粉末潤滑界面的原位觀察及潤滑機制

孔俊超 王 偉 王 偉 劉 焜 王 超

1.巢湖學(xué)院機械與電子工程學(xué)院,巢湖,2380002.合肥工業(yè)大學(xué)摩擦學(xué)研究所,合肥,230009

0 引言

通常,研究者對試驗后的試件形貌進行分析來推測出磨損過程和磨損機理，缺乏可靠性，難以揭示摩擦磨損過程的實質(zhì)[1-3]。光學(xué)原位觀察法能夠?qū)崟r動態(tài)地觀察摩擦界面粉末潤滑層的狀況，能直接得出整個磨損過程的試件形貌變化過程，有助于新的摩擦磨損機理、潤滑理論等摩擦學(xué)基礎(chǔ)理論的建立。

國內(nèi)外許多學(xué)者在原位觀察試驗這一領(lǐng)域付出了巨大的努力。ROBERTS[4]利用光學(xué)顯微鏡觀測了光滑橡膠和玻璃之間液體潤滑膜的黏度、試件間的黏附力、膜厚等。陳卓君等[5]用帶有CCD數(shù)碼相機的光學(xué)顯微鏡、具有圖像采集系統(tǒng)的球-盤式接觸摩擦磨損試驗機，動態(tài)觀察玻璃與鋼對磨表面的摩擦磨損過程，分析不同滑動速率的磨損量、潤滑膜的產(chǎn)生和破壞形式。SHEASBY等[6-7]采用顯微鏡觀察玻璃和鋼對磨表面的磨損情況，提出實際磨損過程分為4個過程，其中磨粒磨損是主要的磨損形式。EINTHOVEN等[8]對藍寶石和鋼球?qū)δミ^程中顆粒移動情況進行動態(tài)觀測，分析表明粉末潤滑與油潤滑的摩擦學(xué)行為具有相似的性質(zhì)，最后與建立的粉末潤滑模型相驗證，嘗試說明粉末潤滑的機理。

目前光學(xué)原位觀察法主要用于二體摩擦界面的觀測[9-12]，而對三體摩擦界面粉末潤滑層的觀測相對較少。本文利用光學(xué)原位觀察法實時觀測粉末層的變化，直接得出整個磨損過程的試件形貌變化過程，進一步分析粉末層的破壞形式、破壞過程、真實接觸面積比。

1 試驗裝置及方案

試驗采用HT-SURF10000型輪廓儀對上試件粗糙度進行測量；用帶有CCD數(shù)碼相機的光學(xué)顯微鏡并采用相關(guān)軟件對試件表面進行動態(tài)觀測。

原位觀察試驗機如圖1所示，下試件(玻璃)做直線往復(fù)運動，行程為6～24 m，玻璃上有均勻分布的平均粒徑為30 μm的松散石墨粉末，外載荷的大小通過增減砝碼進行調(diào)整。玻璃為光學(xué)透明件，通過倒置的顯微鏡或攝像機可觀察接觸表面中粉末的分布情況。利用計算機對摩擦界面的圖像進行采集并儲存，并針對采集的圖像進一步分析接觸表面的摩擦磨損情況。

圖1 原位觀察試驗機示意圖Fig.1 Schematic diagram of in situ observationtest machine

安裝在原位觀察試驗機的上試件為銅合金H62方片，尺寸為40 mm×40 mm×1 mm。為研究試件表面形貌的影響，采用目數(shù)為1 500、800、400的砂紙打磨得到粗糙度不同的試樣，利用HT-SURF10000型輪廓儀測量出試件的平均粗糙度值，未打磨試樣的粗糙度最小，其Ra為0.341 μm，細砂紙(1 500目)打磨試樣的粗糙度Ra為0.786 μm，而粗砂紙(400目)打磨試樣的粗糙度最大，其Ra為1.038 μm。下試樣為7105磨砂有機玻璃，尺寸為30 mm×5 mm×1 mm。

2 試驗結(jié)果及討論

在不同工況下，觀察1 min內(nèi)試件表面的粉末層變化情況，了解粉末破壞的整個過程，并對試件粗糙度、粉末量、載荷、滑移速率4個因素對不同階段的影響進行分析。

