劉 喆 陳江善 高心蕊 黃 杰 冷 科

（中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川 成都610213）

0 引言

45鋼是一種高質(zhì)量的碳素結(jié)構(gòu)鋼，因具有高強(qiáng)度、良好的機(jī)械性能和力學(xué)性能等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、航天建筑以及電力工程等領(lǐng)域。但其在使用過程中經(jīng)常發(fā)生表面磨損失效，嚴(yán)重影響其使用壽命[1，2]。為了提高其耐磨性，延長(zhǎng)零件的使用壽命，通常在45鋼表面進(jìn)行織構(gòu)加工，達(dá)到減少磨損的目的[3，4]。表面織構(gòu)技術(shù)是通過微細(xì)加工技術(shù)在材料表面加工出具有一定幾何形貌與尺寸，且排列規(guī)律的圖案，是提高材料表面摩擦學(xué)性能的一種新的表面改性技術(shù)。激光表面織構(gòu)技術(shù)因其具有高效率、環(huán)保性以及操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用[5]。近年來，大量研究表明，與光滑表面相比，具有一定非光滑形貌的表面具有更優(yōu)異的減摩耐磨性能。激光表面織構(gòu)技術(shù)已應(yīng)用各種材料表面，以改善材料表面的摩擦學(xué)性能[6]。表面織構(gòu)圖案參數(shù)有很多種，如織構(gòu)圖案密度、直徑、形狀等，其中，溝槽形織構(gòu)應(yīng)用的最為廣泛，織構(gòu)圖案的密度是影響摩擦磨損性能的重要參數(shù)[7]。因此，本文研究不同密度的溝槽形織構(gòu)圖案密度對(duì)45鋼摩擦磨損性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 45鋼基材

本實(shí)驗(yàn)選用45號(hào)鋼作為基體材料，調(diào)質(zhì)處理，尺寸為3mm×3mm×1mm，熔覆前用砂紙去除材料表面的銹跡，然后用酒精沖洗，盡量減少對(duì)摩擦磨損性能的影響。實(shí)驗(yàn)所用45鋼化學(xué)成分見表1。

表1 45鋼的化學(xué)成分

1.2 織構(gòu)圖案的制備

采用激光刻蝕設(shè)備在45鋼表面進(jìn)行不同密度織構(gòu)圖案的加工，激光器型號(hào)為IPG-20W。激光的能量分布為高斯分布，波長(zhǎng)為1060nm。激光加工參數(shù)為：功率14W，頻率20Hz，掃描速度400mm/s，加工次數(shù)為兩次。圓形織構(gòu)的直徑均為50μm，通過調(diào)整織構(gòu)的間距來改變織構(gòu)圖案的密度，本文研究五種織構(gòu)密度對(duì)45鋼摩擦磨損性能的影響，織構(gòu)圖案的參數(shù)如表2所示。為了簡(jiǎn)化結(jié)果分析過程，將織構(gòu)參數(shù)表達(dá)為直徑—間距的形式，例如，織構(gòu)圖案的直徑為50μm，間距為205μm，則表達(dá)為50~205μm。

表2 45鋼表面織構(gòu)圖案參數(shù)

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

采用UMT多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上對(duì)制備織構(gòu)的45鋼表面進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，采用球-盤摩擦副進(jìn)行往復(fù)試驗(yàn)。上試樣為直徑6.3mm的鋼球，織構(gòu)化處理的45鋼為下試樣。試驗(yàn)條件：干摩擦條件，轉(zhuǎn)速60r/min，載荷為7.5N，滑動(dòng)速度為8mm/s，磨痕軌道半徑5mm，往復(fù)行程5mm，試驗(yàn)時(shí)間5min。

采用白光干涉儀對(duì)織構(gòu)的二維形貌、粗糙度參數(shù)、摩擦磨損試驗(yàn)后的磨痕形貌、磨痕寬度以及磨損體積進(jìn)行分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 織構(gòu)圖案的二維形貌及粗糙度參數(shù)

在45鋼表面引入織構(gòu)圖案，因織構(gòu)密度的不同，其表面三維形貌及粗糙度發(fā)生顯著變化，采用白光干涉儀對(duì)不同密度的織構(gòu)圖案三維形貌進(jìn)行表征，并對(duì)表面的面粗糙度進(jìn)行提取，如圖1所示。從圖1可以看出，激光織構(gòu)加工并沒有在45鋼表面引入裂紋，織構(gòu)圖案呈現(xiàn)均勻分布的形貌，表面較為平整。當(dāng)織構(gòu)圖案的間距由205μm增加到265μm，織構(gòu)表面的平面趨于明顯增加，織構(gòu)的密度減小。

