趙 歡 周元?jiǎng)P,2 左 雪,2

(1.江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 江蘇鎮(zhèn)江 212100；2.江蘇科技大學(xué)江蘇省船舶機(jī)械先進(jìn)制造及工藝重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 江蘇鎮(zhèn)江 212100)

織構(gòu)化表面具有良好的減摩潤(rùn)滑性能，已廣泛參與機(jī)械表面設(shè)計(jì)[1-3]。織構(gòu)化表面性能受多因素影響[4]，如織構(gòu)幾何形貌、轉(zhuǎn)速、載荷和溫度等。特別在極端環(huán)境或復(fù)雜工況下，純織構(gòu)表面減摩增效性受限。學(xué)者們發(fā)現(xiàn)將固體自潤(rùn)滑材料封裝于表面織構(gòu)內(nèi)，構(gòu)造復(fù)合潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)表面可改善這一問(wèn)題[5]。

周后明等[6]設(shè)計(jì)了以MoS2、Sb2O3和C為填充材料的復(fù)合潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)刀具,并開(kāi)展了對(duì)304奧氏體材料切削性能試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該刀具具有優(yōu)異的減摩性能。HU等[7]采用復(fù)合工藝在織構(gòu)化表面制備了MoS2固體潤(rùn)滑涂層，發(fā)現(xiàn)該涂層具有良好減摩性，隨著織構(gòu)密度增加，涂層壽命延長(zhǎng)。GAJRANI等[8]將MoS2與潤(rùn)滑脂混合制備復(fù)合潤(rùn)滑表面，發(fā)現(xiàn)該表面具有優(yōu)異的減摩性能。然后相關(guān)文獻(xiàn)中，少有涉及復(fù)合潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)表面在油潤(rùn)滑下的減摩性能研究。而在工程實(shí)際中，大量機(jī)械裝置處于油潤(rùn)滑工作狀態(tài)，如燃?xì)廨啓C(jī)軸承、車床導(dǎo)軌、減速器齒輪等。另外，對(duì)磨合期內(nèi)的減摩性能研究也鮮有關(guān)注。而磨合期是磨損過(guò)程關(guān)鍵，決定后續(xù)磨損表面質(zhì)量和服役壽命[9]。

識(shí)別磨合狀態(tài)是界定磨合期前提。馬晨波等[10]認(rèn)為磨合期是從開(kāi)始磨合到摩擦因數(shù)波動(dòng)范圍落在±5%以內(nèi)時(shí)的歷程。李和言等[11]定義了摩擦因數(shù)的波動(dòng)系數(shù)D和均值系數(shù)H，認(rèn)為當(dāng)同時(shí)滿足D≤0.16和H≤0.02時(shí)磨合完成。摩擦信號(hào)具有高度非線性[12]，僅靠時(shí)域信號(hào)界定磨合期可能造成誤差。磨合期與正常磨損期在系統(tǒng)狀態(tài)上有本質(zhì)區(qū)別[13]。遞歸定量分析[14](Recurrence Quantification Analysis，RQA)可有效識(shí)別非線性系統(tǒng)狀態(tài)，因此可借助RQA參數(shù)[15]識(shí)別磨合狀態(tài)，測(cè)量磨合期時(shí)長(zhǎng)。

本文作者以六方氮化硼為自潤(rùn)滑材料，使用熱固法制備了復(fù)合潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)表面，研究了其在油潤(rùn)滑下的減摩性能；同時(shí)使用RQA參數(shù)界定磨合期，詳細(xì)研究了不同磨損階段的減摩性能。研究結(jié)果可為機(jī)械表面的減摩增效設(shè)計(jì)提供參考，有助于短時(shí)高效的磨合規(guī)范設(shè)計(jì)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 復(fù)合潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)表面制備

