激光加工溫度對(duì)鋼凹坑形非光滑試件摩擦學(xué)性能的影響

激光加工溫度對(duì)鋼凹坑形非光滑試件摩擦學(xué)性能的影響

研究表明，許多土壤動(dòng)物的不同形狀的非光滑表面旨在適應(yīng)不同的土壤條件的優(yōu)化，無(wú)論是凸包型、凹洞型、波形型還是其他非平滑形狀，都可以減小界面的接觸面積，阻力和粘附，提高其耐用性。近年來(lái)，我國(guó)相關(guān)研究主要集中在冷卻板表面的光學(xué)改造方面。采用國(guó)際激光微加工方法，對(duì)一些機(jī)械附件（如零件、軸套、輥等）表面進(jìn)行裝飾和加工，以提高制造零件的摩擦磨損性能。根據(jù)近年來(lái)的吉林省留學(xué)協(xié)會(huì)的研究，合理設(shè)計(jì)和模仿非光滑形狀，提高材料的耐用性，不同的非光滑表面的幾何結(jié)構(gòu)。它的形狀、大小和分布對(duì)耐用性的影響不同。然而，關(guān)于金屬表面的機(jī)械處理后的非平滑摩擦特性的研究很少。在這項(xiàng)工作中，我們使用了具有不同直徑和距離的w9ecgw3v高速鋼模仿非光滑塌陷后的摩擦特性，并對(duì)其進(jìn)行了測(cè)量，這為模擬非光滑形狀的高溫耐堿試驗(yàn)提供了初步試驗(yàn)數(shù)據(jù)。1實(shí)驗(yàn)部分1.1試件加工和制作在常溫下對(duì)凸包形、凹坑形、波紋形以及鱗片形非光滑形貌的耐磨性研究表明,凹坑形非光滑形態(tài)的耐磨性較好,因此我們選用凹坑形非光滑形態(tài)作為研究對(duì)象.圓柱形試件材料采用W9Cr4V高速鋼,加工后尺寸為ue001φ6mm×12mm,在其一端面加工出規(guī)則凹坑,將凹坑的直徑和行間距及其溫度作為試驗(yàn)因素,其中凹坑直徑及行間距的尺寸見(jiàn)表1.采用JHM-1GY-100B型數(shù)控激光加工系統(tǒng)加工試件表面的非光滑形態(tài),激光加工參數(shù)分別為:電流100～180A,脈寬12～16ms,頻率1Hz,焦距為28～36mm,速度6～12mm/s.1.2轉(zhuǎn)速和載荷摩擦磨損試驗(yàn)在MG-2000型銷-盤式高速高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,試件銷采用尺寸為ue001φ6mm×12mm的W9Cr4V高速鋼,試件盤材料為ue001φ60mm×10mm的GCr15,硬度63HRC.試驗(yàn)在大氣及干摩擦條件下進(jìn)行,試驗(yàn)溫度分別為25℃(室溫)、200℃、350℃和500℃,載荷30N,主軸轉(zhuǎn)速600r/min;為了保證試件非光滑表面處理層不被全部磨光,經(jīng)過(guò)預(yù)先試驗(yàn)后將磨損時(shí)間定為3min.每個(gè)銷與盤對(duì)應(yīng)磨損1次后,將盤用600#砂紙打磨光滑平整,再分別用水和酒精清洗干凈.每組試驗(yàn)重復(fù)3次,試驗(yàn)結(jié)果取算術(shù)平均值.試驗(yàn)前所有試件均用丙酮超聲清洗10min.用FA2004型電子天平(精度為0.1mg)稱量試件磨損前后的磨損質(zhì)量損失(w),并以此評(píng)價(jià)非光滑表面的耐磨性.摩擦力矩M的變化由計(jì)算機(jī)監(jiān)控,摩擦系數(shù)由下式計(jì)算得出:μ=MQR.(1)μ=ΜQR.(1)式中:μ為摩擦系數(shù),M為摩擦力矩(N·m),可由計(jì)算機(jī)監(jiān)控,Q為正壓力,在本試驗(yàn)中Q=30N,R為試件盤半徑,R=30mm.通過(guò)XTJ-30型體視顯微圖像電腦分析系統(tǒng)觀察試件非光滑形貌及其磨損表面形貌.2結(jié)果與討論2.1凹坑間距對(duì)磨損量的影響圖1所示為在4種不同溫度下,W9Cr4V非光滑試件的磨損曲線.可見(jiàn)在200℃以內(nèi)磨損量隨溫度升高緩慢增加,超過(guò)200℃以后,隨溫度升高磨損量增加較快.表2示出了在溫度350℃下磨損量隨凹坑直徑變化的情況.可見(jiàn)隨著凹坑直徑增大,非光滑試件表面磨損量呈減小趨勢(shì).表3示出了在350℃下磨損量隨凹坑間距變化的情況.可見(jiàn)在試件選擇凹坑直徑和凹坑間距范圍內(nèi),隨著凹坑間距的增大,磨損量呈逐步減小趨勢(shì).2.2溫度和凹坑間距的影響圖2所示為非光滑試件的摩擦系數(shù)隨溫度變化的關(guān)系曲線.