激冷合金铸铁微织构表面摩擦磨损试验研究

摘 要：采用激光织构技术在激冷合金铸铁表面制出不同尺寸沟槽形织构，开展摩擦磨损试验，研究织构间距和织构宽度对摩擦系数和磨损量的影响。结果发现，当织构间距和宽度均为100μm时，试样与对磨球间平均摩擦系数值为0.1885，试样磨损量为17.1mg，与无织构时相比显著降低。研究表明沟槽形微织构可有效提升激冷合金铸铁表面的耐磨性。

关键词：激冷合金铸铁 沟槽形微织构 摩擦磨损

0 引言

激冷合金铸铁广泛用于制造需要耐磨和耐冲击的零件，如汽车发动机曲轴和凸轮轴、轧钢机轧辊及磨粉机磨辊等[1-2]，虽然该材料硬度高耐磨性好，但在实际使用过程中仍不可避免由于磨损而失效，从而对相关设备的性能产生不良影响。研究人员主要从润滑技术和表面工程技术着手提升零件的摩擦学性能。润滑技术利用各种润滑剂来优化机械部件的运作，有效降低摩擦阻力并减少磨损，延长使用寿命，提高整体机械性能[3]。表面工程技术通过对材料工作表面进行预处理、涂层和热处理等，改善固体材料表面的形态、化学成分、微观结构和应力状态，旨在达到预定的表面性能，以适应不同的工作条件和要求[4]。近年来，表面微织构因其优异的减摩性能，已成为国内外学者的重点研究对象，通过在材料表面制造预定的图案或结构，可有效改善材料的表面性能[5]。因此，开展仿生织构形貌参数对激冷合金铸铁摩擦和磨损特性的研究，对提高其应用表面耐磨性具有重要的现实意义。

微织构技术通过在材料表面上创建微小的凹凸或图案，以此来改变两个接触表面之间的摩擦行为[6]。纪敬虎等人[7]使用激光在45钢表面制造了V形凹槽织构并开展摩擦试验，在油润滑条件下，表面织构显著降低了摩擦系数。尤其是在低载荷和较高转速的工作环境中，摩擦系数最多减少了64%。此外，随着凹槽深度和边长的增加，平均摩擦系数也逐渐降低。刘成龙等[8]在润滑轨道上使用飞秒激光加工出梳齿状织构，使润滑油能够定向移动，与普通表面相比，这种织构使摩擦系数减少了约30%。Chen等[9]结合超精密车床切削技术和飞秒激光技术，在刀具表面制备了仿猪笼草结构，这种独特的结构能够将切削液定向输送至切削区域，使磨损量相比未处理的表面降低了85%以上。为探究凹坑织构的内部减摩机制，GREINER等[10]从断裂力学的角度出发，研究黄铜表面上凹坑深度和直径对其摩擦学性能的影响，揭示了凹坑结构的几何特性如何影响材料的摩擦行为和耐久性。闫彩等人[11]通过分析微凹坑密度对缸套摩擦润滑性能的影响，揭示了面积占有率与摩擦学性能之间的重要关系，并指出凹坑面积占有率控制在5%到20%之间时，可以有效改善摩擦学性能。另外，其他研究者也提到通过合理设计凹坑的面积占有率和分布，可最大化地发挥凹坑织构的减摩和抗磨损功能[12-14]。

通过以上分析可知，根据特定应用和工作条件，精确控制微织构的参数，可以实现特定的摩擦行为，满足不同应用的需求。然而，利用微织构技术对激冷合金铸铁表面进行改性的方法尚未得到广泛应用，缺乏织构形貌参数对其表面摩擦磨损特性的研究。鉴于此，本文将通过激光织构技术在激冷合金铸铁表面加工具有不同宽度和间距的沟槽形微织构，并通过开展摩擦磨损试验，对激冷合金铸铁微织构表面摩擦磨损进行试验研究。

1 激冷合金铸铁微织构表面摩擦磨损试验设计

1.1 摩擦磨损试样制备

通过开展激冷合金铸铁表面激光织构加工预试验，当激光功率为7W、激光频率为35kHz、扫描次数为10次、扫描速度为500mm/s时表面织构质量最为良好。采用以上参数在激冷合金铸铁样块上制备出织构宽度分别为50μm、100μm、150μm，织构间距分别为70μm、100μm、150μm的9组织构尺寸组合。图1为沟槽织构表面的3D轮廓图和放大160倍的实物图。

1.2 设备选择

1.2.1 摩擦磨损试验机

试验采用MDW-02高速往复式摩擦磨损试验机（图2），试验基体材料为激冷合金铸铁。为缩短摩擦磨损试验时间、降低试验难度，结合激冷合金铸铁零件实际应用时的接触情况，本试验采用氮化硅小球作为对磨件，以有效反映真实接触情况，且使摩擦磨损特性分析结果具有参考价值。试验设置为：使用直径为5mm的碳化硅小球作为对磨件，试验力设置为20N，频率为2Hz（速度为24mm/s），往复行程为6mm，每组试验时间为60min。

