润滑条件对黄豆/不锈钢摩擦副摩擦学行为的影响*

2023-03-04 10:08史俊丰冉志勇
润滑与密封 2023年2期
关键词:磨痕黄豆因数

黎 繁 田 斌 史俊丰 冉志勇

(北京工商大学人工智能学院 北京 100048)

在食品加工机械领域,机械部件的摩擦学性能直接关系到食品的安全问题[1-3]。当食品机械部件的表面磨损超过一定的量,就会在磨损表面出现细菌滋生和黏附繁殖。因此,研究食品机械部件表面性能显得非常重要[4]。

食品机械加工部件中的摩擦学性能已经得到了相应的重视和研究[5-7]。张紫铜等[8]通过微摩擦磨损试验机研究了二甲基硅氧烷(PDMS)表面改性对牛奶润滑特性评估的影响,发现亲水PDMS表面的摩擦因数大于疏水PDMS表面。KARIMI等[9]通过研究不同小麦与压缩塑料、镀锌铁、胶合板的摩擦因数发现,摩擦因数会随着小麦水分含量的增加而增大。BAHRI等[10]在干摩擦条件下采用球-盘摩擦磨损实验机,分别用TiN涂层试样和304L不锈钢试样与橄榄种子进行对摩,结果表明,摩擦因数随着时间的变化呈先低后高的趋势,同时试样表面有较为明显的划痕,磨损率与时间也呈正相关增长。吴越等人[11]发现医用钡餐中添加增稠剂有利于摩擦因数的降低。由上述研究可以看出,润滑条件对食品与机械部件组成的摩擦副的摩擦学性能有着显著影响。黄豆作为食品中的主要品种之一,在实际加工过程中,存在含水和干燥条件下与机械部件之间的摩擦磨损问题。因此,将黄豆与机械部件进行直接配副,探索不同润滑条件对食品机械的摩擦学性能影响是很必要的。

本文作者以黄豆/ 316L不锈钢摩擦副为研究对象,在干摩擦和水润摩擦两种不同条件下,对比该摩擦副的摩擦磨损行为规律,探究润滑条件对其摩擦学机制的影响。

1 试验部分

1.1 试验材料

黄豆/不锈钢摩擦副中,不锈钢试样材质为316L不锈钢,其尺寸为60 mm×30 mm×3 mm,粗糙度Ra为3.36 nm、硬度154HV;黄豆试样来自本地超市的同一批黄豆,平均直径7.04 mm。采用图1(a)中自制模具冷镶的方式,利用夹具限位和上表面平面限位的方法,将4颗黄豆镶嵌在图1(b)中的同一个试样上,且黄豆的顶点处于半径约5.8 mm的同一个圆周平面上[12]。

图1 黄豆制备模具(a)和试样实物(b)Fig.1 Soybean mould (a) and soybean sample(b)

1.2 试验方法

滑动摩擦磨损试验在常温常压下进行,试验装置为MMW-1A 微机控制万能摩擦磨损试验机。黄豆试样作为固定上试样,旋转的316L不锈钢为下试样,其他具体工况参数为载荷100 N、转速400 r/min、时间60 min,润滑条件分别为干摩擦和水润滑。其中,采用约3 s每滴的频率加水来模拟水润滑条件。每一种工况条件下的试验均重复3组,所得数据取平均值。

试验中通过测量摩擦力矩和轴向试验力,来计算黄豆和316L不锈钢的摩擦因数,具体计算公式如下:

式中:μ为摩擦因数;T为实测摩擦力矩(N·mm);p为轴向力(N);R为黄豆与不锈钢接触点所在圆的半径(mm)。

采用光学显微镜观察和测量不同润滑条件下不锈钢试样和黄豆试样的磨损表面形貌和磨痕宽度;采用NanoMap-D三维形貌仪在光学模式下对不同润滑条件下不锈钢试样的磨损表面形貌进行观察,利用自带扫描探针图像软件对不锈钢进行表面粗糙度分析;利用Bruker HYPERION 1000显微红外光谱仪对不锈钢磨损表面进行成分检测。

