萬(wàn) 軼，李建亮

(1.南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院機(jī)電工程系，南京211156;2.南京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京210094)

引 言

近年來(lái)的大量研究結(jié)果表明［1-3］，摩擦接觸面之間并非越光滑其抗磨減摩性就越好，反而一定非光滑形貌的表面(表面織構(gòu))具有更好的摩擦學(xué)特性。目前，加工表面形貌的方法有激光表面織構(gòu)技術(shù)、反應(yīng)離子蝕刻技術(shù)、電解加工技術(shù)和壓刻技術(shù)等［4-5］。其中，激光表面織構(gòu)技術(shù)是利用激光快速熔融作用，在工件表面加工一定形狀和分布的微細(xì)形貌，該技術(shù)加工速度快、對(duì)環(huán)境無(wú)污染及形狀尺寸可控性好，因此得以廣泛的應(yīng)用。以色列學(xué)者ETSION［6-8］及其團(tuán)隊(duì)在激光織構(gòu)端面機(jī)械密封方面做了大量的工作，在對(duì)端面密封、滑軸承、活塞環(huán)/缸套等部件的研究中發(fā)現(xiàn)，表面織構(gòu)可以起到增加油膜厚度、提高承載能力、降低摩擦和磨損的作用，并且在邊界潤(rùn)滑或混合潤(rùn)滑時(shí)，作為潤(rùn)滑油存儲(chǔ)器為表面提供潤(rùn)滑，也可以作為儲(chǔ)屑槽捕捉接觸面間的磨損顆粒。常見(jiàn)織構(gòu)的形狀有孔形、矩形和槽形等［9-10］;織構(gòu)分布大小和分布又決定了密度，其中，織構(gòu)的直徑、深度和分布方式對(duì)摩擦性能的影響較大［11-12］。

在端面密封情況下，配副表面的織構(gòu)形貌對(duì)摩擦學(xué)性能影響方面的研究較少。作者采用激光織構(gòu)化技術(shù)對(duì)GCr15鋼盤表面進(jìn)行處理，利用環(huán)/盤式摩擦試驗(yàn)機(jī)對(duì)織構(gòu)化配副在油潤(rùn)滑和干摩擦情況下進(jìn)行摩擦性能試驗(yàn)，研究不同織構(gòu)形貌對(duì)端面密封材料摩擦學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)方法及設(shè)備

1．1 織構(gòu)化樣品制備

采用玻璃增強(qiáng)聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene，PTFE)/GCr15鋼盤環(huán)作為摩擦配副。GCr15鋼盤尺寸為?48mm×8mm，先將其研磨拋光至表面粗糙度低于0.1μm，然后將鋼盤在丙酮中超聲清洗后用于激光織構(gòu)化。激光參量為:脈沖激光波長(zhǎng)1064nm，脈沖寬度450ns，脈沖頻率10kHz，循環(huán)脈沖1～6次。激光織構(gòu)化試驗(yàn)后，采用Talysurf CCI 3維非接觸白光干涉表面形貌儀觀察表面織構(gòu)的形貌。

1．2 摩擦磨損試驗(yàn)

采用河北宣化機(jī)械廠生產(chǎn)MG-2000型環(huán)/盤式摩擦試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)。試驗(yàn)條件為:油潤(rùn)滑(粘度為0.0136Pa·s)/干摩擦，滑動(dòng)速率1m/s，載荷100N，滑動(dòng)半徑為20mm，滑動(dòng)距離3000m。磨損量用TG328A(s)分析天平測(cè)得，精度為0.1mg，磨損率與載荷、滑行距離和材料密度有關(guān)。為保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確及可重復(fù)性，每次試驗(yàn)前后都用丙酮清洗，測(cè)量3次取平均值。摩擦磨損試驗(yàn)后，將試樣清洗，用Axiover 40 MAT金相顯微鏡對(duì)磨損表面形貌進(jìn)行觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2．1 激光織構(gòu)化形貌

圖1為GCr15盤表面的不同形貌的織構(gòu)，其中圖1a為微孔型織構(gòu)，由6個(gè)脈沖形成，周向間距為500μm，徑向間距為400μm;圖1b為凹槽型織構(gòu)，由6個(gè)脈沖循環(huán)形成，槽寬為150μm，沿周向每隔5°排列。

