HMn58-2配流盘摩擦副表面激光加工微阵列对其摩擦磨损性能的影响

(1.太重集团榆次液压工业有限公司， 山西 晋中 030600；2.太原科技大学 机械工程学院， 山西 太原 030024；3.北京信息科技大学 仪器科学与光电工程学院， 北京 100192)

引言

轴向柱塞泵结构紧凑、径向尺寸和转动惯量小、容积效率高，能在高速和高压下工作，因此广泛应用于高压、大流量和流量需要调节的机械装备液压系统中[1-3]。轴向柱塞泵的配流盘与缸体构成了配流摩擦副，相对滑动速度高，接触压力高，配对材料对柱塞泵的性能及使用寿命影响至关重要[4-5]。表面处理技术是提高配流副摩擦磨损性能的常用方法，如化学气相沉积[6]、离子注入[7]、表面喷涂固体润滑膜[8]及激光熔覆[9]等。

表面微织构技术是利用仿生学原理，在材料表面加工一些如沟槽、凹坑和网状[10]的微型结构，以降低摩擦副的摩擦系数和磨损量。目前，该技术已经成功应用于轴承[11]、内燃机活塞[12-13]等关键零部件，并取得了一定的效果。王晓雷等[14]利用纳米压痕仪在52100钢表面加工了不同深度和密度的微结构，考察了油润滑条件下材料的摩擦磨损特性，发现织构化表面与无织构表面相比具有显著的减磨效果。万轶等[15]利用激光技术加工了不同密度的织构，发现在油润滑条件下，织构密度不同，摩擦磨损性能差异显著。GALADA等[16]研究发现，与光滑表面相比，一定形状及密度的织构可以改善润滑条件，提高摩擦性能。RONEN A等[17]研究发现表面微孔型织构对流体润滑效果影响显著，可有效减少往复式零部件的摩擦磨损。

利用光纤激光在HMn58-2配流盘摩擦副表面制备了多边形微阵列，利用正交实验法，分析了微阵列直径、深度、密度以及载荷和转速等多因素对HMn58-2配流盘摩擦副摩擦磨损特性的影响，为表面微织构技术在轴向柱塞泵配流盘上的应用及其摩擦磨损性能改善提供了实验依据和参考。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料及表面微阵列加工

微阵列加工配流盘材料为锰黄铜HMn58-2，表面硬度为160HBS。摩擦磨损试验中，上试样基体材料为轴向柱塞泵配流盘摩擦副常用配偶材料38CrMoAl，调质后表面渗氮，表面硬度为HV960；下试样材料为锰黄铜HMn58-2，配流盘结构如图1所示。

1.缸体配油孔 2.腰型配油窗口 3.内密封带4.外密封带 5.辅助支撑带 6.过渡区图1 配流盘结构

光纤式激光器的主要工作参数为：加工功率为10 W，波长1064 nm，加工频率20 kHz，加工速度200 mm/s，通过控制加工次数来控制表面微凹坑阵列的深度。激光器加工前，首先用400-2000#砂纸对加工表面进行打磨，并用MP-2抛光机对试样表面进行抛光处理。加工完成后，用2000#砂纸打磨试样表面，去除激光加工时所形成的熔渣。随后将试样放入无水乙醇中采用CH-01BM超声清洗机清洗10 min，并用吹风机吹干备用。使用KEYENCE VHX-600E型数码显微镜进行零件三维轮廓的测量；采用Quanta450FEG扫描电子显微镜观察微阵列SEM形貌。图2所示为配流盘试样表面激光加工不同密度微阵列SEM表面及三维形貌。微阵列结构的密度按式(1)进行计算：

图2 激光加工直径200 μm不同密度微阵列及表面形貌

(1)

式中，ρw—— 微阵列密度

D—— 微阵列直径，μm

L—— 微阵列之间的长度，μm

1.2 摩擦磨损试验

摩擦磨损实验在MMW-1A立式万能摩擦磨损实验机上进行，通过内置程序实时记录摩擦系数变化。选取面-面接触的止推圈摩擦副形式，试验原理如图3所示。试验时将摩擦副置于油池中，采用富油润滑形式。每组试验开始前进行10 min的预磨，使其在试验开始后摩擦系数可以较快的达到稳定值，试验持续时间为20 min。摩擦磨损试验结束后将试样放入无水乙醇中超声清洗15 min并吹干，去除残留在试样上的油污及杂质。

图3 摩擦磨损试验原理图

利用正交实验法，选取载荷、转速、微阵列直径、深度和密度5个因素为实验参数。通过比较在相同的载荷和转速条件下，光滑试样和微阵列试样分别与38CrMoAl配偶所组成的摩擦副的平均摩擦系数，得出减磨率，分析各因素对摩擦磨损特性的影响。各因素及水平如表1所示。

表1 正交实验因素及水平

2 试验结果与讨论

2.1 油润滑条件下的微阵列配流盘摩擦学行为分析

利用正交实验法中的极差分析法，分析各因素对摩擦性能的影响程度，获得各影响因素的最优的组合方案。试验结果如表2所示。平均减摩率计算公式为：

(2)

式中，Zf—— 平均减磨率

fg—— 光滑试样组成的摩擦副的平均摩擦系数

fz—— 微阵列试样组成的摩擦副的平均摩擦系数

在相同工况条件下，38CrMoAl对磨副与表面具有微列的试样摩擦系数比光滑试件摩擦系数低，主要是因为表面微阵列可以起到储存油液、收集磨屑的作用，合适的表面微阵列结构可以有效的降低摩擦系数。按对摩擦性能的影响程度，从大到小分别为载荷、微阵列深度、转速、微阵列直径和密度。最优组合方案为A4B4C4D4E3，即阵列直径200 μm、深度40 μm、密度20%、载荷500 N及转速700 r/min。

