薛 超,盧 艷,陳 娟

(1.武漢科技大學(xué)冶金裝備及其控制教育部重點實驗室,湖北 武漢,430081；2.武漢科技大學(xué)機械傳動與制造工程湖北省重點實驗室,湖北 武漢,430081)

隨著人類科技的進步、工業(yè)水平的不斷提升，現(xiàn)代工業(yè)對機械傳動系統(tǒng)中摩擦表面的穩(wěn)定性、耐磨性和潤滑特性都提出了更高的要求。傳統(tǒng)摩擦學(xué)理論認為，相互接觸的結(jié)構(gòu)表面越光滑，摩擦系數(shù)及磨損量就越小。但是，在上個世紀60年代Hamilton等[1]指出，表面微織構(gòu)在平行摩擦副表面可當(dāng)做微型動壓軸承，從而改善結(jié)構(gòu)表面的摩擦、潤滑性能[2-3]。也就是說，并非結(jié)構(gòu)表面越光滑其摩擦性能就越好，具有微織構(gòu)的結(jié)構(gòu)表面在潤滑油的作用下，微織構(gòu)的凹槽內(nèi)部可以儲存一部分潤滑油，在兩個結(jié)構(gòu)表面的相對運動中形成動壓潤滑以減小兩表面的摩擦阻力?，F(xiàn)代工業(yè)技術(shù)提供了多種加工方法來構(gòu)建不同的表面織構(gòu)，如激光表面微造型技術(shù)(LST)[4]、表面噴丸處理技術(shù)[5]、反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)(RIE)[6]等。目前，與表面織構(gòu)應(yīng)用相關(guān)的研究可分為兩類，一是借助微/宏觀尺度織構(gòu)的動壓潤滑特性來研究織構(gòu)的減阻性能[7-8]，二是利用微/納尺度織構(gòu)的疏水或者超疏水特性[9-10]，建立微通道模型來研究其減阻性能。其中圍繞表面織構(gòu)的動壓潤滑性能，Ramesh等[11]和Wakuda等[12]研究了圓孔型織構(gòu)化機械密封的摩擦學(xué)性能和密封性能，指出圓孔織構(gòu)分別在混合潤滑區(qū)和全膜潤滑區(qū)具有增摩和減摩的效果[13]。本課題組對微循環(huán)表面網(wǎng)狀形態(tài)的織構(gòu)潤滑特性進行了研究，結(jié)果表明，微循環(huán)網(wǎng)狀形態(tài)的織構(gòu)可有效地改善表面摩擦性能[14]。同時，織構(gòu)的排布與形狀也是影響織構(gòu)動壓潤滑效果的因素，Sahlin等[15]利用計算流體力學(xué)(CFD )法分析了不同織構(gòu)的油膜壓力分布，為織構(gòu)排布優(yōu)化設(shè)計提供了參考。劉東雷等[16]采用皮秒激光技術(shù)實現(xiàn)了鑄鐵表面的微織構(gòu)化，發(fā)現(xiàn)具有凹坑、網(wǎng)紋、斷紋和光滑等 4 種不同形貌的表面摩擦磨損性能依次降低；另一方面,大量研究已證實，微織構(gòu)在流-固表面接觸條件下也能產(chǎn)生很好的減阻效果，因為微/納尺度的織構(gòu)往往具有較好的疏水/超疏水性能[17]，可以有效減小流-固表面摩擦力。本課題組利用電化學(xué)法制備了層級微織構(gòu)，并證實了所制織構(gòu)具有超疏水特性，同時借助建立微通道模型驗證了該織構(gòu)的減阻特性[18]。Li等[19]運用噴砂技術(shù)制備出噴砂鋁微織構(gòu)表面，研究了其對黏附力以及減阻的影響。郝秀清等[20]在鋁板上加工出接觸角為 156°的超疏水表面，并使用粒子圖像測速(PIV)技術(shù)對該超疏水表面與親水表面進行對比分析，結(jié)果表明，超疏水表面最大能實現(xiàn)8.72%的減阻效果。不過，需要指出的是，微/納尺度織構(gòu)的加工大多依賴化學(xué)方法，在基底表面鍍上疏水織構(gòu)層，往往基膜結(jié)合力較弱、表面耐磨性較差，相比之下，對宏觀尺度織構(gòu)的研究具有更強的實用性。綜上可知，微織構(gòu)減阻為摩擦學(xué)領(lǐng)域一大研究熱點，但大多數(shù)相關(guān)研究都注重織構(gòu)形狀，力圖通過構(gòu)建一些新型織構(gòu)來研究其減阻效果，而運用試驗方法，針對參數(shù)化表面織構(gòu)對摩擦減阻影響的研究還有所欠缺。因此，本文基于不同條狀、網(wǎng)狀織構(gòu)的摩擦學(xué)試驗，結(jié)合動壓潤滑理論，研究了織構(gòu)的深度、網(wǎng)狀織構(gòu)的排布夾角以及單織構(gòu)的接觸面積對鋁合金摩擦系數(shù)以及磨損量的影響，以期為微織構(gòu)的減阻優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

