孫慶浩,鄧建新,魯洋,孟瑩,王冉,吳佳星,張志慧

山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

1 引言

在機(jī)械零部件、裝備和系統(tǒng)中,相互接觸的表面間的摩擦磨損行為直接影響整個(gè)設(shè)備或系統(tǒng)的服役壽命、工作效率、承載能力和安全系數(shù)。據(jù)統(tǒng)計(jì),約80%零件損壞和40%能量損失由各種形式的摩擦磨損引起[1]。

織構(gòu)源于自然界動(dòng)植物表面形成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),這些結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出優(yōu)異的減摩、減阻、潤(rùn)滑和防污等特性,基于此,研究者將各種織構(gòu)化技術(shù)應(yīng)用于零構(gòu)件表面,制備了一系列規(guī)則且具有一定尺寸和分布的微結(jié)構(gòu)。合理的表面織構(gòu)設(shè)計(jì)已被證明具有改善材料摩擦學(xué)及生物學(xué)性能的能力,近年來(lái)很多學(xué)者通過(guò)激光加工技術(shù)制造了很多不同形狀的織構(gòu)形貌,如凹坑型、凸起型、溝槽型等基礎(chǔ)形狀以及仿鯊魚(yú)皮織構(gòu)、仿荷葉織構(gòu)、仿四葉草織構(gòu)等仿生形狀,這些仿生織構(gòu)都起到不同程度的減摩抗磨效果[2]。

Li X.等[3]通過(guò)納秒激光器在在A12O3/TiC陶瓷表面制備了仿生鱉魚(yú)皮微織構(gòu),對(duì)仿生鱉魚(yú)皮進(jìn)行織構(gòu)化處理后,摩擦系數(shù)降低至0.3,與僅拋光的A12O3/TiC陶瓷相比,摩擦系數(shù)降低了29%。王麗麗等[4]用激光加工技術(shù)在45鋼表面加工出周向溝槽、局部網(wǎng)狀溝槽、徑向溝槽和微凹坑等四種不同形貌的織構(gòu),在穩(wěn)定磨損階段,與光滑試樣相比徑向溝槽織構(gòu)試樣摩擦系數(shù)降低了16%,表現(xiàn)出較好的減摩效果。王再宙等[5]在45鋼表面加工了凹坑、凸包、鱗片、波紋四種不同的織構(gòu)形貌,均表現(xiàn)出良好的耐磨性。張赟等[6]使用納秒激光器在鋼導(dǎo)軌上加工出六邊形織構(gòu),研究在油潤(rùn)滑條件下導(dǎo)軌接觸面之間的摩擦情況,實(shí)驗(yàn)證明,單面導(dǎo)軌微織構(gòu)會(huì)減小摩擦,但雙面都有織構(gòu)時(shí)摩擦情況比普通接觸表面更惡劣。于海武等[7]對(duì)圓形、正方形和橢圓形凹坑織構(gòu)的減摩效果進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn),橢圓形凹坑織構(gòu)表現(xiàn)出最優(yōu)的減摩效果,正方形凹坑織構(gòu)次之,圓形凹坑織構(gòu)最差。宋起飛等[8]在鑄鐵表面加工出凹坑、溝槽和網(wǎng)格等三種不同形貌的織構(gòu),發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格織構(gòu)試樣的磨損量和摩擦系數(shù)最小,耐磨性能最好。

本文根據(jù)仿生學(xué)原理設(shè)計(jì)月牙形凹凸織構(gòu),利用納秒激光器在YT5硬質(zhì)合金表面制備出織構(gòu)化表面,測(cè)量了織構(gòu)化表面的物理性質(zhì)(表面形貌和織構(gòu)高度)并優(yōu)化了激光加工參數(shù)。以相同織構(gòu)高度的凹凸織構(gòu)和光滑基體作為對(duì)照組,通過(guò)摩擦磨損試驗(yàn)和潤(rùn)濕性試驗(yàn)探究了不同材料織構(gòu)化表面耐磨性和親水性變化。

2 試驗(yàn)設(shè)備及方案

2.1 制備樣品

試驗(yàn)選用15mm×15mm×4mm的YT5硬質(zhì)合金作為基體材料,用碳化硼粉末進(jìn)行研磨,將研磨好的表面用W1.5粒度的金剛石噴霧拋光劑在金相拋光機(jī)上處理,在無(wú)水乙醇中超聲清洗去除附著物,干燥待用。

2.2 仿生織構(gòu)化表面設(shè)計(jì)

