華?？?，劉 明，杜志華，吳錦泉，符永宏

(江蘇大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013)

激光表面織構(gòu)技術(shù)(laser surface texturing，LST)［1］以其加工速度快，對環(huán)境無污染以及優(yōu)良的表面織構(gòu)控制能力等優(yōu)點而倍受青睞.目前的研究主要集中在織構(gòu)化表面的流體介質(zhì)潤滑方面［2］，而對其固體潤滑的研究起步較晚.在許多特殊工況(如高溫、重載、真空等)場合，固體潤滑具有不可替代的作用.A.A.Voevodin等［3］的滑動試驗表明:涂覆有功能梯度Ti-TiC-TiC/類金剛石涂層表現(xiàn)出對環(huán)境的自適應(yīng)性，相比沒有經(jīng)過激光微造型的涂層，其潤滑膜耐用度提高了至少一個數(shù)量級.U.Pettersson等［4］研究表明:摩擦副表面存在優(yōu)化匹配的表面微觀結(jié)構(gòu).P.Basnyat等［5］在硬質(zhì)TiALCN涂層上進行離子反應(yīng)刻蝕微腔造型，并通過磁控濺射將MoS2或Mo/MoS2/Ag自潤滑材料沉積到微造型表面，取得很好的減摩效果.J.H.Zimmerman等［6］通過在涂層制備中去除TiN涂層上的預(yù)留噴射顆粒，以形成隨機孔隙，再壓入石墨顆粒，以實現(xiàn)硬質(zhì)涂層的潤滑減摩.T.Sugihara等［7］研究了具有微納造型結(jié)構(gòu)的刀具粘著磨損機制.

在國內(nèi)，楊卓娟等［8］開展了干摩擦條件下激光仿生非光滑表面的高溫摩擦磨損特性研究.宋文龍等［9］采用電火花技術(shù)對刀具的前刀面月牙洼區(qū)域進行微池造型，并在微池中填充MoS2來改善干切削中摩擦磨損性能.J.L.Li［10］通過在激光織構(gòu)表面涂覆MoS2粉末，達到較好的固體潤滑效果.胡天昌等［11］將激光表面織構(gòu)化與MoS2固體潤滑劑相結(jié)合，采用普通擦涂法在45#鋼表面制備了復(fù)合潤滑結(jié)構(gòu)，研究表明:表面織構(gòu)與固體潤滑劑相結(jié)合能極大地改善其在干摩擦條件下的摩擦性能.

本研究利用自主研制的激光微織構(gòu)設(shè)備，在經(jīng)淬火后的45#鋼試樣表面加工出面積占有率不等的微凹坑.為提高潤滑劑的充填效果，采用模壓法向微凹坑中壓填粉末狀MoS2，通過UMT-2型摩擦磨損試驗機研究面積占有率、載荷對磨痕寬度和摩擦系數(shù)的影響，并進行相應(yīng)的潤滑減摩機理分析.

1 試驗

1.1 材料及試樣制備

采用MoS2作為固體潤滑劑(國藥集團生產(chǎn))，純度98%.試樣采用小止推圈，材料為45#鋼，經(jīng)淬火-回火處理，硬度42～48 HRC.激光織構(gòu)設(shè)備采用二極管泵浦Nd∶YAG激光加工系統(tǒng).激光波長532 nm，電流 17 ～20 A，頻率 1 600 Hz，脈沖次數(shù)2～15次，采用氮氣作輔助氣體.利用美國Veeco公司的Wyko NT1100型非接觸式表面三維形貌分析儀分析試樣表面形貌.經(jīng)激光織構(gòu)編號為Td1試樣(如圖 1，2所示)的凹坑直徑 65 μm，深度約6 μm，微凹坑面積占有率為4.3%.加工表面經(jīng)過金相砂紙研磨后拋光，表面粗糙度可達到Ra=0.1，并經(jīng)超聲波清洗.試驗所需試樣經(jīng)激光織構(gòu)加工后，通過模壓方法將粉末狀MoS2壓填至凹坑內(nèi)，如圖3所示，充填均勻一致，表明充填效果良好.