1 試驗方法及織構(gòu)設(shè)計

1.1 試驗方法

采用美國Bruker公司生產(chǎn)的UMT型摩擦磨損試驗機(如圖1所示)進行銷-盤接觸旋轉(zhuǎn)對磨試驗，主要操作步驟為：用專用夾具將鋁合金試件固定在油槽內(nèi)部，把銷盤安裝在試驗機上方的夾具上，利用壓力傳感器監(jiān)測接觸壓力，試驗過程中借助傳動帶將整個油槽帶動以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)對磨，并將整個摩擦副浸泡在潤滑油(美孚黑霸王15W-40型，黏度106 cSt)中。試驗中所用銷盤為不銹鋼材質(zhì)，直徑20 mm，接觸壓力為500 N，油槽轉(zhuǎn)速r為300 r/min，對磨時間為30 min，試驗溫度為室溫，摩擦系數(shù)(COF)值由試驗機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸出。試驗結(jié)束后利用白光干涉儀采集試件輪廓數(shù)值，圖2所示為試驗后的試件以及白光干涉儀采集輪廓數(shù)值的部位，輪廓采集范圍全部取試件磨損區(qū)域的邊緣處，以便直觀體現(xiàn)磨損深度Dw，以Dw表征試件的磨損量，其計算公式為

(1)

式中，y0、y分別為白光干涉儀在試件未磨損區(qū)及磨損底部所采集數(shù)值，m、n、i、j為樣本序號。

1—壓力傳感器；2—銷盤；3—油槽；4—試件；5—專用夾具；6—傳動帶；

圖2 磨損量表征方法

1.2 織構(gòu)設(shè)計

圖3所示為不同織構(gòu)夾角的鋁合金表面以及織構(gòu)參數(shù)表征示意圖。其中，織構(gòu)深度h、網(wǎng)狀織構(gòu)夾角α及單織構(gòu)/凸臺接觸面積Ss是表征織構(gòu)的3個重要變量參數(shù)。條紋狀及網(wǎng)狀織構(gòu)的間距固定為1000 μm,織構(gòu)凹槽寬度固定為500 μm。先使用銑床加工出試件坯樣，然后再經(jīng)過細砂紙水磨使其表面光滑，最后采用精密數(shù)控加工技術(shù)加工出具有不同參數(shù)織構(gòu)的試件并去除毛刺備用。各試件表面織構(gòu)特征值列于表1，其中Ⅰ～Ⅴ號試件表面為條紋狀織構(gòu)，Ⅵ～Ⅸ號試件表面為網(wǎng)狀織構(gòu)。

(a)不同織構(gòu)夾角的鋁合金表面 (b)織構(gòu)幾何表征圖3 不同織構(gòu)夾角的鋁合金表面和織構(gòu)幾何表征Fig.3 Surfaces of aluminum alloy with different texture angles and texture geometric representation

表1 織構(gòu)參數(shù)

2 試驗結(jié)果與理論分析

2.1 試驗結(jié)果

具有光滑表面及表面存在條紋狀或網(wǎng)狀織構(gòu)的鋁合金試件經(jīng)磨損試驗后的表面形貌、對應(yīng)區(qū)域x、y方向的輪廓線圖如圖4所示。從圖4中可以看出，所有試件表面經(jīng)磨損后都出現(xiàn)圓弧形磨痕，對于具有條紋狀織構(gòu)的試件(圖4(b)～圖4(f))來說，其表面磨痕隨著織構(gòu)深度值的增加而逐漸變淺，表明相應(yīng)試件磨損量不斷減少；當(dāng)網(wǎng)狀織構(gòu)夾角由30°增加至90°(圖4(g)～圖4(j))時，相應(yīng)試件表面磨痕逐漸加深，表明其磨損量不斷增多。

