張 娜，楊發(fā)展，劉國華，王黎陽

(青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，青島 266250)

0 引 言

基于仿生學(xué)理論[1]，在材料表面加工出一系列的微凹坑、微凸起等微織構(gòu)可有效改善材料的摩擦學(xué)性能[2]。目前，微織構(gòu)理論已廣泛應(yīng)用在計(jì)算機(jī)硬盤、齒輪、活塞/缸套、刀具等方面[3-4]。將微織構(gòu)理論應(yīng)用到刀具上時(shí)，刀具表面的織構(gòu)可以起到收集磨屑、減小摩擦接觸面積以及增大表面散熱面積的作用，從而有效減緩刀具磨損程度，提高被加工工件的表面質(zhì)量，大幅延長刀具的使用壽命[5]。目前，在金屬表面加工織構(gòu)的方法主要有激光加工技術(shù)、反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)、電火花加工技術(shù)、納米壓印技術(shù)等[6-7]，其中激光加工技術(shù)因具有高效、無污染的特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用[8]。何霞等[9]利用飛秒激光設(shè)備在鈹青銅表面加工出微凹坑織構(gòu)，探究了激光加工參數(shù)對(duì)織構(gòu)直徑和深度的影響規(guī)律。崔煒等[10]利用脈沖光纖激光設(shè)備在聚晶金剛石表面制備出含有溝槽和錐形凸起的微納織構(gòu)，分析了單脈沖能量對(duì)織構(gòu)形貌的影響，以及織構(gòu)的形成機(jī)理。華希俊等[11]利用SPI光纖激光器在GCr15軸承鋼表面加工凹坑織構(gòu)，發(fā)現(xiàn)脈沖寬度對(duì)織構(gòu)形貌具有較大的影響。LIU等[12]利用飛秒激光設(shè)備在WC/Co硬質(zhì)合金刀具表面加工出與主切削刃成0°，45°，90°的直線溝槽織構(gòu)并用來切削Al2O3基陶瓷，發(fā)現(xiàn)與主切削刃成0°的織構(gòu)可有效提高刀具的耐磨性，延長刀具的使用壽命。ARULKIRUBAKRAN等[13]在WC刀具的前刀面加工出垂直溝槽、平行溝槽、交叉溝槽織構(gòu)，發(fā)現(xiàn)具有垂直溝槽的刀具在切削鈦合金時(shí)表現(xiàn)出了最優(yōu)的切削性能。

目前，有關(guān)采用光纖激光加工設(shè)備在硬質(zhì)合金刀具表面加工織構(gòu)的研究較少，加工參數(shù)對(duì)織構(gòu)尺寸和形貌的影響機(jī)制還很欠缺，同時(shí)刀具前刀面與切屑摩擦接觸區(qū)織構(gòu)的減摩機(jī)理有待進(jìn)一步研究和揭示。為此，作者采用光纖激光加工設(shè)備在YG8硬質(zhì)合金表面加工出溝槽織構(gòu)，研究了激光加工參數(shù)對(duì)織構(gòu)尺寸及形貌的影響，得到最佳激光加工參數(shù)；采用最佳激光加工參數(shù)在硬質(zhì)合金表面加工出4種不同方向的正弦型溝槽織構(gòu)，研究了干摩擦條件下不同試驗(yàn)載荷、不同滑動(dòng)速度時(shí)的摩擦磨損性能，探討了織構(gòu)的減摩機(jī)理。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為臺(tái)州盛鋒工具有限公司生產(chǎn)的尺寸為35 mm×35 mm×5 mm的YG8硬質(zhì)合金塊，硬度為89 HRA。將硬質(zhì)合金表面進(jìn)行打磨、拋光、超聲清洗，使其表面粗糙度達(dá)到0。1 μm。采用YLPN-1-100-200-R型IPG光纖激光加工設(shè)備在硬質(zhì)合金表面加工溝槽織構(gòu)，激光波長為1 064 nm，脈沖寬度為10 ns，頻率為20 kHz，激光功率為40，50，60 W，掃描速度為100，200，300 mm·s-1，掃描次數(shù)為200，300，400次。采用單因素法研究不同激光加工參數(shù)下織構(gòu)的形貌。用DSX510型體視顯微鏡觀察激光加工后的織構(gòu)形貌，得到最佳的激光加工參數(shù)。