圖1 45鋼表面不同密度織構(gòu)的三維形貌

表面粗糙度是影響摩擦磨損性能的主要原因，為了分析織構(gòu)密度對(duì)摩擦磨損性能的影響機(jī)理，將具有不同密度的織構(gòu)圖案表面的面粗糙度進(jìn)行分析，如表3所示。從表中可以看出隨著織構(gòu)圖案密度的增加，織構(gòu)表面的粗糙度呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)。

表3 不同織構(gòu)參數(shù)表面粗糙度

2.2 織構(gòu)圖案密度對(duì)摩擦磨損性能的影響

為了對(duì)比分析織構(gòu)對(duì)45鋼摩擦磨損性能的影響，對(duì)未進(jìn)行織構(gòu)加工的45鋼表面與不同密度的織構(gòu)表面的摩擦磨損性能進(jìn)行了分析，其摩擦系數(shù)如圖2所示。通過分析得出未進(jìn)行織構(gòu)的45鋼表面的平均摩擦系數(shù)為0.459 2。從其摩擦曲線可以看出，在初始階段其摩擦系數(shù)驟增，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，其摩擦系數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定。

對(duì)具有不同密度織構(gòu)圖案的45鋼表面進(jìn)行摩擦磨損測(cè)試，其摩擦系數(shù)如圖2所示。對(duì)比于未織構(gòu)的45鋼表面，當(dāng)織構(gòu)間距為235μm及205μm時(shí)，平均摩擦系數(shù)降低，其平均摩擦系數(shù)分別為0.388 1及0.439，織構(gòu)圖案起到良好的減摩作用。當(dāng)織構(gòu)圖案的間距為265μm時(shí)，對(duì)比于未織構(gòu)的45鋼表面，摩擦系數(shù)增大，平均摩擦系數(shù)為0.483 3。

圖2 不同密度織構(gòu)圖案摩擦系數(shù)

隨著織構(gòu)密度的增加，摩擦系數(shù)呈現(xiàn)出先降低后增加的趨勢(shì)，45鋼的減摩性能隨織構(gòu)圖案密度的增加呈現(xiàn)想增加后降低的趨勢(shì)。其原因?yàn)椋S著織構(gòu)間距由265μm降低到235μm，織構(gòu)圖案的密度增加，織構(gòu)圖案儲(chǔ)存磨屑的能力增加，因此45鋼的減摩性能增加。但是隨著織構(gòu)間距的繼續(xù)減小，由235μm減小到205μm，雖然45鋼表面織構(gòu)的密度仍繼續(xù)增加，但是由織構(gòu)導(dǎo)致的表面粗糙度也顯著增加，如表3所示，因此，當(dāng)織構(gòu)間距為205μm時(shí)，45鋼表面的減摩性反而降低。

為了進(jìn)一步分析織構(gòu)圖案密度對(duì)45鋼表面耐磨性的影響，對(duì)摩擦磨損后45鋼表面的磨痕形貌及磨損體積進(jìn)行了分析，如圖3所示，為不同密度織構(gòu)圖案的磨損形貌。從圖3可以看出，摩擦磨損試驗(yàn)后，未織構(gòu)表面出現(xiàn)了犁溝形貌，而織構(gòu)化的45鋼表面，磨損掉的磨屑填充在凹坑內(nèi)部，也進(jìn)一步證實(shí)了織構(gòu)圖案具有儲(chǔ)存磨屑的能力。如圖4所示，對(duì)比分析了不同織構(gòu)密度與未織構(gòu)的45鋼表面摩擦磨損實(shí)驗(yàn)后的磨損體積。從圖4可以看出，對(duì)比于未織構(gòu)的45鋼，加工織構(gòu)后，45鋼的磨損體積顯著降低，表明其耐磨性有明顯的提高。同時(shí)，隨著織構(gòu)密度的增加，45鋼表面的磨損體積增加，表明隨著織構(gòu)密度的增加，45鋼的耐磨性降低。其原因?yàn)?，隨著織構(gòu)密度的增加，45鋼表面的粗糙度增加，因此導(dǎo)致45鋼的耐磨性降低。

圖3 不同織構(gòu)參數(shù)的磨痕形貌

圖4 不同參數(shù)織構(gòu)表面的磨損體積

3 結(jié)論

在45鋼表面制備織構(gòu)圖案可以改善45鋼的減摩性及耐磨性能。隨著織構(gòu)圖案密度的增大，45鋼的減摩性能呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，其原因?yàn)殡S著織構(gòu)密度的增加，溝槽形織構(gòu)圖案起到儲(chǔ)存磨屑的能力，有利于其減摩性能的提高，但隨著織構(gòu)密度的增加，表面粗糙度也隨之增加，織構(gòu)圖案儲(chǔ)存磨屑的能力與表面粗糙度增加二者的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制決定了45鋼最終的減摩性能。隨著織構(gòu)圖案密度的增加，45鋼的磨損體積增大，其原因?yàn)殡S著織構(gòu)密度的增加，表面粗糙度增加，因此45鋼表面的耐磨性降低。