劉天霞 李 靖 盧 星 江志波

(1.北方民族大學化學與化學工程學院 寧夏銀川 750021；2.化工技術(shù)基礎(chǔ)國家民委重點實驗室(北方民族大學) 寧夏銀川 750021)

表面織構(gòu)化通常是使用化學或物理的方法在摩擦副表面上制備微/納米結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)非光滑表面[1-2]。研究發(fā)現(xiàn)，具有規(guī)則排列的形貌/圖案的非光滑表面會表現(xiàn)出優(yōu)異的摩擦學性能[3-6]。目前，微米或納米尺度的大凹坑、小凹坑、凹槽、凹痕、橢圓形和圓形等表面紋理，已成功用于多種材料表面并取得了良好的減磨效果[7-9]。表面織構(gòu)已經(jīng)成為汽車氣缸、機械密封、軸承等領(lǐng)域提升摩擦副減摩抗磨性能和處理松動失效的常用技術(shù)[10]。

激光打標已成為制作產(chǎn)品標識的一種常見技術(shù)[11]，光纖激光器具有加工精度高、效率高、安全環(huán)保等優(yōu)點，在精細加工方面有著巨大的優(yōu)勢[12]。但實際操作過程中發(fā)現(xiàn)光纖激光打標機在標刻表面微織構(gòu)時會出現(xiàn)標刻圖形不規(guī)則、標刻不完全等問題，因此本文作者針對表面微織構(gòu)標刻時所存在的問題進行了探討優(yōu)化。

研究人員探究了不同幾何形狀和不同參數(shù)組合的表面紋理在提高摩擦學性能方面的效果[13]。SEID AHMED等[14]利用圓盤球式摩擦試驗機對無紋理和3種有紋理的樣品的摩擦學性能進行了詳細研究。發(fā)現(xiàn)相對于無紋理的表面，有紋理的表面表現(xiàn)出了更低的摩擦因數(shù)和更好的耐磨性。WANG等[15]通過正交試驗，探討了不同織構(gòu)參數(shù)對氣缸-活塞環(huán)摩擦副摩擦磨損特性的影響，發(fā)現(xiàn)表面織構(gòu)是降低氣缸-活塞環(huán)摩擦副摩擦磨損有效途徑。林乃明等[16]采用正交試驗設(shè)計方案，研究表面織構(gòu)的形狀、間距和面積對316L不銹鋼磨損失重的影響。發(fā)現(xiàn)表面織構(gòu)化的316L不銹鋼試樣的摩擦因數(shù)高于表面拋光試樣的摩擦因數(shù)，但磨損失重明顯低于表面拋光試樣，表明表面織構(gòu)化顯著提高了316L不銹鋼的耐磨性。

綜上所述，表面織構(gòu)在改善接觸界面的摩擦學行為方面起到了積極的作用，表面織構(gòu)參數(shù)對于提高材料表面的摩擦性能至關(guān)重要[17]。然而目前國內(nèi)對三角形織構(gòu)的研究較少，關(guān)于三角形織構(gòu)參數(shù)對摩擦學性能的影響程度和摩擦機制還有待進一步探索。本文作者采用蘇州普拉托激光科技有限公司生產(chǎn)的FB-20光纖激光打標機加工不同參數(shù)的三角形織構(gòu)，設(shè)計正交試驗，借助可控氣氛微型摩擦磨損實驗儀研究不同參數(shù)的三角形織構(gòu)的抗磨減摩性能，以獲得三角形織構(gòu)的最優(yōu)參數(shù)，為三角形織構(gòu)在工程中的應用打下基礎(chǔ)。

1 實驗部分

1.1 實驗設(shè)備及材料

光纖激光打標機(FB-20，蘇州普拉托激光科技有限公司生產(chǎn))；3D激光掃描顯微鏡(VK-X200K/X210，KEYENCE)；微機萬能工具顯微鏡(19JPC-V，上海光學儀器一廠生產(chǎn))；超聲波清洗機(AS03T，安萊立思儀器科技有限公司生產(chǎn))；可控氣氛微型摩擦磨損實驗儀(WTM-2E，蘭州中科凱華科技開發(fā)有限公司生產(chǎn))。