如圖1所示，盤為下試件，外徑r1為82 mm。材料為45鋼，硬度為40HRC，表面粗糙度Ra為0.6～0.9 μm。銷為上試件，直徑r2為6 mm，高h(yuǎn)為14 mm，基材為巴氏合金，硬度為35HB，表面粗糙度Ra為1.9～2.1 μm。盤表面無(wú)織構(gòu)，在銷表面制備復(fù)合潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)。利用Nd:YAG納秒激光器在銷試件端面加工圓形凹坑。掃描速度為500 mm/s，功率為10 W，頻率為20 kHz。銷試件表面織構(gòu)化前后使用乙醇溶液和丙酮超聲清洗。

圖1 銷-盤摩擦副

六方氮化硼耐高溫、減摩性好，文中將其作為自潤(rùn)滑材料?？紤]到油液浸潤(rùn)和摩擦拖拽作用，六方氮化硼可能迅速釋放，將環(huán)氧樹(shù)脂粉末與之混合,因環(huán)氧樹(shù)脂材料熱固性好，對(duì)金屬黏結(jié)性強(qiáng),可降低六方氮化硼的釋放速度。六方氮化硼與環(huán)氧樹(shù)脂粉末的粒徑均為20 μm，純度均高于99.5%。六方氮化硼和環(huán)氧樹(shù)脂質(zhì)量配比為25∶1，使用球磨機(jī)充分混合后涂覆于銷試件表面織構(gòu)內(nèi)，保壓靜置5 min;然后置入箱式爐熱固化，溫度為200 ℃，時(shí)間為15 min;最后冷卻至室溫，經(jīng)金相砂紙研磨拋光，完成復(fù)合潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)表面制備。

1.2 試驗(yàn)方法

為對(duì)比無(wú)織構(gòu)(No Texture，NT)、純織構(gòu)(Only Texture，OT)和復(fù)合潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)(Composite Lubrication Structure，CLS)表面的減摩性能，按相同工藝制備了OT表面。在相同織構(gòu)面積比前提下，CLS表面織構(gòu)孔徑分別為0.5和1 mm，深度均為0.6 mm。純織構(gòu)表面織構(gòu)孔徑為0.5 mm，深度為0.6 mm。不同銷試件表面形貌如圖2所示，試驗(yàn)工況如表1所示。

圖2 不同銷試件表面形貌

表1 試驗(yàn)安排

如圖3所示，銷-盤摩擦試驗(yàn)在FTM-M30型試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試驗(yàn)機(jī)由加載系統(tǒng)、電機(jī)、傳感器、進(jìn)出油管和擋油槽等組成。使用牌號(hào)CD15W-40潤(rùn)滑油對(duì)摩擦副持續(xù)富油潤(rùn)滑，流量為5 mL/s。試驗(yàn)環(huán)境溫度為24～26 ℃，平均濕度為40%～50%。試驗(yàn)開(kāi)始前，銷試件隨加載系統(tǒng)垂直向下施壓于盤試件。電機(jī)帶動(dòng)盤試件旋轉(zhuǎn)，開(kāi)始摩擦試驗(yàn)。每組試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)為25 min，采樣頻率為40 Hz。

圖3 FTM-M30摩擦試驗(yàn)機(jī)

2 磨合期界定

借助RQA參數(shù)表征摩擦因數(shù)信號(hào)中復(fù)雜特征，從識(shí)別系統(tǒng)狀態(tài)角度界定磨合期。RQA參數(shù)有遞歸率RR、平均對(duì)角線長(zhǎng)度L、確定度DET等，它們對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)變化反應(yīng)極其敏感[16-17]。選用平均對(duì)角線長(zhǎng)度L界定磨合期，其算法如下。

對(duì)時(shí)間序列相空間重構(gòu)[18]，基于相軌跡得到遞歸矩陣：

(1)

由遞歸矩陣?yán)L制遞歸圖。Ri,j=1時(shí)，遞歸圖的第i行和j列坐標(biāo)以黑點(diǎn)顯示，Ri,j=0時(shí)以白點(diǎn)顯示。L是RP中與主對(duì)角線平行的對(duì)角線總長(zhǎng)度均值，公式為

(2)

