润滑环境对纳秒激光烧蚀织构表面摩擦学性能的影响

润滑环境对纳秒激光烧蚀织构表面摩擦学性能的影响

摩擦磨损不仅降低了能源的有效利用率，而且浪费不仅加速了机械部件的故障，缩短了机械系统的使用寿命。因此,为节约能源和延长机械系统使用寿命,减少能源过度消耗带来的污染及经济损失,探索从不同角度来提高摩擦副表面润滑及摩擦学性能是十分必要的。近年来,摩擦学研究人员从材料石油勘探、开发钻井过程中,石油装备机械的使用寿命对钻井效率、钻井成本等有重要的影响,而减少摩擦磨损则有利于延长石油装备机械的使用寿命。鉴于目前表面织构技术的广泛研究及在活塞-缸套、刀具等方面的良好应用,HE等1实验部分1.1表面织构加工摩擦学实验采用的装置为MMW-1型微机控制立式万能摩擦磨损试验机,销、盘摩擦副示意图如图1所示。销试样与主轴相连,并随之转动,主轴由伺服电机带动,转速范围为1~2000r/min;盘试样通过定位销钉安放于摩擦副平台上。销、盘试样间接触力(接触压力)由蜗轮蜗杆机构加载,最大加载载荷为2000N;由力传感器实时测量销、盘试样间接触压力;接触表面间摩擦因数由扭矩传感器测量得到的摩擦扭矩换算后得到。盘试样表面圆形微凹坑织构采用纳秒激光进行加工(TG-20GTlasermarkingmachine),纳秒激光最大功率为20W,波长为1064nm。圆形微凹坑织构参数如表1所示,图2示出了白光干涉仪(BRUKERcontourGTK-1)测量所得织构三维图。1.2试样硬度和润滑介质摩擦学实验中,销、盘试样采用的材料分别为20CrNiMo和铍青铜,其物理性能见表2。销试样直径为8mm,长度为16mm,接触表面经渗碳处理后硬度为HRC60。铍青铜盘试样内外径分别为38、54mm,表面时效处理后硬度为HRC36。销、盘摩擦副表面润滑采用的润滑介质为低黏度L-CKD150润滑油和高黏度复合锂基润滑脂,表3所示为L-CKD150润滑油性能参数。由于针对复合锂基润滑脂流变性能研究较少,且均在高温环境下进行,因此表4给出了120℃温度下复合锂基润滑脂在不同剪切速率下的动力黏度1.3润滑介质的磨损量测试摩擦磨损实验在20℃室温下进行。实验时,盘试件固定在底座上静止不动。销试样随主轴旋转,旋转线速度为0.2、0.5m/s,载荷为75N(等效于接触压力0.5MPa)和225N(等效于接触压力1.5MPa)。实验开始前,将润滑剂介质注入润滑杯,实验持续2h。实验摩擦因数值取稳定磨损阶段总摩擦因数的平均值。实验前后对试件进行清洗和干燥,用电子天平(精度0.001g)测量其质量,实验前后试件的质量差即为其磨损量。使用电子显微镜(SEM)对试件的表面形貌进行扫描观察和元素分析。2结果与分析2.1复合锂基润滑表面因数p图3示出了L-CKD150润滑油和复合锂基润滑脂润滑下,销、盘试样表面摩擦因数随时间变化曲线。可知,整个实验过程中,相比于L-CKD150润滑油,复合锂基润滑脂润滑时摩擦因数波动幅度更大。图4所示为不同工况下(接触压力p分别为0.5、1.5MPa,速度v分别为0.2、0.5m/s),2种润滑介质润滑时不同织构表面平均摩擦因数对比。可以看出,销、盘摩擦副表面接触压力为0.5MPa时,L-CKD150润滑油时接触表面平均摩擦因数更小。比较图4(a)和图4(b)可知,织构直径为200μm,1.5MPa接触压力下,尽管速度为0.5m/s时复合锂基润滑脂润滑表面平均摩擦因数仍大于润滑介质为L-CKD150润滑油,但与L-CKD150润滑油润滑表面间平均摩擦因数差距减小,且速度为0.2m/s时复合锂基润滑脂润滑表面摩擦因数更小。另外从图4(c)可知,织构直径为300μm时,在1.5MPa接触压力下,复合锂基润滑脂润滑表面摩擦因数均小于L-CKD150润滑油。