組合型微織構(gòu)化鋁合金表面的摩擦學(xué)性能研究*

唐志成 劉思思 劉金剛 姜?jiǎng)購(gòu)?qiáng) 廖君慧

(1.湘潭大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 湖南湘潭 411105；2.汽車動(dòng)力與傳動(dòng)系統(tǒng)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖南湘潭 411105；3.湖南江濱機(jī)器(集團(tuán))有限責(zé)任公司 湖南湘潭 411100)

鋁及其合金由于其密度小、易成型等優(yōu)點(diǎn)在內(nèi)燃機(jī)活塞、機(jī)械制造等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1]。然而，由于鋁合金硬度低等缺點(diǎn)導(dǎo)致其工作表面耐磨性較差，會(huì)嚴(yán)重地影響其性能的發(fā)揮[2-4]。所以，優(yōu)化鋁合金表面摩擦學(xué)性能具有重要意義[5-6]。近年來(lái)，表面織構(gòu)作為一種改善接觸表面摩擦學(xué)性能的技術(shù)在摩擦學(xué)領(lǐng)域已得到廣泛研究[7-15]。SCARAGGI等[16]比較了在油潤(rùn)滑條件下，凹坑織構(gòu)和凹槽織構(gòu)的摩擦學(xué)性能，結(jié)果表明凹坑微織構(gòu)的摩擦性能明顯優(yōu)于凹槽型微織構(gòu)。QIN等[17]利用激光技術(shù)在鉻合金表面加工了方形凹坑、三角形凹坑和圓形凹坑織構(gòu)，研究表明圓形凹坑織構(gòu)具有更優(yōu)異的耐磨性能。何陽(yáng)等人[18]利用3D打印技術(shù)在軸承上制備出不同參數(shù)的網(wǎng)狀織構(gòu)，研究表明在水潤(rùn)滑條件下，合適的網(wǎng)狀織構(gòu)能夠有效地改善軸承的潤(rùn)滑條件。王國(guó)榮等[19]利用數(shù)值仿真的方法，分析了不同幾何參數(shù)的復(fù)合表面織構(gòu)對(duì)壓裂泵柱塞密封副動(dòng)壓潤(rùn)滑的影響，仿真結(jié)果表明，柱塞密封副表面的承載能力與復(fù)合織構(gòu)中外織構(gòu)的深度有密切關(guān)系。

目前，大部分相關(guān)研究都是圍繞圓形凹坑、方形凹坑、三角形凹坑及直線凹槽等常規(guī)幾何形狀的織構(gòu)[20-22]，在組合織構(gòu)方面較少有人研究。本文作者以單一方形凹坑、條形凹槽以及方形凹坑和條形凹槽組合3種織構(gòu)形狀為研究對(duì)象，利用赫茲接觸理論確定織構(gòu)的參數(shù)范圍，通過(guò)仿真模擬得出3種織構(gòu)形貌中摩擦副間潤(rùn)滑油膜承載能力最好的織構(gòu)形貌，并探究不同織構(gòu)尺寸對(duì)油膜承載能力的影響；然后根據(jù)仿真結(jié)果，在鋁合金基體表面制備出不同織構(gòu)尺寸的摩擦副間油膜承載能力最好的織構(gòu)形狀，通過(guò)摩擦試驗(yàn)研究織構(gòu)幾何尺寸對(duì)摩擦副接觸面間摩擦學(xué)性能的影響規(guī)律并與仿真結(jié)果進(jìn)行比較。

1 表面織構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真模擬

1.1 表面微織構(gòu)設(shè)計(jì)

以“球-面”接觸的摩擦副為研究對(duì)象，假設(shè)球的半徑為R，在載荷F的作用下與微織構(gòu)化基體表面相互接觸，發(fā)生彈性變形后基體下凹?jí)汉凵疃葹閔，對(duì)應(yīng)的接觸區(qū)域直徑為d，球體和微織構(gòu)化基體表面的接觸模型如圖1所示。