Fig.1 Two surface texturing shapesa—dimple b—groove

圖2 為白光干涉表面形貌儀觀察到的單脈沖激光在GCr15盤表面的微孔形貌。在激光熔融過(guò)程中，利用經(jīng)過(guò)聚焦的高功率密度激光束照射工件，使工件被迅速熔化飛濺，用于單脈沖的功率小，只有受輻照位置處的表面很淺的一層材料的熔化飛濺，并且熔化范圍較小無(wú)法產(chǎn)生一定的深度。隨著循環(huán)脈沖次數(shù)增多，微孔的直徑和深度都相應(yīng)增大。

Fig.2 Morphology of micro-dimple surface with single pulse lasera—3-D morphology of white light interference b—dimple depth

6個(gè)脈沖激光形成的表面微孔形貌如圖3所示?；w材料表面沒(méi)有經(jīng)過(guò)拋光處理，微孔呈圓錐狀，周圍有激光輻照后形成的濺射物和毛刺，微孔深度約為30μm ～40μm，直徑約為150μm。

Fig.3 Morphology of micro-dimple surface with six pulses lasera—3-D morphology of white light interference b—dimple depth

2．2 油潤(rùn)滑摩擦性能

圖4 為油潤(rùn)滑下不同織構(gòu)形貌的配副的摩擦學(xué)性能。從圖4a可知，光滑配副的摩擦因數(shù)較高(約0.1)，并且隨滑動(dòng)距離的增大有升高的趨勢(shì);表面經(jīng)過(guò)凹槽織構(gòu)化處理后，摩擦因數(shù)明顯降低，但由于表面粗糙度大導(dǎo)致摩擦因數(shù)波動(dòng)范圍大;而環(huán)形微孔織構(gòu)配副的摩擦因數(shù)低(0.06)且波動(dòng)較小。圖4b為不同織構(gòu)形貌的配副雙方的磨損率，凹槽織構(gòu)和微孔織構(gòu)的磨損率均低于光滑表面，與摩擦因數(shù)變化趨勢(shì)基本一致。在油潤(rùn)滑的過(guò)程中，微孔型織構(gòu)的存油能力優(yōu)于凹槽形，隨著滑動(dòng)距離增大，光滑接觸表面的潤(rùn)滑劑被逐漸擠出摩擦表面，而表面織構(gòu)對(duì)潤(rùn)滑劑有一定的存儲(chǔ)能力，摩擦系數(shù)更低。而凹槽型織構(gòu)的分布方式容易使?jié)櫥脱刂鴱较驍D出，降低了織構(gòu)的減摩能力，因此摩擦因數(shù)較微孔型織構(gòu)高，且數(shù)值波動(dòng)大。

Fig.4 Tribological properties of different texturing morphology with oil lubricationa—friction coefficient b—wear rate

2．3 干摩擦性能

Fig.5 Friction coefficient and wear rate of different texturing morphology with dry frictiona—friction coefficient b—wear rate

圖5a為干摩擦下不同表面織構(gòu)形貌對(duì)摩擦因數(shù)的影響。在摩擦過(guò)程中，PTFE磨屑向配副表面轉(zhuǎn)移，生成了轉(zhuǎn)移膜，摩擦因數(shù)呈下降趨勢(shì)，隨后配副表面上的轉(zhuǎn)移膜完全形成，摩擦副轉(zhuǎn)化為聚四氟乙烯的層間摩擦，最終兩種織構(gòu)表面的摩擦因數(shù)趨勢(shì)一致(約0.16)，都比光滑配副低?？棙?gòu)的存在對(duì)轉(zhuǎn)移膜的保持有利，且不同形貌的表面織構(gòu)在干摩擦下對(duì)轉(zhuǎn)移膜的保持作用相同，摩擦因數(shù)趨于穩(wěn)定值。

圖5b為干摩擦條件下不同表面織構(gòu)形貌的配副雙方的磨損率。微孔型和凹槽型配副的磨損率都低于光滑配副，其中，微孔化配副的磨損率最低。隨著配副接觸面間形成PTFE轉(zhuǎn)移膜，其層間摩擦成為主導(dǎo)，無(wú)論凹槽型或微孔型織構(gòu)的存在都對(duì)轉(zhuǎn)移膜的起保持作用，并且可以降低配副雙方的磨損率。

2．4 磨痕形貌

由圖6可以看出，凹槽型織構(gòu)試樣的表面磨損較嚴(yán)重，槽的深度明顯變淺，存在較嚴(yán)重的犁溝;微孔型表面磨損最輕微，微孔的形貌保存的較完整，磨痕較淺且均勻;光滑試樣的表面黏著磨損現(xiàn)象比較嚴(yán)重。

