YG8硬質合金表面溝槽織構的制備及其減摩特性

張 娜，楊發展，劉國華，王黎陽

(青島理工大學機械與汽車工程學院，青島 266250)

0 引 言

基于仿生學理論[1]，在材料表面加工出一系列的微凹坑、微凸起等微織構可有效改善材料的摩擦學性能[2]。目前，微織構理論已廣泛應用在計算機硬盤、齒輪、活塞/缸套、刀具等方面[3-4]。將微織構理論應用到刀具上時，刀具表面的織構可以起到收集磨屑、減小摩擦接觸面積以及增大表面散熱面積的作用，從而有效減緩刀具磨損程度，提高被加工工件的表面質量，大幅延長刀具的使用壽命[5]。目前，在金屬表面加工織構的方法主要有激光加工技術、反應離子刻蝕技術、電火花加工技術、納米壓印技術等[6-7]，其中激光加工技術因具有高效、無污染的特點而得到廣泛應用[8]。何霞等[9]利用飛秒激光設備在鈹青銅表面加工出微凹坑織構，探究了激光加工參數對織構直徑和深度的影響規律。崔煒等[10]利用脈沖光纖激光設備在聚晶金剛石表面制備出含有溝槽和錐形凸起的微納織構，分析了單脈沖能量對織構形貌的影響，以及織構的形成機理。華希俊等[11]利用SPI光纖激光器在GCr15軸承鋼表面加工凹坑織構，發現脈沖寬度對織構形貌具有較大的影響。LIU等[12]利用飛秒激光設備在WC/Co硬質合金刀具表面加工出與主切削刃成0°，45°，90°的直線溝槽織構并用來切削Al2O3基陶瓷，發現與主切削刃成0°的織構可有效提高刀具的耐磨性，延長刀具的使用壽命。ARULKIRUBAKRAN等[13]在WC刀具的前刀面加工出垂直溝槽、平行溝槽、交叉溝槽織構，發現具有垂直溝槽的刀具在切削鈦合金時表現出了最優的切削性能。

目前，有關采用光纖激光加工設備在硬質合金刀具表面加工織構的研究較少，加工參數對織構尺寸和形貌的影響機制還很欠缺，同時刀具前刀面與切屑摩擦接觸區織構的減摩機理有待進一步研究和揭示。為此，作者采用光纖激光加工設備在YG8硬質合金表面加工出溝槽織構，研究了激光加工參數對織構尺寸及形貌的影響，得到最佳激光加工參數；采用最佳激光加工參數在硬質合金表面加工出4種不同方向的正弦型溝槽織構，研究了干摩擦條件下不同試驗載荷、不同滑動速度時的摩擦磨損性能，探討了織構的減摩機理。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為臺州盛鋒工具有限公司生產的尺寸為35 mm×35 mm×5 mm的YG8硬質合金塊，硬度為89 HRA。將硬質合金表面進行打磨、拋光、超聲清洗，使其表面粗糙度達到0。1 μm。采用YLPN-1-100-200-R型IPG光纖激光加工設備在硬質合金表面加工溝槽織構，激光波長為1 064 nm，脈沖寬度為10 ns，頻率為20 kHz，激光功率為40，50，60 W，掃描速度為100，200，300 mm·s-1，掃描次數為200，300，400次。采用單因素法研究不同激光加工參數下織構的形貌。用DSX510型體視顯微鏡觀察激光加工后的織構形貌，得到最佳的激光加工參數。

采用最佳的激光加工參數，在YG8硬質合金表面加工出面積占有率為10%，正弦中心線與摩擦方向成0°，30°，60°，90°的正弦型溝槽織構，并將得到的合金試樣分別記作SG-0、SG-30、SG-60、SG-90試樣。

采用MFT-EC4000型電化學腐蝕摩擦磨損試驗機進行球盤式干摩擦磨損試驗，下試樣為表面加工出織構的硬質合金試樣，上試樣為直徑6 mm、硬度68 HRA的Ti6Al4V鈦合金球。硬質合金試樣固定在下端并做行程為5 mm的往復直線運動，鈦合金試樣固定在上端并承受2～14 N的載荷，滑動速度為2050 mm·s-1，試驗時間為1 800 s，每組試驗測3次取平均值，并與光滑表面硬質合金試樣(以下簡稱光滑試樣)進行對比。