圖1 球和微織構(gòu)面的接觸模型

根據(jù)赫茲接觸理論，在上述模型中，接觸區(qū)域直徑d的表達(dá)式為

(1)

作用載荷F與球體半徑R和壓痕深度h的關(guān)系式如下：

(2)

式中：E*為等效模量，表達(dá)式為

(3)

式中：E1、E2分別為球和基體的彈性模量；ν1、ν2分別為球和基體的泊松比。

當(dāng)載荷F為10 N，將其代入上述公式計(jì)算可得，接觸區(qū)域直徑d為180.84 μm，壓痕深度h為4.09 μm。因此，為充分考慮微織構(gòu)對(duì)摩擦副接觸表面間潤(rùn)滑狀態(tài)的影響，在文中設(shè)計(jì)的方形凹坑和條形凹槽織構(gòu)幾何尺寸中，方形的邊長(zhǎng)和條形的寬度應(yīng)小于設(shè)計(jì)值，同時(shí)其深度應(yīng)大于設(shè)計(jì)值，以此保證在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中摩擦副的接觸面可以覆蓋織構(gòu)，進(jìn)而達(dá)到探究織構(gòu)幾何尺寸對(duì)摩擦副接觸面間摩擦學(xué)性能影響規(guī)律的目的[23]。所以，文中設(shè)計(jì)的不同形狀的織構(gòu)表面分布如圖2所示，織構(gòu)具體尺寸如表1所示。

圖2 不同形狀的織構(gòu)表面分布

表1 凹坑織構(gòu)尺寸

1.2 微織構(gòu)化表面潤(rùn)滑模型

為了探究組合織構(gòu)形貌中不同形狀織構(gòu)之間的相互作用對(duì)摩擦副間潤(rùn)滑油膜承載能力的影響，文中將作為研究對(duì)象的潤(rùn)滑油膜模型尺寸設(shè)計(jì)成單元組合凹坑織構(gòu)大小。模型如圖3(a)所示，對(duì)偶球與基體表面的接觸方式簡(jiǎn)化為平面接觸，潤(rùn)滑油膜最小厚度h0設(shè)定為4 μm，織構(gòu)中心與模型邊緣距離x為120 μm，相鄰兩織構(gòu)中心間距為y，織構(gòu)深度為h，織構(gòu)邊長(zhǎng)為z，模型兩邊設(shè)置周期性邊界條件，上壁面相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度v為0.05 m/s。圖3(b)—(d)為模型三維示意圖。

圖3 微織構(gòu)表面潤(rùn)滑油膜模型

2 模擬結(jié)果

為探究3種不同織構(gòu)形狀中摩擦副間潤(rùn)滑油膜承載能力最好的織構(gòu)形狀，文中利用FLUENT軟件，假設(shè)條件為穩(wěn)態(tài)，設(shè)定潤(rùn)滑油流動(dòng)方式為層流，潤(rùn)滑油密度為827 kg/m3，動(dòng)力黏度為0.025 14 Pa·s[4]，分析了潤(rùn)滑油模型上壁面的壓力分布情況，如圖4所示。

