不同润湿组合配流副的摩擦磨损试验研究∗

2023-12-06申苗苗高殿荣王子朋刘晓辉

润滑与密封 2023年11期

申苗苗高殿荣王子朋刘晓辉

（燕山大学机械工程学院河北秦皇岛 066004）

轴向柱塞泵由于具有工作压力高、结构紧凑、寿命长等优点，被广泛应用于航空航天、海洋工程、工程机械等领域［1－3］。配流副是柱塞泵中的关键摩擦副之一，其是由配流盘表面和高速旋转的缸体衬板组成的滑动摩擦副，起到隔离和密封泵吸油容腔与压油容腔作用。配流副的合理设计十分重要，在保证良好的密封，以提高泵容积效率的同时，还要保证两端面间摩擦阻力较小，磨擦损失较少，以提高泵的机械效率和使用寿命。

研究发现，无论是油泵还是水泵摩擦副均会由于磨损而失效，海水泵中还存在腐蚀等问题［4－6］。国内外许多学者从抗腐蚀耐磨损的角度出发，经过大量的理论分析与试验研究基本解决了配流副的配对材料问题。其中以碳纤维增强聚醚醚酮（CFRPEEK）为配流盘材料，超级双相不锈钢SAF2507 为缸体衬板材料组成的配流副是一种常见的形式［7］。

同时研究人员也通过改变摩擦副配对材料表面的化学成分来提高材料的抗磨能力。杜玉香等［8］通过采用不同的工艺对38CrMoAlA、LZQT500－7 两种柱塞泵摩擦副进行处理，分析其摩擦磨损性能，发现38CrMoAlA 氮化后表面等离子喷涂二硫化钼固体润滑膜与氮化后的QT500－7 配对的磨损量更小。马少波等［9］在铁基材料表面制备复合黏结润滑涂层，在干摩擦和油润滑条件下进行摩擦磨损试验，发现复合黏结润滑涂层具有更好的减摩特性。WANG 等［10］利用喷涂技术在铝基底上制备具有不规则微结构的表面，并进行低表面能修饰，获得超疏水表面，结果表明：超疏水表面接触角越大，抗磨损性能越好。严诚平等［11］对锡青铜摩擦表面进行了织构化和低表面能处理，在球－盘式摩擦磨损试验机上的油润滑试验表明：低速时润湿性薄膜极易磨损，织构化起主导作用；高速时，低润湿性薄膜对减阻起显著作用；低润湿性处理后的光滑表面和织构表面摩擦学性能均优于各自处理前表面。VENGATESH 和KULANDAINATHAN［12］用电化学沉积法成功制备了自润滑超疏水的阳极氧化铝表面，与光滑的纯铝表面相比较，这种微纳米结构的超疏水表面在摩擦过程中摩擦因数可以从0.5 降低到0.02 左右，并能保持长时间稳定性，表现出较好的抗磨损性能。WANG 等［13］在Na2SiO3溶液中利用微弧氧化技术在Ti6A14V 合金表面形成陶瓷涂层，并进行非润滑、涂抹油润滑和油浴润滑的微动试验，结果表明：改性Ti6Al4V 合金在不润滑条件下的微动摩擦因数仍高达1.0 左右，但油浴润滑条件下微弧氧化涂层的摩擦因数显著降低。

就目前的文献来看，国内外对于表面改性以提高材料的摩擦性能方面已有很多研究，但将改性后的材料相互配对并在不同润滑条件下研究润湿性能与摩擦之间的关系的研究较少。本文作者针对轴向柱塞泵中的配流副，选取SAF2507 双相不锈钢和CFRPEEK 为配对材料，对其进行低表面能处理，然后利用MMD－5A 摩擦磨损试验机探究不同润湿组合的配流副在不同介质中的摩擦磨损性能，为优化与调控表面润湿性设计以提高摩擦学性能提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