式中:N為相點(diǎn)總數(shù);p(l)為對(duì)角線結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度為l的數(shù)量;lmin為對(duì)角線的最短長(zhǎng)度，lmin=2。

以編號(hào)5試驗(yàn)為例給出磨合期界定過(guò)程。試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)25 min，采集摩擦因數(shù)信號(hào)為60 000點(diǎn)。劃定每個(gè)窗口為25 s，長(zhǎng)度為1 000點(diǎn)，共60個(gè)窗口。如圖4所示為平均對(duì)角線長(zhǎng)度曲線。按公式(3)定義L的波動(dòng)系數(shù)F，式中Ln為第n個(gè)窗口的L。綜合多次試驗(yàn)，文中磨合期時(shí)長(zhǎng)認(rèn)定為當(dāng)F開(kāi)始落在10%以內(nèi)窗口時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間，并保證往后5個(gè)窗口內(nèi)F均小于10%。如圖4所示，試驗(yàn)5下的F在第13個(gè)窗口時(shí)滿足磨合期定義，每個(gè)窗口時(shí)間為25 s，故磨合期時(shí)長(zhǎng)為325 s。

圖4 平均對(duì)角線長(zhǎng)度曲線

(3)

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 磨合期時(shí)長(zhǎng)

不同銷試件表面的磨合期時(shí)長(zhǎng)如圖5所示。在0.2 m/s、50 N工況下，NT、OT、CLS(0.5 mm)和CLS(1 mm)表面的磨合期時(shí)長(zhǎng)分別為375、200、50和50 s。對(duì)應(yīng)地，1.09 m/s、225 N工況下分別為325、175、125和100 s，1.99 m/s、400 N工況下分別為250、125、100和50 s。3種工況下，NT表面磨合期平均時(shí)長(zhǎng)為317 s，OT表面為167 s，CLS(0.5 mm)表面為92 s，CLS(1 mm)表面為67 s。相比NT表面，CLS(1 mm)表面的磨合期平均縮短率最高，為78.9%。CLS(0.5 mm)表面次之，為71.0%,OT表面最低，為47.3%?？梢?jiàn)，CLS表面可以大幅縮減磨合期，并且在CLS(1 mm)表面下更顯著。

圖5 不同銷表面的磨合期時(shí)長(zhǎng)

3.2 摩擦因數(shù)

不同表面的摩擦因數(shù)如圖6所示。摩擦因數(shù)信號(hào)先快速上升或下降再趨于平穩(wěn),這是由于機(jī)加工后表面在開(kāi)始摩擦?xí)r接觸面積較小，表面壓力過(guò)大，塑性變形劇烈;摩擦界面在動(dòng)態(tài)磨損中逐漸匹配完成磨合，進(jìn)入正常磨損階段后摩擦因數(shù)信號(hào)趨于平穩(wěn)。為對(duì)比不同銷表面在磨合期與正常磨損期的減摩效果，根據(jù)第2節(jié)中的方法劃分磨損狀態(tài)。

圖6 不同工況下各表面的摩擦因數(shù)

如圖7(a)所示，首先對(duì)比不同表面在磨合期的減摩效果。在0.2 m/s、50 N工況下，NT、OT、CLS(0.5 mm)和CLS(1 mm)表面的摩擦因數(shù)分別為0.228 8、0.099 3、0.065 9和0.036 0。對(duì)應(yīng)地，在1.09 m/s、225 N工況下分別為0.153 7、0.107 6、0.057 6和0.025 5。在1.99 m/s、400 N工況下分別為0.232 4、0.094 4、0.062 2和0.024 4。3種工況下，不同表面按摩擦因數(shù)均值從高到低的排序?yàn)镹T、OT、CLS(0.5 mm)和CLS(1 mm)，摩擦因數(shù)均值分別為0.205 0、0.100 4、0.061 9和0.028 6?？梢?jiàn)，CLS表面可獲得較低的摩擦因數(shù)，在CLS表面(1 mm)下最低。