在圖4中，所有不同形貌織構(gòu)摩擦副潤(rùn)滑油流動(dòng)方向都是從左往右流動(dòng)。圖4(a)所示為無(wú)織構(gòu)摩擦副間油膜壓力云圖，可以看出，由于沒(méi)有織構(gòu)的存在，潤(rùn)滑油膜上各個(gè)區(qū)域的壓力值變化較小，壓力分布相對(duì)均勻。從圖4(b)—(d)中可以明顯地看出潤(rùn)滑油膜的壓力值和壓力分布會(huì)隨著織構(gòu)形貌的變化而變化。對(duì)于單個(gè)織構(gòu)來(lái)說(shuō)，無(wú)論是方形織構(gòu)還是條形織構(gòu)，其織構(gòu)附近的壓力值都分成了2個(gè)區(qū)域，即高壓區(qū)和低壓區(qū)，并且極值在區(qū)域內(nèi)部。這是因?yàn)楫?dāng)潤(rùn)滑油流到織構(gòu)區(qū)域附近時(shí)，由于織構(gòu)的存在，使得潤(rùn)滑油流動(dòng)的空間增大，結(jié)合流量連續(xù)理論可知，潤(rùn)滑油在進(jìn)入織構(gòu)的過(guò)程中流速會(huì)逐漸降低，致使壓力值逐漸減小。當(dāng)潤(rùn)滑油剛進(jìn)入織構(gòu)區(qū)域時(shí)，速度降到最小值，所以壓力值最低。反之，隨著潤(rùn)滑油在織構(gòu)區(qū)域內(nèi)的繼續(xù)流動(dòng)，在快流出織構(gòu)區(qū)域時(shí)，由于流動(dòng)的空間減小，潤(rùn)滑油在流出織構(gòu)的過(guò)程中流速會(huì)逐漸升高，致使壓力值逐漸增大，當(dāng)潤(rùn)滑油剛流出織構(gòu)區(qū)域時(shí)，速度增加到最大值，所以壓力值最高。從圖4(b)和圖4(c)所示單一織構(gòu)摩擦副間油膜壓力云圖可以看出，2種單一形狀油膜正壓力數(shù)值和負(fù)壓力數(shù)值絕對(duì)值差別較小，其潤(rùn)滑油膜承載能力一般。從油膜壓力數(shù)值角度還可以得知，條形凹槽織構(gòu)壓力的最大值是2種單一織構(gòu)形狀中最小的，這是因?yàn)樵谀Σ吝^(guò)程中，條形凹槽織構(gòu)雖然能促進(jìn)潤(rùn)滑油的流動(dòng)，但同時(shí)在一定區(qū)間內(nèi)，相比單一方形凹坑，使得織構(gòu)間儲(chǔ)存的潤(rùn)滑油有了額外的出油口，潤(rùn)滑油會(huì)沿著條形凹槽的方向擴(kuò)散，進(jìn)而使得壓力增大的幅度減小。從圖4(d)所示組合織構(gòu)摩擦副間油膜壓力云圖可以得知，相比于2種單一織構(gòu)，組合織構(gòu)油膜壓力的最大值明顯大于單一形狀的壓力最大值，且油膜區(qū)域上最大正壓力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最小負(fù)壓力絕對(duì)值，其潤(rùn)滑油膜承載能力較強(qiáng)。這是因?yàn)橄啾扔趩我坏姆叫慰棙?gòu)，組合織構(gòu)中由于條形凹槽的存在，使得摩擦副間潤(rùn)滑油的含量增加，相比于單一的條形凹槽織構(gòu)，組合織構(gòu)中由于方形織構(gòu)的存在，使得摩擦副間潤(rùn)滑油的動(dòng)壓潤(rùn)滑效果增強(qiáng)。

圖4 不同織構(gòu)形狀摩擦副間油膜壓力云圖

為了進(jìn)一步比較不同織構(gòu)摩擦副間潤(rùn)滑油膜的承載能力大小，文中通過(guò)FLUENT軟件計(jì)算得到了摩擦副間潤(rùn)滑油膜模型上壁面的升力系數(shù)大小，如圖5(a)所示。可以看出在3種不同形貌織構(gòu)中，方形凹坑和條形凹槽組合的織構(gòu)的摩擦副間潤(rùn)滑油膜升力系數(shù)最大，即油膜承載能力最強(qiáng)。同時(shí)對(duì)方形和條形組合織構(gòu)在不同尺寸下摩擦副間潤(rùn)滑油膜升力系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖5(b)所示。對(duì)于方形和條形組合織構(gòu)，在所研究的織構(gòu)尺寸范圍內(nèi)，隨著織構(gòu)尺寸的增加，摩擦副間潤(rùn)滑油膜升力系數(shù)變化大致分為2個(gè)階段：當(dāng)織構(gòu)尺寸小于70 μm時(shí)，隨著尺寸的增加油膜升力系數(shù)先增大后減??；當(dāng)織構(gòu)尺寸大于70 μm時(shí)，隨尺寸的增加油膜升力系數(shù)不斷增大，即織構(gòu)尺寸為100 μm時(shí)摩擦副間潤(rùn)滑油膜承載能力最好，為70 μm時(shí)最差。

