張桔幫，王海軍，陳文剛

（西南林業(yè)大學，云南 昆明 650224）

0 引 言

65Mn 鋼具有硬度高、韌性好、耐磨性好及淬透性高等優(yōu)點，被廣泛用于農業(yè)機械、汽車船舶、鐵路建設、工業(yè)機械等領域關鍵部件的制造[1]，例如深松機具、犁鏵、旋耕刀、彈簧及磨床主軸等。這些部件通常要與水、土壤和巖石等接觸，工況惡劣，磨損嚴重[2]。所以提高65Mn 鋼部件表面耐磨性、延長使用壽命尤為重要。

國內外研究發(fā)現(xiàn)，自然界中生物體表往往具有潤滑、自清潔、減摩耐磨等優(yōu)秀特性，這些特性與其體表的非光滑形態(tài)密切相關[3]，例如：蚯蚓、鯊魚、穿山甲等[4]。而模擬生物體表微結構，在材料表面加工仿生織構亦能獲得減黏、減阻、減摩、耐磨甚至是增摩、防污等多種功能，能有效提升材料表面摩擦學性能[5]。主要減摩機制為：微織構能捕獲磨屑、儲存潤滑劑、減小摩擦面積及產生微流體動壓潤滑效應等[6-7]。

基于仿生學原理，本研究模擬穿山甲鱗片表面結構設計并制備多種仿生織構表面。通過摩擦磨損實驗，探究干摩擦和水潤滑狀態(tài)下仿生織構對65Mn 鋼表面摩擦學性能的影響。為仿生織構在工業(yè)、農業(yè)領域的運用提供依據(jù)，降低磨損消耗，節(jié)約自然資源。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

本研究以65Mn 鋼為實驗基材。采用激光把65Mn 鋼板切割成40 mm×40 mm×8 mm 的規(guī)格，后使用PG-1S 金相式樣磨拋機對試樣進行磨拋處理，去除表面缺陷及氧化層。打磨過程中，分別采用38.0、19.0、12.5、10.0、6.5、5.5、5.0 μm 的SiC 砂紙打磨至出現(xiàn)金屬光澤，后采用金相拋光絨布及W0.5 的金剛石拋光膏將試樣拋光至鏡面，最后用超聲波清洗儀洗凈后油封待用。

1.2 仿生織構表面

通過三維形貌儀掃描提取穿山甲鱗片表面輪廓特征（圖1（a）），提取方式為沿平行線方向掃描垂直與X軸方向的截面曲線輪廓，并讀取點的坐標，得到了穿山甲鱗片表面織構的寬度D、深度h以及間距L（圖1（b）），其形貌數(shù)據(jù)見表1。

圖1 穿山甲鱗片表面形貌圖

表1 鱗片表面織構寬度、深度及間距 單位：μm

對鱗片數(shù)據(jù)適當簡化并通過三維軟件進行模擬，建立以下3 種仿生織構模型，見圖2。仿生織構模型為前端收縮后端舒張的漸變溝槽微織構，每個試樣有8 組仿生織構前后銜接排列，各試樣的織構參數(shù)見表2。仿生織構所包含的參數(shù)有：織構前端寬度D1、后端寬度D2、織構前端間距L1、后端間距L2及旋轉半徑R。采用激光打標機加工仿生織構試樣，加工參數(shù)為：速度5 000 mm/s、功率100%、頻率20 kHz、開/關光延時300μs/100μs、結束延時300μs、拐角延時100 μs、填充方式為回型+Z 型。

圖2 仿生織構試樣

表2 仿生織構參數(shù)

1.3 摩擦磨損實驗

采用MRTR-1 多功能摩擦磨損試驗機進行了干摩擦和水潤滑條件下的摩擦磨損試驗。實驗采用銷-盤摩擦副，摩擦方式為回轉式（上試樣固定不動，下試樣為旋轉部件），上試樣為直徑5 mm、高15 mm 的圓柱形GCr15 軸承鋼。

本研究進行了2 種工況測試：（1）干摩擦狀態(tài)下，測試了有無織構、不同尺寸以及不同旋轉半徑等參數(shù)對照組的摩擦磨損性能。（2）水潤滑狀態(tài)下，重復上述對照實驗。測試過程中用吸管把水添加到銷-盤摩擦副表面讓接觸點保持浸潤狀態(tài)。為減少實驗偶然性，每個對照組均進行3 次重復實驗。設置固定參數(shù)：轉速為150 r/min、載荷為5 N、時間為120 min，每組實驗均保持不變。每次實驗前后均對上下試樣進行清洗稱重記錄，并采用光學顯微鏡觀察試樣磨損形貌。