304不銹鋼盤(浩瑞金屬官方直銷店)；砂紙(600-3 000目，昆山鑫博銳五金磨具)。

1.2 激光加工參數(shù)對三角形織構(gòu)形貌的優(yōu)化實驗

加工試樣為直徑2.2 cm、厚度3 mm的304不銹鋼圓盤，實驗開始前將其置于無水乙醇中超聲洗滌10 min，以去除表面污染，放在脫脂棉上自然干燥。

利用光纖激光打標機選擇不同的參數(shù)搭配對試樣進行標刻，以線間距、關(guān)光延時、開光延時、結(jié)束延時、拐角延時5個參數(shù)為主，改變參數(shù)并觀察分析標刻效果，找到標刻微織構(gòu)形貌較好的參數(shù)組合，去除加工過程中微凹坑周邊的銳邊、毛刺等缺陷。線間距取值0.01～0.20 mm，每次改變0.01 mm，關(guān)光延時、開光延時、結(jié)束延時、拐角延時分別取值0～300 μs，每次增加10 μs，選擇合適的延時，以其為中心±10 μs再繼續(xù)調(diào)整優(yōu)化；再調(diào)整其余參數(shù)解決光纖激光打標機標刻不全的問題。微織構(gòu)的填充效果選擇雙向填充，保證效率和效果；先標刻填充線再標刻輪廓線；系統(tǒng)默認參數(shù)為功率50%、頻率20 kHz、行走速度1 000 mm/s、開光延時-100 μs、關(guān)光延時100 μs、結(jié)束延時100 μs、拐角延時100 μs、跳轉(zhuǎn)速度4 000 mm/s、跳轉(zhuǎn)位置延時500 μs、跳轉(zhuǎn)位置延時100 μs、光斑大小0.05 mm，織構(gòu)尺寸選擇深度42～47 μm、尺寸50 μm、間距150 μm的等腰三角形(底0.25 mm，高0.125 mm)。每次重復三組避免出現(xiàn)偶然誤差。標刻完成后用萬能工具顯微鏡在100倍下觀察分析形貌，再用3 000目砂紙打磨，去除激光標刻產(chǎn)生的鋼盤表面熔融物并再次拍照保存。

1.3 不同參數(shù)微織構(gòu)對摩擦學性能的影響

加工試樣為直徑2.2 cm、厚度3 mm的304不銹鋼圓盤，鋼盤表面用600、800、1 000、1 500、2 000、2 500、3 000目砂紙分梯度逐級打磨，放入裝有無水乙醇的燒杯中超聲清洗15 min，再放在脫脂棉上自然干燥后先稱量。按設(shè)計要求標刻加工鋼盤，利用打標機軟件里的繪制、修剪、陣列功能，標刻不同形貌表面微織構(gòu)，置于自然環(huán)境下冷卻后，依次用600、800、1 000、1 500、2 000、2 500、3 000目砂紙按橫向和縱向交替打磨，再用拋光膏處理鋼盤表面，超聲清洗15 min后晾干并稱量，備用。

Evaluation of the precipitation estimation accuracy of IMERG over mainland China with CGDPA

摩擦實驗在可控氣氛微型摩擦磨損實驗儀上進行，利用鋼球-鋼盤摩擦副，采取正交試驗，對3種織構(gòu)深度、織構(gòu)尺寸、織構(gòu)間距以及不同形貌對摩擦學性能的影響進行了研究?？棙?gòu)參數(shù)正交設(shè)計方案如表1所示。鋼球材料為GCr15鋼，尺寸為φ6 mm，實驗條件為載荷8.82 N，速度400 r/min，旋轉(zhuǎn)半徑2 mm。每個實驗重復3次。實驗前，在鋼盤表面均勻涂抹一層液體石蠟，浸潤鋼盤表面，并除去多余液體石蠟，以模擬乏油潤滑狀態(tài)。實驗結(jié)束后立即將鋼盤和鋼球放入丙酮中超聲清洗30 min，去除油漬、磨屑等，晾干后稱量并計算磨損量，并用保鮮膜封存，以防止其表面氧化。

表1 不同織構(gòu)參數(shù)正交設(shè)計

1.4 分析方法

在可控氣氛微型摩擦磨損實驗儀上測試各個表面微織構(gòu)的平均摩擦因數(shù)；用微機萬能工具顯微鏡測試表面微織構(gòu)形貌、磨斑直徑、磨痕；用電子天平稱量記錄磨損量并與計算得到的磨損量進行對比。通過磨斑直徑計算磨損量的公式[18]如下所示：