2 结果与分析

2.1 摩擦因数

图2所示为不同润滑条件下黄豆/316L不锈钢摩擦副的摩擦因数随时间的变化曲线和平均摩擦因数。

由图2(a)中可看出,在干摩擦的条件下,316L不锈钢与黄豆之间的摩擦因数大致没有变化,曲线整体较为平滑,几乎没有波动;而在水润滑的条件下,316L不锈钢与黄豆之间的摩擦因数显著升高,且摩擦过程中波动幅度较大,但整体呈下降趋势。基于水润滑条件下摩擦因数的变化趋势,以260 s为界线,统一将整个摩擦磨损过程分为波动阶段和相对稳定阶段,统计其平均摩擦因数如图2(b)所示。可得,波动阶段中,水润滑条件和干摩擦条件下的平均摩擦因数分别为1.52、0.21;稳定阶段下的平均摩擦因数则分别为1.06、0.24。可以看出,水润滑条件下波动阶段的摩擦因数反映了其摩擦非常剧烈,其稳定阶段的平均摩擦因数约为干摩擦条件下平均摩擦因数的4.4倍,反映了不同润滑条件下其摩擦过程有着显著的差异。

图2 不同润滑条件下黄豆/316L不锈钢摩擦副的摩擦 因数随时间的变化曲线(a)和平均摩擦因数(b)Fig.2 Friction coefficient curves along with time (a) and average friction coefficient (b) of soybean/316L stainless steel friction pair under different lubrication conditions

图3所示为不同润滑条件下试样的磨痕宽度。对于不锈钢试样,干摩擦条件下的磨痕宽度约为4.26 mm;水润滑条件下的磨痕宽度约为4.69 mm,比干摩擦条件下的磨痕宽度提高约10%。对于黄豆试样,干摩擦条件下的磨痕宽度约为2.44 mm;水润滑条件下的磨痕宽度约为6.26 mm,比干摩擦条件下的磨痕宽度提高约1.6倍。由上可见,水润滑条件下不锈钢表面磨痕的变宽是由于对摩黄豆磨痕显著增加所致。

图3 不同摩擦条件下不锈钢和黄豆的磨痕宽度Fig.3 Wear scar width of stainless steel and soybean sanmples under different friction conditions

2.2 不锈钢磨损表面分析

图4所示为不同润滑条件下316L不锈钢试样的磨损表面清洗前的光学形貌。

图4 不同摩擦条件下清洗前的316L不 锈钢试样磨损表面光学形貌Fig.4 Worn surface optical topography of 316L stainless steel specimen under different friction conditions before cleaning:(a)dry friction;(b)water lubrication

磨损试验结束后,通过观察不锈钢未清洗状态的磨损表面,可以更好地反映摩擦过程中黄豆在不锈钢摩擦表面的状态。由图4可得,在干摩擦条件下,316L不锈钢表面磨损形貌以犁沟为主,犁沟数量较大且深浅不一,且犁沟之间存在一定的黑色黏着物;水润滑条件下,316L不锈钢的表面则基本被一层局部有颗粒夹杂的黏状物覆盖。以上结果表明,在不同润滑条件下,不锈钢的摩擦表面有着截然不同的磨损条件,也预示着磨损机制的显著差异。

进一步将不锈钢试样磨损表面清洗后进行形貌对比,图5所示为316L不锈钢试样磨损表面的典型三维形貌。可见,316L不锈钢表面磨痕形貌均以沿着滑动摩擦方向平行分布犁沟为主。水润滑条件下,磨痕表面整体较为平坦,只有数条较明显的犁沟;与水润滑相比,干摩擦条件下,磨痕表面的犁沟呈现数量显著增多、深度明显加大的现象,单条犁沟也呈现剧烈起伏的轮廓。这点可以通过磨损表面的粗糙度进一步得到验证,其中干摩擦条件下的磨损表面粗糙度约为156.37 nm,水润滑条件下的磨损表面粗糙度约为15.81 nm。显然,干摩擦条件下的表面磨损粗糙度是水润滑条件下的磨损表面粗糙度的9.89倍。结合前面清洗前的不锈钢试样磨损表面来看,水润滑条件下不锈钢表面覆盖的黏状物对其形成了有效的保护。