食肉植物豬籠草生長(zhǎng)在空氣潮濕和土壤貧瘠的地方,其唇部和蠟質(zhì)區(qū)功能表面極易使昆蟲(chóng)滑落,從而達(dá)到捕食獲取營(yíng)養(yǎng)的目的。德國(guó)基爾大學(xué)Gorb E.V.等[9]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),獨(dú)特的月牙結(jié)構(gòu)使得豬籠草內(nèi)表面對(duì)昆蟲(chóng)黏附行為呈現(xiàn)各向異性,與蠟質(zhì)層相結(jié)合更有利于滑落昆蟲(chóng),具有優(yōu)異的減摩特性。

試驗(yàn)以豬籠草的蠟質(zhì)區(qū)表面為仿生模型,綜合考慮實(shí)際加工情況以及織構(gòu)的面密度,設(shè)計(jì)了月牙形織構(gòu)?？棙?gòu)尺寸和間距如圖1所示。

圖1 織構(gòu)形貌設(shè)計(jì)

2.3 制備織構(gòu)化表面

試驗(yàn)選用MFSC-20納秒激光器在YT5硬質(zhì)合金表面分別加工出仿生月牙形的凹織構(gòu)和凸織構(gòu),激光器的參數(shù)見(jiàn)表1。試驗(yàn)綜合考慮激光功率、掃描速度、掃描次數(shù)和脈沖頻率4個(gè)變量的影響,每個(gè)變量選取5個(gè)參數(shù),具體加工參數(shù)見(jiàn)表2。制備出具有凹、凸織構(gòu)的試樣,由于激光加工會(huì)產(chǎn)生重鑄層使表面不平整,所以在激光加工完后用砂紙打磨試樣并作拋光處理,使用超聲清洗器清洗干凈。

表1 納秒激光器參數(shù)

表2 激光加工參數(shù)

2.4 潤(rùn)濕性試驗(yàn)

使用Kruss DSA100接觸角測(cè)量裝置測(cè)量每個(gè)樣品的液滴接觸角,具體步驟如下:分別將1滴去離子水和潤(rùn)滑油(約10μL)通過(guò)微量進(jìn)給器滴到樣品表面,待液滴形狀不再變化后,利用CCD相機(jī)拍攝液滴的外部輪廓,采用擬合圓測(cè)量其接觸角θ,每個(gè)試樣表面測(cè)量5次取平均值。由于月牙形織構(gòu)在水平方向和豎直方向形貌不同,所以在拍攝接觸角時(shí)分別拍攝這兩個(gè)方向的接觸角并定義水平方向?yàn)榉较?,豎直方向?yàn)榉较?。

2.5 摩擦磨損試驗(yàn)

利用UMT-2多功能摩擦試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn),試驗(yàn)機(jī)加載力精度為0.01N,采用球—板接觸式直線往復(fù)摩擦,摩擦球選用直徑為9.525mm的GCr15軸承鋼對(duì)磨球(硬度HRC50～60,除Fe外其他元素成分見(jiàn)表3)并固定在夾具中,在垂直于試樣表面方向加載恒定載荷大小為15N,以5mm的滑移距離、5mm/s的滑移速度往復(fù)運(yùn)動(dòng)1200s,分析對(duì)比不同試樣磨損后的磨痕形貌和元素分布。每個(gè)織構(gòu)試樣表面選取2個(gè)方向進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)并定義水平方向?yàn)榉较?,豎直方向?yàn)榉较?。

表3 GCr15軸承鋼球元素成分 (%)

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 仿生織構(gòu)制備時(shí)激光加工參數(shù)的優(yōu)化

選用KEYENCE VHX-5000超景深三維觀察顯微系統(tǒng)對(duì)硬質(zhì)合金織構(gòu)化表面進(jìn)行拍攝表征,在每個(gè)參數(shù)制備出的織構(gòu)表面中間位置觀察表面輪廓高度變化得到圖2和圖3所示表面輪廓變化曲線。