式中：A為磨損量，g；d為磨斑直徑，mm；R為鋼球半徑，mm：ρ為鋼球密度，g/cm3。

2 結(jié)果與討論

2.1 三角形微織構(gòu)形貌加工的最佳參數(shù)組合

選擇不合適的線間距會出現(xiàn)嚴重的重點現(xiàn)象和較差的對稱性；選擇合適的開光延時可以除去開光時產(chǎn)生的重點以及初始段缺筆現(xiàn)象；選擇合適的關(guān)光延時可以有效地除去不閉合與重點現(xiàn)象；結(jié)束延時過大或過小會導致“重影”，即在不該標刻的地方標刻；對激光痕跡影響最大的是拐角延時，拐角延時過大將會對織構(gòu)整體標刻痕跡有影響，如激光痕跡暗淡、缺筆嚴重、模糊不清，最后只剩松散點，如圖1(a)所示。

圖1 微織構(gòu)打磨后形貌

由于激光器以及微織構(gòu)尺寸的限制，只能使標刻痕跡盡可能地優(yōu)化。依次選取適當參數(shù)，通過實驗發(fā)現(xiàn)，修飾加工后效果相對較好的參數(shù)是線間距0.01 mm，開光延時-91 μs，關(guān)光延時114 μs，結(jié)束延時112 μs，拐角延時97 μs。采用該優(yōu)化同參數(shù)加工的微織構(gòu)形貌如圖1(b)所示。通過實驗發(fā)現(xiàn)，5個參數(shù)對表面微織構(gòu)形貌質(zhì)量影響程度為：拐角延時>開光延時>關(guān)光延時>線間距>結(jié)束延時。

2.2 在干摩擦和乏油摩擦條件下未織構(gòu)面與織構(gòu)面對摩擦性能的影響

HUANG等[19]的研究表明，在乏油、低速輕載(400 r/min、8.82 N)條件下，更能體現(xiàn)表面微織構(gòu)容納磨屑和儲存潤滑油的作用。文中在該條件下通過實驗對比研究了深度為42～47 μm、尺寸為50 μm、間距為150 μm的三角形矩陣織構(gòu)與未織構(gòu)表面對摩擦性能的影響，結(jié)果如圖2和圖3所示。比較無織構(gòu)表面添加潤滑劑和未添加潤滑劑2種情況下的摩擦因數(shù)，可以看出潤滑劑對光滑表面有一定的減摩效果。無任何潤滑劑時，摩擦劇烈，且整個實驗過程產(chǎn)生的噪聲較大。添加液體石蠟后，前15 min摩擦因數(shù)比無潤滑劑時顯著降低，曲線整體平緩上升；15 min后，隨著磨屑的增多以及潤滑劑的消耗，摩擦因數(shù)激增，與無潤滑劑時摩擦因數(shù)相似，達到高位后逐漸平穩(wěn)，平穩(wěn)后的摩擦因數(shù)甚至比干摩擦時高。但乏油摩擦比干摩擦的平均磨斑直徑減小約16.8%，如圖3(a)、(b)所示。

圖2 干摩擦和乏油潤滑條件下無織構(gòu) 面與織構(gòu)面摩擦因數(shù)變化曲線

圖3 干摩擦及乏油潤滑擦條件下織構(gòu)面和未織構(gòu)面磨斑直徑

比較圖3中織構(gòu)面在干摩擦和乏油條件下的摩擦因數(shù)，可以看出在干摩擦條件下，織構(gòu)面實驗前期的摩擦因數(shù)相對于未織構(gòu)面平穩(wěn)，在0.5左右波動；當添加液體石蠟后，織構(gòu)面平均摩擦因數(shù)僅為0.128，且磨損量大大減小，如圖3(d)所示。由此可見，表面微織構(gòu)具有一定的儲油能力，在潤滑劑存在的情況下，表面微織構(gòu)的減摩抗磨效果更明顯。

2.3 乏油潤滑條件下不同形貌微織構(gòu)對摩擦學性能的影響

為探討織構(gòu)形貌對摩擦學性能的影響，研究了加工參數(shù)均為深度42～47 μm、尺寸50 μm、間距150 μm的橢圓形、六邊形和三角形微織構(gòu)在乏油、低速輕載(400 r/min、8.82 N)條件下摩擦性能。3種織構(gòu)摩擦因數(shù)隨時間變化曲線如圖4所示?？梢?，相對于橢圓形和六邊形微織構(gòu)，三角形微織構(gòu)的摩擦因數(shù)最低，在整個實驗過程中都表現(xiàn)出較為穩(wěn)定的趨勢，減摩效果最好。如圖5所示，橢圓形微織構(gòu)和六邊形微織構(gòu)的平均磨斑直徑分別為0.378和0.397 mm，三角形微織構(gòu)的平均磨斑直徑僅為0.282 mm，相對于橢圓形微織構(gòu)和六邊形微織構(gòu)的平均磨斑直徑分別減少34%和40.8%?？梢娢⒖棙?gòu)的形貌對其摩擦因數(shù)和磨損量的影響較大，3種形貌中三角形織構(gòu)減摩抗磨效果最好。

