戴一帆，李娟，陳文剛，李昊，劉云偉，劉偉，譚澤飛

(西南林業(yè)大學(xué)機械與交通學(xué)院,昆明 650224)

聚四氟乙烯(PTFE)具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、較低的摩擦系數(shù)和高溫穩(wěn)定性[1-3]。目前,在高性能機械密封件中的應(yīng)用中越來越廣泛。液壓密封件的基本工作原理是通過為液壓系統(tǒng)提供適當?shù)拿芊鈦矸乐刮廴疚镞M入系統(tǒng)或防止液壓油泄漏。但由于PTFE力學(xué)強度低,在與鋼為基體配副對磨時,會產(chǎn)生嚴重的磨損,從而導(dǎo)致密封失效。因此有必要對PTFE的磨損失效進行研究。

一般的摩擦學(xué)理論認為,越光滑的表面會帶來越優(yōu)異的摩擦學(xué)性能。因此,在過去,研究人員通過提高材料的表面精度來改善摩擦性能。然而研究表明,具有微織構(gòu)凹槽的不平面也具有優(yōu)異的摩擦學(xué)性質(zhì)[4-5]。Chen等[6]采用激光在304不銹鋼表面加工了酒窩形狀織構(gòu),研究了酒窩織構(gòu)在油潤滑條件下的摩擦學(xué)性能。結(jié)果表明,織構(gòu)的存在能有效地起到減摩抗磨的作用。Krupka等[7]討論了微織構(gòu)形態(tài)對油膜厚度的影響。研究表明織構(gòu)可以明顯增加油膜厚度。Rahmani 等[8]使用優(yōu)化程序找到最佳尺寸參數(shù)織構(gòu),發(fā)現(xiàn)織構(gòu)的存在增加了非對稱織構(gòu)滑塊軸承的承載能力和潤滑劑流量比,同時降低了摩擦系數(shù)。Yang等[9]研究了織構(gòu)橫截面形狀對流體動力潤滑的影響。結(jié)果表明,在低負荷、低速條件下,球面織構(gòu)能明顯降低摩擦系數(shù)。與之相反,Jendoubitff 等[10]使用飛秒激光對PTFE 表面進行微織構(gòu)處理,并研究了織構(gòu)處理后的摩擦學(xué)特性。結(jié)果表明,織構(gòu)表面摩擦系數(shù)增加。這可能是因為接觸中的高壓導(dǎo)致流體部分或完全填充腔體,腔體中出現(xiàn)渦流,并且由于黏性耗散而增加摩擦。Galda等[11]研究了光滑和織構(gòu)處理的軸承表面在發(fā)生潤滑轉(zhuǎn)化時的摩擦學(xué)性能,結(jié)果表明,在穩(wěn)定的負載和速度下,光滑表面的摩擦學(xué)性能優(yōu)于織構(gòu)處理表面。很明顯,不同織構(gòu)處理在不同環(huán)境下對摩擦學(xué)性能的影響各不相同,需要系統(tǒng)地研究織構(gòu)處理對材料表面摩擦學(xué)性能的影響。

目前研究中微織構(gòu)主要應(yīng)用于金屬-金屬材料摩擦副中,非金屬-金屬摩擦副研究非常少。故筆者從仿真分析和實驗研究兩方面來探究表面織構(gòu)對PTFE/GCr15 軸承鋼摩擦副摩擦學(xué)特性。一般采用Navier-Stokes(N-S)方程來模擬織構(gòu)表面潤滑特性,借助Fluent 2021 R2 來計算模擬,針對圓形、三角形、水滴形織構(gòu)作為研究對象,討論其流體動力學(xué)。為檢測摩擦特性,進行銷-盤摩擦磨損實驗,其中上面試樣為PTFE材料,下面試樣為GCr15軸承鋼,織構(gòu)通過激光加工到GCr15 表面,來探究其對偶副PTFE 在不同形狀織構(gòu)和不同轉(zhuǎn)速下的磨損情況,其中潤滑條件為水潤滑和油潤滑。

