沟槽型织构表面对界面摩擦学行为的影响

沟槽型织构表面对界面摩擦学行为的影响

界面摩擦和磨损是影响各种设备正常安全服务的重要因素。有效的界面摩擦和磨损控制已成为国内外摩擦学研究的热点和难点。目前,表面织构化处理作为一种改善界面摩擦学性能的有效方法已得到较为广泛的研究本文作者在盘试样表面上加工出具有不同沟槽宽度的沟槽型织构表面以及不同宽度的单根沟槽表面,考察了不同宽度的沟槽型织构表面对界面摩擦学性能的影响及规律,并研究了对摩球试样滑过不同宽度的单根沟槽时界面位移、力信号以及磨损形貌的变化,揭示沟槽对界面摩擦学行为的作用机制,为减摩耐磨表面织构的设计及应用推广提供必要的理论指导。1试验过程1.1转动装置cetrdfh-50摩擦学试验在UMT-3型多功能摩擦磨损试验机上进行,如图1所示。球试样通过上夹具与固定在二维移动平台底部的应变式力传感器(CETRDFH-50,测量精度0.025N,测量范围5~500N,可采集摩擦力和法向力信号)连接,盘试样通过下夹具安装在转动装置上。试验开始时,二维移动平台带动球试样缓慢下降,并与盘试样相接触,转动装置带动盘试样与球试样之间产生转动式摩擦运动。试验参数如下:法向载荷F1.2表面粗糙度和织构表面试样加工球试样选用直径为10mm的GCr15轴承钢球(弹性模量210GPa,硬度HV510),盘试样选取ue78825mm×3mm的锻钢材料(弹性模量178GPa,硬度HV360)。盘试样表面经研磨抛光至表面粗糙度Ra<0.1μm,并用铣削加工的方法在其表面加工出图2所示的各种沟槽型织构试样。S表示表面未做任何处理的光滑表面试样,T-θ-x代表以θ夹角沿径向均匀分布,沟槽宽度为x的织构表面试样,T-x代表宽度为x的单根沟槽的织构表面试样,同时根据旋转方向定义先与球试样接触的沟槽棱边为第一棱边,后与球试样接触的沟槽棱边为第二棱边。试验前依次用无水乙醇、丙酮对球试样和盘试样进行超声清洗并干燥。2试验结果与讨论2.1表面磨损形貌分析图3所示为高速(20r/min)工况下光滑表面和织构表面在整个试验阶段内的摩擦因数随时间的变化曲线。由图3可以看出,T-30-2织构表面的摩擦因数在整个试验过程中均处于较大值。相比之下,光滑表面、T-30-0.5和T-30-1织构表面的摩擦因数在初始阶段均较低,随着试验的进行,光滑表面和T-30-0.5织构表面的摩擦因数逐渐增大并在一定时间后达到基本一致的稳定值,且该摩擦因数值与T-30-2织构表面的摩擦因数较为接近(0.65)。然而,T-30-1织构表面的摩擦因数在整个试验过程中均处于相对较低的值,其稳定阶段的摩擦因数值约为0.5,因此T-30-1织构表面能够有效地降低界面的摩擦因数。试验后,利用光学显微镜分别对盘试样和球试样的表面磨损形貌进行分析,结果如图4所示。从图4(a)中可见,光滑表面的磨损较为严重,在磨损表面上存在连续且密实的磨屑碾压层,同时沿着磨痕轨迹两侧还散落着大量的磨屑。相比之下,织构表面的磨损明显减轻,主要表现在磨损表面上的磨屑碾压层的连续性较弱,且在磨痕轨迹两侧不存在明显的散落的磨屑,因此沟槽型织构表面能够有效地清理摩擦界面的磨屑,从而改善了摩擦界面的磨损状态。