2 試驗結果與討論

2.1 織構形貌與尺寸

由圖1可知，不同激光參數下加工的織構均為中間深，兩側淺的溝槽織構。激光束能量呈高斯分布，中間能量高，兩側能量低，因此織構呈中間深，兩邊淺的形貌，且織構截面形貌呈弧形[8]。由圖1和圖2可知：在掃描速度為100 mm·s-1、掃描次數為200次時，隨著激光功率的增加，溝槽織構的深度和寬度大幅增加，織構底部變得粗糙，這是由于激光功率增加時，激光束能量增加，使得織構尺寸增大，但是激光能量過高時，硬質合金燒蝕程度加劇，熔化的硬質合金未能及時排出而堆積在溝槽底部，因此織構底部變粗糙；在激光功率為40 W、掃描次數為200次時，隨著掃描速度的增加，溝槽織構的深度和寬度減小，這是由于掃描速度減小，單位時間內作用在硬質合金表面的激光能量減少；在激光功率40 W、掃描速度100 mm·s-1時，隨著掃描次數的增加，溝槽織構的深度和寬度變大，織構底部出現較多不規則的凹坑，這是因為單位時間內激光能量不變，增加掃描次數，即增加激光的作用時間，能夠燒蝕溝槽底部更多的材料，燒蝕熔化的材料堆積在溝糟底部，使底部出現較多不規則的凹坑。綜上可知，激光加工參數對織構尺寸及形貌的影響較大，在激光功率為40 W，掃描速度為100 mm·s-1，掃描次數為200次時，加工出的溝槽織構表面形貌較好，織構寬度為160 μm，深度為15 μm。

圖1 不同激光加工參數下織構的形貌

圖2 織構的尺寸隨激光功率、掃描速度與掃描次數的變化曲線

2.2 減摩特性

由圖3可以看出：隨著試驗載荷的增加，光滑試樣與SG-90試樣的穩定摩擦因數均呈增大趨勢，SG-90試樣的穩定摩擦因數略大于光滑試樣的；當試驗載荷從2 N增加到14 N時，SG-90試樣的穩定摩擦因數逐漸接近于光滑試樣的。在硬質合金表面加工織構后，表面粗糙度增加，在摩擦過程中會加劇對磨鈦合金球的磨損，因此摩擦因數大于光滑表面試樣的；織構在增加試樣表面粗糙度的同時還能容納磨屑，進一步減少摩擦接觸面的磨屑量，降低磨損程度和減少磨損量；隨著試驗載荷的增大，硬質合金表面單位面積所承受的壓力增大，磨損加劇，產生的磨屑增多，此時表面織構容納磨屑的作用更為突出，因此織構試樣的摩擦因數接近于光滑試樣的。光滑試樣及SG-90試樣的穩定摩擦因數均隨著滑動速度的增加而減小，且SG-90試樣的穩定摩擦因數始終高于光滑試樣的。隨著滑動速度的增大，摩擦過程中的摩擦長度增加，磨損量增加。在不同載荷及不同滑動速度下摩擦磨損試驗過程中，表面織構一方面增加了硬質合金表面粗糙度，導致磨損量增加，另一方面減小了硬質合金和對磨球的摩擦接觸面積，并可有效容納磨屑，減緩磨損。因此，織構的減摩效果是這兩方面因素綜合作用的結果。

圖3 SG-90試樣與光滑試樣的穩定摩擦因數隨試驗載荷與滑動速度的變化曲線

為了研究正弦中心線與摩擦方向成不同角度的正弦型溝槽織構的減摩特性，選擇載荷2 N、摩擦速度20 mm·s-1條件下的摩擦因數曲線進行研究。由圖4可以看出：在摩擦過程中，光滑試樣的摩擦因數波動較大，不同角度織構試樣的摩擦因數波動較小；SG-0試樣的摩擦因數比光滑試樣的降低了25%，SG-30、SG-60、SG-90試樣的摩擦因數大于光滑試樣的，可知正弦中心線與摩擦方向成0°的正弦溝槽織構的減摩效果最突出。

圖4 不同硬質合金試樣的摩擦因數隨滑動時間的變化曲線(試驗載荷2 N，滑動速度20 mm·s-1)

由圖5可以看出：光滑試樣表面磨痕較寬，表面存在大量的白色黏結物；織構試樣表面磨痕較窄且白色黏結物較少，這是由于織構可有效收集摩擦過程中產生的磨屑，減少摩擦接觸面上磨屑存留導致的；SG-0試樣表面黏結物少于其他織構試樣表面的，減摩效果最好。

3 結 論

(1) 隨著激光功率或掃描次數的增加，YG8硬質合金表面溝槽織構尺寸增大，但過高的激光功率與過多的掃描次數導致織構底部形貌變差；隨著掃描速度的增加，溝槽織構尺寸減小；最佳激光加工參數為激光功率40 W，掃描速度100 mm·s-1，掃描次數200次，加工出的溝槽織構表面形貌較好，織構寬度為160 μm，深度為15 μm。

(2) 采用最佳激光加工參數在硬質合金表面加工出正弦型溝槽織構后，硬質合金的摩擦因數隨著施加載荷的增加而增大，隨著滑動速度的增加而減小；在試驗載荷為2 N、滑動速度為20 mm·s-1時，正弦中心線與摩擦方向成0°的正弦型溝槽織構的減摩效果優于正弦中心線與摩擦方向成30°，60°，90°的織構，且摩擦因數比光滑試樣的降低了25%。