在磨損試驗過程中，當(dāng)磨損時間為200～1800 s時，試件表面的COF隨時間變化的曲線如圖5所示。由圖5(a)可見，對于具有光滑表面的試件，其表面COF在磨損時間約為400 s時發(fā)生躍變，以此躍點為界可將COF變化區(qū)間分為(1)和(2)兩個階段，階段(1)為全膜潤滑階段，階段(2)為混合潤滑階段；而具有條紋狀織構(gòu)表面的試件，其表面COF在磨損期間出現(xiàn)些許波動，但整體變化不大。至于表面存在網(wǎng)狀織構(gòu)的4組試件，從圖5(b) 中可以看出，其表面COF也均隨磨損時間的增加而呈現(xiàn)出波動變化。

(a)光滑表面試件 (b)試件Ⅰ (c)試件Ⅱ (d)試件Ⅲ

(e)試件Ⅳ (f)試件Ⅴ (g)試件Ⅵ (h)試件Ⅶ

(i)試件Ⅷ (j)試件Ⅸ

(b)表面存在網(wǎng)狀織構(gòu)的試件

圖6所示為不同試件經(jīng)磨損試驗1800 s時，其表面平均COF、磨損深度Dw隨相應(yīng)織構(gòu)參數(shù)變化曲線。由圖6(a)可以看出，隨著條紋狀織構(gòu)深度值的增大，相應(yīng)試件表面的平均COF先迅速降低然后降幅放緩，其Dw先升高然后又急劇下降，二者均呈現(xiàn)整體下降趨勢。需要指出的是，條紋狀織構(gòu)深度h為200 μm時，試件表面Dw較光滑表面(h為0)相應(yīng)值有所增加，這是因為光滑表面不存在織構(gòu)，整個表面層同步磨損，所以磨損深度較淺，但其磨損總量仍然高于有織構(gòu)表面的相應(yīng)值。而對于表面具有網(wǎng)狀織構(gòu)的試件(圖6(b)和圖6(c))，當(dāng)織構(gòu)夾角α由30°增加到90°時，相應(yīng)試件表面的平均COF先增大后減小，但其具體變化值較小，為10-3數(shù)量級。試件表面Dw隨織構(gòu)夾角的增加而不斷增大，表明試件表面磨損程度越發(fā)嚴重。單織構(gòu)/凸臺接觸面積Ss越大,相應(yīng)試件表面磨損量越小。

(a)條紋狀織構(gòu)h值的影響

(b)網(wǎng)狀織構(gòu)α值的影響

(c)網(wǎng)狀織構(gòu)Ss值的影響圖6 平均摩擦系數(shù)、磨損深度隨織構(gòu)參數(shù)的變化曲線Fig.6 Variation curves of mean COF and Dw with texture parameters

2.2 理論分析

根據(jù)流量連續(xù)性條件，流入微元的質(zhì)量與流出微元的質(zhì)量相等，得出Reynolds方程的普遍形式為

(2)

(a)動壓效應(yīng)

(b)擠壓效應(yīng)

圖8所示為光滑表面與織構(gòu)表面上的油膜分布示意圖。結(jié)合圖8分析試件磨損過程可知，在持續(xù)1800 s的磨損試驗過程中，因油槽旋轉(zhuǎn)使得試件與銷盤表面間的潤滑油受離心作用力，同時由于擠壓效應(yīng)，光滑表面壓力較大，所以當(dāng)磨損試驗開始后，前400 s內(nèi)試件光滑表面的摩擦系數(shù)小于有織構(gòu)試件表面的相應(yīng)值，加之部分潤滑油的溢出，加快了油膜的破壞進程，使得光滑表面由全膜潤滑階段進入混合潤滑階段,銷盤與試件表面接觸形成犁削點(ploughing point)，此時液-固接觸轉(zhuǎn)變?yōu)楣?固接觸(圖8(a))，造成試件表面COF急劇增大，磨損加劇。而對于具有織構(gòu)的表面而言，其凹槽部位可儲存潤滑油，避免了潤滑油因離心力和擠壓力作用而溢出，同時由于擠壓效應(yīng)，表面壓力將會增加，從而導(dǎo)致摩擦系數(shù)出現(xiàn)波動，凹槽內(nèi)部潤滑油由于收斂間隙產(chǎn)生動壓潤滑效應(yīng)，所以織構(gòu)表面會長時間停留在全膜潤滑階段(圖8(b))。在摩損試驗過程中，由于擠壓與離心力的作用，導(dǎo)致潤滑油不斷減少，之后由于油膜厚度減小，擠壓力增大，油膜壓力變大，所以摩擦系數(shù)波動變化后相對平穩(wěn)(見圖5)。