1 流場仿真模型

1.1 流場幾何模型簡化以及相關(guān)參數(shù)設(shè)置

圖1為流場簡化過程。將回轉(zhuǎn)式流場延伸成一個直線流場,再截取一個織構(gòu)進行流場分析。模型計算的邊界條件為：所有壁面均使用無滑移邊界條件,上壁面靜止,下壁面移動,當延伸成直線場時,轉(zhuǎn)速為100,500,1 000 r/min 對應(yīng)的移速分別為0.105,0.525 m/s和1.05 m/s,前后左右4個壁面設(shè)為周期邊界。由于設(shè)置的周期邊界,因此前后左右邊界各點對應(yīng)壓力和流量等相同,且有效地模擬了一個無限大的流場區(qū)域。圖中也標示了油膜尺寸和織構(gòu)尺寸,油膜厚度為10 μm,織構(gòu)的深度為30 μm。

圖1 流場簡化過程

由于存在周期邊界,通過Hypermesh 畫出各簡化后的織構(gòu)流場六面體網(wǎng)格,且對應(yīng)的周期邊界處網(wǎng)格應(yīng)對齊,為了保證求解精度,網(wǎng)格數(shù)量控制在80 萬左右,最后導(dǎo)入Fluent 進行參數(shù)設(shè)置。流場的黏性物理模型采用層流,由于考慮空化效應(yīng)對動壓潤滑的影響,還采用兩相流中的Schnerr-Sauer 空化模型來進行計算,其中兩相分別為氣態(tài)和液態(tài)。壓力速度耦合用Coupled 方式,壓力采用Presto,動量采用Second Order Upwind,其它保持默認設(shè)置。計算需要的相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 計算參數(shù)

2 流場模型計算結(jié)果分析

2.1 空化對動壁面壓力影響

根據(jù)仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn),水作為介質(zhì)時,流經(jīng)織構(gòu)內(nèi)腔的壓力并未降到空化壓力,所以并未產(chǎn)生空化現(xiàn)象；當潤滑油作為介質(zhì)時,轉(zhuǎn)速為100 r/min 也無法產(chǎn)生空化氣泡,只有500 r/min和1 000 r/min時產(chǎn)生了空化氣泡。圖2 為轉(zhuǎn)速1 000 r/min 時,考慮空化和未考慮空化三角織構(gòu)移動壁面的絕對壓力分布圖,即當絕對壓力小于大氣壓時,表明產(chǎn)生了負壓；絕對壓力大于大氣壓時,表明處于增壓區(qū)。未考慮空化時,由圖2a可見,潤滑油在進入織構(gòu)時,產(chǎn)生了負壓區(qū),負壓區(qū)主要集中在織構(gòu)入口處。產(chǎn)生這種現(xiàn)象主要是由于具有一定黏度的流體進入收斂區(qū)域就會產(chǎn)生壓力,即流體動力潤滑的楔效應(yīng)[12]。當考慮空化時,由圖2b 可見,很明顯發(fā)現(xiàn)負壓區(qū)最低壓力等于空化壓力30 000 Pa。由此可知,空化抑制了負壓增加,且產(chǎn)生空化時,織構(gòu)出口處最高壓力大于不考慮空化時的壓力。因此可以推斷空化形成有利于微織構(gòu)在提高摩擦磨損性能更明顯。圖3是轉(zhuǎn)速為500 r/min和1 000 r/min產(chǎn)生氣泡體積分數(shù),氣泡主要分布在移動下壁面織構(gòu)入口處,隨著速度升高,油蒸汽體積分數(shù)占比越大,且空化區(qū)域逐漸向織構(gòu)中部擴散。

圖2 三角織構(gòu)未考慮空化和考慮空化移動下壁面絕對壓力云圖(1 000 r/min)

圖3 不同轉(zhuǎn)速下三角織構(gòu)產(chǎn)生的氣體體積分數(shù)

