初始徑向微溝槽對摩擦副磨損性能影響研究

袁 偉，于 潔，郭前建，王志文

(山東理工大學機械工程學院，山東 淄博 255000)

1 引言

機械設備中做相對運動的摩擦副表面難免會出現(xiàn)與運動方向垂直的溝槽或縫隙，如對接曲軸軸瓦的微溝槽。接觸副的片狀零件加工過程中難免產生一定的殘余內應力，如差速器中差速齒輪球形墊片，在磨損過程中，材料逐漸變薄，在摩擦力和殘余內應力的共同作用下，易引起材料的徑向開裂縫隙。這種垂直于相對滑動方向的微溝槽，對零件在工作中的磨損性能和可靠性具有重要影響。當微溝槽出現(xiàn)在零件使用早期，處于非劇烈磨損失效階段時，溝槽寬度與周期內滑動跡線長度相比甚小，并不足以演變?yōu)橹旅怨收?，在非拆卸狀態(tài)下很難被發(fā)現(xiàn)，這種帶傷工作的摩擦副，所表現(xiàn)的磨損性能特征，受到了研究者和生產商的廣泛關注。

以往研究中主要通過人為改變摩擦副結構形貌的方式，在摩擦副表面設置初始溝槽，并對帶有初始溝槽的試樣進行摩擦學實驗研究。文獻[1]研究了存在約1 mm裂紋的接觸表面上的應力應變特征和材料強度。文獻[2]分析了存在半圓形裂紋表面的應力分布。利用線切割加工人工裂紋或微溝槽[3]，經常被用來進行加速試驗和摩擦學性能研究。摩擦界面溝槽的存在[4-5]，一方面改變了材料的連續(xù)性和各向同性，從而改變了接觸副的瞬時接觸狀態(tài)；另一方面具有捕獲磨屑和儲存潤滑油的能力[6]，從而減輕磨屑對界面磨損的影響，特別是在交變載荷的作用下[7]，磨粒磨損易誘發(fā)其他磨損形式。

初始徑向微溝槽的存在下，應用廣泛的耐磨材料(如GCR15)所表現(xiàn)的摩擦磨損特征，可以通過球-盤摩擦磨損試驗臺進行研究。實驗條件下，在線監(jiān)測技術能更加有效地高頻監(jiān)測摩擦副的摩擦磨損狀態(tài)，有利于磨損演變過程的研究。目前，在線鐵譜在磨損狀態(tài)實時監(jiān)測與動態(tài)預測估計方面得到了廣泛的應用和發(fā)展，如西安交通大學研發(fā)的在線圖像可視鐵譜儀(OLVF)[8-9]，能夠有效地對磨損磨粒進行在線可視監(jiān)測與分析，有利于對磨損狀態(tài)的準確判斷。此外，結合磨痕形貌和磨粒特征進行觀測分析，能夠更加準確地探究摩擦副在不同工況條件和運行過程中的磨損模式。

采用不同條數(shù)徑向溝槽的盤試樣進行對比實驗。通過OLVF磨損率信號進行在線實時可視監(jiān)測。選用利于加速磨損的實驗條件，如增大接觸比壓，使用無添加劑的白油潤滑，低轉速確保不形成動壓潤滑等。應用TR200輪廓儀和掃描電子顯微鏡(SEM)觀測磨痕截面輪廓和微觀形貌特征，對特定磨損現(xiàn)象的磨損機理進行探究。

2 理論基礎

2.1 IPCA參數(shù)

在線圖像可視鐵譜儀(OLVF)[10]是應用電磁線圈產生可控強磁場力使流經磨粒沉積區(qū)域的油液中鐵磁性顆粒按譜線分布沉積。沉積結束后，OLVF中內置的CMOS攝像頭獲取鐵譜圖片。通過對鐵譜圖片進行圖像處理，將彩色圖片轉換成灰度圖片，從而計算出磨粒的百分覆蓋面積比(IPCA)參數(shù)，記為Kt。

對磨粒沉積過程，作如下假設：(1)磨粒在油液分布均勻；(2)磨粒形狀近似為球形，粒徑均勻且無外源磨粒；(3)磨粒沉積無縱向疊加。因此，在采集周期內，沉積的磨粒二維覆蓋面積與磨損率具有密切的正相關性，磨損過程中IPCA參數(shù)值的變化可以近似表征摩擦副磨損率的變化，從而實現(xiàn)對磨損的在線監(jiān)測。根據(jù)IPCA定義可知，磨損表征參數(shù)Kt的表示式為[11]：

式中：C—鐵譜譜片中沉積的磨粒所占可視沉積區(qū)域的像素點數(shù)；w和h—可視沉積區(qū)域寬度和高度的像素點數(shù)。

盡管該參數(shù)基于嚴格假設之上，但在磨損監(jiān)測過程中，通過在線高頻采集獲取的磨損過程動態(tài)數(shù)據(jù)，具有總體有效性和重要參考價值。