上试样缸体衬板材料选择超级双相不锈钢SAF2507，其化学成分为（质量分数，%）：0.03C；1.20Mn；0.8Si；0.02S；0.035P；24.0～26.0Cr；6.0～8.0Ni；3.0～5.0Mo；0.5Cu；0.24～0.32 N。主要性能参数如表1 所示。下试样配流盘材料选择特种高分子聚合物碳纤维增强聚醚醚酮，简记为CFRPEEK，主要性能参数如表2 所示。

表1 双相不锈钢SAF2507 的性能参数Table 1 Performance parameters of duplex stainless steel SAF2507

表2 CFRPEEK 的性能参数Table 2 Performance parameters of CFRPEEK

1.2 润滑介质的制备

试验润滑介质分别为水、海水、液压油。其中试验所用水为蒸馏水。试验所用海水为秦皇岛渤海海域的天然海水，根据国家海洋监测规范，测定其盐度为2.983%，pH 值为7.2。试验前，使用滤纸将海水中的杂质和多余结晶盐过滤除去，并对海水进行48 h静置处理备用。试验所用液压油为L－HM46 抗磨液压油。

1.3 不同润湿表面的制备

将0.5 mL 的1H，1H，2H，2H—全氟癸基三甲氧基硅烷（PFOTES，97%）溶于100 mL 的无水乙醇（分析纯，99.7%）中，用玻璃棒搅拌，直至液体均匀透明，得到低面能溶液。将上试样和下试样浸于低面能溶液中修饰2 h，取出置于100 ℃干燥箱中30 min，高温加快反应速度的同时使试样表面的疏水结构更加稳定。取出试样后在超声波清洗仪中依次用丙酮、水各清洗20 min，洗去表面多余分子膜，在空气中风干，制得具有低表面能的上／下试样。

1.4 摩擦试验

用600 目砂纸打磨上试样，1 000 目砂纸打磨下试样，至其表面均匀，采用Form Talysurf i60 粗糙度测量仪测得上试样Ra值为0.10～0.20 μm，下试样Ra值为0.60～0.70 μm。将试样放入超声波清洗仪中依次用丙酮、水各清洗20 min，在空气中风干，部分试样清洗完毕后用于制备低表面能试样。采用奥林巴斯激光共聚焦显微镜对上下试件初始形貌进行观测。

利用MMD－5A 多功能摩擦磨损试验机进行摩擦试验，图1 所示为摩擦磨损试验机及其试样安装示意图。试验机的右半部分为工作平台、控制面板、显示屏，左半部分为试件的安装装置。上试样通过与上底座连接安装在由电机带动的主轴上，试验开始后随主轴做顺时针转动；下试样通过定位销与下底座连接固定在立柱上，由液压缸负责轴向的升降及加载，试验开始后不做旋转运动。上下底座在试验时处于装有润滑液的润滑槽中，试验前向槽中注入（320±20）mL的润滑液，浸泡上下试样，盖上槽盖，防止试验过程中润滑介质的喷溅。试验过程中由拉力传感器和温度传感器采集记录的数据，由计算机简单处理后生成曲线显示在屏幕上。

图1 摩擦磨损试验机及试样安装Fig.1 Friction and wear testing machine and sample installation

摩擦试验结束后，再次对试样进行清洗、干燥，然后进行表面形貌观测。

2 试验结果及分析

2.1 表面润湿性能

接触角是指在固、液、气三相交界处，自固－液界面经过液体内部到气－液界面之间的夹角，如图2所示。将上下光滑试样与低面能修饰试样分别对蒸馏水、海水、L－HM46 抗磨液压油（以下简称水、海水、油）做接触角测量，进样液滴体积为1 μL，考虑液滴滴落后在固体表面的蒸发等情况，选取6 个不同的位置测量液滴滴落20 s 时形成的形状，取其平均值作为静态接触角，结果如图3 所示。

图2 液滴在理想平面上接触角示意Fig.2 Schematic of the contact angle of a droplet on an ideal plane

图3 上下试样表面在不同液体下的接触角Fig.3 Contact angles of upper and lower sample surfaces under different liquids

未经修饰的上下表面水、海水、油的接触角均小于90°，均呈现亲水、亲油性，且水与海水的接触角差别不大，同一试样表面水的接触角略大于海水的接触角，水与海水的接触角均大于油的接触角。