2.2 潤滑特性分析

圖4 為1 000 r/min下水潤滑和油潤滑油膜內(nèi)部產(chǎn)生的壓力云圖。流體從左邊進入織構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生負壓,在織構(gòu)入口處產(chǎn)生負壓絕對值最大,然后逐漸向右發(fā)散,負壓逐漸減小并開始產(chǎn)生正壓,正壓向右開始收斂,在織構(gòu)出口處產(chǎn)生的正壓值達到最大。由圖4a3 可以看出,在水潤滑中水滴織構(gòu)流場產(chǎn)生的正壓力最大,最大正壓值為1 051.59 Pa,且正壓區(qū)間也大于其它織構(gòu),正壓與負壓絕對值之差最大,產(chǎn)生的動壓效果最好。由圖4a2可知,三角織構(gòu)正壓區(qū)最大壓力為987.74 Pa,但是產(chǎn)生的負壓絕對值也較大,產(chǎn)生的動壓效果遠不及水滴織構(gòu)。由圖4a1 圓形織構(gòu)作為對稱織構(gòu),正壓和負壓絕對值之差較小,且產(chǎn)生的正壓范圍較其它兩種織構(gòu)也比較小。由圖4b1～圖4b3可以看出,在油潤滑條件下,仍然是水滴織構(gòu)產(chǎn)生的動壓效果最好。與水潤滑相比,油潤滑產(chǎn)生的流場壓力遠高于水潤滑,壓力絕對值為水潤滑條件產(chǎn)生的壓力值的70～100 倍。這主要和流體動力黏度和密度有關(guān),其中潤滑油的動力黏度值為液態(tài)水的84倍。另外一個原因就是,在1 000 r/min 轉(zhuǎn)速下,由于潤滑油空化壓力絕對值比水潤滑要大,流場會產(chǎn)生空化,也能促進流場的動壓效應(yīng)。圖5為水潤滑和油潤滑條件下各個織構(gòu)在不同轉(zhuǎn)速下的油膜內(nèi)部中心軸線壓力變化曲線。由圖5可以看出,隨著速度的升高,各潤滑條件下產(chǎn)生的壓力越大,油膜和水膜的承載能力越強。其中在100 r/min 時,由于轉(zhuǎn)速較低,各織構(gòu)產(chǎn)生的流體動壓效果不明顯。由以上可知,在水潤滑中,由于液態(tài)水動力黏度較低,所以產(chǎn)生的水膜不穩(wěn)定,水膜承載力非常弱,其中在中高轉(zhuǎn)速下水滴織構(gòu)產(chǎn)生最大的正壓值最大,動壓效果最好,在低轉(zhuǎn)速下,三種織構(gòu)產(chǎn)生的動壓效果均不明顯。在油潤滑中,由于黏度較高,能產(chǎn)生穩(wěn)定的油膜,且油承載力高,其中水滴織構(gòu)產(chǎn)生的動壓效果最好并且水滴織構(gòu)流場油膜承載力也最大。

圖4 不同潤滑條件下油膜內(nèi)部壓力云圖(轉(zhuǎn)速為1 000 r/min)

圖5 不同轉(zhuǎn)速和潤滑條件下各織構(gòu)油膜內(nèi)部中心軸線壓力變化曲線

3 實驗部分

3.1 主要原材料

PTFE：浙江松華新材股份有限公司；

GCr15軸承鋼：昆山銘信誠金屬材料有限公司。

3.2 儀器及設(shè)備

金相試樣磨拋機：PG-1S 型,三思永恒科技(浙江)有限公司；

移動旋轉(zhuǎn)激光打標機：FLS-FB50 型,蘇州英谷激光公司；

多功能摩擦磨損試驗機：MR-070 型,濟南藍波實驗設(shè)備有限公司；

光學(xué)顯微鏡：YM200 型,濟南恒旭試驗機技術(shù)有限公司；

電子分析天平：FA324C 型,上海衡際科學(xué)儀器有限公司；

超聲波清洗機：SB25-12DTDS 型,寧波新藝超聲設(shè)備有限公司。

3.3 試樣制備

PTFE 通過金相切割機加工成直徑為5 mm,高為20 mm的圓柱銷。GCr15加工成40 mm×40 mm×8 mm矩形體,借助金相試樣磨拋機進行打磨拋光。拋光后,通過激光打標機在光滑面加工圓形、三角形、水滴形織構(gòu),激光打標參數(shù)為：激光輸出功率為50 W,速度為2 000 mm/s,激光加工次數(shù)為5次?？棙?gòu)排列方式為圓周排列,且控制三種形狀的織構(gòu)面積一致,面積占有率均控制在31%,織構(gòu)具體參數(shù)可見圖1。激光加工后,使用1 200 目(2.1 μm)砂紙對下試樣表面打磨,使所有試樣表面粗糙度保持在3.5～5 μm。