圖5 不同形狀織構(gòu)及尺寸油膜升力系數(shù)

綜上所述，當(dāng)織構(gòu)尺寸相同時(shí)，在單一方形凹坑、條形凹槽以及方形凹坑和條形凹槽組合織構(gòu)3種形狀織構(gòu)中，方形和條形組合織構(gòu)的摩擦副間潤(rùn)滑油膜升力系數(shù)最大，油膜承載能力最好，因此，文中選擇方形和條形組合織構(gòu)為試驗(yàn)對(duì)象，探究織構(gòu)幾何尺寸對(duì)摩擦副接觸面間摩擦學(xué)性能的影響。

3 表面織構(gòu)加工及試驗(yàn)研究

3.1 表面微織構(gòu)化

選用尺寸為20 mm× 20 mm×10 mm的鋁合金試樣，采用脈沖Nd: YAG激光器加工系統(tǒng)在試件表面制備出一系列不同尺寸方形凹坑和條形凹槽組合的織構(gòu)陣列坑。激光器波長(zhǎng)355 nm，平均功率3 W，脈寬15 ns，加工脈沖頻率30 kHz，掃描速度50 mm/s。無(wú)織構(gòu)試樣表面形貌如圖6(a)所示，組合織構(gòu)形貌如圖6(b)所示，圖中右上角為單個(gè)方形凹坑放大形貌圖，組合織構(gòu)的深度輪廓線如圖6(c)所示。

3.2 摩擦試驗(yàn)

借助高速往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(CFT-I)開(kāi)展摩擦試驗(yàn)，采用球-面摩擦副，上試樣為φ4 mm的軸承鋼球,下試樣為無(wú)織構(gòu)、方形凹坑與條形凹槽組合織構(gòu)試件。試驗(yàn)前所有試件均在無(wú)水乙醇中超聲清洗。試驗(yàn)條件為：試驗(yàn)室大氣環(huán)境，室溫(25 ℃)，載荷10 N，滑動(dòng)速度0.05 m/s，行程5 mm，對(duì)摩時(shí)間為30 min。每次試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值。潤(rùn)滑油是柴油機(jī)油CD15W-40，供油時(shí)，為確保試樣處于乏油狀態(tài)，先利用滴管將潤(rùn)滑油滴在試樣表面并涂抹均勻，然后用橡膠刃刮去表面多余的流油，最后采用超景深三維顯微系統(tǒng)對(duì)試樣磨損表面進(jìn)行觀測(cè)分析。

4 試驗(yàn)結(jié)果及討論

4.1 摩擦因數(shù)

從圖7中可以看出，在初始跑合階段，無(wú)織構(gòu)試件表面摩擦因數(shù)較為平緩，與組合織構(gòu)化試件表面摩擦因數(shù)相比較低，這是因?yàn)榕c無(wú)織構(gòu)基體表面相比，組合織構(gòu)化基體表面粗糙度較高，所以無(wú)織構(gòu)試件表面摩擦因數(shù)比組合織構(gòu)化試件表面摩擦因數(shù)低。在穩(wěn)定磨損階段，無(wú)織構(gòu)試件表面摩擦因數(shù)急劇增高，且摩擦因數(shù)變化幅度劇烈，這是因?yàn)樵谶吔鐫?rùn)滑條件下，基體表面潤(rùn)滑油膜會(huì)在較短對(duì)摩時(shí)間內(nèi)失效，從而使得摩擦副接觸面間的潤(rùn)滑狀態(tài)發(fā)生改變，由邊界潤(rùn)滑轉(zhuǎn)化為干摩擦，所以摩擦因數(shù)會(huì)急劇增高并且變化幅度劇烈。與之相比，組合織構(gòu)化試件表面的摩擦因數(shù)明顯減小并且變化幅度較小。

