顏 彬

(江蘇蘇鹽井神股份有限公司第三分公司，江蘇 淮安 223000)

在純堿行業(yè)中，如壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)等高速運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備，軸及軸承的摩擦磨損是設(shè)備運(yùn)行周期及使用關(guān)鍵所在。而表面間發(fā)生的摩擦磨損是其失效的重要原因，因此設(shè)備表面的性能對(duì)其可靠運(yùn)行發(fā)揮著重要作用。激光表面微造型技術(shù)在摩擦副的表面改進(jìn)中有著重要的作用，特別是對(duì)潤滑與密封的影響。針對(duì)激光微造型表面形貌的摩擦學(xué)特性，許多學(xué)者進(jìn)行了廣泛的研究，但往往局限在凹坑形狀分布和凹坑尺寸優(yōu)化上，許多試驗(yàn)也主要是對(duì)理論的定性解釋，無法說明整個(gè)規(guī)則凹坑表面的形貌對(duì)潤滑的影響。本文將在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，對(duì)滑動(dòng)軸承用45鋼材料進(jìn)行一些典型凹坑織構(gòu)造型，并對(duì)其摩擦學(xué)特性展開研究，將有利于深入認(rèn)識(shí)表面形貌結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)摩擦、磨損和潤滑等的影響。

1 試驗(yàn)及方法

1.1 激光微織構(gòu)試驗(yàn)

試驗(yàn)設(shè)備采用半導(dǎo)體側(cè)面泵浦 YAG 激光加工系統(tǒng)，激光模式為 TEM00，脈沖激光，輸出波長1064 nm。加工系統(tǒng)自帶的輔助吹氣系統(tǒng)，可清除加工過程中的大部分熔渣，減少金屬重鑄。采用Micro XAM 3D非接觸式表面形貌儀進(jìn)行檢測微織構(gòu)的幾何形貌。

試驗(yàn)試樣采用直徑φ15的45鋼棒料，經(jīng)淬火后再回火處理。表面先用金相砂紙打磨再拋光，其粗糙度約為0.2 μm，試驗(yàn)前對(duì)試樣進(jìn)行超聲波清洗、吹干。為獲得較理想的微織構(gòu)幾何形貌，先進(jìn)行單直線織構(gòu)形狀的激光加工，對(duì)激光加工工藝參數(shù)(能量、掃描速度、掃描次數(shù))進(jìn)行優(yōu)化，獲得設(shè)計(jì)所要求的表面微觀幾何形貌，并進(jìn)行超聲波清洗去除熔渣等殘留物。經(jīng)單因素試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)速度為3 mm/s、電流為14.5 A、單次掃描的微織構(gòu)形貌較為理想。圖1為45鋼單直線微織構(gòu)的微觀幾何形貌及截面輪廓圖，該微織構(gòu)槽寬約70 μm，深4.2 μm。從所測數(shù)據(jù)來看該微織構(gòu)的寬深尺寸最為接近汽缸套珩磨網(wǎng)紋的尺寸標(biāo)準(zhǔn)。由圖1(c)的截面輪廓圖來看，槽的兩側(cè)較為光滑，邊緣有不到1 μm的重鑄殘留物。因此在使用前需要拋光處理,以去除激光微加工產(chǎn)生的毛刺和熔渣。

摩擦副表面的微織構(gòu)激光加工工藝參數(shù)采用上述優(yōu)化后的參數(shù)組合。微織構(gòu)的幾何造型采用網(wǎng)紋和凹坑，圖2為45鋼試樣激光微織構(gòu)的顯微形貌。改變這兩種造型的幾何尺寸，構(gòu)成不同的微織構(gòu)，具體方案如表1所示。

(a)2D圖

(b)3D圖

(c)X、Y截面輪廓圖圖1 45鋼單直線微織構(gòu)的三維形貌圖

(a)網(wǎng)紋 (b)凹坑圖2 45鋼激光微織構(gòu)的微觀形貌

表1 激光微織構(gòu)幾何造型、參數(shù)及磨損量

1.2 摩擦磨損試驗(yàn)

試驗(yàn)研究點(diǎn)面接觸潤滑狀態(tài)形式下，多種激光微造型形貌對(duì)45號(hào)鋼表面摩擦磨損性能的影響，采用UMT-2多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，磨擦副為φ4的不銹鋼球。試驗(yàn)條件為：載荷0.8 kg、轉(zhuǎn)速300 r/mm、磨擦?xí)r間為30 min，室溫，選用SAE20/W40潤滑油，每一試樣進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)。為保證接觸面始終處于富油狀態(tài)，試驗(yàn)過程中每隔10 min加一次油。每次試驗(yàn)前后需超聲波清洗、吹干，并用電子天平稱重。試驗(yàn)結(jié)束后利用掃描電子顯微鏡(SEM)分析試件的磨損表面，并對(duì)表面磨痕及輪廓形狀進(jìn)行測量。