3.4 摩擦磨損實驗

筆者通過摩擦磨損試驗機進行銷-盤回轉(zhuǎn)運動。上試樣為PTFE 圓柱銷,下試樣為激光加工處理好的GCr15。本次實驗主要有3 個因素：一是轉(zhuǎn)速(100,500,1 000 r/min)；二是下試樣表面的織構(gòu)形式(無織構(gòu)、圓形織構(gòu)、三角織構(gòu)、水滴織構(gòu))；三是潤滑條件(油潤滑和水潤滑),潤滑劑直接滴在下試樣表面。探究這些因素對上試樣PTFE磨損情況。實驗施加的載荷為20 N,時間為15 min,旋轉(zhuǎn)半徑為10 mm,在室溫和大氣條件下進行。實驗前后所有試樣通過超聲波清洗機清洗,通過電子分析天平稱量磨損前后試樣的質(zhì)量變化,每個試樣稱三次,取平均數(shù)。實驗完成后通過光學(xué)顯微鏡拍攝上下試樣磨損表面,便于后續(xù)分析。

4 結(jié)果與討論

4.1 摩擦系數(shù)分析

圖6為不同織構(gòu)在水潤滑條件下不同轉(zhuǎn)速的摩擦系數(shù)曲線。由圖6 可以看出,水潤滑條件下所有試樣的摩擦系數(shù)均偏高。在轉(zhuǎn)速為100 r/min時,前9 min織構(gòu)試樣均有明顯的減摩效果,其中三角織構(gòu)減摩效果最佳,平均摩擦系數(shù)降低了54.32%。隨著時間的增加,圓形織構(gòu)和水滴織構(gòu)組摩擦系數(shù)逐漸高出無織構(gòu)組,甚至出現(xiàn)了增摩效果,且水滴織構(gòu)組摩擦系數(shù)也有增加的趨勢,相反無織構(gòu)組摩擦系數(shù)卻在降低。這是由于潤滑劑隨著時間逐漸流失,潤滑狀態(tài)漸漸處于饑水狀態(tài),甚至產(chǎn)生了干摩擦。在表面粗糙處理下,無織構(gòu)試樣表面形成了溝槽,其它織構(gòu)表面則形成了一種復(fù)合織構(gòu)。所以在全水潤滑條件下,三種織構(gòu)處理的表面減摩效果優(yōu)于無織構(gòu)表面。相反,在饑水狀態(tài)下,經(jīng)過表面粗糙處理的無織構(gòu)組效果還優(yōu)于水滴和圓形復(fù)合織構(gòu)。在轉(zhuǎn)速為500 r/min時,所有試樣表現(xiàn)較高的摩擦系數(shù),穩(wěn)定時摩擦系數(shù)主要在[0.24～0.28]之間,其中三角形織構(gòu)組和無織構(gòu)組摩擦系數(shù)波動了3 min就直線上升,水滴織構(gòu)組摩擦系數(shù)是呈階梯形上升直至穩(wěn)定,圓形織構(gòu)組摩擦系數(shù)很快就達到了穩(wěn)定階段。最后穩(wěn)定階段,粗糙處理后的無織構(gòu)試樣摩擦系數(shù)最低。在轉(zhuǎn)速為1 000 r/min 時,所有組穩(wěn)定摩擦系數(shù)均偏高,分布在[0.25～0.28]之間,織構(gòu)處理的試樣并沒有明顯減摩效果。由以上可知,在實驗時間內(nèi),水潤滑條件下,低轉(zhuǎn)速時,前期各個織構(gòu)組均有減摩效果,其中三角織構(gòu)組減摩效果最好,饑水狀態(tài)下,粗糙處理的無織構(gòu)試樣摩擦系數(shù)反而低于水滴織構(gòu)和圓形織構(gòu)。在中高速時,可以發(fā)現(xiàn)織構(gòu)組減摩區(qū)間非常短,甚至不存在減摩效果,這是由于在高速下,水的流失率更高。在這種邊界潤滑下,織構(gòu)處理試樣的減摩效果并不佳,相反,在500 r/min時,粗糙處理過的無織構(gòu)表面表現(xiàn)出較低的摩擦系數(shù)。