本征接触角θ则可用杨氏方程［14］描述

式中：γSV为气态－固态界面间的表面张力；γLV为气－液界面间的表面张力；γSL为液态－固态界面间的表面张力；θ为液－固－气三相平衡时的本征接触角。

当液体的表面张力减小即γLV减小时，cosθ增大，则本征接触角θ减小；而油、海水、水的表面张力依次增大，故上下试样在油、海水、水上的接触角依次增大。

上下试样初始表面水接触角分别为82.7°、85.2°，海水接触角分别为77°、82.6°，均呈现亲水性。经低面能溶液处理后，上下试样水接触角分别为108.3°、110.7°，海水接触角分别为 107.4°、108.2°，均呈现疏水性。上下试样初始表面油接触角分别为39.9°、41.7°，呈现亲油性，经低面能溶液修饰后油接触角分别为75.9°、74.6°，可见低面能溶液处理后试件表面虽仍保持亲油性但其接触角已明显变大。

PFOTES 对上下试样的修饰机制如图4 所示，PFOTES 的分子式为C13H13F17O3Si，其分子末端基团－Si－OCH3会与乙醇溶液中微量的水发生水解反应生成－Si－OH 基团。该基团与上下试样表面的－OH 基团进行脱水缩合反应后将长链硅烷分子修饰到试件表面，在100 ℃下保温烘干30 min 后，在试件表面形成较为稳定全氟甲基基团。而全氟甲基基团具有疏水性［15］，故经低面能溶液修饰后的上下试样接触角明显变大，表面成为疏水表面。

图4 PFOTES 对上下试样修饰机制Fig.4 Modification mechanism of samples by PFOTES

2.2 接触角对时间的依赖性

液滴滴在上下试件上形成的固液接触角并不是一个固定值，随着时间的推移，接触角也在不断地变化。图5 所示为3 种不同的液体介质在原始表面和低表面能表面上固液接触角随时间的变化过程。试验液滴体积为1 μL，环境温度为20 ℃，测量时长为300 s。

图5 固液接触角在300 s 内随时间变化Fig.5 The change trend of solid－liquid contact angle with time in 300 s：（a）water contact angle；（b）seawater contact angle；（c）oil contact angle

由图5 可以看出，水与海水接触角的变化趋势相似，在液滴滴落的60 s 内接触角迅速减小；经低面能修饰试样较原试样下降速率较慢，接触角在60 s之后依然减小，但较为缓慢；低面能修饰试样的水／海水接触角在300 s 内始终高于90°；油接触角在液滴滴落后10 s 内接触角迅速减小，并在30 s 内达到稳定，且随着时间的延长接触角的大小始终保持在很小的范围内波动。

以低面能处理下试件油接触角为例，分析液滴滴落在固体表面后的整个过程，如图6 所示。在进液器针头处的被测液滴刚与被测固体表面相接触离开针头的0～2 s 内，由于被测液滴的种类不同会形成不同的初始接触角，其大小主要取决于液固界面能，如图6（a）所示，油滴落在低面能处理下试样上形成的初始接触角为92.2°。在初始接触角形成的2～60 s 内，液滴与固体表面形成的体系能量处于不平衡状态，液滴在自身重力、液体表面张力以及固体的粗糙表面对液滴的毛细作用的驱动下迅速铺展、浸润，使接触角不断减小，如图6（b）所示，油滴滴落在低面能处理下试样上10 s 时过程接触角为74.8°。在60～300 s内，整个体系能量趋于稳定，液滴重力的驱动作用逐渐减弱，球形液滴表面张力产生的向下的压力不断减小，液滴的铺展速度逐渐变慢，在固液接触角的下降速度逐渐减小为0 后，固液接触角会稳定在一个固定的值，即平衡接触角，如图6（c）所示，油滴落在低表面能处理下试样上300 s 时形成的平衡接触角为62.7°。水／海水随着时间的推移，液滴渗透与蒸发一直进行，平衡接触角较难出现，如图5（a）所示，水及海水接触角一直在不断减小；而油的分子间作用力比较大，蒸发较为缓慢，接触角较为稳定，如图5（c）所示。陆兴等人［16］在探究去离子水及甘油在多孔银表面固液接触角对时间的依赖性时也发现了液滴滴落在表面的3 个过程，说明文中试验液滴在固体表面上铺展的过程具有一定的普适性。