表2 正交试验方案及结果

图5为采用最佳工艺参数进行摩擦磨损试验所记录的摩擦系数曲线，从图中可以发现，具有微阵列结构的试样与38CrMoAl试件所组成的摩擦副对磨的摩擦系数相对于光滑试样明显降低，且变化趋势也更加平稳，说明微阵列结构引入到轴向柱塞泵的配流副中将对改善配流副的摩擦及润滑状态起到一定的帮助。随着试验载荷的增大，微阵列的平均摩擦系数降低率会增大，这是因为载荷升高有利于流体动压效应的形成；另外，载荷增大也使得润滑油膜更为致密，从而使摩擦因数随着载荷的升高而降低。随着试验转速的增大，微阵列试样的摩擦系数平均降低率表现出了先增大后减小的现象，这主要是因为流体动压效应在转速较低时表现的并不明显，摩擦界面难以形成有效的动压润滑效果；随着转速的升高，流体动压效应逐渐增强，摩擦界面润滑状态逐渐改善；而当转速过大时，摩擦界面的润滑油膜因为较高的转速被破坏，摩擦界面上的润滑油液被甩出，此时微阵列结构所产生的流体动压效应受到抑制，摩擦系数升高。

图4 各因素对平均摩擦系数降低率的影响

图5 试样摩擦系数变化曲线

2.2 试样表面磨损形貌分析

图6a为未经激光处理的光滑试样在500 N,500 r/min条件下的表面磨损形貌图，可见，材料表面存在明显的磨粒磨损和一定程度的黏着磨损。由于38CrMoAl材料表面硬度远高于HMn58-2，磨擦开始阶段，虽然摩擦界面中的润滑油起到一定的减磨和润滑效果。但当摩擦副接触面在一定压力下反复摩擦时，摩擦界面会产生大量的热而导致油液温度升高，油液温度的升高使其黏性下降。此时，摩擦界面的润滑油膜很容易被破坏并在离心力的作用下被甩出摩擦副接触面，且由于光滑试件的表面粗糙度比具有微结构的试样低得多，致使润滑油难以有效的储存，被破坏的润滑油膜不能及时补充，润滑效果逐渐变差，摩擦表面逐渐发生直接接触，使得硬度较高的38CrMoAl材料表面微凸体压入较软的HMn58-2材料表面，且在滑动过程当中不断挤压HMn58-2表层金属并在其表面犁出沟槽，产生一定量金属碎屑，这些碎屑会因为润滑状态的变差难以被油液带出摩擦界面而与两材料表面形成三体磨损，加剧犁削的发生，这些都会导致摩擦系数的升高；同时，随着摩擦的进行，摩擦表面发生直接接触，导致两种金属在接触位置产生瞬时高温而发生黏着现象，随后黏着部位因切应力的作用被剪切，在不断的滑动摩擦下，黏着与剪切交替发生，在积累到一定程度时，导致黏着磨损发生。图6b为光滑试件表面磨损形貌的局部放大图，可以看到材料表面除具有一定程度的黏着磨损特征外，还有明显犁沟，且犁沟宽而深，表现出磨粒磨损的典型特征。图6c为微阵列试样在相同工况下的表面磨损形貌图，材料表面只能观察到一些较浅的犁沟，磨痕较为整齐， 且在图6d的局部放大图中并没有看到明显的黏着磨损的痕迹。结合试验摩擦系数，表明表面微阵列结构在储存润滑油、捕捉磨屑，增强流体动压效应方面发挥了一定的作用，使摩擦界面的润滑条件得到很大改善，降低了摩擦界面的接触温度和摩擦系数。综上，激光加工表面微阵列结构在降低摩擦方面具有明显优势。

图6 500 N，500 r/min条件下试样表面磨损形貌

3 结论

(1) 采用光纤激光在HMn58-2锰黄铜轴向柱塞泵配流盘表面制备了微阵列凹坑。采用38CrMoAl与其对磨进行摩擦磨损试验，结果表明，与相同工况条件下的光滑试样相比，表面具有微阵列造型的试样组成的摩擦副具有更低的摩擦系数，合适的工艺参数下，配流盘表面激光加工微阵列结构在油润滑条件下具有较好减磨效果；

(2) 分析了不同工艺参数对摩擦副表面摩擦磨损性能的影响，按影响程度大小，依次为载荷、微阵列深度、转速、微阵列直径和密度，对比各因素不同水平的平均减磨率，微阵列凹坑直径、深度及密度越大、试验载荷越大，减磨效果越明显；随试验转速增大，减磨效果先升高后降低。获得了优化的工艺参数为阵列直径200 μm、深度40 μm、密度20%、载荷500 N及转速700 r/min；

(3) 对试样磨损形貌进行了SEM观察，相同工况条件下的光滑试样表面磨损较为严重，主要表现为磨粒磨损和黏着磨损；表面具有激光加工微阵列结构的试样表面磨损程度得到较大改善，主要为轻微的磨粒磨损。主要是由于表面微阵列增加了摩擦副表面的流体动压效应，提高了油膜承载能力；微阵列对磨屑的机械捕捉效应及二次润滑作用，使摩擦副表面摩擦系数降低，磨损更加稳定均匀。