2 結(jié)果與討論

2.1 耐磨性

各種激光微織構(gòu)試樣和光滑試樣表面的磨損量如表1所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)激光微織構(gòu)造型試樣表面的磨損量均低于光滑試樣表面。分析其原因，一方面可能由于微織構(gòu)試樣表面的凹坑或凹槽可以儲(chǔ)存潤滑液，從而在摩擦上下表面間產(chǎn)生一定的流體動(dòng)壓潤滑效果，將上下接觸面分開；另一方面是由于凹坑或凹槽可以起收集磨損磨粒的作用，從而減小接觸面發(fā)生磨粒磨損的幾率。另外，在激光加工過程中，短脈沖高能激光束引起加工區(qū)域表面驟熱驟冷，對(duì)表面材料起到淬火回火的作用，從而使得材料微觀組織變化，并形成具有高硬度和超細(xì)組織的硬化層，這在一定程度上也提高材試樣表面的耐磨性能。

從不同微織構(gòu)造型來看，點(diǎn)陣織構(gòu)試樣表面的耐磨性差于網(wǎng)紋和凹坑織構(gòu)。就其原因，可能是由于點(diǎn)陣織構(gòu)所形成的凹坑直徑較小，并且織構(gòu)面積率較小，約為0.5%～1.4%，其儲(chǔ)存潤滑油和磨粒的效果較網(wǎng)紋和凹坑織構(gòu)差些。凹坑或線間距的大小不宜過大或過小，以間距400 μm的網(wǎng)紋織構(gòu)試樣耐磨性較佳。

2.2 摩擦學(xué)性能

圖3為不同線間距的網(wǎng)紋織構(gòu)試樣與光滑試樣的摩擦磨損性能測試結(jié)果。結(jié)果表明，與光滑表面試樣相比，帶網(wǎng)紋織構(gòu)的試樣表面摩擦因數(shù)較小，也就是說，在潤滑狀態(tài)下，表面的線槽可起到儲(chǔ)油的作用，可起到一定的減摩效果。當(dāng)線槽間距由300～500 μm變大時(shí)，摩擦因數(shù)先減小后增大，均比光滑試樣的0.15稍小。分析其原因，可能由于線間距過小，表面線槽的面積占有率過大，造成表面完整性降低；線間距過大，則線槽的面積占有率減小，油膜連續(xù)性下降，承載能力降低。Pettersson等也曾針對(duì)鑄鐵試樣面接觸摩擦副指出凹槽或網(wǎng)紋等形貌表面的摩擦因數(shù)比光滑面要小，而且摩擦因數(shù)曲線的波動(dòng)小[4]。對(duì)比可得，當(dāng)間距為400 μm時(shí)，摩擦因數(shù)最小為0.11左右，降磨減損效果最好。

圖3 網(wǎng)紋織構(gòu)與光滑試樣表面的摩擦因數(shù)

圖4為不同間距的凹坑織構(gòu)試樣與光滑試樣表面的摩擦因數(shù)。可以看出，同光滑表面相比，帶凹坑的試樣表面摩擦因數(shù)較小，這說明，在液體潤滑狀態(tài)下，表面凹坑能起到一定的減摩效果。對(duì)比凹坑造型的四種尺寸參數(shù)的摩擦因數(shù)，當(dāng)間距為500 μm時(shí)，摩擦因數(shù)最小為0.1～0.11左右，降磨減損效果最好。

圖4 凹坑織構(gòu)與光滑試樣表面的摩擦因數(shù)

由上述兩種表面織構(gòu)的摩擦因素來看，不論是貫通的或是斷續(xù)的凹槽,都會(huì)增大表面摩擦因素。究其原因,一方面潤滑油順溝槽流走,造成了造型區(qū)域局部低壓區(qū),使表面油膜變薄，另一方面,在 潤滑條件下,微織構(gòu)造型使原本光滑、平坦的試樣表面形成了富有規(guī)律的凹凸不平狀搓板紋,增加表面粗糙度的同時(shí),增大表面摩擦阻力。通過分析織構(gòu)面積率Sp來看，Sp約為5%時(shí)，試樣表面可獲得較理想的摩擦學(xué)性能。

3 結(jié) 論

通過脈沖激光對(duì)45鋼表面進(jìn)行了微織構(gòu)加工研究，織構(gòu)表面的凹坑或溝槽起到儲(chǔ)存潤滑油和磨粒的作用，能夠減少潤滑油的使用量,并且能縮短潤滑膜的形成時(shí)間,從而減少摩擦副的磨損。有利于提高表面的摩擦磨損性能，設(shè)備使用壽命得到明顯的提升。具體創(chuàng)新點(diǎn)如下：

1)在潤滑條件下，當(dāng)表面織構(gòu)面積率為5%時(shí)，材料的耐磨性和減摩效果較好。

2)從表面的摩擦因素來看，不論是貫通的網(wǎng)紋或是斷續(xù)的凹坑,表面摩擦因素的變化都比光滑表面平緩，表面摩擦因素的穩(wěn)定性更好，但摩擦因素的數(shù)值與光滑試樣相差不大。