2.3 摩擦磨损性能

摩擦磨损试验在3 种不同的润滑介质下进行，每对配流副的试验时间持续1 200 s，法向载荷为300 N，转速为400 r／min。为探究不同润湿组合的配流副在不同润滑介质下的摩擦磨损性能，设计了如表3 所示的试验方案。每种配流副均在3 种不同润滑介质下进行试验，共计12 次试验。不同润湿组合的配流副在水、海水、液压油润滑下的摩擦因数随时间变化曲线如图7 所示，整个摩擦过程的平均摩擦因数如图8所示。

图7 不同润湿组合的配流副在不同润滑介质中的摩擦因数Fig.7 Friction coefficients of valve pairs with different wetting combinations in different lubricating media：（a）water lubrication；（b）seawater lubrication；（c）oil lubrication

图8 不同润湿组合的配流副在不同润滑介质下的平均摩擦因数Fig.8 Average friction coefficient of valve pairs with different wetting combinations in different lubricating media

综合对比分析图7、8 可以看出，水润滑条件下a、d 2 种组合的配流副即双亲水配流副与双疏水配流副略低于其余2 种组合的配流副，但4 种配流副摩擦因数差距较小；海水润滑条件下d 组配流副摩擦因数最小，其平均摩擦因数较a 组配流副减小了38.2%。这是由于试样表面水／海水接触角越小，水／海水越容易铺展吸附在试样表面形成润滑膜起到润滑作用，故在水／海水润滑下双亲水配流副即a 组配流副摩擦因数较低；而试样表面接触角越大，润湿性能越差，水／海水越不容易吸附形成润滑膜，双疏水表面配流副的润滑作用由于其表面疏水性能的增强而减弱，但疏水性也会使运动的SAF2507 与水／海水接触的界面产生滑移现象减小黏性阻力［17］，故在水／海水润滑下双疏水组合配流副摩擦因数也较低。油润滑下a 组摩擦因数最高，b、c、d 组平均摩擦因数分别较a 组减小24%、12.3%、24.4%。这是由于随着试样表面油接触角的增大，试样亲油性能减弱，摩擦时的黏性阻力减小，继而摩擦因数减小，故b、c、d 组摩擦因数均小于a 组摩擦因数。

同种组合的配流副油润滑下的摩擦因数高于海水润滑高于水润滑。这是由于液压油的黏度远高于水和海水，摩擦时受接触表面间的剪切应力和黏性阻力的影响较大，故摩擦因数最高。而海水主要成分为氯化钠、氯化镁等，氯离子的腐蚀作用与摩擦交互作用，故海水润滑下的摩擦因数高于水润滑下摩擦因数。

由于上下试样磨损量较小，磨损量的测量误差较大，为尽可能选择较大的观察面积对磨损区域进行全面观测，故选择在奥林巴斯激光共聚焦显微镜5 倍镜头下对上下试样的磨损表面进行观察，观察多处磨损表面，对磨痕深度取平均值。上下试样磨损后表面平均磨痕深度如图9 所示。

图9 配流副磨损后表面磨痕深度Fig.9 Depth of wear marks after matching wear：（a）upper sample；（b）lower sample

