激冷合金鑄鐵微織構(gòu)表面摩擦磨損試驗(yàn)研究

摘 要：采用激光織構(gòu)技術(shù)在激冷合金鑄鐵表面制出不同尺寸溝槽形織構(gòu)，開展摩擦磨損試驗(yàn)，研究織構(gòu)間距和織構(gòu)寬度對(duì)摩擦系數(shù)和磨損量的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)織構(gòu)間距和寬度均為100μm時(shí)，試樣與對(duì)磨球間平均摩擦系數(shù)值為0.1885，試樣磨損量為17.1mg，與無織構(gòu)時(shí)相比顯著降低。研究表明溝槽形微織構(gòu)可有效提升激冷合金鑄鐵表面的耐磨性。

關(guān)鍵詞：激冷合金鑄鐵 溝槽形微織構(gòu) 摩擦磨損

0 引言

激冷合金鑄鐵廣泛用于制造需要耐磨和耐沖擊的零件，如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸和凸輪軸、軋鋼機(jī)軋輥及磨粉機(jī)磨輥等[1-2]，雖然該材料硬度高耐磨性好，但在實(shí)際使用過程中仍不可避免由于磨損而失效，從而對(duì)相關(guān)設(shè)備的性能產(chǎn)生不良影響。研究人員主要從潤(rùn)滑技術(shù)和表面工程技術(shù)著手提升零件的摩擦學(xué)性能。潤(rùn)滑技術(shù)利用各種潤(rùn)滑劑來優(yōu)化機(jī)械部件的運(yùn)作，有效降低摩擦阻力并減少磨損，延長(zhǎng)使用壽命，提高整體機(jī)械性能[3]。表面工程技術(shù)通過對(duì)材料工作表面進(jìn)行預(yù)處理、涂層和熱處理等，改善固體材料表面的形態(tài)、化學(xué)成分、微觀結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)，旨在達(dá)到預(yù)定的表面性能，以適應(yīng)不同的工作條件和要求[4]。近年來，表面微織構(gòu)因其優(yōu)異的減摩性能，已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重點(diǎn)研究對(duì)象，通過在材料表面制造預(yù)定的圖案或結(jié)構(gòu)，可有效改善材料的表面性能[5]。因此，開展仿生織構(gòu)形貌參數(shù)對(duì)激冷合金鑄鐵摩擦和磨損特性的研究，對(duì)提高其應(yīng)用表面耐磨性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

微織構(gòu)技術(shù)通過在材料表面上創(chuàng)建微小的凹凸或圖案，以此來改變兩個(gè)接觸表面之間的摩擦行為[6]。紀(jì)敬虎等人[7]使用激光在45鋼表面制造了V形凹槽織構(gòu)并開展摩擦試驗(yàn)，在油潤(rùn)滑條件下，表面織構(gòu)顯著降低了摩擦系數(shù)。尤其是在低載荷和較高轉(zhuǎn)速的工作環(huán)境中，摩擦系數(shù)最多減少了64%。此外，隨著凹槽深度和邊長(zhǎng)的增加，平均摩擦系數(shù)也逐漸降低。劉成龍等[8]在潤(rùn)滑軌道上使用飛秒激光加工出梳齒狀織構(gòu)，使?jié)櫥湍軌蚨ㄏ蛞苿?dòng)，與普通表面相比，這種織構(gòu)使摩擦系數(shù)減少了約30%。Chen等[9]結(jié)合超精密車床切削技術(shù)和飛秒激光技術(shù)，在刀具表面制備了仿豬籠草結(jié)構(gòu)，這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)能夠?qū)⑶邢饕憾ㄏ蜉斔椭燎邢鲄^(qū)域，使磨損量相比未處理的表面降低了85%以上。為探究凹坑織構(gòu)的內(nèi)部減摩機(jī)制，GREINER等[10]從斷裂力學(xué)的角度出發(fā)，研究黃銅表面上凹坑深度和直徑對(duì)其摩擦學(xué)性能的影響，揭示了凹坑結(jié)構(gòu)的幾何特性如何影響材料的摩擦行為和耐久性。閆彩等人[11]通過分析微凹坑密度對(duì)缸套摩擦潤(rùn)滑性能的影響，揭示了面積占有率與摩擦學(xué)性能之間的重要關(guān)系，并指出凹坑面積占有率控制在5%到20%之間時(shí)，可以有效改善摩擦學(xué)性能。另外，其他研究者也提到通過合理設(shè)計(jì)凹坑的面積占有率和分布，可最大化地發(fā)揮凹坑織構(gòu)的減摩和抗磨損功能[12-14]。

