织构化的铝合金表面摩擦学特性研究

2020-08-03薛超,卢艳,陈娟

武汉科技大学学报 2020年4期

薛超,卢艳,陈娟

(1.武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室,湖北武汉,430081；2.武汉科技大学机械传动与制造工程湖北省重点实验室,湖北武汉,430081)

随着人类科技的进步、工业水平的不断提升，现代工业对机械传动系统中摩擦表面的稳定性、耐磨性和润滑特性都提出了更高的要求。传统摩擦学理论认为，相互接触的结构表面越光滑，摩擦系数及磨损量就越小。但是，在上个世纪60年代Hamilton等[1]指出，表面微织构在平行摩擦副表面可当做微型动压轴承，从而改善结构表面的摩擦、润滑性能[2-3]。也就是说，并非结构表面越光滑其摩擦性能就越好，具有微织构的结构表面在润滑油的作用下，微织构的凹槽内部可以储存一部分润滑油，在两个结构表面的相对运动中形成动压润滑以减小两表面的摩擦阻力。现代工业技术提供了多种加工方法来构建不同的表面织构，如激光表面微造型技术(LST)[4]、表面喷丸处理技术[5]、反应离子刻蚀技术(RIE)[6]等。目前，与表面织构应用相关的研究可分为两类，一是借助微/宏观尺度织构的动压润滑特性来研究织构的减阻性能[7-8]，二是利用微/纳尺度织构的疏水或者超疏水特性[9-10]，建立微通道模型来研究其减阻性能。其中围绕表面织构的动压润滑性能，Ramesh等[11]和Wakuda等[12]研究了圆孔型织构化机械密封的摩擦学性能和密封性能，指出圆孔织构分别在混合润滑区和全膜润滑区具有增摩和减摩的效果[13]。本课题组对微循环表面网状形态的织构润滑特性进行了研究，结果表明，微循环网状形态的织构可有效地改善表面摩擦性能[14]。同时，织构的排布与形状也是影响织构动压润滑效果的因素，Sahlin等[15]利用计算流体力学(CFD )法分析了不同织构的油膜压力分布，为织构排布优化设计提供了参考。刘东雷等[16]采用皮秒激光技术实现了铸铁表面的微织构化，发现具有凹坑、网纹、断纹和光滑等 4 种不同形貌的表面摩擦磨损性能依次降低；另一方面,大量研究已证实，微织构在流-固表面接触条件下也能产生很好的减阻效果，因为微/纳尺度的织构往往具有较好的疏水/超疏水性能[17]，可以有效减小流-固表面摩擦力。本课题组利用电化学法制备了层级微织构，并证实了所制织构具有超疏水特性，同时借助建立微通道模型验证了该织构的减阻特性[18]。Li等[19]运用喷砂技术制备出喷砂铝微织构表面，研究了其对黏附力以及减阻的影响。郝秀清等[20]在铝板上加工出接触角为 156°的超疏水表面，并使用粒子图像测速(PIV)技术对该超疏水表面与亲水表面进行对比分析，结果表明，超疏水表面最大能实现8.72%的减阻效果。不过，需要指出的是，微/纳尺度织构的加工大多依赖化学方法，在基底表面镀上疏水织构层，往往基膜结合力较弱、表面耐磨性较差，相比之下，对宏观尺度织构的研究具有更强的实用性。综上可知，微织构减阻为摩擦学领域一大研究热点，但大多数相关研究都注重织构形状，力图通过构建一些新型织构来研究其减阻效果，而运用试验方法，针对参数化表面织构对摩擦减阻影响的研究还有所欠缺。因此，本文基于不同条状、网状织构的摩擦学试验，结合动压润滑理论，研究了织构的深度、网状织构的排布夹角以及单织构的接触面积对铝合金摩擦系数以及磨损量的影响，以期为微织构的减阻优化设计提供依据。