图4(b)所示为球试样表面的磨斑形貌,可以看出,与光滑表面对摩的球试样的表面经磨损后形成了明显的圆形磨斑,且由于磨屑沿着滑移方向在接触界面上堆积,使得磨斑边缘处产生了致密的磨屑碾压层。该磨损现象同样出现在与T-30-0.5织构表面对摩的球试样上,圆形磨斑轮廓清晰可见,且在磨斑边缘上堆积了磨屑碾压层。相比之下,与T-30-1和T-30-2织构表面对摩的球试样的磨损则较为轻微,磨斑轮廓模糊不清,且磨斑边缘上并没有出现明显的磨屑堆积。由此可见,T-30-1和T-30-2织构表面对球试样摩擦表面存在明显的刮擦作用,从而减轻了磨屑在摩擦界面的堆积。进一步地,对比分析不同球试样表面的磨斑直径,可以看出,与光滑表面对摩的球试样表面磨斑直径最大(554.61μm),而与T-30-1织构表面对摩的球试样表面磨斑直径最小(489.29μm)。因此可推断出:T-30-1织构表面能够有效地改善界面摩擦特性,从而减轻了球试样的磨损。2.2沟槽棱边的磨损形貌进一步地,在低速(0.2r/min)工况下研究了球试样仅与单根沟槽作用时摩擦界面特性的变化,通过分析摩擦界面位移及力信号的变化,从而探讨沟槽型织构表面对界面摩擦学行为的影响机制。图5所示为球试样滑经不同宽度的沟槽时,界面法向位移和法向力信号随时间的变化曲线。可见,沟槽的存在明显改变了摩擦界面的接触状态,从而导致界面法向位移和法向力信号的波动。球试样在滑经沟槽的过程中,界面接触状态的变化,如图6所示。当球试样未进入沟槽时(见图6(a)),界面的位移和力信号均没有产生明显的变化;随着球试样与沟槽第一条棱边接触并滑入沟槽时(见图6(b)),由于法向位移的降低,法向力也随之减小;当球试样滑过沟槽并与第二条棱边接触时(见图6(c)),由于受到了沟槽棱边的撞击,摩擦界面法向力信号迅速增大;最后,球试样完全离开沟槽时(见图6(d)),重新与光滑表面接触,法向力信号又恢复到初始状态。此外,沟槽的宽度对界面法向位移和法向力信号有着重要的影响,随着沟槽宽度的增大,界面法向位移和法向力信号的变化更加明显,球试样与沟槽棱边间的相互作用亦越显著。图7所示为球试样在滑过不同宽度的沟槽时,沟槽第二条棱边上的磨损形貌,可以看出,T-1的沟槽棱边(见图7(a))上黏附的磨屑明显比T-0.5的沟槽棱边(见图7(b))上的多,同时,两者的棱边均保存得较为完好,这主要是因为随着沟槽宽度的增大,球试样与沟槽棱边间的作用逐渐增大但并未引起强烈的撞击,沟槽棱边对球试样表面的刮擦作用亦越显著,使得沟槽能够更好地清理界面的磨屑,从而减轻磨屑对摩擦界面的影响。但是,随着沟槽宽度的继续增大,沟槽棱边对摩擦界面的刮擦作用逐渐演变成强烈的撞击作用,导致T-2的沟槽棱边(见图7(c))上呈现出严重的塑性变形,从而加剧了界面的磨损。因此,T-30-1织构表面具有较好的减摩抗磨性能,其原因可能是该特殊尺寸参数的沟槽能够比较充分地清理界面的磨屑且未引起强烈的撞击,从而改善了界面的摩擦特性。3沟槽的存在对界面接触状态的影响(1)经沟槽织构化表面处理的盘试样能显著地改变界面的摩擦特性。在研究的3种参数的沟槽型织构表面中,T-30-1织构表面能有效改善界面的摩擦磨损特性。(2)沟槽的存在明显改变了摩擦界面的接触状态,进而导致界面的法向位移和法向力信号产生突变;此外,随着沟槽宽度的增大,球试样与沟槽棱边间的相互作用越显著,界面的法向位移和法向力信号