可以看出,在凹坑單元體直徑不變的情況下,隨溫度的升高,非光滑試件的摩擦系數(shù)呈減小趨勢(shì).表4示出了在350℃、S2=250μm下,摩擦系數(shù)與凹坑直徑的關(guān)系.可見(jiàn)當(dāng)凹坑直徑增大時(shí),摩擦系數(shù)呈減小趨勢(shì).表5示出了在350℃、D=250μm下,摩擦系數(shù)與凹坑間距的關(guān)系.可見(jiàn)當(dāng)凹坑間距增大時(shí),摩擦系數(shù)呈減小趨勢(shì).2.3試件磨損量和摩擦系數(shù)的變化非光滑試件表面在室溫與200℃條件下磨損量變化不大,表明在非光滑試件的組織未發(fā)生相變前,表面硬度及表面彈性變形不會(huì)發(fā)生較大變化.隨著溫度的升高,材料組織發(fā)生一定程度的相變,呈現(xiàn)出粘著磨損特征和犁削及切削現(xiàn)象(見(jiàn)圖3),并伴隨著一定量的磨屑或不規(guī)則痕跡出現(xiàn),說(shuō)明其主要的磨損機(jī)制為微觀犁削和斷裂;同時(shí),由于在摩擦過(guò)程中磨屑被壓碎而形成更細(xì)的磨屑,而這些微細(xì)磨屑的總表面能很高并產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力(如范德華力和靜電力),使微細(xì)磨屑顆粒之間相互粘結(jié)形成團(tuán)聚體并在試件表面產(chǎn)生粘附現(xiàn)象.隨著溫度升高,粘附與粘結(jié)加強(qiáng),在一定程度上,引發(fā)了表面的物相變化,材料表面逐漸“軟化”,磨屑集結(jié)越來(lái)越大,磨損量明顯增加,當(dāng)500℃時(shí),磨損量比室溫下的增加約5倍.非光滑試件的磨損量在200℃下較小,這主要由于磨屑的“滾動(dòng)軸承”作用,使摩擦副之間的滑動(dòng)摩擦在一定程度上轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動(dòng)摩擦,從而減輕摩擦副之間的磨損程度.激光加工時(shí),由于熔凝速度非常快,使試件材料形成超細(xì)晶組織,其硬度遠(yuǎn)高于常溫淬火所能達(dá)到的程度,高硬度的表面組織有利于提高試件表面的耐磨損性能,而凹坑直徑愈大,材料表面的高硬度組織愈多,使其高溫下的耐磨性得以提高.此外,凹坑直徑的增大意味著可能“容納”更多的磨屑,起到了吸收能量、調(diào)節(jié)顆粒間應(yīng)力狀態(tài)的作用,在一定程度上減少了摩擦磨損界面上參與“犁削和切削”作用的磨屑數(shù)量,從而使得磨損量減小.在凹坑直徑相同的情況下,磨損量受到D/S2值的影響,當(dāng)D/S2<1時(shí),意味著凹坑間壁增厚,不易被剝落,表現(xiàn)為試件的磨損量減小,只是磨損量減小幅度不同;而當(dāng)D/S2>1時(shí),意味著凹坑間壁變薄而易于被剝落.在本次試驗(yàn)的凹坑尺寸范圍內(nèi),在凹坑直徑相同的情況下,間距愈大耐磨性愈好的另一原因是激光加工后形成的非光滑凹坑單元,中間為凹坑,四周為凸肩,磨損時(shí)首先為試件凸肩與圓盤接觸,間距愈大,坑則愈少,即接觸面積愈小,在非光滑形貌沒(méi)有完全被磨平的情況下,磨損量比凹坑密度大的低.隨著試驗(yàn)溫度的升高,摩擦系數(shù)降低的主要原因是由于磨損表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)而形成保護(hù)層并起到了固體潤(rùn)滑作用,從而減小了摩擦副的直接接觸.由于凹坑直徑與間距大小直接影響著試件表面的粗糙度和表面組織結(jié)構(gòu),所以對(duì)摩擦系數(shù)產(chǎn)生影響.在其它條件不變的前提下,凹坑直徑增大,試件表面受到激光硬化的耐磨組織面積增大,摩擦力和力矩變小,表現(xiàn)為摩擦系數(shù)減小;另外,間距增大時(shí)摩擦系數(shù)減小,這可能由于間距增大,光滑面積與凹坑的面積比例增大,摩擦力矩變小的緣故.3非精密表面形態(tài)對(duì)耐磨性能的影響a.在室溫至500℃的試驗(yàn)條件下,非光滑試件的耐磨性隨著溫度的升高而降低,且在200℃以內(nèi)非光滑試件磨損量隨溫度增加緩慢增大,超過(guò)20