通過以上分析可知，根據(jù)特定應(yīng)用和工作條件，精確控制微織構(gòu)的參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)特定的摩擦行為，滿足不同應(yīng)用的需求。然而，利用微織構(gòu)技術(shù)對(duì)激冷合金鑄鐵表面進(jìn)行改性的方法尚未得到廣泛應(yīng)用，缺乏織構(gòu)形貌參數(shù)對(duì)其表面摩擦磨損特性的研究。鑒于此，本文將通過激光織構(gòu)技術(shù)在激冷合金鑄鐵表面加工具有不同寬度和間距的溝槽形微織構(gòu)，并通過開展摩擦磨損試驗(yàn)，對(duì)激冷合金鑄鐵微織構(gòu)表面摩擦磨損進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 激冷合金鑄鐵微織構(gòu)表面摩擦磨損試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 摩擦磨損試樣制備

通過開展激冷合金鑄鐵表面激光織構(gòu)加工預(yù)試驗(yàn)，當(dāng)激光功率為7W、激光頻率為35kHz、掃描次數(shù)為10次、掃描速度為500mm/s時(shí)表面織構(gòu)質(zhì)量最為良好。采用以上參數(shù)在激冷合金鑄鐵樣塊上制備出織構(gòu)寬度分別為50μm、100μm、150μm，織構(gòu)間距分別為70μm、100μm、150μm的9組織構(gòu)尺寸組合。圖1為溝槽織構(gòu)表面的3D輪廓圖和放大160倍的實(shí)物圖。

1.2 設(shè)備選擇

1.2.1 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)

試驗(yàn)采用MDW-02高速往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)（圖2），試驗(yàn)基體材料為激冷合金鑄鐵。為縮短摩擦磨損試驗(yàn)時(shí)間、降低試驗(yàn)難度，結(jié)合激冷合金鑄鐵零件實(shí)際應(yīng)用時(shí)的接觸情況，本試驗(yàn)采用氮化硅小球作為對(duì)磨件，以有效反映真實(shí)接觸情況，且使摩擦磨損特性分析結(jié)果具有參考價(jià)值。試驗(yàn)設(shè)置為：使用直徑為5mm的碳化硅小球作為對(duì)磨件，試驗(yàn)力設(shè)置為20N，頻率為2Hz（速度為24mm/s），往復(fù)行程為6mm，每組試驗(yàn)時(shí)間為60min。

1.2.2 稱重

摩擦磨損試驗(yàn)前后對(duì)試樣及對(duì)磨球分別進(jìn)行20分鐘超聲波清洗，使用花潮高科HC萬分位分析天平對(duì)試樣及對(duì)磨球進(jìn)行稱重，每個(gè)樣品稱重三次并記錄平均值，以磨損失重對(duì)織構(gòu)耐磨性進(jìn)行分析。

1.3 摩擦磨損試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

試驗(yàn)采用單因素分析法，為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，在相同條件下將所有織構(gòu)試樣一次全部制備。摩擦磨損試驗(yàn)方案見表1。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)過程中摩擦系數(shù)的采樣為每秒一次，導(dǎo)致摩擦系數(shù)數(shù)據(jù)較為冗雜，給數(shù)據(jù)處理帶來影響，所以采用Savitzky-Golay數(shù)據(jù)平滑方法處理。該方法基于最小二乘擬合的原理，通過將數(shù)據(jù)點(diǎn)的子集擬合到一個(gè)多項(xiàng)式上，來計(jì)算中心點(diǎn)的平滑值，從而保留數(shù)據(jù)重要特征。

2.2 織構(gòu)尺寸參數(shù)對(duì)摩擦系數(shù)的影響

在織構(gòu)寬度為50μm時(shí)，對(duì)應(yīng)織構(gòu)間距分別為70μm、100μm、150μm以及無織構(gòu)時(shí)摩擦系數(shù)變化情況見圖3。可知，織構(gòu)間距分別為70μm和150μm時(shí)摩擦系數(shù)值相比無織構(gòu)時(shí)較小，而織構(gòu)間距為100μm時(shí)摩擦系數(shù)值較高。當(dāng)織構(gòu)間距為70μm時(shí)，在相同試驗(yàn)?zāi)Σ列谐虄?nèi)相比其余間距有更多條織構(gòu)，從而減摩效果明顯。當(dāng)織構(gòu)間距為100μm時(shí)由于織構(gòu)微凸體與對(duì)磨球作用增強(qiáng)，導(dǎo)致微切削阻力增大，超過了表面織構(gòu)減摩效果的積極作用，導(dǎo)致此時(shí)摩擦系數(shù)相較于無織構(gòu)時(shí)略大。在試驗(yàn)剛開始的500s內(nèi)織構(gòu)表面摩擦系數(shù)值均比無織構(gòu)低，這是由于脫落的磨粒碎屑會(huì)被織構(gòu)溝槽捕捉，有效避免磨粒摩擦。