图5 不同润滑条件下的316L不锈钢磨损表面典型三维形貌Fig.5 Typical three-dimensional morphology of the wear surface of 316L stainless steel under different lubrication conditions: (a)dry friction;(b)water lubrication

2.3 黄豆磨损表面分析

图6所示为不同润滑条件下黄豆试样的磨损表面形貌。可见,干摩擦条件下,黄豆磨损表面磨痕面积较小,磨痕表面犁沟较为清晰,磨痕表面有部分外皮脱落和黑色粉末,且外皮呈现脆性开裂或剥离;水润条件下的黄豆磨损表面则呈现截然不同的形貌,首先磨痕面积接近黄豆的直径大小,磨痕表面整体平整,没有发现任何犁沟形貌和黑色氧化物粉末,黄豆外皮几乎全部脱落,并有柔性卷曲现象,表面边缘存在黏着物粘附和涂抹形貌。结合前面不锈钢的磨损形貌,可以推断,水润滑条件下,黄豆试样在接触到水时会快速发生软化和分解,进而在不锈钢表面形成软质黏状物覆盖,从而将黄豆/不锈钢之间的摩擦逐步转化为黄豆和黄豆分解物之间的摩擦,从而使得不锈钢磨损表面得到很好的保护,不锈钢磨损表面的犁沟显著减少,而黄豆磨损表面则完全没有犁沟形貌。

图6 不同润滑条件下黄豆试样的磨损表面形貌Fig.6 Worn surface topography of soybean sample under different lubrication conditions: (a)dry friction;(b)water lubrication

2.4 不锈钢磨损表面红外光谱分析

为了进一步对比不同润滑条件下不锈钢试样磨损表面黏附产物的差异,以黄豆本身原始的红外光谱结果[13](见图7)作为基础,对试验结束后未经清洗处理的不锈钢磨损表面进行红外光谱分析(见图8),来比较不锈钢试样磨损表面的黄豆转移情况。

图7 5种黄豆的红外光谱图[13]Fig.7 Infrared spectra of five soybean species[13]

图8 不同润滑条件下316L不锈钢试样磨损表面的红外光谱图Fig.8 Infrared spectra of worn surface of 316L stainless steel specimen under different lubrication conditions

由图7可知,黄豆在3 298~1 746 cm-1(对应脂肪酸、皂苷、异黄酮),1 655~1 398 cm-1与1 059 cm-1(对应蛋白质),1 240~1 159 cm-1与1 001 cm-1(对应核酸、磷脂)等范围内,均存在黄豆主要组分的特征峰,代表了黄豆的主要组分[13]。

由图8可知,干摩擦条件下,不锈钢磨损表面的红外光谱曲线在2 925、2 855和1 745 cm-1处出现较低的吸收峰,而1 454和1 399 cm-1处出现了更弱的吸收峰,均对应图7中黄豆磨损前的部分原始红外光谱谱峰,但峰值均很低,表明摩擦表面的黄豆组分含量很低,反映了黄豆试样在磨损过程中只存在向不锈钢表面少量黏附转移的现象。而水润滑条件下,不锈钢磨损表面红外谱峰的特征峰不仅在2 925、2 855、1 745、1 454和1 399 cm-1处出现,与干摩擦条件下一致,而且这些谱峰的峰值大幅增强;另外还在3 301、1 654、1 545、1 241、1 143、1 057、1 001和927 cm-1等位置出现谱峰。不锈钢磨损表面红外光谱的以上吸收峰与磨损前的黄豆结果基本一致[13-15],反映了黄豆的全部主要组分,表明不锈钢摩擦表面黏附产物中存在大量黄豆组分。此外,不锈钢试样表面并没有发现新的组分,表明水润滑条件下不锈钢试样摩擦表面只存在黄豆的自身原有组分。与干摩擦条件相比,水润滑条件下不锈钢磨损试样表面对应红外光谱特征谱峰处的峰值大幅度提高,其他位置处的吸收特征谱峰也都出现,这同样与水润滑条件下不锈钢试样磨损表面被黄豆黏状物大量覆盖的形貌结果相一致。