Fig.6 Worn surfaces morphologies of three surfaces with dry frictiona—groove b—dimple c—smooth

織構(gòu)的存在可以起到提高自潤(rùn)滑材料PTFE膜在摩擦接觸面間的粘附作用，保持轉(zhuǎn)移膜的穩(wěn)定性，同時(shí)可以捕獲磨屑減少磨粒磨損，和光滑配副相比，減小摩擦因數(shù)和磨損量。但凹槽型織構(gòu)的排列方式使粗糙度沿著周向波動(dòng)大，反而增大了配副材料(PTFE)的磨損率。

3 結(jié)論

(1)利用激光對(duì)GCr15鋼表面進(jìn)行織構(gòu)化處理，形成微孔型和凹槽型兩種織構(gòu)形貌。單脈沖激光對(duì)材料表面剝落后形成的微孔深度影響較小，試驗(yàn)中采用6個(gè)脈沖循環(huán)形成微孔和凹槽，直徑約為150μm，深度約為30μ ～40μm。

(2)油潤(rùn)滑條件下，織構(gòu)化處理可以明顯降低PTFE環(huán)/GCr15盤的摩擦因數(shù)(由0.1降低到0.055～0.075)，孔型織構(gòu)的排列方式使鋼盤表面粗糙度分布均勻，油膜可以穩(wěn)定存在;而凹槽型織構(gòu)使油膜厚度不均勻，摩擦因數(shù)波動(dòng)大。

(3)干摩擦條件下，表面織構(gòu)可以起到提高自潤(rùn)滑配副(PTFE)的粘附作用，對(duì)轉(zhuǎn)移膜的保持有利，和光滑配副相比，減小摩擦因數(shù)和磨損量，同時(shí)可以捕獲磨屑減少磨粒磨損;但凹槽型織構(gòu)的排列方式使粗糙度不均勻，反而增大了配副(PTFE)的磨損率。

［1］ MI T，LI Ch D，NI J，et al.Laser texturing of spherical cap slight protuberance profile on mould and die surface ［J］.Laser Technology，2009，33(5):500-502(in Chinese).

［2］ WAN Y，XIONG D Sh.The effect of laser surface texturing on frictional performance of face seal［J］.Journal of Materials Processing Technology，2008，197(1):96-100.

［3］ KOVALCHENKO A，AJAYI O，ERDEMIR A，et al.Friction and wear behavior of laser textured surface under lubricated initial point contact［J］.Wear，2011，271(9):1719-1725.

［4］ GANDRAA J，KROHNB H，MIRANDAC R M，et al.Friction surfacing-A review ［J］.Journal of Materials Processing Technology，2014，214(5):1062-1093.

［5］ WAN Y，XIONG D Sh.Study of laser surface texturing for improving tribological properties［J］.Tribology，2006，26(6):603-607(in Chinese).

［6］ SHINKARENKO A，KLIGERMAN Y，ETSION I.The effect of surface texturing in soft elasto-hydrodynamic lubrication［J］.Tribology International，2009，42(2):284-292.

［7］ ETSION I，HALPERIN G，BECKER E.The effect of various surface treatments on piston pin scuffing resistance ［J］.Wear，2006，261(7):785-791.

［8］ KLIGERMAN Y，ETSION I，SHINKARENKO A.Improving tribological performance of piston rings by partial surface texturing［J］.Journal of Tribology，2005，127(7):632-638.

［9］ LI Y，PEI X.Investigation on tribological behaviors of surface microforming 20CrNiMo steel under laser shock processing［J］.Laser Technology，2012，36(6):814-817(in Chinese).

［10］ KANG X M，WANG L，YANG G F，et al.Experimental research of increase-friction characteristics of no-match friction-pair surface based on laser micro-modelling［J］.Laser Technology，2013，37(4):449-454(in Chinese).

［11］ SIRIPURAM R B，STEPHENS L S.Effect of deterministic asperity geometry on hydrodynamic lubrication［J］.ASME Journal of Tribology，2004，126(3):527-534.

［12］ WANG X，ZHANG G H，CHEN W，et al.Numerical study of different micro-asperities on hydrodynamic lubrication ［J］.Lubrication Engineering，2007，32(8):67-73(in Chinese).