作用下固體潤滑劑從微孔中不斷析出，形成一層動態(tài)固體潤滑膜，減小摩擦副之間的摩擦系數(shù)。摩擦過程中微孔同時能夠存儲磨屑，減少犁溝作用，改善表面摩擦磨損特性。

試驗研究顯示在光滑表面加工微孔并裝填固體潤滑劑能夠明顯改變其摩擦磨損性能，但摩擦表面摩擦磨損性能的提高與加工孔的結(jié)構(gòu)參數(shù)密切相關。因此在實際的微孔結(jié)構(gòu)表面的潤滑減磨應用時，應綜合考慮摩擦副材料性質(zhì)、潤滑要求等，設計加工合理的表面微孔結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)語

(1)微孔潤滑在適當載荷或相對滑動速度下可保持極小的摩擦系數(shù)，良好的減摩潤滑性能，但當載荷或相對滑動速度超過基體承受范圍時，由于微孔對基體機械強度的影響，導致基體的耐磨性有所降低，磨損量和磨擦系數(shù)急劇增大。因此應兼顧微孔表面的減摩潤滑作用和基體的物理機械性能之間的平衡，針對不同的工況條件設計不同結(jié)構(gòu)、尺寸的微孔表面達到最佳減摩耐磨性能。

(2)在本試驗條件下，孔徑與孔中心距之比為0.4左右，孔徑與孔深之比為0.5～0.7時微孔表面具有最佳的潤滑和抗磨效果，如孔徑為0.4 mm的微孔，孔中心距為1 mm，孔深為0.6～0.8 mm時具有優(yōu)良的潤滑特性及抗磨損性能。

(3)在微孔潤滑表面的相對摩擦過程中，存儲于微孔中的固體潤滑劑受到相對摩擦和擠壓作用而粘著、拖覆在摩擦副表面，并在基體表面形成一層潤滑膜，參與到摩擦副接觸區(qū)域，從而改善摩擦表面的磨損工況，減小摩擦副之間的摩擦系數(shù)。隨著摩擦的進行，表面微孔作為存儲器源源不斷提供潤滑劑，因而微孔潤滑在微孔完全磨損之前的整個生命周期內(nèi)始終具有自潤滑效果。

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