溝槽形織構密度對45鋼摩擦磨損性能的影響

劉 喆 陳江善 高心蕊 黃 杰 冷 科

（中國核動力研究設計院，四川 成都610213）

0 引言

45鋼是一種高質量的碳素結構鋼，因具有高強度、良好的機械性能和力學性能等優點而被廣泛地應用于工業生產、航天建筑以及電力工程等領域。但其在使用過程中經常發生表面磨損失效，嚴重影響其使用壽命[1，2]。為了提高其耐磨性，延長零件的使用壽命，通常在45鋼表面進行織構加工，達到減少磨損的目的[3，4]。表面織構技術是通過微細加工技術在材料表面加工出具有一定幾何形貌與尺寸，且排列規律的圖案，是提高材料表面摩擦學性能的一種新的表面改性技術。激光表面織構技術因其具有高效率、環保性以及操作簡便等優點而被廣泛應用[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異的減摩耐磨性能。激光表面織構技術已應用各種材料表面，以改善材料表面的摩擦學性能[6]。表面織構圖案參數有很多種，如織構圖案密度、直徑、形狀等，其中，溝槽形織構應用的最為廣泛，織構圖案的密度是影響摩擦磨損性能的重要參數[7]。因此，本文研究不同密度的溝槽形織構圖案密度對45鋼摩擦磨損性能的影響。

1 實驗材料與方法

1.1 45鋼基材

本實驗選用45號鋼作為基體材料，調質處理，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，盡量減少對摩擦磨損性能的影響。實驗所用45鋼化學成分見表1。

表1 45鋼的化學成分

1.2 織構圖案的制備

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

表2 45鋼表面織構圖案參數

1.3 實驗方法

采用UMT多功能摩擦磨損試驗機上對制備織構的45鋼表面進行摩擦磨損實驗，采用球-盤摩擦副進行往復試驗。上試樣為直徑6.3mm的鋼球，織構化處理的45鋼為下試樣。試驗條件：干摩擦條件，轉速60r/min，載荷為7.5N，滑動速度為8mm/s，磨痕軌道半徑5mm，往復行程5mm，試驗時間5min。

采用白光干涉儀對織構的二維形貌、粗糙度參數、摩擦磨損試驗后的磨痕形貌、磨痕寬度以及磨損體積進行分析。

2 實驗結果

2.1 織構圖案的二維形貌及粗糙度參數

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

圖1 45鋼表面不同密度織構的三維形貌

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

表3 不同織構參數表面粗糙度

2.2 織構圖案密度對摩擦磨損性能的影響

為了對比分析織構對45鋼摩擦磨損性能的影響，對未進行織構加工的45鋼表面與不同密度的織構表面的摩擦磨損性能進行了分析，其摩擦系數如圖2所示。通過分析得出未進行織構的45鋼表面的平均摩擦系數為0.459 2。從其摩擦曲線可以看出，在初始階段其摩擦系數驟增，隨著時間的延長，其摩擦系數逐漸趨于穩定。

對具有不同密度織構圖案的45鋼表面進行摩擦磨損測試，其摩擦系數如圖2所示。對比于未織構的45鋼表面，當織構間距為235μm及205μm時，平均摩擦系數降低，其平均摩擦系數分別為0.388 1及0.439，織構圖案起到良好的減摩作用。當織構圖案的間距為265μm時，對比于未織構的45鋼表面，摩擦系數增大，平均摩擦系數為0.483 3。

圖2 不同密度織構圖案摩擦系數

隨著織構密度的增加，摩擦系數呈現出先降低后增加的趨勢，45鋼的減摩性能隨織構圖案密度的增加呈現想增加后降低的趨勢。其原因為，隨著織構間距由265μm降低到235μm，織構圖案的密度增加，織構圖案儲存磨屑的能力增加，因此45鋼的減摩性能增加。但是隨著織構間距的繼續減小，由235μm減小到205μm，雖然45鋼表面織構的密度仍繼續增加，但是由織構導致的表面粗糙度也顯著增加，如表3所示，因此，當織構間距為205μm時，45鋼表面的減摩性反而降低。

為了進一步分析織構圖案密度對45鋼表面耐磨性的影響，對摩擦磨損后45鋼表面的磨痕形貌及磨損體積進行了分析，如圖3所示，為不同密度織構圖案的磨損形貌。從圖3可以看出，摩擦磨損試驗后，未織構表面出現了犁溝形貌，而織構化的45鋼表面，磨損掉的磨屑填充在凹坑內部，也進一步證實了織構圖案具有儲存磨屑的能力。如圖4所示，對比分析了不同織構密度與未織構的45鋼表面摩擦磨損實驗后的磨損體積。從圖4可以看出，對比于未織構的45鋼，加工織構后，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，隨著織構密度的增加，45鋼表面的磨損體積增加，表明隨著織構密度的增加，45鋼的耐磨性降低。其原因為，隨著織構密度的增加，45鋼表面的粗糙度增加，因此導致45鋼的耐磨性降低。

圖3 不同織構參數的磨痕形貌

圖4 不同參數織構表面的磨損體積

3 結論

在45鋼表面制備織構圖案可以改善45鋼的減摩性及耐磨性能。隨著織構圖案密度的增大，45鋼的減摩性能呈現先增加后降低的趨勢，其原因為隨著織構密度的增加，溝槽形織構圖案起到儲存磨屑的能力，有利于其減摩性能的提高，但隨著織構密度的增加，表面粗糙度也隨之增加，織構圖案儲存磨屑的能力與表面粗糙度增加二者的競爭機制決定了45鋼最終的減摩性能。隨著織構圖案密度的增加，45鋼的磨損體積增大，其原因為隨著織構密度的增加，表面粗糙度增加，因此45鋼表面的耐磨性降低。