織構(gòu)寬度為100μm時(shí)，對(duì)應(yīng)織構(gòu)間距分別為70μm、100μm、150μm以及無織構(gòu)時(shí)摩擦系數(shù)變化情況如圖4所示。不同織構(gòu)間距下的織構(gòu)表面所的摩擦系數(shù)均低于無織構(gòu)表面，歸因于織構(gòu)寬度較大情況下，磨擦過程中會(huì)較好分散接觸載荷，促使局部接觸應(yīng)力降低，從而提升減摩效果。另外，可明顯看出間距為100μm時(shí)摩擦系數(shù)相較于其他間距最小，說明織構(gòu)寬度和間距均為100μm時(shí)織構(gòu)的減摩效果最為明顯。

織構(gòu)寬度在150μm時(shí)，對(duì)應(yīng)織構(gòu)間距分別為70μm、100μm、150μm以及在無織構(gòu)時(shí)的摩擦系數(shù)變化情況如圖5所示。同樣，在此織構(gòu)寬度下，不同織構(gòu)間距表面摩擦系數(shù)值均低于無織構(gòu)表面，說明織構(gòu)寬度分散接觸載荷的作用依然存在。另外可以發(fā)現(xiàn)的是，織構(gòu)間距為100μm和150μm時(shí)的摩擦系數(shù)數(shù)據(jù)以及規(guī)律相差不大，且相較于織構(gòu)間距為70μm時(shí)的摩擦系數(shù)低，這是由于較大織構(gòu)寬度在對(duì)磨過程中可以更多的收集所產(chǎn)生的碎屑，防止其起到增摩作用，從而降低了摩擦系數(shù)。

9種織構(gòu)和無織構(gòu)試樣表面的平均摩擦系數(shù)如圖6所示，大部分微織構(gòu)表面均有明顯降低摩擦系數(shù)的效果，相較于織構(gòu)寬度為50μm和100μm的情況，織構(gòu)寬度為150μm時(shí)平均摩擦系數(shù)較低，且遠(yuǎn)低于無織構(gòu)時(shí)的平均摩擦系數(shù)，其中織構(gòu)間距及寬度均為100μm時(shí)平均摩擦系數(shù)最低，為0.1885，這說明表面微織構(gòu)的存在可降低摩擦系數(shù)，且織構(gòu)寬度越大減摩效果越明顯，主要由于織構(gòu)寬度越大織構(gòu)所占面積越大，捕獲磨粒及減少接觸面積效果越明顯，從而使表面耐磨質(zhì)量有所提升。然而，織構(gòu)寬度為50μm時(shí)的平均摩擦系數(shù)沒有太大優(yōu)勢(shì)，由于此時(shí)織構(gòu)寬度以及深度都較小，嚴(yán)重影響織構(gòu)捕獲磨粒的能力，導(dǎo)致減摩效果并不明顯。

2.3 織構(gòu)尺寸參數(shù)對(duì)磨損失重的影響

不同織構(gòu)尺寸參數(shù)下試樣平均磨損量如圖7所示。無織構(gòu)時(shí)磨損量為19mg，除織構(gòu)寬度和間距均為50μm時(shí)磨損量多于無織構(gòu)外，其他織構(gòu)尺寸參數(shù)都有減少磨損的作用，其中織構(gòu)寬度和間距均為100μm時(shí)，試樣磨損量最少，為17.1mg，相比無織構(gòu)時(shí)磨損減少10%。這種現(xiàn)象可理解為：使用激光對(duì)表面進(jìn)行改性，在激光加工區(qū)域的化學(xué)成分和微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，會(huì)對(duì)織構(gòu)表面產(chǎn)生硬化效果，以及摩擦過程中起到儲(chǔ)存磨屑作用，從而減少磨損量。而織構(gòu)寬度為50μm、織構(gòu)間距100μm時(shí)，織構(gòu)密度不合理等因素導(dǎo)致磨損量相比無織構(gòu)時(shí)增多。通過分析可知，當(dāng)織構(gòu)寬度和間距均為100μm時(shí)織構(gòu)的耐磨性最好。

3 結(jié)論

基于對(duì)激冷合金鑄鐵表面不同微織構(gòu)尺寸參數(shù)表面的摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果分析，相比于無織構(gòu)表面，合理尺寸參數(shù)的表面微織構(gòu)可發(fā)揮較好的減摩耐磨作用，在織構(gòu)寬度和間距均為100μm時(shí)可獲得最佳的改性效果。該研究為采用激冷合金鑄鐵材料的工業(yè)應(yīng)用（如汽車行業(yè)、冶金礦山、面粉加工等）進(jìn)行耐磨技術(shù)研究提供指導(dǎo)，對(duì)于提高工業(yè)產(chǎn)品的性能和使用壽命具有重要意義。

基金項(xiàng)目：2022年河南省重點(diǎn)研發(fā)與推廣專項(xiàng)項(xiàng)目（222102110392）；2023年河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目（23A460024）；2024年鄭州科技學(xué)院教學(xué)改革項(xiàng)目（2024JGYB03）；2024年鄭州科技學(xué)院教學(xué)改革項(xiàng)目（2024JGQN09）；2023年度許昌市重點(diǎn)研發(fā)與推廣專項(xiàng)項(xiàng)目（20230211013）。

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