由图9 可知，水润滑下4 种组合的配流副上试样表面磨痕深度依次为86.1、77.4、90、92.4 μm，下试样表面磨痕深度依次为112、111.3、116、100 μm；不同组合配流副间表面磨痕深度差别较小。海水润滑下4 种组合的配流副上试样表面磨痕深度依次为70.2、68.8、93、64 μm，下试样表面磨痕深度依次为76、110.4、88、56.1 μm；与a、b、c 3 组配流副相比，d 组配流副即双疏水表面配流副表现出更优的摩擦因数及更浅的磨痕深度。这是由于海水中的氯离子含量很大，具有较高的腐蚀性，上下试样的钝化膜被破坏后，腐蚀速度增加，磨损与腐蚀相互作用；而低表面能试样表面较原始表面有一层保护膜，保护试样基体不受伤害，故海水润滑下d 组磨痕最小。油润滑下上下试样a 组磨痕深度最大，上下试样磨痕深度分别为75.6、77.9 μm；d 组磨痕深度最小，上下试样磨痕深度分别为60、65 μm。与摩擦因数的结果相反，同种组合的配流副水润滑磨痕深度几乎均高于海水润滑磨痕深度和油润滑磨痕深度。油介质在形成润滑膜的同时，厚重的油膜也对试样表面产生保护作用，即液压油在增大摩擦因数的同时减轻了表面的磨损，对摩擦有双重作用，且随着亲油性减弱，磨痕深度变浅，即表面耐磨性能增强。

2.4 磨损表面与摩擦磨损过程分析

取c 组配流副为代表分析其在水、海水、油介质下的摩擦磨损，c 组上下试样在不同介质下的宏观磨损形貌及微观磨损形貌如图10—12 所示。

图10 水润滑下试样磨损形貌Fig.10 Wear morphology of specimens under water lubrication：（a）upper sample macro morphology；（b）upper sample micro twodimensional morphology；（c）upper sample micro three－dimensional morphology；（d）lower sample macro morphology；（e）lower sample micro two－dimensional morphology；（f）lower sample micro three－dimensional morphology

图11 海水润滑下试样磨损形貌Fig.11 Wear morphology of specimens under seawater lubrication：（a）upper sample macro morphology；（b）upper sample micro twodimensional morphology；（c）upper sample micro three－dimensional morphology；（d）lower sample macro morphology；（e）lower sample micro two－dimensional morphology；（f）lower sample micro three－dimensional morphology

从整体外观上来看，上试样SAF2507 上出现不同程度的划痕，下试样CFRPEEK 表面存在明显的“抛光” 现象，由于在磨损过程中配流副并不是一直处于磨损状态，磨损较轻，故上下试样表面都产生了2 个磨损带，海水润滑下的磨损带最为明显。

观察上试样微观表面形貌可知，SAF2507 表面在其滑动方向上产生了较多划痕，原始痕迹虽未完全覆盖，但其表面形貌被严重破坏，这是由于CFRPEEK润滑相强度较低，在摩擦过程中被剪切力磨掉，而其中的CF 在挤压下对SAF2507 会产生机械耕犁［18］。再观察下试样表面形貌可知，下试件CFRPEEK 上不太明显的碳纤维也由于磨损变成白色亮点，海水润滑条件下SAF2507 对CFRPEEK 的犁沟作用最大，表面犁沟状磨痕密度最大，且犁沟深度较深，表面材料也由于黏着磨损而有所脱落，表面碳纤维亮点极其明显。水润滑条件下磨损较轻，磨痕宽度较小，油润滑下磨痕最不明显。

综合图7—12 分析摩擦磨损过程可知，当试验开始后，在法向力的作用下配流副上下试件两摩擦表面相接触，但由于两表面并不是绝对光滑表面，两表面的接触其实是两表面上微峰之间的接触。当上试件在主轴的带动下做旋转运动后，配流副之间开始产生相对滑动，配流副表面的微峰发生剧烈的挤压和碰撞，硬度较大的SAF2507 嵌入到CFRPEEK 中，对其产生犁沟作用。油润滑下由于厚重油膜的存在此作用较小，如图12（c）所示，两表面材料发生塑性流动，此阶段摩擦因数较大，当CFRPEEK 表面的微峰峰顶逐渐被抹去，摩擦因数逐渐平稳，磨合期结束。之后随着时间的推移，摩擦副表面间的磨屑逐渐增多，磨料磨损发生，配流副间的磨损增大。当配流副间黏结点的黏结强度大于CFRPEEK 的剪切强度时，CFRPEEK 表面材料转移到SAF2507 表面，发生黏着磨损［19］，而疏水表面本身表面自由能较低，接触表面的黏着力较小，故双疏水配副具有较好的减摩耐磨性能［20］。