引言

　　激光表面微造型技術(shù)(LST)以其加工速度快、對環(huán)境無污染和良好的可控性等特點尤為引人注目，利用該技術(shù)在摩擦副表面加工出的微觀形貌，可起到動壓潤滑、儲存潤滑油以及收集磨損顆粒等作用。與此相適應(yīng)，先后有學(xué)者就機械密封、缸套/活塞環(huán)以及推力軸承等表面的激光微造型技術(shù)開展了大量研究，發(fā)現(xiàn)微造型形貌可以有效地改善表面潤滑、增強抗磨效果。然而相關(guān)研究主要集中于面接觸摩擦副表面，對于凸輪/滾輪副這種線接觸方式的表面幾何形貌同摩擦學(xué)性能之間的關(guān)系研究較少。本文選用淬火-回火45號鋼作為試樣材料，模擬油泵凸輪工況(低速重載)，考察油潤滑狀態(tài)下各種造型形貌對45號鋼表面摩擦磨損性能的影響。

　　l 實驗方法

　　1.1試件及表面形貌

　　將尺寸為29mm×20mm×8mm的45號鋼試樣用砂紙打磨并進行拋光(表面粗糙度達到R0.1)，在二級管泵浦Nd：YAG激光器上對拋光面進行激光微造型處理，采用聲光調(diào)Q控制產(chǎn)生脈沖激光，激光波長為532 nm，功率密度在107 W/cm2 左右，重復(fù)頻率在5-15 kHz，得到凹坑、斷續(xù)槽、交叉網(wǎng)紋等14種表面形貌。WKYO-NT1100型表面微觀幾何形貌測量儀測得的激光微造型45號鋼試樣表面三維形貌如圖1所示。變化這3種基本形貌的組合和幾何參數(shù)，構(gòu)成試樣表面不同的造型方案，各種造型形貌示意圖及幾何尺寸如表1所示。

　　圖1激光微造型試樣表面的三維實體形貌圖

　　表1激光微造型試件表面形貌、幾何參數(shù)、磨損量

　　1.2實驗方法

　　實驗研究線接觸油潤滑狀態(tài)下，多種激光微造型形貌對45號鋼表面摩擦磨損性能的影響，選用UMT-2型摩擦磨損實驗機的銷盤實驗裝置，如圖2所示，滾輪和盤沿箭頭所示方向相對運動。上試件選用西17mm×9mm的合金鑄鐵滾輪(滾輪周向?qū)ΨQ開有3個螺紋孔3-M6×0.75-6H，鉆深7mm，攻深5mm，相鄰兩螺紋孔中心線夾角120°)，并通過標(biāo)準(zhǔn)件銷(下端加工有部分螺紋)與實驗機相連，硬度為58～62HRC，滾輪材料成分如表2所示，下試件為29mm×20mm×8mm的激光微造型試樣或未經(jīng)激光處理的光滑試樣，材料精選含碳量為0.42%～0.47%的45號鋼，經(jīng)淬火一回火處理，硬度42～48HRC。實驗中上試件固定，下試件做往復(fù)運動，往復(fù)行程為6mm。利用傳感器在線檢測接觸面間的載荷和摩擦因數(shù)，并通過電腦輸出數(shù)據(jù)。實驗所用潤滑油為GL-585W/90重負(fù)荷車輛齒輪油，相當(dāng)于GBl3895--1992。粘度等級符合美國SAE 85W/90標(biāo)準(zhǔn)。

　　圖2摩擦磨損實驗示意圖

　　表2合金鑄鐵的成分

　　實驗步驟：①對每個試樣在線磨合，以保證上下試樣沿滾輪接觸寬度方向基本為均勻線接觸。②將試件在丙酮中超聲清洗20 min后晾干待用。③將晾干的試樣在電子天平上稱量，并做好記錄，電子天平測量范圍0-100g，精度為0.0001g。④實驗前在接觸區(qū)域滴加0.2mL的潤滑油，實驗開始后每10min加油一次，以保證上下接觸面間始終處于富油狀態(tài)。⑤實驗溫度為室溫20℃，通過上試件加載，施加載荷147 N(允許加載的極大值)，下試件往復(fù)運動的平均線速度為0.04m/s，每個試樣在線磨合30 rain。⑥實驗結(jié)束后，再次對試件進行超聲波清洗和稱量，并對前后兩次的質(zhì)量進行對比。實驗結(jié)束后利用掃描電子顯微鏡(SEM)分析試件的磨損表面，并對表面磨痕及輪廓形狀進行測量。

　　2結(jié)果與討論

　　2.1耐磨性

　　摩擦磨損實驗中各激光微造型試樣和光滑45號鋼試樣表面的磨損量如表1所示。可以看出，各種激光微造型試樣表面的磨損量皆低于光滑試樣表面。分析其原因，一方面可能由于微造型形貌可在上下表面問產(chǎn)生一定的流體動壓潤滑效果，將上下接觸面分開;另一方面由于凹坑或凹槽可以起收集磨損磨粒的作用，從而減少了接觸面發(fā)生磨粒磨損現(xiàn)象的幾率。此外，驟冷驟熱的激光加工過程，還會引起造型區(qū)域表面的材料微觀組織變化，形成具有高硬度和超細組織的硬化層，也在一定程度上提高了45號鋼試樣表面的耐磨性能。