2.1 粉末層破壞的主要形式

粉末層破壞的階段主要包括以下幾種情況。

(1)起始階段粉末完整，為粉末完整期。

(2)如圖2a所示，粉末層開始破壞，出現(xiàn)局部破壞，為局部區(qū)域破壞階段。局部區(qū)域破壞主要發(fā)生在粉末層破壞的起始階段，通常發(fā)生在粉末層的中部而不是邊緣，這可能是由于起始階段，上下試件存在速率差和正壓力不均勻使得石墨的承載不均勻，尤其是中部區(qū)域的承載可能相對較大，該區(qū)域的粉末層開始被破壞。

(3)如圖2b所示，局部破壞區(qū)域逐漸變大，為局部破壞區(qū)域擴散階段。粉末層局部區(qū)域被破壞后向四周開始擴散，其他區(qū)域也同時出現(xiàn)局部破壞的現(xiàn)象。

(4)如圖2c、圖2d所示，接觸界面的粉末層破壞嚴重，粉末層基本全被破壞，為完全破壞階段。隨著局部區(qū)域的逐漸擴大，整個摩擦接觸面的粉末層基本都被破壞，上下試件直接接觸，基本由微凸體直接承載。

(5)如圖2e所示，大部分區(qū)域的粉末層被破壞，但沿著紋理方向粉末黏附在其表面，為粉末黏附階段。這種現(xiàn)象主要發(fā)生在重載高速的情況下，主要是因為粗糙度較大時，粉末在重載下被迅速填覆在劃痕中形成粉末層，由于壓力較大,粉末層在劃痕的密集度可能相對較大而不易被破壞，降低了上下試件之間的微凸體直接接觸的可能性，可以有效降低試件之間的磨損。

圖2 粉末層破壞的主要形式Fig.2 The main form of powder layer damage

(6)如圖2f、圖2g所示，黏附的粉末逐漸消失，最終分布在試件劃痕方向的粉末在剪切力作用下減少，但是仍有部分粉末填覆在紋理中，為粉末完全破壞階段。

以上粉末層破壞的5個階段(圖3)與文獻[6,13]中粉末層生命周期分為完整、輕微破損、嚴重剝落、完全破壞4個階段相似。

圖3 粉末層破壞過程Fig.3 The process of powder layer damage

2.2 粉末層的影響因素

2.2.1粗糙度

取不同粗糙度的試件進行試驗研究,粉末量為3 g，載荷為20 N，滑移速率為0.4 m/s。如圖4a所示，粗糙度較小(Ra=0.341 μm)時，粉末層的破壞形式包括完整、局部破壞、局部破壞擴散、完全破壞4個階段。如圖4b所示，與粗糙度較小時粉末層破壞形式略有不同，粗糙度較大(Ra=1.038 μm)時，粉末的破壞形式包括完整、局部破壞、局部破壞擴散、粉末黏附、完全破壞5個階段?？赡苁且驗榇植诙容^大的試件表面劃痕可儲存較多粉末，此時壓力較大，粉末在壓力作用下容易形成密集度大的粉末塊，出現(xiàn)粉末黏附在摩擦界面的現(xiàn)象，即填隙效應(yīng)[14]。這表明只有表面具有一定粗糙度的試件才具有黏附階段，即具有一定粗糙度是產(chǎn)生黏附效應(yīng)的必要條件之一，但是具體數(shù)值本文中尚未明確給出。同時可以看出，粗糙度較小的試件局部破壞階段粉末層破壞反而更嚴重，但是局部擴散階段，粗糙度較大試件的粉末層破壞擴散的較迅速。

(a)Ra=0.341 μm

(b)Ra=1.038 μm圖4 不同粗糙度的摩擦界面粉末層變化(粉末量3 g)Fig.4 Variation of powder layer in friction interface of different roughness(powder amount 3 g)