1.2.2 称重

摩擦磨损试验前后对试样及对磨球分别进行20分钟超声波清洗，使用花潮高科HC万分位分析天平对试样及对磨球进行称重，每个样品称重三次并记录平均值，以磨损失重对织构耐磨性进行分析。

1.3 摩擦磨损试验设计方案

试验采用单因素分析法，为保证试验数据准确可靠，在相同条件下将所有织构试样一次全部制备。摩擦磨损试验方案见表1。

2 试验结果分析

2.1 试验数据处理

试验过程中摩擦系数的采样为每秒一次，导致摩擦系数数据较为冗杂，给数据处理带来影响，所以采用Savitzky-Golay数据平滑方法处理。该方法基于最小二乘拟合的原理，通过将数据点的子集拟合到一个多项式上，来计算中心点的平滑值，从而保留数据重要特征。

2.2 织构尺寸参数对摩擦系数的影响

在织构宽度为50μm时，对应织构间距分别为70μm、100μm、150μm以及无织构时摩擦系数变化情况见图3。可知，织构间距分别为70μm和150μm时摩擦系数值相比无织构时较小，而织构间距为100μm时摩擦系数值较高。当织构间距为70μm时，在相同试验摩擦行程内相比其余间距有更多条织构，从而减摩效果明显。当织构间距为100μm时由于织构微凸体与对磨球作用增强，导致微切削阻力增大，超过了表面织构减摩效果的积极作用，导致此时摩擦系数相较于无织构时略大。在试验刚开始的500s内织构表面摩擦系数值均比无织构低，这是由于脱落的磨粒碎屑会被织构沟槽捕捉，有效避免磨粒摩擦。

织构宽度为100μm时，对应织构间距分别为70μm、100μm、150μm以及无织构时摩擦系数变化情况如图4所示。不同织构间距下的织构表面所的摩擦系数均低于无织构表面，归因于织构宽度较大情况下，磨擦过程中会较好分散接触载荷，促使局部接触应力降低，从而提升减摩效果。另外，可明显看出间距为100μm时摩擦系数相较于其他间距最小，说明织构宽度和间距均为100μm时织构的减摩效果最为明显。

织构宽度在150μm时，对应织构间距分别为70μm、100μm、150μm以及在无织构时的摩擦系数变化情况如图5所示。同样，在此织构宽度下，不同织构间距表面摩擦系数值均低于无织构表面，说明织构宽度分散接触载荷的作用依然存在。另外可以发现的是，织构间距为100μm和150μm时的摩擦系数数据以及规律相差不大，且相较于织构间距为70μm时的摩擦系数低，这是由于较大织构宽度在对磨过程中可以更多的收集所产生的碎屑，防止其起到增摩作用，从而降低了摩擦系数。

9种织构和无织构试样表面的平均摩擦系数如图6所示，大部分微织构表面均有明显降低摩擦系数的效果，相较于织构宽度为50μm和100μm的情况，织构宽度为150μm时平均摩擦系数较低，且远低于无织构时的平均摩擦系数，其中织构间距及宽度均为100μm时平均摩擦系数最低，为0.1885，这说明表面微织构的存在可降低摩擦系数，且织构宽度越大减摩效果越明显，主要由于织构宽度越大织构所占面积越大，捕获磨粒及减少接触面积效果越明显，从而使表面耐磨质量有所提升。然而，织构宽度为50μm时的平均摩擦系数没有太大优势，由于此时织构宽度以及深度都较小，严重影响织构捕获磨粒的能力，导致减摩效果并不明显。

2.3 织构尺寸参数对磨损失重的影响

不同织构尺寸参数下试样平均磨损量如图7所示。无织构时磨损量为19mg，除织构宽度和间距均为50μm时磨损量多于无织构外，其他织构尺寸参数都有减少磨损的作用，其中织构宽度和间距均为100μm时，试样磨损量最少，为17.1mg，相比无织构时磨损减少10%。这种现象可理解为：使用激光对表面进行改性，在激光加工区域的化学成分和微观结构发生改变，会对织构表面产生硬化效果，以及摩擦过程中起到储存磨屑作用，从而减少磨损量。而织构宽度为50μm、织构间距100μm时，织构密度不合理等因素导致磨损量相比无织构时增多。通过分析可知，当织构宽度和间距均为100μm时织构的耐磨性最好。

3 结论

基于对激冷合金铸铁表面不同微织构尺寸参数表面的摩擦磨损试验结果分析，相比于无织构表面，合理尺寸参数的表面微织构可发挥较好的减摩耐磨作用，在织构宽度和间距均为100μm时可获得最佳的改性效果。该研究为采用激冷合金铸铁材料的工业应用（如汽车行业、冶金矿山、面粉加工等）进行耐磨技术研究提供指导，对于提高工业产品的性能和使用寿命具有重要意义。

基金项目：2022年河南省重点研发与推广专项项目（222102110392）；2023年河南省高等学校重点科研项目（23A460024）；2024年郑州科技学院教学改革项目（2024JGYB03）；2024年郑州科技学院教学改革项目（2024JGQN09）；2023年度许昌市重点研发与推广专项项目（20230211013）。

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