1 试验方法及织构设计

1.1 试验方法

采用美国Bruker公司生产的UMT型摩擦磨损试验机(如图1所示)进行销-盘接触旋转对磨试验，主要操作步骤为：用专用夹具将铝合金试件固定在油槽内部，把销盘安装在试验机上方的夹具上，利用压力传感器监测接触压力，试验过程中借助传动带将整个油槽带动以实现旋转对磨，并将整个摩擦副浸泡在润滑油(美孚黑霸王15W-40型，黏度106 cSt)中。试验中所用销盘为不锈钢材质，直径20 mm，接触压力为500 N，油槽转速r为300 r/min，对磨时间为30 min，试验温度为室温，摩擦系数(COF)值由试验机数据采集系统输出。试验结束后利用白光干涉仪采集试件轮廓数值，图2所示为试验后的试件以及白光干涉仪采集轮廓数值的部位，轮廓采集范围全部取试件磨损区域的边缘处，以便直观体现磨损深度Dw，以Dw表征试件的磨损量，其计算公式为

(1)

式中，y0、y分别为白光干涉仪在试件未磨损区及磨损底部所采集数值，m、n、i、j为样本序号。

1—压力传感器；2—销盘；3—油槽；4—试件；5—专用夹具；6—传动带；

图2 磨损量表征方法

1.2 织构设计

图3所示为不同织构夹角的铝合金表面以及织构参数表征示意图。其中，织构深度h、网状织构夹角α及单织构/凸台接触面积Ss是表征织构的3个重要变量参数。条纹状及网状织构的间距固定为1000 μm,织构凹槽宽度固定为500 μm。先使用铣床加工出试件坯样，然后再经过细砂纸水磨使其表面光滑，最后采用精密数控加工技术加工出具有不同参数织构的试件并去除毛刺备用。各试件表面织构特征值列于表1，其中Ⅰ～Ⅴ号试件表面为条纹状织构，Ⅵ～Ⅸ号试件表面为网状织构。

(a)不同织构夹角的铝合金表面 (b)织构几何表征图3 不同织构夹角的铝合金表面和织构几何表征Fig.3 Surfaces of aluminum alloy with different texture angles and texture geometric representation

表1 织构参数

2 试验结果与理论分析

2.1 试验结果

具有光滑表面及表面存在条纹状或网状织构的铝合金试件经磨损试验后的表面形貌、对应区域x、y方向的轮廓线图如图4所示。从图4中可以看出，所有试件表面经磨损后都出现圆弧形磨痕，对于具有条纹状织构的试件(图4(b)～图4(f))来说，其表面磨痕随着织构深度值的增加而逐渐变浅，表明相应试件磨损量不断减少；当网状织构夹角由30°增加至90°(图4(g)～图4(j))时，相应试件表面磨痕逐渐加深，表明其磨损量不断增多。

在磨损试验过程中，当磨损时间为200～1800 s时，试件表面的COF随时间变化的曲线如图5所示。由图5(a)可见，对于具有光滑表面的试件，其表面COF在磨损时间约为400 s时发生跃变，以此跃点为界可将COF变化区间分为(1)和(2)两个阶段，阶段(1)为全膜润滑阶段，阶段(2)为混合润滑阶段；而具有条纹状织构表面的试件，其表面COF在磨损期间出现些许波动，但整体变化不大。至于表面存在网状织构的4组试件，从图5(b) 中可以看出，其表面COF也均随磨损时间的增加而呈现出波动变化。

(a)光滑表面试件 (b)试件Ⅰ (c)试件Ⅱ (d)试件Ⅲ

(e)试件Ⅳ (f)试件Ⅴ (g)试件Ⅵ (h)试件Ⅶ

(i)试件Ⅷ (j)试件Ⅸ

(b)表面存在网状织构的试件

图6所示为不同试件经磨损试验1800 s时，其表面平均COF、磨损深度Dw随相应织构参数变化曲线。由图6(a)可以看出，随着条纹状织构深度值的增大，相应试件表面的平均COF先迅速降低然后降幅放缓，其Dw先升高然后又急剧下降，二者均呈现整体下降趋势。需要指出的是，条纹状织构深度h为200 μm时，试件表面Dw较光滑表面(h为0)相应值有所增加，这是因为光滑表面不存在织构，整个表面层同步磨损，所以磨损深度较浅，但其磨损总量仍然高于有织构表面的相应值。而对于表面具有网状织构的试件(图6(b)和图6(c))，当织构夹角α由30°增加到90°时，相应试件表面的平均COF先增大后减小，但其具体变化值较小，为10-3数量级。试件表面Dw随织构夹角的增加而不断增大，表明试件表面磨损程度越发严重。单织构/凸台接触面积Ss越大,相应试件表面磨损量越小。

