45钢表面微织构及摩擦学特性的研究

颜 彬

(江苏苏盐井神股份有限公司第三分公司，江苏 淮安 223000)

在纯碱行业中，如压缩机、鼓风机等高速运转设备，轴及轴承的摩擦磨损是设备运行周期及使用关键所在。而表面间发生的摩擦磨损是其失效的重要原因，因此设备表面的性能对其可靠运行发挥着重要作用。激光表面微造型技术在摩擦副的表面改进中有着重要的作用，特别是对润滑与密封的影响。针对激光微造型表面形貌的摩擦学特性，许多学者进行了广泛的研究，但往往局限在凹坑形状分布和凹坑尺寸优化上，许多试验也主要是对理论的定性解释，无法说明整个规则凹坑表面的形貌对润滑的影响。本文将在现有研究的基础上，对滑动轴承用45钢材料进行一些典型凹坑织构造型，并对其摩擦学特性展开研究，将有利于深入认识表面形貌结构特点对摩擦、磨损和润滑等的影响。

1 试验及方法

1.1 激光微织构试验

试验设备采用半导体侧面泵浦 YAG 激光加工系统，激光模式为 TEM00，脉冲激光，输出波长1064 nm。加工系统自带的辅助吹气系统，可清除加工过程中的大部分熔渣，减少金属重铸。采用Micro XAM 3D非接触式表面形貌仪进行检测微织构的几何形貌。

试验试样采用直径φ15的45钢棒料，经淬火后再回火处理。表面先用金相砂纸打磨再抛光，其粗糙度约为0.2 μm，试验前对试样进行超声波清洗、吹干。为获得较理想的微织构几何形貌，先进行单直线织构形状的激光加工，对激光加工工艺参数(能量、扫描速度、扫描次数)进行优化，获得设计所要求的表面微观几何形貌，并进行超声波清洗去除熔渣等残留物。经单因素试验结果表明，当速度为3 mm/s、电流为14.5 A、单次扫描的微织构形貌较为理想。图1为45钢单直线微织构的微观几何形貌及截面轮廓图，该微织构槽宽约70 μm，深4.2 μm。从所测数据来看该微织构的宽深尺寸最为接近汽缸套珩磨网纹的尺寸标准。由图1(c)的截面轮廓图来看，槽的两侧较为光滑，边缘有不到1 μm的重铸残留物。因此在使用前需要抛光处理,以去除激光微加工产生的毛刺和熔渣。

摩擦副表面的微织构激光加工工艺参数采用上述优化后的参数组合。微织构的几何造型采用网纹和凹坑，图2为45钢试样激光微织构的显微形貌。改变这两种造型的几何尺寸，构成不同的微织构，具体方案如表1所示。

(a)2D图

(b)3D图

(c)X、Y截面轮廓图图1 45钢单直线微织构的三维形貌图

(a)网纹 (b)凹坑图2 45钢激光微织构的微观形貌

表1 激光微织构几何造型、参数及磨损量

1.2 摩擦磨损试验

试验研究点面接触润滑状态形式下，多种激光微造型形貌对45号钢表面摩擦磨损性能的影响，采用UMT-2多功能摩擦磨损试验机，磨擦副为φ4的不锈钢球。试验条件为：载荷0.8 kg、转速300 r/mm、磨擦时间为30 min，室温，选用SAE20/W40润滑油，每一试样进行3次重复试验。为保证接触面始终处于富油状态，试验过程中每隔10 min加一次油。每次试验前后需超声波清洗、吹干，并用电子天平称重。试验结束后利用扫描电子显微镜(SEM)分析试件的磨损表面，并对表面磨痕及轮廓形状进行测量。

2 结果与讨论

2.1 耐磨性

各种激光微织构试样和光滑试样表面的磨损量如表1所示。试验结果表明，经激光微织构造型试样表面的磨损量均低于光滑试样表面。分析其原因，一方面可能由于微织构试样表面的凹坑或凹槽可以储存润滑液，从而在摩擦上下表面间产生一定的流体动压润滑效果，将上下接触面分开；另一方面是由于凹坑或凹槽可以起收集磨损磨粒的作用，从而减小接触面发生磨粒磨损的几率。另外，在激光加工过程中，短脉冲高能激光束引起加工区域表面骤热骤冷，对表面材料起到淬火回火的作用，从而使得材料微观组织变化，并形成具有高硬度和超细组织的硬化层，这在一定程度上也提高材试样表面的耐磨性能。

从不同微织构造型来看，点阵织构试样表面的耐磨性差于网纹和凹坑织构。就其原因，可能是由于点阵织构所形成的凹坑直径较小，并且织构面积率较小，约为0.5%～1.4%，其储存润滑油和磨粒的效果较网纹和凹坑织构差些。凹坑或线间距的大小不宜过大或过小，以间距400 μm的网纹织构试样耐磨性较佳。

2.2 摩擦学性能

图3为不同线间距的网纹织构试样与光滑试样的摩擦磨损性能测试结果。结果表明，与光滑表面试样相比，带网纹织构的试样表面摩擦因数较小，也就是说，在润滑状态下，表面的线槽可起到储油的作用，可起到一定的减摩效果。当线槽间距由300～500 μm变大时，摩擦因数先减小后增大，均比光滑试样的0.15稍小。分析其原因，可能由于线间距过小，表面线槽的面积占有率过大，造成表面完整性降低；线间距过大，则线槽的面积占有率减小，油膜连续性下降，承载能力降低。Pettersson等也曾针对铸铁试样面接触摩擦副指出凹槽或网纹等形貌表面的摩擦因数比光滑面要小，而且摩擦因数曲线的波动小[4]。对比可得，当间距为400 μm时，摩擦因数最小为0.11左右，降磨减损效果最好。

图3 网纹织构与光滑试样表面的摩擦因数

图4为不同间距的凹坑织构试样与光滑试样表面的摩擦因数。可以看出，同光滑表面相比，带凹坑的试样表面摩擦因数较小，这说明，在液体润滑状态下，表面凹坑能起到一定的减摩效果。对比凹坑造型的四种尺寸参数的摩擦因数，当间距为500 μm时，摩擦因数最小为0.1～0.11左右，降磨减损效果最好。

图4 凹坑织构与光滑试样表面的摩擦因数

由上述两种表面织构的摩擦因素来看，不论是贯通的或是断续的凹槽,都会增大表面摩擦因素。究其原因,一方面润滑油顺沟槽流走,造成了造型区域局部低压区,使表面油膜变薄，另一方面,在 润滑条件下,微织构造型使原本光滑、平坦的试样表面形成了富有规律的凹凸不平状搓板纹,增加表面粗糙度的同时,增大表面摩擦阻力。通过分析织构面积率Sp来看，Sp约为5%时，试样表面可获得较理想的摩擦学性能。

3 结 论

通过脉冲激光对45钢表面进行了微织构加工研究，织构表面的凹坑或沟槽起到储存润滑油和磨粒的作用，能够减少润滑油的使用量,并且能缩短润滑膜的形成时间,从而减少摩擦副的磨损。有利于提高表面的摩擦磨损性能，设备使用寿命得到明显的提升。具体创新点如下：

1)在润滑条件下，当表面织构面积率为5%时，材料的耐磨性和减摩效果较好。

2)从表面的摩擦因素来看，不论是贯通的网纹或是断续的凹坑,表面摩擦因素的变化都比光滑表面平缓，表面摩擦因素的稳定性更好，但摩擦因素的数值与光滑试样相差不大。