圖6 在水潤滑下不同織構(gòu)不同轉(zhuǎn)速的摩擦系數(shù)

圖7 為油潤滑不同織構(gòu)下不同轉(zhuǎn)速的摩擦系數(shù)。由圖7 可以看出,各試樣摩擦系數(shù)明顯低于水潤滑條件下的摩擦系數(shù),且有較強穩(wěn)定性,這主要是由于潤滑油的黏性遠高于水,且由仿真結(jié)果可知油潤滑在織構(gòu)處產(chǎn)生的壓力遠大于水潤滑,油膜產(chǎn)生的承載力遠優(yōu)于水膜產(chǎn)生的承載力。在轉(zhuǎn)速為100 r/min 時,水滴織構(gòu)試樣的平均摩擦系數(shù)為0.053 8,無織構(gòu)試樣的平均摩擦系數(shù)為0.074,水滴織構(gòu)試樣的摩擦系數(shù)比無織構(gòu)試樣的降低了27.06%；三角織構(gòu)也具有減摩效果,與無織構(gòu)試樣相比,摩擦系數(shù)降低了14.44%,而圓形織構(gòu)產(chǎn)生了增摩效果。在轉(zhuǎn)速為500 r/min和1 000 r/min時,與100 r/min轉(zhuǎn)速相比,摩擦系數(shù)升高了不少。但是水滴織構(gòu)試樣的減摩效果仍是最好的,其次是三角織構(gòu),而圓形織構(gòu)仍然沒有減摩效果。由以上可知,在油潤滑條件下,各試樣保持著較低的摩擦系數(shù),其中水滴織構(gòu)試樣在三種轉(zhuǎn)速下,都保持著優(yōu)異的減摩效果；三角織構(gòu)試樣隨著轉(zhuǎn)速的增加,減摩效果逐漸減弱；相反,圓形織構(gòu)產(chǎn)生了增摩效果。雖然不少研究均得出油潤滑條件下,織構(gòu)能夠起到“儲油存屑”的作用,能夠減少磨粒對材料表面的磨損影響,也能增加潤滑效果,對材料表面減摩抗磨有促進作用[13-15],但是也需要從織構(gòu)其它方面如織構(gòu)形狀、排列、面積占有率等考慮,織構(gòu)面積或者面積占有率過大,就會減少表面接觸面積,從而會使表面產(chǎn)生更大的接觸應(yīng)力?？棙?gòu)的引入也會增加表面粗糙度,較大的粗糙度也可能會增大摩擦系數(shù)。在實驗中,無織構(gòu)比圓形織構(gòu)摩擦系數(shù)還低的原因主要是由于PTFE 材料本身硬度低,且為自潤滑材料,在摩擦過程中能形成穩(wěn)定的油膜,摩擦生熱也易于傳導(dǎo),從而起到減摩效果[16]。

圖7 在油潤滑下不同織構(gòu)不同轉(zhuǎn)速的摩擦系數(shù)