在0.2 m/s、50 N工況下，相比NT表面，OT、CLS(0.5 mm)和CLS(1 mm)表面的減摩率分別是56.7%、71.2%和84.3%。對(duì)應(yīng)地，1.09 m/s、225 N工況下的減摩率分別為30.0%、62.5%和83.4%；1.99 m/s、400 N工況下的減摩率分別為59.4%、73.2%和89.5%。3種工況下，不同表面按平均減摩率從低到高的排序?yàn)镺T、CLS(0.5 mm)和CLS(1 mm)，平均減摩率分別為48.7%、69.0%和85.7%。CLS表面具有更顯著的減摩效果，最好的減摩效果發(fā)生在CLS(1 mm)表面。另外，OT和CLS表面在1.99 m/s、400 N工況下減摩效果更顯著，其減摩率比0.2 m/s、50 N工況和1.09 m/s、225 N工況下平均高出9.4%。

進(jìn)入正常磨損期后的摩擦因數(shù)如圖7(b)所示。在0.2 m/s、50 N工況下，NT、OT、CLS(0.5 mm)和CLS(1 mm)表面的摩擦因數(shù)分別為0.130 4、0.082 9、0.059 2和0.032 3。對(duì)應(yīng)地，在1.09 m/s、225 N工況下分別為0.126 3、0.068 0、0.039 9和0.017 1;在1.99 m/s、400 N工況下分別為0.152 7、0.070 3、0.042 9和0.025 7。3種工況下，不同表面按摩擦因數(shù)均值從高到低的排序?yàn)镹T、OT、CLS(0.5 mm)和CLS(1 mm)，摩擦因數(shù)均值分別為0.136 5、0.073 7、0.047 3和0.025 0?？梢?jiàn)，在CLS(1 mm)表面下獲得最低的摩擦因數(shù)；多數(shù)表面在正常磨損期內(nèi)的摩擦因數(shù)比磨合期內(nèi)更低；磨合期內(nèi)摩擦因數(shù)越低，進(jìn)入正常磨損期后越低。

圖7 不同表面在磨合期和正常磨損期的摩擦因數(shù)

在0.2 m/s、50 N工況下，相比NT表面，OT、CLS(0.5 mm)和CLS(1 mm)表面的減摩率分別是36.4%、54.6%和75.2%。對(duì)應(yīng)地，1.09 m/s、225 N工況下的減摩率分別為46.2%、68.4%和86.5%;1.99 m/s、400 N工況下的減摩率分別為54.0%、71.9%和83.2%。3種工況下，不同表面按平均減摩率從低到高的排序?yàn)镺T、CLS(0.5 mm)和CLS(1 mm)，平均減摩率分別為45.5%、65.0%和81.6%。CLS表面具有更顯著的減摩效果，最好的減摩效果發(fā)生在CLS(1 mm)表面。綜合來(lái)看，OT和CLS表面在1.99 m/s、400 N工況下減摩效果更顯著，其減摩率比0.2 m/s、50 N工況和1.09 m/s、225 N工況下平均高出8.5%。

3.3 討論與分析

不論在磨合期還是正常磨損期內(nèi)，CLS表面減摩效果最好，這源于表面織構(gòu)與六方氮化硼粉末兩方面作用。磨損過(guò)程中，由于摩擦副間的拖拽作用，加之產(chǎn)生摩擦熱，六方氮化硼從織構(gòu)內(nèi)緩釋到潤(rùn)滑油液中，這將增加潤(rùn)滑油的黏度，有利于形成動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)。緩釋的六方氮化硼粉末受摩擦擠壓，在銷表面逐漸形成固體潤(rùn)滑膜。由六方氮化硼形成的固體潤(rùn)滑膜抗剪切能力弱，作為摩擦副中間介層，可有效避免表面直接接觸磨損。六方氮化硼中混入的環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)金屬表面具有良好的黏結(jié)作用，在高摩擦熱下熱固性好，有助于固體潤(rùn)滑膜牢固附于銷表面，可增強(qiáng)表面減摩功能的穩(wěn)定性。