2.5 摩擦学机制讨论

对于黄豆/不锈钢摩擦副,干摩擦条件下,其磨损机制以磨粒磨损为主,而水润滑条件下,黏着磨损显著增加。黄豆/不锈钢摩擦副的摩擦磨损行为受到黄豆成分、硬度差异和润滑条件等三方面因素的显著影响。

黄豆由组分和硬度差异较大的种皮和子叶构成[12],其中种皮的碳水化合物较高,而子叶的粗脂肪和粗蛋白明显增大。黄豆种皮和子叶的最大承压强度分别约为3和66 MPa,而不锈钢的硬度则为154HV,两者存在显著的硬度差异。

干摩擦条件下,黄豆以固体的状态参与摩擦磨损,显著的硬度差异使得磨粒磨损成为主导机制,黄豆的种皮和子叶同时参与摩擦磨损,在不锈钢和黄豆磨损表面均出现明显的犁沟形貌;随着磨损的加剧,磨损表面还出现了黑色氧化物粉末,这可能与摩擦过程中发生美拉德反应、糖类碳化以及氧化有关[15-16]。而由于摩擦过程中黄豆出现少量组分向摩擦表面的转移,使得摩擦因数整体保持平稳。

水润滑条件下,黄豆存在不同程度的糊化和分解,黄豆表面硬度进一步显著降低,导致摩擦因数显著升高。开始阶段黄豆同时以固体和半固体的状态参与摩擦磨损,犁沟和黏着同时存在导致摩擦因数较高;随着磨损持续温度升高导致黄豆的分解进一步加剧,不锈钢摩擦表面逐渐被黄豆分解的黏状物覆盖,黄豆与不锈钢之间的摩擦转化为黄豆与黄豆之间的摩擦,摩擦因数较开始阶段有所降低,而可能由于种皮或黄豆块状剥落的出现,导致了摩擦因数会出现短时升高。正是由于黄豆试样在水作用下硬度的显著降低,以及分解产物对不锈钢磨损表面的覆盖,使得不锈钢磨损表面的犁沟显著减少。但由于黄豆接触面积的显著增大,使得不锈钢试样磨痕的宽度有所增大,黄豆磨损表面完全没有犁沟形貌,其磨损机制转变为主要以黏着磨损为主。而红外谱峰结果显示,水润滑条件下不锈钢试样摩擦表面的黏附产物都是黄豆自身组分,并没有发现代表新组分的吸收峰,因此,在水润滑条件下黄豆组分在不锈钢磨损表面的黏附所产生的隔离作用,是其改善不锈钢试样磨粒磨损的重要原因。

3 结论

(1)润滑条件对黄豆/不锈钢摩擦副的摩擦磨损行为有着显著的影响。在干摩擦条件下,摩擦副的摩擦因数整体平稳且较低,稳定阶段平均摩擦因数约为0.24;不锈钢和黄豆磨损表面存在数量较多且较深的犁沟形貌,黄豆和不锈钢的磨痕均较小,不锈钢磨损表面粗糙度约为156.37 nm。在水润滑条件下,摩擦因数在波动阶段就显著提高,整体呈起伏波动向下的趋势,稳定阶段平均摩擦因数约为1.06;不锈钢磨损表面的犁沟显著减少,粗糙度降低至15.81 nm,黄豆磨损表面的犁沟完全消失,但磨损严重,其磨痕直径提高约1.6倍。

(2)黄豆/不锈钢摩擦副的摩擦磨损行为受到黄豆成分、硬度差异和润滑条件等三方面因素的显著影响。干摩擦条件下,黄豆/不锈钢摩擦副的磨损机制以磨粒磨损为主;而水润滑条件下,黄豆试样的分解、硬度的降低和对不锈钢试样摩擦表面的覆盖,导致其主要磨损机制转变为黏着磨损。

猜你喜欢
磨痕黄豆因数
黄豆噼里啪啦
因数是11的巧算
四种核电用包壳材料的微动磨损性能研究*
“积”和“因数”的关系
黄豆变形记
水介质下打磨磨痕对钢轨疲劳损伤的影响
积的变化规律
减少GDX2包装机组“磨痕”烟包的数量
黄豆成长记
找因数与倍数有绝招