2.2 球-盤Hertz接觸

球-盤實驗中接觸模型，可等效為球體與光滑剛性平面的Hertz接觸，在法向載荷Fn的作用下，球體產生彈性變形，變形后球-盤接觸由點接觸演化為面接觸。應用彈性力學中Hertz接觸，可以得出接觸半徑a：

式中：E′—系統(tǒng)性彈性模量，；E1、E2—兩摩擦副材料的彈性模量；υ1、υ2—兩摩擦副材料的泊松比。

而接觸副的平均接觸壓力為：

在滑動實驗過程中，初始接觸半徑和平均接觸壓力對磨損歷程有重要影響，特別是存在非連續(xù)性材料的周期性滑動副。

3 試樣與實驗

采用球-盤摩擦磨損實驗臺進行實驗，實驗臺由試樣固定裝置、杠桿加載系統(tǒng)、驅動電機及供油系統(tǒng)組成。球、盤試樣同采用軸承鋼GCr15材料，硬度為420HV，球試樣直徑為6mm，盤試樣直徑為60mm，厚度為5mm，表面粗糙度Ra=0.2μm，實驗中球盤相對滑動線速度為12.5m/s.由Archard磨損計算模型可知，當接觸比壓p＞H/3(H為材料的布氏硬度)時，磨損增長較為顯著，根據(jù)式(3)計算得到相應的臨界載荷Fc為25N，因此，采用加速磨損實驗，法向載荷設為2Fc=50N。由式(2)可知Hertz接觸直徑2a=0.211mm。盤試樣上沿徑向方向開設微型溝槽，參照Hertz接觸直徑，微溝槽寬度設為0.25mm，深度為盤試樣厚度5mm，因此，球試樣經過該溝槽時，摩擦副的接觸壓力會顯著增加。

實驗過程通過OLVF在線監(jiān)測油液中磨粒含量，輸出IPCA參數(shù)曲線。為了縮短實驗周期，盤試樣不經過任何熱處理。為防止實驗過程中產生磁化磨粒，影響OLVF監(jiān)測結果，粗加工后對盤試樣進行去磁化處理。然后，對盤試樣精磨拋光，使表面粗糙度達到0.2μm，并在去離子水中超聲波震蕩清洗。為加速磨損實驗過程，選用32#白礦油潤滑。實驗過程中采用蠕動泵連續(xù)開環(huán)供油，為保證單次采集周期內所需油液量與供油量持平，防止磨粒在油液中滯留，供油速度定為3.5ml/min，OLVF采集周期設為5min。通過設置無溝槽(T1-0)、單溝槽(T2-1)、四溝槽(T3-4)和八溝槽(T4-8)等4種不同溝槽數(shù)的盤試樣的對比實驗，實現(xiàn)徑向溝槽下GCr15材料配副的摩擦磨損性能評價。

4 結果與討論

4.1 IPCA參數(shù)曲線

應用OLVF對實驗T1-0、T2-1、T3-4和T4-8的磨損過程進行在線監(jiān)測，獲得IPCA參數(shù)曲線，如圖1所示。由經典摩擦學理論可知，磨損過程可分為3個典型階段，即磨合期、穩(wěn)定磨損期和劇烈磨損期，磨損率呈現(xiàn)典型的“浴盆曲線”特征。實驗過程中獲取的IPCA參數(shù)曲線顯示：(1)在實驗T1-0中，盤試樣接觸面連續(xù)的情況下，磨合期較短，約25min；(2)在實驗T2-1、T3-4和T4-8中，隨著微溝槽條數(shù)的增多，磨合期較長，分別約為60min、150min和200min，而Kt值呈現(xiàn)振蕩式降低的趨勢。(3)當盤試樣上微溝槽數(shù)為4和8條時，Kt值分別在(25～50)min和(80～130)min的時間段里出現(xiàn)相對較低值，而后磨損再次增強并持續(xù)約60min。以上數(shù)據(jù)表面，單條微溝槽對摩擦副的磨損過程影響并不顯著，當盤試樣上存在多條微溝槽時，摩擦副在磨合期的磨損率表現(xiàn)出一定的跳躍性。表明溝槽數(shù)越多，相對滑動的接觸表面在磨合期階段的磨損過程越不穩(wěn)定。采用TR200二維輪廓儀，獲取實驗T1-0、T2-1、T3-4及T4-8中盤試樣磨痕截面輪廓。由結果可知，如圖2所示。實驗T1-0和T2-1中盤試樣的磨損量并沒有發(fā)生明顯變化，與IPCA監(jiān)測結果一致；當微溝槽條數(shù)為4和8時，磨痕損失截面積增加顯著，分別達到9.1×10-9和15.3×10-9m2。通過對磨損率的在線監(jiān)測和盤試樣的磨痕截面分析表明：法向載荷相同的條件下，單溝槽對磨損量和磨損率影響較??；然而，當微溝槽條數(shù)較多時，磨合期明顯延長，磨損率和磨損量都顯著增大。