采用最佳的激光加工參數(shù)，在YG8硬質(zhì)合金表面加工出面積占有率為10%，正弦中心線與摩擦方向成0°，30°，60°，90°的正弦型溝槽織構(gòu)，并將得到的合金試樣分別記作SG-0、SG-30、SG-60、SG-90試樣。

采用MFT-EC4000型電化學(xué)腐蝕摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行球盤式干摩擦磨損試驗(yàn)，下試樣為表面加工出織構(gòu)的硬質(zhì)合金試樣，上試樣為直徑6 mm、硬度68 HRA的Ti6Al4V鈦合金球。硬質(zhì)合金試樣固定在下端并做行程為5 mm的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，鈦合金試樣固定在上端并承受2～14 N的載荷，滑動(dòng)速度為2050 mm·s-1，試驗(yàn)時(shí)間為1 800 s，每組試驗(yàn)測(cè)3次取平均值，并與光滑表面硬質(zhì)合金試樣(以下簡稱光滑試樣)進(jìn)行對(duì)比。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 織構(gòu)形貌與尺寸

由圖1可知，不同激光參數(shù)下加工的織構(gòu)均為中間深，兩側(cè)淺的溝槽織構(gòu)。激光束能量呈高斯分布，中間能量高，兩側(cè)能量低，因此織構(gòu)呈中間深，兩邊淺的形貌，且織構(gòu)截面形貌呈弧形[8]。由圖1和圖2可知：在掃描速度為100 mm·s-1、掃描次數(shù)為200次時(shí)，隨著激光功率的增加，溝槽織構(gòu)的深度和寬度大幅增加，織構(gòu)底部變得粗糙，這是由于激光功率增加時(shí)，激光束能量增加，使得織構(gòu)尺寸增大，但是激光能量過高時(shí)，硬質(zhì)合金燒蝕程度加劇，熔化的硬質(zhì)合金未能及時(shí)排出而堆積在溝槽底部，因此織構(gòu)底部變粗糙；在激光功率為40 W、掃描次數(shù)為200次時(shí)，隨著掃描速度的增加，溝槽織構(gòu)的深度和寬度減小，這是由于掃描速度減小，單位時(shí)間內(nèi)作用在硬質(zhì)合金表面的激光能量減少；在激光功率40 W、掃描速度100 mm·s-1時(shí)，隨著掃描次數(shù)的增加，溝槽織構(gòu)的深度和寬度變大，織構(gòu)底部出現(xiàn)較多不規(guī)則的凹坑，這是因?yàn)閱挝粫r(shí)間內(nèi)激光能量不變，增加掃描次數(shù)，即增加激光的作用時(shí)間，能夠燒蝕溝槽底部更多的材料，燒蝕熔化的材料堆積在溝糟底部，使底部出現(xiàn)較多不規(guī)則的凹坑。綜上可知，激光加工參數(shù)對(duì)織構(gòu)尺寸及形貌的影響較大，在激光功率為40 W，掃描速度為100 mm·s-1，掃描次數(shù)為200次時(shí)，加工出的溝槽織構(gòu)表面形貌較好，織構(gòu)寬度為160 μm，深度為15 μm。