圖7 表面摩擦因數(shù)隨時(shí)間變化曲線

圖8所示為方形和條形組合織構(gòu)平均摩擦因數(shù)隨著不同織構(gòu)尺寸的變化曲線。

圖8 表面平均摩擦因數(shù)隨尺寸變化曲線

由圖8可以看出，隨著織構(gòu)尺寸的增大，組合織構(gòu)表面平均摩擦因數(shù)呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢(shì)，在織構(gòu)尺寸為80 μm時(shí)平均摩擦因數(shù)最小。這是因?yàn)殡S著織構(gòu)尺寸的增大，織構(gòu)內(nèi)部的體積也會(huì)隨之增大，使得摩擦前織構(gòu)內(nèi)部?jī)?chǔ)存的潤(rùn)滑油增多，從而提高織構(gòu)在摩擦磨損過(guò)程中對(duì)摩擦副表面潤(rùn)滑油的供給能力，再加上摩擦?xí)r織構(gòu)內(nèi)部容納磨屑的能力也會(huì)隨之增強(qiáng)，所以摩擦因數(shù)會(huì)降低。但是，隨著織構(gòu)尺寸繼續(xù)增大，織構(gòu)的深徑比減小，潤(rùn)滑油流體動(dòng)壓效應(yīng)減弱，再加上鋁合金表面激光加工織構(gòu)的區(qū)域面積也進(jìn)一步增大，致使試件表面摩擦副接觸區(qū)域的表面粗糙度升高，在摩擦試驗(yàn)過(guò)程中，摩擦阻力變大。此時(shí)，在影響摩擦因數(shù)的諸多因素中，織構(gòu)尺寸的增大所產(chǎn)生的儲(chǔ)油和容納磨屑的效應(yīng)，已經(jīng)不足以克服摩擦副表面接觸區(qū)域的粗糙度變大所帶來(lái)的摩擦阻力的影響，所以導(dǎo)致摩擦因數(shù)上升。