圖1 Td1織構(gòu)試樣表面

圖2 Td1織構(gòu)試樣的表面形貌

圖3 填充有MoS2試樣的表面形貌

1.2 摩擦磨損性能試驗

采用美國的UMT-2型多功能摩擦磨損試驗機.試驗條件:室溫13℃，相對濕度RH=29，采用球-盤旋轉(zhuǎn)接觸方式，對摩偶件選用φ9.5 mm的不銹鋼球.編號為 Td0，Td1，Td2，Td3，Td4，Td5，Td6 和 Td7 的試樣，相對應(yīng)的面積占有率分別為0%，4.3%，10.2%，15.0%，19.6%，23.0%，30.0%和 42.0%.

1)在轉(zhuǎn)速為100 r·min-1、試驗載荷分別為3，5，7 kg工況下，對Td3-Td7獨立進行30 min試驗，以分析面積占有率變化對磨痕寬度的影響.

2)在轉(zhuǎn)速為100 r·min-1、試驗載荷分別為1，3，5，7，9 kg的工況下，對 Td3-Td5 獨立進行20 min試驗，以分析載荷變化對磨痕寬度的影響.

3)在轉(zhuǎn)速為100 r·min-1、試驗載荷分別為1，3，5，7，9 kg的工況下，對 Td4 獨立進行 20 min 試驗，以分析載荷變化對摩擦系數(shù)的影響.

4)在轉(zhuǎn)速為100 r·min-1、試驗載荷為3 kg的工況下，對Td0-Td7獨立進行30 min試驗，以分析面積占有率變化對摩擦系數(shù)的影響.

2 結(jié)果與分析

2.1 面積占有率對磨痕寬度的影響

圖4為采用表面三維形貌分析儀測得的Td3磨痕形貌.由圖4可知:試驗中，試樣表面磨損較輕微，未出現(xiàn)較深犁溝，微凹坑形貌保持良好.經(jīng)分析儀反復(fù)、多次測試，并取平均值，測得磨痕寬度如圖5所示.由圖5知:3種載荷工況下，隨凹坑面積占有率增大，磨痕寬度均呈減小趨勢.其原因在于:當織構(gòu)面積占有率增大時，與對偶件接觸的微凹坑個數(shù)增多.摩擦開始后，由于MoS2對金屬表面粘附能力較強，其剪切強度又遠低于基體材料，所以有更多微凹坑內(nèi)的MoS2被拖覆到工作表面，從而形成固體潤滑轉(zhuǎn)移膜.隨摩擦過程持續(xù)進行，金屬表面原子通常處于不穩(wěn)定狀態(tài)，易與周圍介質(zhì)作用形成表面膜，且摩擦作用引起表面變形和溫升也促進了表面膜迅速形成.又由于熱膨脹作用，源源不斷的MoS2析出微凹坑，進而補充到工作表面，完成潤滑膜的自我修復(fù).

圖4 Td3磨損表面形貌

圖5 面積占有率對磨痕寬度的影響

2.2 載荷對磨痕寬度的影響

對試樣Td3-Td5分別進行變載荷試驗，經(jīng)表面三維形貌分析儀反復(fù)、多次測試，取平均值測得磨痕寬度，如圖6所示.對于每組試樣，隨著載荷增大，磨痕寬度也隨之變寬.磨痕寬度是實際接觸面積的體現(xiàn).根據(jù)赫茲接觸應(yīng)力計算公式，載荷增大，實際接觸面積會呈非線性增大.

圖6 試驗載荷與磨痕寬度的關(guān)系

2.3 載荷對摩擦系數(shù)的影響

圖7為載荷變化對摩擦系數(shù)的影響曲線(Td4).由圖7知:5次加載的摩擦系數(shù)曲線較相似，且摩擦系數(shù)始終保持在較低值.摩擦開始時，由于試樣原始拋光表面較為光滑，因而摩擦阻力較小.隨著試驗力增加，摩擦系數(shù)呈減小趨勢.這是由于隨載荷增大，磨痕會變寬，接觸面積也隨之增大，因而有更多MoS2被轉(zhuǎn)移至接觸表面，轉(zhuǎn)移膜會愈加充分完整，從而降低摩擦系數(shù).說明試驗載荷在一定范圍內(nèi)變化時，其值越大，織構(gòu)表面固體潤滑效果越佳，從而保證其良好承載能力.