2 結果與分析

圖3 為不同潤滑條件下摩擦系數(shù)隨時間的變化曲線圖。可以看出，不同參數(shù)及條件下試樣的摩擦系數(shù)有顯著差異。干摩擦狀態(tài)下，前期3 種仿生試樣的摩擦系數(shù)緩慢上升，且均低于無織構試樣的摩擦系數(shù)，有一定減摩效果，在趨于穩(wěn)定后并無明顯減摩效果；而無織構試樣的摩擦系數(shù)在短時間內急劇上升，系數(shù)波動較大。如圖5（a）、（b）所示，實驗后無織構試樣表面出現(xiàn)大量長距離犁溝磨痕，磨損嚴重，大量磨屑附著于摩擦表面；而實驗后仿生織構并未完全磨損失效，且接觸面磨痕較少（圖5（d）），從圖5（c）可以看出，磨屑主要附著于微織構凹坑內，摩擦副接觸表面只有少量磨屑附著，此外還有大量磨屑堆積于接觸面內圈。由此可見，摩擦磨損過程中織構可以起到收集磨粒的作用，能有效降低磨屑對試樣表面的磨損[8]。織構形貌對磨屑的存儲能力直接影響織構表面的減摩能力，后期摩擦系數(shù)的升高與織構內磨屑存儲過多有直接關系?？棙嫳砻娓淖兞私缑娴倪B續(xù)性，致使摩擦副無法形成長距離連續(xù)劃痕從而抑制摩擦磨損，說明摩擦力和摩擦系數(shù)穩(wěn)定性與表面接觸條件有關[9]。

圖3 干摩擦狀態(tài)下摩擦系數(shù)

圖5 干摩擦試樣表面磨損形貌

實驗結果表明，適當?shù)谋砻婵棙嬆苡行p低水潤滑狀態(tài)下65Mn 鋼的摩擦系數(shù)（圖4）。水潤滑狀態(tài)下仿生織構試樣12.5-0.4 型和12.5-0.6 型具有良好的減摩效果，相較于無織構試樣，試樣12.5-0.4 型的平均摩擦系數(shù)比無織構平均摩擦系數(shù)降低了37.6%，試樣12.5-0.6 型降低了26.4%，摩擦系數(shù)均比較穩(wěn)定。而試樣7.5-0.6 型摩擦系數(shù)較大，并無明顯減摩效果，顯然旋轉半徑（線速度）是影響織構表面水潤滑狀態(tài)下摩擦學性能的重要因素。

圖4 水潤滑狀態(tài)下摩擦系數(shù)

圖6 顯示了2 種工況下上試樣的磨損質量?？梢钥闯觯赡顟B(tài)下織構試樣12.5-0.4 型、12.5-0.6型磨損質量有所下降，具有一定減磨效果。這與上述平均摩擦系數(shù)所反映的結論一致。相較于干摩擦，12.5-0.4 型及12.5-0.6 型試樣實驗組在水潤滑狀態(tài)下，上試樣磨損質量大幅降低（圖6），具有良好減磨效果，試樣7.5-0.6 型次之，而無織構試驗組減磨效果甚微。說明適合的參數(shù)條件下，仿生織構表面能促進摩擦表面形成穩(wěn)定的潤滑水膜，從而分離摩擦表面，改善摩擦性能。在轉速150 r/min、載荷5 N 的水潤滑條件下，無織構光滑表面難以形成穩(wěn)定的潤滑水膜，所以上試樣磨損質量最大；試樣7.5-0.6 型表面形成了較穩(wěn)定的潤滑水膜，但水膜承載能力不如12.5-0.4 型試樣。說明旋轉半徑（線速度）是影響織構試樣表面潤滑水膜承載能力的重要因素。

圖6 上試樣摩擦質量

3 結 語

實驗結果表明，摩擦磨損過程中仿生織構可以起到捕獲磨粒的作用，能有效提升材料表面摩擦學性能。合適的參數(shù)條件下，材料表面織構化有益于獲得較為穩(wěn)定的摩擦系數(shù)。

水潤滑條件下，仿生織構表面能促進摩擦表面形成穩(wěn)定的潤滑水膜，獲得良好的減摩潤滑效果；在轉速為150 r/min、載荷為5 N 的工況下，仿生織構試樣12.5-0.4 型和12.5-0.6 型具有良好的減摩效果，試樣12.5-0.4 型的平均摩擦系數(shù)降低了37.6%，試樣12.5-0.6 型降低了26.4%。因此，仿生織構是提升農業(yè)、工業(yè)機具表面耐磨抗磨性的重要研究方向。