(a)条纹状织构h值的影响

(b)网状织构α值的影响

(c)网状织构Ss值的影响图6 平均摩擦系数、磨损深度随织构参数的变化曲线Fig.6 Variation curves of mean COF and Dw with texture parameters

2.2 理论分析

根据流量连续性条件，流入微元的质量与流出微元的质量相等，得出Reynolds方程的普遍形式为

(2)

(a)动压效应

(b)挤压效应

图8所示为光滑表面与织构表面上的油膜分布示意图。结合图8分析试件磨损过程可知，在持续1800 s的磨损试验过程中，因油槽旋转使得试件与销盘表面间的润滑油受离心作用力，同时由于挤压效应，光滑表面压力较大，所以当磨损试验开始后，前400 s内试件光滑表面的摩擦系数小于有织构试件表面的相应值，加之部分润滑油的溢出，加快了油膜的破坏进程，使得光滑表面由全膜润滑阶段进入混合润滑阶段,销盘与试件表面接触形成犁削点(ploughing point)，此时液-固接触转变为固-固接触(图8(a))，造成试件表面COF急剧增大，磨损加剧。而对于具有织构的表面而言，其凹槽部位可储存润滑油，避免了润滑油因离心力和挤压力作用而溢出，同时由于挤压效应，表面压力将会增加，从而导致摩擦系数出现波动，凹槽内部润滑油由于收敛间隙产生动压润滑效应，所以织构表面会长时间停留在全膜润滑阶段(图8(b))。在摩损试验过程中，由于挤压与离心力的作用，导致润滑油不断减少，之后由于油膜厚度减小，挤压力增大，油膜压力变大，所以摩擦系数波动变化后相对平稳(见图5)。

(a)光滑表面

(b)织构表面

由图5、图6中有关试件表面COF及Dw的磨损试验结果可以看出，当磨损试验开始后，前400 s内试件光滑表面相比织构表面具有更小的COF，随着磨损时间的增加，具有织构的铝合金表面润滑效果更好，磨损量明显降低，基于该试验结果，借助动压润滑模型对其润滑机理进行分析，因油膜厚度直接影响动压润滑效果，故建立膜厚方程[12]

(3)

式中，Tf0为销盘表面与试件织构层表面的距离。接触表面的摩擦力Ff与总承载量W分别为

(4)

(5)

式(4)和式(5)中，Ωs、Ωl分别为试件与销盘接触面处试件表面凸起的织构层表面积以及织构间凹陷区域的表面积。

由式(4)、式(5)联立可得摩擦系数

(6)

对于具有条纹状织构的试件，由式(4)可知，油膜厚度Tf越大，界面摩擦力就越小，试件表面COF随之降低，所以织构凹槽越深，相应的Tf就越大，导致COF减小，并且由于条纹状织构Ωs、Ωl相等，所以试件磨损量随摩擦系数减小而减少，这与图6(a)所示的试验结果吻合。对于具有网状织构的试件，当织构深度相等时，Tf0为挤压效应的主要影响参数，挤压效应越大，表面压力就越大，由式(5)可知，摩擦副总承载量为全域压力的积分，而Ss直接影响着织构的储油量，因此COF值受Tf0和Ss的耦合影响，当α越大时其Ss值越小，织构表面储油面积(Ωl)越大，所以当α为90°时，试件表面储油量较多，在同等载荷作用下，Tf0较其它角度的网状织构更小，故网状织构的平均COF值随织构排布角度先增大后减小。此外，因Ss对Dw影响较大，故单织构面积越小，相应试件的耐磨性就越低,这与图6(b)和图6(c)所示的试验结果吻合，所以在实际工况条件下设计织构夹角为30°，不仅能有效的降低试件表面COF，而且能保证试件具有更好的耐磨性。