2.2.2粉末量

對不同粉末量下進行試驗研究，載荷為20 N，滑移速率為0.4 m/s，粉末量為1 g、3 g。如圖4a及圖5a所示，粗糙度較小時，無論粉末量多或少，粉末的破壞形式一致，包括完整、局部破壞、局部破壞擴散、完全破壞4個階段。粉末量少時粉末層較薄容易破壞，粉末層破壞更迅速。如圖4b和圖5b所示，粗糙度較大時，不論粉末量多或少，粉末的破壞形式也一致，包括完整、局部破壞、局部破壞擴散、粉末黏附、完全破壞5個階段。粉末較少時，相對而言粉末層破壞更迅速，同時粉末的黏附階段較弱并迅速消失，主要是因為粉末較少，填隙效果差，試件表面不易產(chǎn)生黏附階段。說明粉末量的多少對黏附效應(yīng)的產(chǎn)生沒有影響但是對黏附效應(yīng)的程度有一定的影響。同時可以看出，粉末量較少的試件局部破壞、局部擴散速度都遠高于粉末較多的試件。

(a)Ra=0.341 μm

(b)Ra=1.038 μm圖5 不同粗糙度的摩擦界面粉末層變化(粉末量1 g)Fig.5 Variation of powder layer in friction interface of different roughness(powder amount 1 g)

2.2.3載荷

不同載荷下進行試驗研究，粉末量為3 g，滑移速率為0.4 m/s，試驗過程施加的載荷為恒定載荷(5 N、20 N)。如圖6所示，當(dāng)載荷較小(5 N)時，無論粗糙度大小，粉末的破壞形式和圖4a一致，包括完整、局部破壞、局部破壞擴散、完全破壞4個階段，只是粉末層破壞較為緩慢，這可能是因為載荷較小(5 N)時，粉末起始量較多，剪切力較小，粉末層破壞不嚴重。而載荷較大(20 N)時，如圖4b所示，粉末層破壞過程包含粉末黏附階段。這表明只有載荷足夠大才能產(chǎn)生黏附階段，即具有一定載荷是能否產(chǎn)生黏附階段的必要條件之一。同時載荷變化時，局部破壞階段粉末層破壞差距并不大，而對局部破壞擴散階段有較大的影響。

2.2.4滑移速率

(a)Ra=0.341 μm

(b)Ra=1.038 μm圖6 不同粗糙度的摩擦界面粉末層變化(載荷5 N)Fig.6 Variation of powder layer in friction interface of different roughness(load 5 N)

在不同滑移速率下進行試驗研究，粗糙度均為1.038 μm，滑移速率為0.1 m/s、0.2 m/s、0.4 m/s。如圖7a、圖7b所示，粉末量為3 g，載荷較小(5 N)時，不論滑移速率大或小，粉末的破壞形式包括完整、局部破壞、局部破壞擴散、完全破壞4個階段；圖7c、圖7d中粉末量較小(1 g)時，不同滑移速率(0.1 m/s,0.2 m/s)下，粉末的破壞形式與圖5b基本一致，包括完整、局部破壞、局部破壞擴散、粉末黏附、完全破壞5個階段?；扑俾试酱螅勰じ诫A段粉末層填充效果越好，說明滑移速率對是否具有黏附效應(yīng)沒有影響但是對黏附效應(yīng)的程度有一定影響。同時滑移速率較大且載荷較大時，粉末層局部破壞階段、局部破壞擴散階段相對較晚發(fā)生，這可能是由于滑移速率大且載荷較大時，粉末被迅速擠壓到劃痕的凹坑中，填隙效應(yīng)明顯，最終沿著紋理方向會分布粉末，摩擦界面的減摩抗磨效果較好。載荷較小時，因為壓力較小粉末層不能被擠壓到劃痕的凹坑中，填隙效應(yīng)不明顯，滑移速率越大局部破壞和擴散都較快。

2.3 真實接觸面積比的影響因素

真實接觸面積比對試件的磨損有重要的影響[15]，真實接觸面積比[9]是摩擦界面的實際接觸面積與名義接觸面積比值。本文采用粉末層的覆蓋面積與名義接觸面積來表示真實接觸面積比，可利用MATLAB對采集的圖像進行灰度處理、二值化處理、閾值分割,利用迭代法計算二值化圖像的真實接觸面積比。