圖4 乏油潤滑條件下不同形貌微織構(gòu)摩擦因數(shù)變化

2.4 不同微織構(gòu)參數(shù)對摩擦學性能的影響

圖6展示了不同參數(shù)的三角形織構(gòu)在乏油潤滑條件下的摩擦因數(shù)曲線。圖中標注的1-9分別對應表1中正交試驗的1-9，表示三角形織構(gòu)的具體參數(shù)。從圖中可以看出，所有試件的摩擦因數(shù)均呈現(xiàn)先減后增的趨勢，最終趨于穩(wěn)定，且大部分處于0.1～0.15之間。不同參數(shù)的9種織構(gòu)的摩擦因數(shù)分別穩(wěn)定在0.113、0.108、0.121、0.113、0.132、0.14、0.124、0.135、0.141，其中在織構(gòu)深度為18～23 μm條件下，摩擦因數(shù)最低且穩(wěn)定。

圖6 不同參數(shù)的三角形織構(gòu)的摩擦因數(shù)曲線

圖7所示為摩擦因數(shù)與磨損量隨織構(gòu)參數(shù)的變化。由圖7(a)、(d)可知，隨著織構(gòu)深度的增加，其平均摩擦因數(shù)和磨損量呈現(xiàn)出增大的趨勢。分析其原因是在乏油潤滑時凹坑底部油層會存在回流，回流的產(chǎn)生將會減少從凹坑內(nèi)部進入到收斂間隙的潤滑油，使得楔形效應減弱，升力變?。豢棙?gòu)深度越來越大，導致潤滑油產(chǎn)生的摩擦升力越小，使得平均摩擦因數(shù)和磨損量隨之增大。

由圖7(b)可知，平均摩擦因數(shù)隨著織構(gòu)尺寸的增大而增大。其原因可能是隨著織構(gòu)尺寸的增加，微織構(gòu)內(nèi)部所存儲的潤滑劑會越來越多，使得油膜的動壓效應相對提高，油膜的承載能力和最大壓力也會隨之增大，摩擦因數(shù)降低。但隨著織構(gòu)尺寸的不斷增加，微織構(gòu)內(nèi)潤滑油體積增長速率會快于微織構(gòu)出口面積增加速率，導致堆積在微織構(gòu)內(nèi)部的潤滑油產(chǎn)生反向渦流現(xiàn)象，對油膜的潤滑性能起到消極作用，所以微織構(gòu)的尺寸越大時，其潤滑性能就會越差，因而磨損量增大，如圖7(e)所示。圖7(e)中，在微織構(gòu)尺寸為150 μm時，磨損量相對較小。這可能是由于當微織構(gòu)尺寸為150 μm時，摩擦副動壓效果比較好，在承載力相同情況下，油膜厚度值相對較大，能有效避免粗糙峰接觸，進而磨損區(qū)域減小，磨損量降低。

由圖7(c)、(f)可知，平均摩擦因數(shù)和磨損量隨著織構(gòu)間距的增大，呈現(xiàn)出減小的趨勢。這是因為在激光加工過程中存在著一定的誤差，在微織構(gòu)的邊緣會形成幾微米的毛刺，當微織構(gòu)間距過小時，會使單位面積上的微小毛刺增多，嚴重影響304不銹鋼材料的表面粗糙度和流體動壓潤滑效果的形成；在兩者綜合的作用下，最終導致表面的摩擦因數(shù)和磨損量升高；隨著微織構(gòu)間距的增大表面毛刺的影響逐漸減小，同時微織構(gòu)的作用漸漸顯現(xiàn)，產(chǎn)生了明顯的流體動壓潤滑效果，摩擦因數(shù)和磨損量也得到了有效的降低。說明合適的微織構(gòu)面積率可以提高304不銹鋼材料的減摩抗磨性能。