圖1 不同實驗IPCA參數(shù)曲線Fig.1 IPCA Parameter Curves In Various Tests

圖2 盤試樣磨痕截面積Fig.2 Cross-Sectional Area of Wear Scar on Disc Specimen

4.2 磨痕特征分析

對實驗后的盤試樣在無水乙醇或丙酮中進行超聲振蕩清洗，然后放入掃描電子顯微鏡(SEM)內，觀察其磨痕形貌。觀測點為距離溝槽位置后方15mm處，結果，如圖3所示。實驗T1-0中，當盤試樣無溝槽時，磨痕上出現(xiàn)大量犁溝形貌，主要磨損形式為磨粒磨損。而實驗T2-1中，單溝槽盤試樣上，磨痕表面相對無溝槽盤試樣磨痕，較為光滑，但在比壓較大的磨痕中間區(qū)域，出現(xiàn)了顯著的疲勞點蝕特征。實驗T3-4和T4-8的盤試樣磨痕形貌顯示，磨損過程中盤試樣接觸表面發(fā)生顯著的塑性流動，特別是微溝槽為8條時，接觸表面材料易出現(xiàn)塑性流動，發(fā)生疲勞磨損，材料流動和磨損后留下較多凹坑。

圖3 實驗后盤試樣磨痕形貌Fig.3 Morphologies of Wear Scars on Disc Samples After Tests

如圖4所示，由盤試樣微溝槽位置處SEM圖片可知，球試樣經過微溝槽時，由于名義接觸面積先降低后增加地變化，磨痕寬度從溝槽前沿開始逐漸增大，當越過微溝槽時，接觸寬度增大更加顯著。這種現(xiàn)象是由于球試樣在相對滑動過程中，對微溝槽后沿有一定的沖擊作用，該沖擊作用造成后沿磨痕表面發(fā)生疲勞點蝕。通過對比球試樣磨痕形貌特征可知，如圖5所示。在T1-0實驗中，球試樣的磨痕形狀近似為球形，并沿滑動方向出現(xiàn)粗細不等的條紋狀犁溝，而在T2-1實驗中，受微溝槽的影響，球試樣磨痕呈現(xiàn)典型的橢圓形，且表面較為光滑。

圖4 實驗T1-0盤試樣溝槽處磨痕形貌Fig.4 Wear Scar Morphology at the Groove Region of the Disc Specimen After Test T1-0

圖5 不同實驗中球試樣磨痕形貌特征Fig.5 Characteristics of Wear Scars on Ball in Different Tests

球、盤磨痕的SEM形貌特征表明，初始徑向微溝槽能夠改變滑動接觸副的接觸特征，降低磨粒磨損，但隨著溝槽數(shù)的增多，疲勞磨損較為明顯，特別是磨痕上接觸壓力較大的中間區(qū)域。

4.3 典型磨粒特征

根據(jù)OLVF的采樣監(jiān)測結果，對實驗中Kt值較高的鐵譜樣本磨粒，通過二次收集、清洗和離散化處理以后，用金相顯微鏡進行離線觀測。如圖6所示，實驗T1-0中，在沒有微溝槽時，可以發(fā)現(xiàn)典型的切削磨粒，結合相應的盤試樣磨痕形貌，可以判斷該組實驗中主要的磨損形式為磨粒磨損。而實驗T2-1中，觀測到的磨粒形貌主要如圖6(中)所示，未觀測到細長磨粒。當微溝槽增加到8條時(實驗T4-8)，由于球試驗每次經過微溝槽時，不可避免地產生一定的振動，致使盤試樣磨痕出現(xiàn)疲勞磨損，磨合過程中材料表面發(fā)生的冷作硬化層被壓潰，產生邊沿整齊的特征磨粒。因此，相同工況條件下，微裂紋條數(shù)對GCr15材料的磨損形式具有重要影響，特別是條數(shù)達到8條時，影響更為顯著。

圖6 典型磨粒特征Fig.6 Typical Wear Particle Characteristics

5 結論

(1)滑動摩擦副上徑向微溝槽較多時，磨合期磨損率波動變化較大，特別是微溝槽數(shù)目為8條時，Kt值起伏變化顯著，磨合期持續(xù)時間較長，磨損量較大。(2)無溝槽下摩擦副磨損較小，主要的磨損形式為磨粒磨損；而單溝槽時磨損量無明顯增加，表面相對光滑；隨著溝槽數(shù)增加到4條時，磨痕中出現(xiàn)疲勞點蝕現(xiàn)象，特別是8條微溝槽時，疲勞點蝕非常顯著，磨損嚴重，溝槽前沿塑性變形明顯。(3)無初始微溝槽的摩擦副易發(fā)生磨粒磨損并產生細長切削磨粒，而在微溝槽的作用下，磨粒磨損得到顯著改善，磨損形式發(fā)生改變，然而，微溝槽數(shù)較多時，易發(fā)生疲勞磨損，產生片狀磨粒，磨損惡化嚴重。