(a)光滑表面

(b)織構(gòu)表面

由圖5、圖6中有關(guān)試件表面COF及Dw的磨損試驗結(jié)果可以看出，當(dāng)磨損試驗開始后，前400 s內(nèi)試件光滑表面相比織構(gòu)表面具有更小的COF，隨著磨損時間的增加，具有織構(gòu)的鋁合金表面潤滑效果更好，磨損量明顯降低，基于該試驗結(jié)果，借助動壓潤滑模型對其潤滑機理進行分析，因油膜厚度直接影響動壓潤滑效果，故建立膜厚方程[12]

(3)

式中，Tf0為銷盤表面與試件織構(gòu)層表面的距離。接觸表面的摩擦力Ff與總承載量W分別為

(4)

(5)

式(4)和式(5)中，Ωs、Ωl分別為試件與銷盤接觸面處試件表面凸起的織構(gòu)層表面積以及織構(gòu)間凹陷區(qū)域的表面積。

由式(4)、式(5)聯(lián)立可得摩擦系數(shù)

(6)

對于具有條紋狀織構(gòu)的試件，由式(4)可知，油膜厚度Tf越大，界面摩擦力就越小，試件表面COF隨之降低，所以織構(gòu)凹槽越深，相應(yīng)的Tf就越大，導(dǎo)致COF減小，并且由于條紋狀織構(gòu)Ωs、Ωl相等，所以試件磨損量隨摩擦系數(shù)減小而減少，這與圖6(a)所示的試驗結(jié)果吻合。對于具有網(wǎng)狀織構(gòu)的試件，當(dāng)織構(gòu)深度相等時，Tf0為擠壓效應(yīng)的主要影響參數(shù)，擠壓效應(yīng)越大，表面壓力就越大，由式(5)可知，摩擦副總承載量為全域壓力的積分，而Ss直接影響著織構(gòu)的儲油量，因此COF值受Tf0和Ss的耦合影響，當(dāng)α越大時其Ss值越小，織構(gòu)表面儲油面積(Ωl)越大，所以當(dāng)α為90°時，試件表面儲油量較多，在同等載荷作用下，Tf0較其它角度的網(wǎng)狀織構(gòu)更小，故網(wǎng)狀織構(gòu)的平均COF值隨織構(gòu)排布角度先增大后減小。此外，因Ss對Dw影響較大，故單織構(gòu)面積越小，相應(yīng)試件的耐磨性就越低,這與圖6(b)和圖6(c)所示的試驗結(jié)果吻合，所以在實際工況條件下設(shè)計織構(gòu)夾角為30°，不僅能有效的降低試件表面COF，而且能保證試件具有更好的耐磨性。

3 結(jié)論

(1)在對具有光滑表面和織構(gòu)表面的鋁合金試件進行銷-盤對磨時，織構(gòu)對試件表面動壓潤滑特性有較大影響，可以改變其摩擦系數(shù)、提高其耐磨性。

(2)摩擦系數(shù)隨條紋狀織構(gòu)深度參數(shù)h的增加而減小，h值越大，動壓潤滑效果越好，試件表面耐磨性也越高。

(3)對于網(wǎng)狀織構(gòu)而言，摩擦系數(shù)受單織構(gòu)面積Ss及銷盤表面與試件織構(gòu)層表面距離Tf0的耦合作用影響，而織構(gòu)夾角α又直接影響Ss，當(dāng)α為30°時耦合效果最佳，此時試件表面摩擦系數(shù)更小且耐磨性更好。