2.5 不同織構(gòu)參數(shù)的摩擦因數(shù)及磨損量的方差分析

對平均摩擦因數(shù)以及磨損量的實驗結(jié)果進行方差分析，結(jié)果如表2、3所示。將表2中的平均摩擦因數(shù)的F值與F值分布表[20]中的值進行比較，可以發(fā)現(xiàn)深度、尺寸、間距在α=0.05上顯著，且各因素對平均摩擦因數(shù)的顯著性先后順序為深度>尺寸>間距。分析表3中的磨損量，可以發(fā)現(xiàn)深度在α=0.05上顯著，尺寸、間距不顯著；各因素對磨損量的顯著性先后順序為深度>間距>尺寸。

表2 摩擦因數(shù)方差分析

表3 磨損量方差分析

2.6 機制分析

圖8所示為乏油條件下，表面織構(gòu)化試樣和304不銹鋼基材與GCr15鋼球?qū)δ蟮哪ズ坌蚊病D8(a)所示為304不銹鋼基材的磨痕形貌，其磨痕寬度為0.828 mm，磨痕表面出現(xiàn)了明顯的開裂和分層現(xiàn)象。圖8(b)、(c)和(d)所示分別是織構(gòu)加工參數(shù)為42～47 μm、尺寸50 μm、間距150 μm的六邊形、橢圓形和三角形織構(gòu)試樣的磨痕形貌，其磨痕寬度分別是0.441、0.272和0.049 mm，相對于未織構(gòu)面的磨痕寬度分別減少了46.7%、67.1%和94%，且表面相對光滑未出現(xiàn)磨損特別嚴重的現(xiàn)象?？梢姡鄬τ谖纯棙?gòu)面，織構(gòu)面的抗磨效果大大提升，其中三角形未織構(gòu)的抗磨效果最好。 相比于未織構(gòu)的表面，有織構(gòu)表面經(jīng)過強化處理后，其硬度、耐磨性、耐腐蝕性及高溫性能均可獲得較大的提高，因此具有很好的抗疲勞性能，抗磨效果大大提高。表面織構(gòu)化可以減小摩擦副之間接觸面積，減小了摩擦副間的直接接觸，摩擦副在相對滑動過程中會有磨屑產(chǎn)生，微織構(gòu)的存在可以容納磨粒，減弱“三體磨損”的發(fā)生和黏著摩擦，起到減摩抗磨作用。

圖8 乏油潤滑下未織構(gòu)和不同形貌微織構(gòu)試樣磨痕形貌

乏油條件下，織構(gòu)可作為儲油結(jié)構(gòu)，在摩擦副相對運動時提供已儲存的潤滑油來改善潤滑狀態(tài)；織構(gòu)表面織構(gòu)化可以改變摩擦副之間的接觸狀態(tài)以及潤滑狀態(tài)，提高摩擦副的減摩抗磨能力[21]。因此，織構(gòu)除了能減少接觸面積和儲存磨屑外，還可作為一個微小的儲油池，在摩擦副對摩時提供“二次潤滑”，使其形成連續(xù)的潤滑膜；此外表面微織構(gòu)的存在可以增大潤滑面積區(qū)域，從邊界潤滑過渡到混合潤滑，有利于減摩抗磨?？梢姡τ蜐櫥c干摩擦不一樣，其減摩機制并不是單一作用，而是由多種因素共同作用的結(jié)果。

3 結(jié)論

(1)當光纖激光打標機織構(gòu)參數(shù)為線間距0.01 mm，開光延時-91 μs，關(guān)光延時114 μs，結(jié)束延時112 μs，拐角延時97 μs時，加工的304不銹鋼盤三角形微織構(gòu)的形貌質(zhì)量比默認參數(shù)時高。

(2)三角形微織構(gòu)的加工參數(shù)對表面微織構(gòu)形貌質(zhì)量影響程度的先后順序為：拐角延時>開光延時>關(guān)光延時>線間距>結(jié)束延時。

(3)各織構(gòu)因素對平均摩擦因數(shù)的影響程度和影響顯著性先后順序為深度>尺寸>間距，對磨損量影響程度和影響顯著性的先后順序為深度>間距>尺寸。

(4)橢圓形、六邊形和三角形微織構(gòu)3種織構(gòu)中，3種形貌中三角形織構(gòu)減摩抗磨效果最好。三角形微織構(gòu)的平均摩擦因數(shù)和磨損量最小的組合為深度18～23 μm，尺寸50 μm，間距150 μm。

(5)表面微織構(gòu)減摩機制不是單一因素作用，是多個機制共同作用的結(jié)果。