4.2 磨損形貌和磨損量分析

圖8為不同織構(gòu)在轉(zhuǎn)速1 000 r/min水潤滑條件下PTFE和對偶副GCr15軸承鋼磨損表面。

圖8 轉(zhuǎn)速1 000 r/min和水潤滑條件下PTFE/GCr15磨損表面

由圖8 可以明顯看出,PTFE 表面出現(xiàn)了磨痕,而GCr15 軸承鋼仍然只存在壓印,這主要是因為兩種材料強度差異大造成的。無織構(gòu)、圓形織構(gòu)和三角織構(gòu)組的PTFE磨損較嚴重,表面出現(xiàn)了犁溝,且邊角處有明顯的材料剝落。水滴織構(gòu)的PTFE表面也產(chǎn)生了凹痕,但是其深度明顯低于其它織構(gòu)。其主要磨損機制是磨粒磨損,且伴隨著疲勞磨損。表2 為水潤滑條件下不同轉(zhuǎn)速和不同織構(gòu)PTFE 的磨損量。在低轉(zhuǎn)速時,圓形和三角織構(gòu)試樣幾乎沒有磨損,而水滴織構(gòu)相對于無織構(gòu)表面質(zhì)量降低了4.3 mg。在中等轉(zhuǎn)速時,三角織構(gòu)磨損量高出無織構(gòu)試樣,其中水滴織構(gòu)抗磨性表現(xiàn)得較好。在高轉(zhuǎn)速時,所有試樣磨損量都接近,但仍然是水滴織構(gòu)減磨效果最好,與無織構(gòu)相比,磨損量減少了5 mg。圖9 為油潤滑條件下的PTFE 和對偶副GCr15 軸承鋼磨損表面圖。從圖9 看出,GCr15 織構(gòu)表面幾乎沒有磨損,表面只存在摩擦后的壓印,而PTFE表面幾乎也沒有磨損,并且通過稱量實驗后所有PTFE的質(zhì)量,發(fā)現(xiàn)PTFE的質(zhì)量變化均在0.3 mg內(nèi),屬于誤差范圍內(nèi),即沒有任何磨損,這說明在油潤滑條件下PTFE/GCr15軸承鋼具有良好的減摩效應(yīng)。這主要是由于潤滑油在滑動過程中產(chǎn)生了較高的油膜承載力,很好地避免了PTFE 和GCr15 軸承鋼的直接接觸,且具有深度的織構(gòu)對增加油膜的厚度也有一定促進作用[7]。

表2 水潤滑條件下不同轉(zhuǎn)速和不同織構(gòu)的PTFE磨損量 mg

圖9 油潤滑條件下PTFE和對偶副織構(gòu)處理的GCr15軸承鋼磨損表面

5 結(jié)論

(1)由Fluent 仿真分析可得,在不同潤滑介質(zhì)下,油潤滑產(chǎn)生的壓力是水潤滑的100倍,油膜承載力遠高于水膜。在相同的轉(zhuǎn)速下,表面為水滴織構(gòu)、三角織構(gòu)、圓形織構(gòu)產(chǎn)生的壓力依次遞減。相同潤滑介質(zhì)下,隨著轉(zhuǎn)速的增加流場產(chǎn)生壓力也逐漸升高。在中高轉(zhuǎn)速下,各織構(gòu)在油潤滑條件下均產(chǎn)生了空化,空化抑制了負壓的增加,從而對流場壓力的增加產(chǎn)生了積極作用。

(2)通過激光加工技術(shù)在PTFE的對偶副GCr15軸承鋼表面制備圓形、三角、水滴織構(gòu),面積占有率均為31%,且對所有試樣進行粗糙處理。在不同潤滑條件下,進行不同工況的摩擦磨損實驗,探究PTFE 磨損情況。實驗結(jié)果表明,水潤滑中,隨著轉(zhuǎn)速升高,流場水潤滑極其不穩(wěn)定,迅速就由全水潤滑進入邊界潤滑的狀態(tài)。三角織構(gòu)和圓形織構(gòu)適用于低轉(zhuǎn)速工況,能明顯降低摩擦系數(shù)和PTFE 的磨損質(zhì)量。在中高轉(zhuǎn)速下,水滴織構(gòu)具有較好的承壓能力,能明顯減少PTFE的磨損量。在油潤滑中,由于潤滑油的黏性大,在粗糙處理過的各試樣表面均能形成一層較穩(wěn)定的油膜,從而避免摩擦副直接接觸,因此PTFE 的磨損量均保持在0.3 mg 以內(nèi)。其中,水滴織構(gòu)在三種轉(zhuǎn)速下均保持最優(yōu)的減摩抗磨性能,最佳減摩效率達27.60%。

(3)粗糙處理過的各試樣表面均有3.5～5 μm 的凹痕,在潤滑過程中也能起到儲存磨屑和潤滑劑的功效,且PTFE 本身就是自潤滑材料能夠更好地吸收潤滑劑。故在實驗中,油潤滑條件下,無織構(gòu)試樣摩擦系數(shù)與圓形織構(gòu)的摩擦系數(shù)相近,甚至更低。說明在這種工況下這種微凹槽減摩效果比圓形復(fù)合凹槽效果更好。因為針對織構(gòu)的減摩抗磨分析,應(yīng)該從多個因素多個工況進行考慮,并不是所有織構(gòu)均有減摩效果。