2.3.1試件表面粗糙度

試件表面粗糙度不同，承載情況將出現(xiàn)較大差異，粉末的分布情況也會因此而改變，導(dǎo)致摩擦界面的載荷分布不均，試件表面的摩擦磨損情況不一致，而沒有粉末承載的部分區(qū)域摩擦磨損情況可能會很嚴重。如圖8a所示，載荷較小(5 N)時，起始階段(0～10 s)粉末量較多(3 g)且分布均勻，在粉末與微凸體的剪切力的作用下，試件表面形成粉末潤滑層，粗糙度不同的試件真實接觸面積比都達到80%以上，粉末承載區(qū)域較大，試件的摩擦磨損都較小，處于粉末局部破壞階段。10 s之后不同粗糙度試件的真實接觸面積比迅速減小，尤其是粗糙度較大(Ra=1.034 8 μm)試件的真實接觸面積比下降最快，其粉末覆蓋面積只有31%左右,而沒有粉末層覆蓋的區(qū)域處于干摩擦狀態(tài)，試件表面微凸體直接接觸承載，導(dǎo)致試件的磨損情況相對較嚴重，處于局部破壞擴散和完全破壞階段。

(a)載荷為5 N,滑移速率為0.1 m/s,粉末量3 g

(b)載荷為5 N,滑移速率為0.2 m/s,粉末量3 g

(c)載荷為20 N,滑移速率為0.1 m/s,粉末量1 g

(d)載荷為20 N,滑移速率為0.2 m/s,粉末量1 g圖7 不同滑移速率的摩擦界面粉末層變化Fig.7 Variation of powder layer in friction interface of different slip rate

當(dāng)載荷較大時，如圖8b所示，起始階段不同粗糙度試件的真實面積也相對較大，但是粗糙度較小試件(Ra=0.341 μm)的真實接觸面積反而最小為82%，這可能是因為粉末填充在微坑中越少，試件表面越不容易形成粉末潤滑層，填隙效應(yīng)不明顯，粉末的覆蓋面積相對較小，局部破壞的可能性增大，微凸體直接接觸面積增大，試件磨損相對嚴重。局部破壞階段之后，粗糙度較大試件(Ra=1.038 μm)的真實接觸面積迅速減小，這是因為粗糙度較大試件表面微凸體峰值更高，更容易發(fā)生塑性變形，同時粉末與微凸體相互作用使得試件的粉末層迅速破壞，試件的真實接觸面積比迅速減小，試件的磨損情況相對較嚴重。

(a)載荷為5 N

(b)載荷為20 N圖8 試件表面粗糙度對真實面積比影響的曲線Fig.8 Effection of specimen surface roughness on the ratio of real area

2.3.2粉末量

粉末量的多少直接決定粉末層的特性，粉末量相對較多，粉末能夠及時供給，減少微凸體直接接觸，使得試件之間的接觸壓力變小，大大提高粉末的潤滑性能。如圖9所示，粉末量較多(3 g)同時試件表面粗糙度較小(Ra=0.341 μm)時，試件表面形成的粉末潤滑層具有很好的潤滑效果，試件表面的真實接觸面積減小但是變化率相對較小。當(dāng)粉末量較少(1 g)同時試件表面粗糙度較小(Ra=0.341 μm)時，起始階段(0～10 s)真實接觸面積較大，可達到90%，但是20 s后真實接觸面積比迅速減小；20 s之后處于局部破壞擴散階段，粉末層迅速破壞，試件磨損較嚴重。而粉末相對較多(3 g)同時試件表面粗糙度較大(Ra=1.038 μm)時，起始階段(0～10 s)真實面積比反而最大為95%，可能是表面粗糙時試件的微凸體峰值更高更容易儲存粉末，填隙效應(yīng)良好，形成粉末潤滑層，潤滑效果較好；40 s之后，試件的真實接觸面積比迅速減小為40%。尤其當(dāng)粉末量較小(1g)同時試件表面粗糙度較大(Ra=1.038 μm)時，試件從起始階段就開始嚴重磨損。這說明試件的表面粗糙度和粉末量的多少都直接關(guān)系到粉末層的形成，粉末量較多時，表面相對粗糙起始階段反而潤滑效果越好，但粉末較少時則直接進入嚴重磨損階段。局部破壞階段，無論粉末量的多少，表面粗糙度是主要影響因素，越粗糙則真實接觸面積比越小，即磨損越嚴重。