六方氮化硼緩釋后，表面織構(gòu)開(kāi)始發(fā)揮作用。表面織構(gòu)可充當(dāng)微型軸承，以提高摩擦界面間流體動(dòng)壓潤(rùn)滑性能，加強(qiáng)油膜承載能力，減少接觸磨損。摩擦過(guò)程中，尤其在磨合期內(nèi)摩擦表面會(huì)發(fā)生劇烈塑性變形，表面織構(gòu)可收納磨損產(chǎn)物和潤(rùn)滑油，以減少表面異常磨損和保持持續(xù)潤(rùn)滑。CLS表面將固-液-織構(gòu)結(jié)合形成三重潤(rùn)滑系統(tǒng)，具有顯著減摩效果。

磨合期內(nèi)，CLS(1 mm)表面在3種工況下的平均減摩率較CLS(0.5 mm)表面高16.7%；正常磨損期內(nèi)，CLS(1 mm)表面的平均減摩率較CLS(0.5 mm)表面高16.6%。可見(jiàn)，同為CLS表面下，CLS(1 mm)表面的減摩效果優(yōu)于CLS(0.5 mm)表面；CLS(1 mm)表面磨合期更短，平均磨合時(shí)間為67 s，較CLS(0.5 mm)表面提前25 s完成磨合。分析如下，在相同時(shí)間內(nèi)，六方氮化硼粉末在大孔徑下緩釋量更多，有利于較快形成更穩(wěn)定的固體潤(rùn)滑膜。另外，大孔徑微織構(gòu)表面在油潤(rùn)滑下會(huì)產(chǎn)生更大動(dòng)壓承載力，流體動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)增強(qiáng)，減摩效果更顯著，這也有助于摩擦副表面由初始接觸時(shí)的邊界潤(rùn)滑或混合潤(rùn)滑狀態(tài)向流體動(dòng)壓潤(rùn)滑狀態(tài)的加速轉(zhuǎn)變。

OT和CLS表面均在1.99 m/s、400 N工況下，即較高速度和載荷下的減摩效果更顯著。這是因?yàn)椋S著速度和載荷的增加，摩擦界面流體動(dòng)壓潤(rùn)滑性能增強(qiáng)；而在高載荷下，油膜因壓力增大而更為致密，承載能力增強(qiáng)，減摩效果顯著。高速高載下，CLS表面比OT表面有更好的減摩效果，這是由于織構(gòu)貯油等作用，OT表面可實(shí)現(xiàn)一定程度減摩，但在高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)下，潤(rùn)滑油液會(huì)被甩出，OT表面減摩功能的穩(wěn)定性受到影響；而CLS表面形成的固體潤(rùn)滑膜受工況條件影響較小，能持續(xù)較好地發(fā)揮減摩性能。

4 結(jié)論

(1)復(fù)合潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)表面擁有較低的摩擦因數(shù)和顯著的減摩效果。在磨合期內(nèi)，復(fù)合潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)表面在3種工況下的摩擦因數(shù)均值為0.045 3，較無(wú)織構(gòu)表面的減摩率為77.9%。在正常磨損期內(nèi)的摩擦因數(shù)均值為0.036 2，減摩率為73.5%。復(fù)合潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)表面的磨合期最短，平均時(shí)長(zhǎng)為79.5 s，相比無(wú)織構(gòu)表面平均下降75.0%。

(2)在磨合期和正常磨損期內(nèi)，純織構(gòu)和復(fù)合潤(rùn)滑表面的減摩效果在較高速度和載荷的工況下表現(xiàn)更為顯著。另外，銷試件表面在磨合期的摩擦因數(shù)越低，對(duì)應(yīng)進(jìn)入正常磨損期后就越低。

(3)2種復(fù)合潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)表面中，織構(gòu)孔徑為1 mm表面的平均減摩率較0.5 mm表面在磨合期內(nèi)高16.7%，在正常磨損期內(nèi)高16.6%。較大織構(gòu)孔徑下的復(fù)合潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)表面減摩性能更好，磨合期也更短。