图5示出了不同工况下(接触压力p分别为0.5、1.5MPa,速度v分别为0.2、0.5m/s),L-CKD150润滑油和复合锂基润滑脂时不同参数织构盘试样的磨损量对比。可以看出,2种润滑介质润滑下盘试样磨损量的变化规律与摩擦因数的变化规律类似,在摩擦磨损过程中,表面平均摩擦因数越大,盘试样的磨损量更大。因此,L-CKD150润滑油和复合锂基润滑脂2种润滑介质对织构表面摩擦磨损的影响与表面接触压力有关。0.5MPa低接触压力下,低黏度的L-CKD150润滑油润滑、减磨性能更好,接触压力增加至1.5MPa时,高黏度的复合锂基润滑脂则表现出更优的综合润滑性能。L-CKD150润滑油属于牛顿流体,图6所示为牛顿流体层流模型,主要以润滑油膜或润滑油分子与金属表面生成物存在于摩擦副表面牛顿模型式中:τ为剪切应力;η为流体的动力黏度;Bingham模型式中:τ为剪切应力;τ图7给出了不同润滑状态下摩擦因数典型值2.2速度和织构直径对织构深度的影响图8示出了不同接触压力和速度工况下,2种润滑介质润滑时无织构与不同参数织构表面摩擦因数对比。可知,不同接触压力和速度工况下,合理参数织构在2种润滑环境下均能有效减小销、盘摩擦副表面摩擦因数。从图8(a)可看出,在L-CKD150润滑油润滑下,当织构直径相同时,速度为0.2m/s速度时织构深度越深则摩擦因数越小,速度为0.5m/s时则织构越浅摩擦因数越小;当织构深度相同时,在不同压力和速度工况下直径为200μm织构表面摩擦因数总体小于直径为300μm织构表面。从图8(b)可看出,在复合锂基润滑脂润滑下织构深度对摩擦因数的影响与L-CKD150润滑油润滑下类似,均与线速度有关;而织构直径对摩擦因数的影响则表现为织构直径越大,表面摩擦学性能越好。2种不同润滑环境下织构直径对表面润滑性能的影响,源于织构具有存储润滑介质的作用2.3润滑油表面织构化图9所示为1.5MPa接触压力、0.2m/s速度工况下,无织构与织构销试样在2种润滑环境下的磨损表面SEM形貌。由图9(a)、(b)可看出,2种润滑环境下无织构销试样表面都存在严重的黏着磨损。从图9(c)可看出,尽管盘试样表面加工有微凹坑织构,但在L-CKD150润滑油润滑下表面黏着磨损仍较为严重。从图9(d)可看出,在复合锂基润滑脂润滑条件下,销试样表面并无明显的黏着磨损痕迹。各销试样表面EDS检测结果如图10所示。可看出,4种不同工况下销试样磨损表面都存在一定量的铜元素,且与图9中表面SEM分析结果吻合,即黏着磨损越严重,销试样表面铜元素越多;此外,L-CKD150润滑油润滑时黏着磨损大于复合锂基润滑脂润滑时。由SEM形貌和EDS分析结果可知,在L-CKD150润滑油和复合锂基润滑脂润滑环境下,表面织构的存在均没有改变摩擦副的润滑状态,织构化销、盘摩擦副表面仍处于边界或混合润滑状态,从而验证了图4和图7得到的摩擦因数值对润滑状态的判断。图11所示为织构盘试样SEM图。从图11(a)中可看出,由于表面织构的存在,微凹坑织构区域间表面非常光滑,而无织构区域则有明显的划痕。从图11(b)微凹坑织构放大图可看出,微凹坑织构内部已充填满金属磨屑。因此,表面织构的存在能够有效地捕捉金属磨屑3不同润滑介质对摩擦学性能影响(1)L-CKD150润滑油和复合锂基润滑脂2种不同润滑环境下,合理参数织构可有效提高表面润滑性能,减少摩擦磨损,但微凹坑织构的存在并不能改变摩擦副表面的润滑状态,织构表面仍处于边界润滑或混合润滑状态。(2)0.5MPa接触压力下,L-CKD150润滑油的润滑、减磨性能优于复合锂基润滑脂;接触压力增加至1.5MPa时则复合锂基润滑脂的润滑及减磨性能更优。不同接触压力下摩擦学性能差异主要与接触压力对润滑油膜形成影响及油膜承载能力差