圖9 粉末量對真實接觸面積比影響的曲線Fig.9 Effection of powder on the ratio of real area

2.3.3載荷

通常載荷越大，粉末的承載力越大，同時剪切力也越大，粉末層越容易被破壞，真實的接觸面積變小。如圖10a所示，當(dāng)載荷較小(5 N)同時試件表面粗糙度較小(Ra=0.341 μm)時，雖然滑移速率v相差較大但是真實接觸面積比卻并沒有較大變化，但是粗糙度增大到Ra=1.038 μm，不同滑移速率下，真實接觸面積比有較大變化，速率越大真實接觸面積比越小，說明磨損越嚴重。如圖10b所示，當(dāng)載荷較大(20 N)，粗糙度較大(Ra=1.038 μm)時，起始階段真實接觸面積比較大，達到90%，這是因為粉末的填隙效應(yīng)，接觸面微坑中儲存大量粉末形成粉末層，可以減小微凸體的直接作用。隨著進入局部破壞擴散階段，粉末層的填隙效應(yīng)逐漸消失，真實接觸面積比迅速減小。粗糙度較小時，填隙效應(yīng)不明顯，粉末黏附階段也不明顯，真實接觸面積比在起始階段變化快而在破壞擴散階段變化較慢。

(a)載荷為5 N

(b)載荷為20 N圖10 載荷對真實接觸面積比影響的曲線Fig.10 Effection of load on the ratio of real area

2.3.4滑移速率

滑移速率對粉末潤滑層的形成有較大的影響，壓力和剪切作用下形成的接觸表面粉末潤滑層在不同滑移速率下潤滑效果會具有較大差異。如圖11a所示，輕載(5 N)時，不同滑移速率下，起始階段(0～20 s)的真實接觸面積比基本無差距。而隨著速率的增大，真實面積比變化越大,這是因為速率越大粉末局部破壞擴散現(xiàn)象越明顯，粉末層被破壞得越嚴重。

如圖11b所示，重載(20 N)時，起始階段(0～20 s)，低速(0.1 m/s)時，界面的真實接觸面積比最大，達到90%，而中高速真實接觸面積比為84%，這一階段是局部破壞階段,試件的真實接觸面積比差距并不明顯。20～40 s時，速率為0.2 m/s、0.4 m/s試件的界面真實接觸面積比迅速減小，這一階段是粉末局部破壞擴散階段，已有較多微凸體直接接觸，因此隨著速率的增大，微凸體與微凸體或者微凸體與粉末直接接觸，使得粉末嚴重破壞。40～50 s之后，中速率(0.2 m/s)下試件的真實接觸面積比變化反而減小，與低速率下基本一致，而高速率下試件的真實接觸面積比仍然下降較快。這可能是由于重載且粉末量較多時，這一階段主要是粉末黏附階段，速率較大時粉末層已經(jīng)嚴重磨損，即使粉末黏附效果較好但仍然是嚴重磨損階段。而中低速時，試件表面的粉末層破壞的并不嚴重同時粉末黏附作用效果也較好，因此試件表面的粉末層潤滑效果相對較好。這說明粉末潤滑的接觸過程中，速率的大小對真實接觸面積有一定影響，尤其是載荷較大時，速率的影響更為明顯，速率越大，粉末層破壞越快，試件磨損越嚴重，因此能夠持續(xù)供給粉末，使黏附效應(yīng)存在，粉末潤滑效果也較好。

(a)載荷為5 N

(b)載荷為20 N圖11 滑移速率對真實接觸面積比的影響曲線Fig.11 Effection of slip velocity on the ratio of real area

3 結(jié)論

(1)摩擦界面粉末層的破壞形式包括完整、局部區(qū)域破壞、局部破壞區(qū)域擴散、粉末黏附、完全破壞5個階段。

(2)黏附階段存在的必要條件包括重載、試件表面粗糙，而粉末量、滑移速率的增大會引起黏附作用加劇。

(3)定量計算了不同工況的真實接觸面積比來表征粗糙度、粉末量、載荷、滑移速率對粉末層破壞過程的影響。

參考文獻：

[1] 王偉, 孔俊超, 顧偉, 等.溫成形摩擦界面的宏微觀試驗特性研究[J].摩擦學(xué)學(xué)報，2016，36(2)：233-239.