4.2 磨痕形貌

在邊界潤(rùn)滑條件下無(wú)織構(gòu)和不同微織構(gòu)表面磨痕形貌以及磨痕輪廓線如圖9所示。從圖9(a)中可以看出，無(wú)織構(gòu)表面的磨損最為嚴(yán)重，磨痕表面存在著大量的磨粒磨損。從圖9(b)、(c)中均可看出，摩擦副的接觸區(qū)域完全覆蓋了微織構(gòu)區(qū)域，且相比無(wú)織構(gòu)試樣，磨痕表面劃痕明顯減少。從圖9(b)可以看出，織構(gòu)尺寸為80 μm的試樣表面的方形凹坑已經(jīng)完全消失，條形織構(gòu)區(qū)域也發(fā)生了“黏結(jié)”現(xiàn)象。結(jié)合前文仿真計(jì)算得到的升力系數(shù)可知，織構(gòu)尺寸為80 μm時(shí)潤(rùn)滑油膜承載能力較低，因而在往復(fù)摩擦過(guò)程中，鋁合金基體表面損傷較大，磨損深度超過(guò)了織構(gòu)深度，使得摩擦副接觸區(qū)域中的織構(gòu)被全部磨損，因此基體表面磨痕中方形凹坑完全消失，且在條形織構(gòu)處呈現(xiàn)了“黏結(jié)”現(xiàn)象。從圖9(c)中可以看出，織構(gòu)尺寸為100 μm時(shí)磨痕深度較淺，但在磨痕表面可明顯地看見(jiàn)直徑變小了的方形織構(gòu)。結(jié)合仿真計(jì)算得到的升力系數(shù)可知，織構(gòu)尺寸為100 μm時(shí)升力系數(shù)最大，其油膜的承載能力較強(qiáng)；且隨著摩擦過(guò)程的進(jìn)行，織構(gòu)尺寸逐漸變小，在織構(gòu)尺寸低于70 μm時(shí)，其升力系數(shù)回升，油膜的承載能力增強(qiáng)，對(duì)基體的磨損較輕，因此磨痕較淺。如圖10所示，隨著織構(gòu)尺寸的增加，磨痕深度的變化趨勢(shì)與升力系數(shù)的變化趨勢(shì)完全相反，當(dāng)織構(gòu)尺寸小于70 μm時(shí)，磨痕深度隨著尺寸的增加先減小后增大，升力系數(shù)則隨著尺寸的增加先增大后減??；當(dāng)織構(gòu)尺寸大于70 μm時(shí)，磨痕深度隨尺寸的增加而不斷減小，升力系數(shù)則隨尺寸的增加而不斷增大。從圖10中可知，織構(gòu)尺寸為100 μm的摩擦副間潤(rùn)滑油膜承載能力最好，基體表面損傷最輕；織構(gòu)尺寸為70 μm的摩擦副間潤(rùn)滑油膜承載能力最差，損傷最重，由此可見(jiàn)仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相吻合。

圖9 無(wú)織構(gòu)和不同尺寸微織構(gòu)表面磨痕形貌

圖10 織構(gòu)表面磨痕深度及升力系數(shù)

5 結(jié)論

(1)在單一方形凹坑、單一條形凹槽、方形凹坑和條形凹槽組合3種織構(gòu)中，方形和條形組合織構(gòu)的摩擦副間潤(rùn)滑油膜承載能力最佳，且對(duì)于方形和條形組合織構(gòu)，在所研究的織構(gòu)尺寸范圍內(nèi)，隨著織構(gòu)尺寸的增加，摩擦副間潤(rùn)滑油膜升力系數(shù)變化分為2個(gè)階段：當(dāng)織構(gòu)尺寸小于70 μm時(shí)，隨著尺寸的增加油膜升力系數(shù)先增大后減小，當(dāng)織構(gòu)尺寸大于70 μm時(shí)，隨尺寸的增加油膜升力系數(shù)不斷增大。

(2)對(duì)于組合織構(gòu)，隨著織構(gòu)尺寸的增加，其表面平均摩擦因數(shù)呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。這是因?yàn)榭棙?gòu)尺寸的增加會(huì)使織構(gòu)的儲(chǔ)油和容納磨屑能力增強(qiáng)，從而使得摩擦因數(shù)降低；但當(dāng)織構(gòu)尺寸進(jìn)一步增大時(shí)，織構(gòu)的深徑比減小，潤(rùn)滑油流體動(dòng)壓效應(yīng)減弱，再加上基體表面受激光加工影響區(qū)域面積增大，致使摩擦副接觸區(qū)域表面粗糙度逐漸增加，進(jìn)而使得摩擦因數(shù)上升。當(dāng)織構(gòu)尺寸為80 μm時(shí)，織構(gòu)表面的摩擦因數(shù)最小。

(3)對(duì)于組合織構(gòu)，隨著織構(gòu)尺寸的增加，磨痕深度的變化趨勢(shì)與升力系數(shù)的變化趨勢(shì)完全相反，即織構(gòu)尺寸為100 μm的摩擦副間潤(rùn)滑油膜承載能力最好，基體表面損傷最輕，織構(gòu)尺寸為70 μm的摩擦副間潤(rùn)滑油膜承載能力最差，損傷最重，仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相吻合。