(a)功率

(a)功率

由圖2和圖3可以看出,在相同的激光參數(shù)條件下,凹織構(gòu)的織構(gòu)深度均比凸織構(gòu)的織構(gòu)高度更大,這是因?yàn)榧庸ぐ伎棙?gòu)時(shí)加工區(qū)域面積小,激光作用區(qū)域更加集中,所以加工出來(lái)的織構(gòu)深度更大。凹織構(gòu)和凸織構(gòu)的織構(gòu)尺寸與激光參數(shù)之間具有相同的變化規(guī)律:隨著激光加工功率增大,織構(gòu)的高度越來(lái)越高;隨著掃描速度增大,織構(gòu)高度越來(lái)越低;脈沖頻率對(duì)織構(gòu)高度的影響很小,隨著脈沖頻率增大,織構(gòu)高度越來(lái)越低;掃描次數(shù)對(duì)織構(gòu)影響最為嚴(yán)重,隨著掃描次數(shù)增加,織構(gòu)高度大幅增加。

在用50mm/s的掃描速度加工硬質(zhì)合金表面時(shí),織構(gòu)高度并不符合上面的規(guī)律,表面輪廓高度起伏較大。這是因?yàn)榧す馔ㄟ^(guò)凸透鏡聚焦后,其中心區(qū)域能量極高,當(dāng)激光照射到導(dǎo)軌表面時(shí),材料會(huì)被瞬間熔化或氣化,并且由于照射點(diǎn)處能量較高,熔化或氣化的材料會(huì)被速度極高的氣流沖擊反向噴射出來(lái),并在短時(shí)間內(nèi)冷卻凝固,形成重鑄層[10]。一方面當(dāng)激光繼續(xù)照射在該結(jié)構(gòu)上時(shí),該結(jié)構(gòu)會(huì)分散激光的能量,無(wú)法繼續(xù)燒蝕材料,另一方面,由于激光的作用,材料變成等離子體及熔融物并在高壓的作用下噴出,這些物質(zhì)會(huì)屏蔽激光造成激光能量損失,進(jìn)一步影響加工深度[11]。在二者耦合作用下,當(dāng)激光掃描速度過(guò)慢時(shí),單位時(shí)間內(nèi)激光照射在單位導(dǎo)軌材料上的能量過(guò)大,內(nèi)部堵塞嚴(yán)重,造成織構(gòu)高度較小且激光加工過(guò)的區(qū)域十分不平整。

綜合對(duì)比考慮硬質(zhì)合金織構(gòu)形貌以及織構(gòu)高度后,最終優(yōu)化得到表面良好且具有相近織構(gòu)高度(約16μm)的激光加工參數(shù),如表4所示。制備出的凹凸織構(gòu)試樣表面形貌如圖4所示。

表4 優(yōu)化后的激光加工參數(shù)

(a)硬質(zhì)合金凸織構(gòu)

3.2 織構(gòu)化表面的潤(rùn)濕性

由圖5去離子水接觸角柱狀圖可以看出,接觸角最大的試樣是由方向1觀察到的凹織構(gòu)試樣,為51.36°,接觸角最小的試樣是由方向2觀察到的凸織構(gòu)試樣,為25.21°,所有試樣的接觸角均小于90°,全部具有親水性。無(wú)論是凹織構(gòu)試樣還是凸織構(gòu)試樣,由方向2觀察到的接觸角均小于由方向1觀察到的接觸角,說(shuō)明月牙形織構(gòu)在這一方向上親水性更強(qiáng)。凸織構(gòu)會(huì)使表面的接觸角減小,表面更具有親水性,凹織構(gòu)會(huì)使表面的接觸角增大,表面親水性減弱。

圖5 去離子水接觸角柱狀圖

由圖6油接觸角柱狀圖可以看出,最大的接觸角是基體表面,為33.64°,具有織構(gòu)的表面接觸角均小于基體表面,其中接觸角最小的是由方向2觀察到的凹織構(gòu)表面,為10.43°,所有試樣表面的接觸角均小于90°,且除硬質(zhì)合金基體外,其余試樣的接觸角均小于30°,說(shuō)明潤(rùn)滑油在這些刀具材料表面的鋪展性較好,具有較強(qiáng)的親油性。2個(gè)方向觀察到的接觸角大小差別很小,具有相近的親油性。相較于材料的基體表面,凹織構(gòu)和凸織構(gòu)均會(huì)使接觸角減小,親油性增強(qiáng)。