圖7 載荷變化對摩擦系數(shù)的影響(Td4)

2.4 面積占有率對摩擦系數(shù)的影響

圖8為面積占有率與摩擦系數(shù)的關(guān)系曲線.由圖8知:“0”線所對應(yīng)的是單純涂抹一層MoS2粉末、微凹坑面積占有率為0%的光滑試樣.在摩擦試驗進行不到3 min時，潤滑狀態(tài)迅速失效，摩擦系數(shù)陡然增大.這是由于壓力作用，MoS2薄膜被擠壓破裂，而又無新潤滑劑補充，其摩擦狀態(tài)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘倥c金屬之間的干摩擦，粘著磨損嚴重，導(dǎo)致摩擦系數(shù)急劇增加，試樣表面很快失效.所以單純在金屬表面涂覆一層MoS2粉末無法保證持續(xù)穩(wěn)定的固體潤滑.由圖8還可知:凡表面進行過織構(gòu)的試樣，其磨損情況均優(yōu)于未織構(gòu)試樣，其中，面積占有率為4.3%和10.2%的兩試樣，潤滑狀態(tài)也不理想，在400 s左右，其摩擦系數(shù)迅速上升，最后導(dǎo)致潤滑失效.這是由于凹坑內(nèi)提供與損耗掉的MoS2“供求”不平衡，無法長時間保持較完整的轉(zhuǎn)移膜，表面粘著嚴重，最后導(dǎo)致失效，根本原因在于織構(gòu)面積占有率的不足.另外，面積占有率19.6% ～30.0%的試樣均表現(xiàn)出較好的摩擦磨損性能.當面積占有率增加至42.0%時，摩擦系數(shù)會略微上升，這是因為當面積占有率達到42.0%時，凹坑間距遠小于凹坑直徑，過小坑間距使得摩擦副表面粗糙度大增，從而增大摩擦阻力.試驗表明:在一定范圍內(nèi)，增大織構(gòu)面積占有率有利于提高固體潤滑效果.

圖8 面積占有率與摩擦系數(shù)的關(guān)系

2.5 減摩機理分析

摩擦試驗前后通過掃描電鏡拍攝的Td4試樣表面形貌分別如圖9所示.

圖9 摩擦試驗前后表面形貌

從圖9可看出，試樣表面在試驗前后發(fā)生了明顯變化.首先，試樣表面磨損較輕微，微凹坑形貌保持較完整;其次，在凹坑之間明顯出現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)移，且分布較均勻.通過進一步能譜分析可以看出，試驗前后凹坑間區(qū)域內(nèi)的Fe，S，Mo元素含量發(fā)生了顯著變化，說明試驗過程中，微凹坑中的MoS2通過摩擦粘附等作用被帶到凹坑間摩擦接觸區(qū)域，如表1，2所示.在試驗開始，由于 MoS2對金屬的表面粘附能力較強，致使凹坑內(nèi)最上層MoS2會被試樣鋼球粘附，并隨運動帶走，而MoS2剪切強度遠低于基體材料，所以有更多微凹坑內(nèi)MoS2被拖覆到試樣表面，從而形成愈加完整的固體潤滑轉(zhuǎn)移膜.隨摩擦過程進行，金屬表面原子通常處于不穩(wěn)定狀態(tài)，易與周圍介質(zhì)作用形成表面膜，且摩擦作用引起表面變形和溫升也促進了表面膜的迅速形成.最后，由于熱膨脹作用，源源不斷的MoS2會析出微凹坑，進而補充到工作表面，完成潤滑膜自我修復(fù)，形成穩(wěn)定可靠的減摩潤滑膜.

表1 試驗前表面EDS分析數(shù)據(jù) %

表2 試驗后表面EDS分析數(shù)據(jù) %

3 結(jié)論

1)一定條件下，隨填充凹坑面積占有率增大，磨痕寬度減小;隨載荷增加，摩擦系數(shù)呈減小趨勢;較佳的面積占有率為19.6% ～30.0%.

2)通過掃描電鏡與能量色散譜儀對磨損表面進行分析可知，表面預(yù)埋的固體潤滑劑能有效涂覆到試樣接觸表面，并形成穩(wěn)定可靠的減摩潤滑膜.

3)激光織構(gòu)技術(shù)能有效提高零件表面固體潤滑性能，其對于軸承、模具以及其他特殊工況下工作的摩擦副有良好的應(yīng)用前景.

References)

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