WANG Wei, KONG Junchao, GU Wei, et al. Experimental Study on Friction Interface to Macro and Micro Powder Lubricant Layer under Warm Forming [J]. Tribology , 2016,36(2):233-239.

[2] 王觀民,張永振,杜三明,等.不同氣氛環(huán)境重鋼/鋼摩擦副的高速干滑動摩擦磨損特性研究[J].摩擦學(xué)學(xué)報, 2007,27(4):346-351.

WANG Guanmin, ZHANG Yongzhen, DU Sanming, et al. Study on Triological Behavior of Steel-brass Couples in Different Atmosphere under High Speed and Dry Sliding [J].Tribology, 2007, 27(4):346-351.

[3] 潘廣鎮(zhèn), 齊樂華, 付業(yè)偉, 等.石墨改性碳布復(fù)合材料濕式摩擦磨損性能研究[J].摩擦學(xué)學(xué)報,2012,32(4):360-366.

PAN Guangzhen, QI Lehua, FU Yewei, et al. Wet Friction and Wear Behavior of Graphite-filled Carbon Fabric Composites [J].Tribology, 2012, 32(4):360-366.

[4] ROBERTS A D. Squeeze Films between Rubber and Glass [J]. Journal of Physics D: Applied Physics, 2002, 4(3):423-432.

[5] 陳卓君, 張祖力, 賈春德, 等.鋼/玻璃的摩擦磨損性能動態(tài)觀測研究[J].潤滑與密封，2005, 4:88-90.

CHEN Zhuojun, ZHANG Zuli, JIA Chunde, et al. Research of Friction and Wear Behavior of Steel-Glass in Dynamic Observation [J]. Lubrication Engineering, 2005, 4:88-90.

[6] SHEASBY J S, JIA C D. The Direct Observation of Wear Meatal Transfer and Calling in Metallic Systems [R]. Florida: Non-ferrous Metals Committee of Metallurgical Society and Erosion and Wear G2 Committee, 1986.

[7] SHEASBY J S. Direct Observation of Dry Wear [J]. Wear, 1983,89(2): 173-183.

[8] EINTHOVEN J, SPIKES H A. Infrared and Visual Study of the Mechanism of Scuffing [J]. Tribology Transactions, 1996, 39(2):441-447.

[9] 譚桂斌, 劉書海.基于光學(xué)原位觀測柔軟摩擦副的接觸率研究[J].中國科學(xué),2013(4):390-396.

TAN Guibin, LIU Shuhai. Research of Contact Ratio of Soft Friction Pair Based on Optical Situ Observation [J]. Science China, 2013,(4):390-396.

[10] GHATAK A. Confinement Induced Instability of Thin Elastic Film [J]. Physical Review Letters, 2006, 73(4): 041601.

[11] TAN G B, LIU S H, WANG D G, et al. In Situ Observation of Wax-in-oil Flow in Rough Soft Contact [J]. Tribology Letters, 2013, 52(1): 93-103.

[12] AZUSHIMA A, YONEYAMA S, YAMAGUCHI T, et al. Direct Observation of Micro Contact Behavior at the Interface between Tool and Work Piece in Lubricated Upsetting [J]. CIRP Annals—Manufacturing Technology, 1996, 45(1): 205-210.

[13] IORDANOFF I, BERTHIER Y, DESCATES S, et al. A Review of Recent Approaches for Modeling Solid Third Bodies [J]. Journal of Tribology, 2002, 124(4): 725-735.

[14] WANG W B, WANG W, LIU K. Analysis of the Mechanical Properties of Large Particles in the Contact Process and Their Impact on Powder Lubrication[J]. Tribology—Materials, Surfaces & Interfaces , 2015, 9(2):99-104.

[15] 劉金龍，劉洪濤，丁靜倩.黃銅/鋼摩擦副接觸面積對磨損的影響[J]. 摩擦學(xué)學(xué)報，2010,30(3):279-284.

LIU Jinlong, LIU Hongtao, DING Jingqian. Effect of Contact Area on Wear of Brass/Steel Tribo-couple[J]. Tribology, 2010,30(3):279-284.