圖6 油接觸角柱狀圖

3.3 摩擦磨損性能

3.3.1 干摩擦條件

由圖7瞬時(shí)摩擦系數(shù)曲線可以得知,光滑基體的摩擦系數(shù)初始時(shí)刻比較低,只有0.15左右,隨著時(shí)間推移,在150s左右開(kāi)始緩慢上升,在450s左右開(kāi)始趨于穩(wěn)定并穩(wěn)定在0.60左右,這是因?yàn)樽铋_(kāi)始表面比較光滑,隨著摩擦?xí)r間增長(zhǎng),摩擦區(qū)域開(kāi)始出現(xiàn)磨屑,導(dǎo)致摩擦系數(shù)緩慢上升并最終進(jìn)入穩(wěn)定摩擦狀態(tài)。摩擦方向1的凹織構(gòu)試樣的平均摩擦系數(shù)在0.16左右,摩擦方向2的凹織構(gòu)試樣平均摩擦系數(shù)在0.15左右,摩擦方向1的凸織構(gòu)試樣和摩擦方向2的凸織構(gòu)試樣平均摩擦系數(shù)都在0.13左右,可以看出月牙織構(gòu)的2個(gè)摩擦方向的摩擦系數(shù)沒(méi)有太大差別。凹織構(gòu)和凸織構(gòu)試樣都表現(xiàn)出良好的減摩效果,其中月牙凸織構(gòu)的減摩效果更好,使摩擦系數(shù)降低了80%左右。

圖7 試樣瞬時(shí)摩擦系數(shù)曲線

由圖8～圖10表面磨痕及元素分析可以看到,光滑基體表面摩擦區(qū)域有清晰可見(jiàn)的磨痕以及犁溝狀劃痕,說(shuō)明主要磨損機(jī)理為磨粒磨損。具有織構(gòu)的試樣表面犁溝狀劃痕較少,試樣表面的凹凸織構(gòu)邊緣都存在磨屑的黏結(jié),說(shuō)明織構(gòu)的存在起到收集磨屑的作用,使摩擦系數(shù)降低。摩擦方向2的試樣均比摩擦方向1的試樣黏結(jié)少,磨痕淺。凸織構(gòu)試樣表面黏結(jié)情況最為嚴(yán)重,磨痕最淺;光滑基體表面的黏結(jié)最少,磨痕最深;凹織構(gòu)試樣的黏結(jié)情況介于光滑基體與凸織構(gòu)試樣之間。

圖8 光滑基體表面磨痕及元素分析

圖9 凹織構(gòu)試樣表面磨痕及元素分析

圖10 凸織構(gòu)試樣表面磨痕及元素分析

3.3.2 潤(rùn)滑油潤(rùn)滑條件

由圖11可知,材料表面有無(wú)織構(gòu)對(duì)摩擦系數(shù)的影響不大,所有試樣的平均摩擦系數(shù)相差很小,各個(gè)試樣的平均摩擦系數(shù)由大到小分別是摩擦方向2的凸織構(gòu)試樣、摩擦方向1的凸織構(gòu)試樣、摩擦方向1的凹織構(gòu)試樣、摩擦方向2的凹織構(gòu)試樣及光滑基體,織構(gòu)化表面起到較小增摩的作用。

圖11 試樣瞬時(shí)摩擦系數(shù)曲線

由圖12～圖14表面磨痕及元素分析可以看出,在潤(rùn)滑油潤(rùn)滑條件下試樣的磨痕都比較淺,磨屑黏結(jié)較少。摩擦方向2的試樣比摩擦方向1的試樣黏結(jié)要多,這與干摩擦條件下情況相反。光滑基體表面的黏結(jié)較少,磨痕也淺。雖然凸織構(gòu)試樣表面的黏結(jié)最多,但其磨痕最淺,凹織構(gòu)試樣表面的黏結(jié)最少,但是磨痕比凸織構(gòu)試樣更深。

圖12 光滑基體表面磨痕及元素分析

圖13 凹織構(gòu)試樣表面磨痕及元素分析

圖14 凸織構(gòu)試樣表面磨痕及元素分析

4 結(jié)語(yǔ)

利用納秒激光器在硬質(zhì)合金材料和陶瓷材料表面加工織構(gòu),通過(guò)優(yōu)化激光參數(shù),加工出表面形貌良好且具有一定高度的月牙狀仿生凹凸織構(gòu)。相較于光滑基體,兩種材料加工出的織構(gòu)都具有更好的親水性和親油性。在干摩擦條件下,兩種材料在摩擦方向2上的凸織構(gòu)試樣均具有更低的摩擦系數(shù),硬質(zhì)合金材料摩擦系數(shù)下降了約80%,陶瓷材料摩擦系數(shù)下降了約72%;在干摩擦和潤(rùn)滑油潤(rùn)滑條件下,兩種材料的凹織構(gòu)和凸織構(gòu)都能減輕表面的磨損,凸織構(gòu)試樣具有最好的耐磨性。