　　2.2抗擦傷性能

　　實驗中觀察到：光滑試樣15在磨合后期表面出現(xiàn)冒白煙現(xiàn)象，而激光微造型試樣1-14在磨合過程中未觀察到白煙現(xiàn)象。圖3給出了光滑、微造型試樣磨痕表面形貌SEM照片，可以看出，光滑試樣磨痕表面呈現(xiàn)較為嚴(yán)重的粘著、擦傷和疲勞脫落跡象(圖l0a)，而激光微造型凹坑和凹槽試樣磨痕表面的粘著、擦傷和疲勞脫落現(xiàn)象相對較輕(圖10b、l0c、10d)。據(jù)此可推測，經(jīng)過激光微造型處理后，45號鋼試樣表面的凹坑、凹槽等結(jié)構(gòu)，更有利于改善表面減摩和抗磨效果，從而顯著提高激光微造型處理表面的抗擦傷能力。

　　圖3掃描電子顯微鏡下光滑型和激光微造型試件

　　2.3摩擦學(xué)性能

　　圖4示出了幾種形貌參數(shù)各不相同的凹坑(表1中試樣1～6)表面的摩擦磨損性能測試結(jié)果。可以看出，除試樣1、2外，同光滑表面相比，帶凹坑的試樣表面摩擦因數(shù)較小。也就是說，線接觸時，在富油的情況下，表面的凹坑能起到一定的減摩效果，文獻[11～12]中針對面接觸形式也有過類似結(jié)論。

　　圖4凹坑及光滑試樣表面的摩擦因數(shù)

　　試樣1、2表面的摩擦因數(shù)比光滑表面增大的原因：一方面試樣1表面凹坑的面積占有率過大，高達38.5%，而試樣2表面凹坑形狀很不規(guī)則(圖5)，另一方面可能由于凹坑深度過淺;這些都對其表面摩擦因數(shù)的增大有影響。試樣3、4、5、6四種凹坑試樣的深度從淺到深為：試樣3、試樣4、試樣5、試樣6，它們的摩擦因數(shù)從大到小為：試樣6、試樣3、試樣4、試樣5。可以看到，凹坑不宜過深也不宜過淺，過深或過淺的凹坑都會引起接觸表面摩擦因數(shù)的增大。在一定范圍內(nèi)摩擦因數(shù)隨著凹坑深度增大而減小，但是有一個最佳值，結(jié)合實驗結(jié)果可知此最佳值為15um左右。

　　圖5試樣2表面的微凹坑形貌

　　圖6是交叉網(wǎng)紋、交叉短線和凹坑組合形貌以及光滑表面的摩擦因數(shù)。可以看出，網(wǎng)紋表面的摩擦因數(shù)與未處理的光滑表面基本相等，而交叉短槽與凹坑的組合形貌表面摩擦因數(shù)遠高于光滑表面，但都比光滑表面更平穩(wěn)。Pettersson等也曾針對面接觸摩擦副指出凹槽或網(wǎng)紋等形貌表面的摩擦因數(shù)比光滑面波動小，但大小相同。文獻[13]中針對微造型鑄鐵表面也有相似的結(jié)論。

　　圖6網(wǎng)紋、組合形貌和光滑試樣表面的摩擦因數(shù)

　　圖7為0°～90°(與滑行速度方向夾角)斷續(xù)槽及光滑試件表面的摩擦因數(shù)。可以看到，凹槽試樣表面的摩擦因數(shù)比光滑表面均顯著增大(45°斷續(xù)槽表面略有下降)，但相對光滑表面較穩(wěn)定。這說明在線接觸油潤滑狀態(tài)下，不論是貫通的或是斷續(xù)的凹槽，都會增大表面摩擦。究其原因，一方面潤滑油順溝槽流走，造成了造型區(qū)域局部低壓區(qū)，使表面油膜變薄，另一方面，在線接觸油潤滑條件下，斷續(xù)槽造型使原本光滑、平坦的試樣表面形成了富有規(guī)律的凹凸不平狀搓板紋，增加表面粗糙度的同時，增大表面摩擦阻力。此外，在0°-90°斷續(xù)槽試樣中，30°斷續(xù)槽試樣表面的摩擦因數(shù)隨時間不斷下降，并在1600S時降到光滑表面以下，45°斷續(xù)槽試樣表面的摩擦因數(shù)較光滑表面顯著減小，因此推測斜度在30°～45°之間的斷續(xù)槽造型具有一定的減摩效果，且越接近45°減摩效果越好。

　　圖7斷續(xù)槽和光滑試樣表面的摩擦因數(shù)

　　3 結(jié)論

　　(1)與光滑試樣相比，激光微造型試樣表面的耐磨性和抗擦傷性得到提高。

　　(2)在線接觸油潤滑條件下，表面凹坑對潤滑的減摩效果明顯，而凹槽效果相反。

　　(3)凹坑深度和斷續(xù)槽的斜度各有一個最佳值，深度或斜度在這個最佳點附近，減摩效果最好。

　　(4)不論是凹坑、凹槽或是其組合形貌造型表面，它們的摩擦因數(shù)均比光滑表面穩(wěn)定得多。