圖1 不同激光加工參數(shù)下織構(gòu)的形貌

圖2 織構(gòu)的尺寸隨激光功率、掃描速度與掃描次數(shù)的變化曲線

2.2 減摩特性

由圖3可以看出：隨著試驗(yàn)載荷的增加，光滑試樣與SG-90試樣的穩(wěn)定摩擦因數(shù)均呈增大趨勢(shì)，SG-90試樣的穩(wěn)定摩擦因數(shù)略大于光滑試樣的；當(dāng)試驗(yàn)載荷從2 N增加到14 N時(shí)，SG-90試樣的穩(wěn)定摩擦因數(shù)逐漸接近于光滑試樣的。在硬質(zhì)合金表面加工織構(gòu)后，表面粗糙度增加，在摩擦過程中會(huì)加劇對(duì)磨鈦合金球的磨損，因此摩擦因數(shù)大于光滑表面試樣的；織構(gòu)在增加試樣表面粗糙度的同時(shí)還能容納磨屑，進(jìn)一步減少摩擦接觸面的磨屑量，降低磨損程度和減少磨損量；隨著試驗(yàn)載荷的增大，硬質(zhì)合金表面單位面積所承受的壓力增大，磨損加劇，產(chǎn)生的磨屑增多，此時(shí)表面織構(gòu)容納磨屑的作用更為突出，因此織構(gòu)試樣的摩擦因數(shù)接近于光滑試樣的。光滑試樣及SG-90試樣的穩(wěn)定摩擦因數(shù)均隨著滑動(dòng)速度的增加而減小，且SG-90試樣的穩(wěn)定摩擦因數(shù)始終高于光滑試樣的。隨著滑動(dòng)速度的增大，摩擦過程中的摩擦長度增加，磨損量增加。在不同載荷及不同滑動(dòng)速度下摩擦磨損試驗(yàn)過程中，表面織構(gòu)一方面增加了硬質(zhì)合金表面粗糙度，導(dǎo)致磨損量增加，另一方面減小了硬質(zhì)合金和對(duì)磨球的摩擦接觸面積，并可有效容納磨屑，減緩磨損。因此，織構(gòu)的減摩效果是這兩方面因素綜合作用的結(jié)果。

圖3 SG-90試樣與光滑試樣的穩(wěn)定摩擦因數(shù)隨試驗(yàn)載荷與滑動(dòng)速度的變化曲線

為了研究正弦中心線與摩擦方向成不同角度的正弦型溝槽織構(gòu)的減摩特性，選擇載荷2 N、摩擦速度20 mm·s-1條件下的摩擦因數(shù)曲線進(jìn)行研究。由圖4可以看出：在摩擦過程中，光滑試樣的摩擦因數(shù)波動(dòng)較大，不同角度織構(gòu)試樣的摩擦因數(shù)波動(dòng)較小；SG-0試樣的摩擦因數(shù)比光滑試樣的降低了25%，SG-30、SG-60、SG-90試樣的摩擦因數(shù)大于光滑試樣的，可知正弦中心線與摩擦方向成0°的正弦溝槽織構(gòu)的減摩效果最突出。

圖4 不同硬質(zhì)合金試樣的摩擦因數(shù)隨滑動(dòng)時(shí)間的變化曲線(試驗(yàn)載荷2 N，滑動(dòng)速度20 mm·s-1)

由圖5可以看出：光滑試樣表面磨痕較寬，表面存在大量的白色黏結(jié)物；織構(gòu)試樣表面磨痕較窄且白色黏結(jié)物較少，這是由于織構(gòu)可有效收集摩擦過程中產(chǎn)生的磨屑，減少摩擦接觸面上磨屑存留導(dǎo)致的；SG-0試樣表面黏結(jié)物少于其他織構(gòu)試樣表面的，減摩效果最好。

3 結(jié) 論

(1) 隨著激光功率或掃描次數(shù)的增加，YG8硬質(zhì)合金表面溝槽織構(gòu)尺寸增大，但過高的激光功率與過多的掃描次數(shù)導(dǎo)致織構(gòu)底部形貌變差；隨著掃描速度的增加，溝槽織構(gòu)尺寸減小；最佳激光加工參數(shù)為激光功率40 W，掃描速度100 mm·s-1，掃描次數(shù)200次，加工出的溝槽織構(gòu)表面形貌較好，織構(gòu)寬度為160 μm，深度為15 μm。

(2) 采用最佳激光加工參數(shù)在硬質(zhì)合金表面加工出正弦型溝槽織構(gòu)后，硬質(zhì)合金的摩擦因數(shù)隨著施加載荷的增加而增大，隨著滑動(dòng)速度的增加而減?。辉谠囼?yàn)載荷為2 N、滑動(dòng)速度為20 mm·s-1時(shí)，正弦中心線與摩擦方向成0°的正弦型溝槽織構(gòu)的減摩效果優(yōu)于正弦中心線與摩擦方向成30°，60°，90°的織構(gòu)，且摩擦因數(shù)比光滑試樣的降低了25%。