激光織構(gòu)化激光在45#鋼表面的織構(gòu)化處理

激光織構(gòu)化激光在45#鋼表面的織構(gòu)化處理

為了降低表面的可靠性，傳統(tǒng)的方法在可靠性運(yùn)行中起著重要作用，而表面之間的摩擦磨損是失敗的重要原因。為了減少表面的摩擦磨損，提高了表面加工的精度，但這種方法的作用相對有限。為了提高表面表面的紋理性能，表面粗糙度和紋理對摩擦性能有重要影響。根據(jù)現(xiàn)有的研究，在表面上形成一定的微紡織結(jié)構(gòu)可以顯著提高表面的摩擦磨損性能。在不同條件下，表面紡織結(jié)構(gòu)可以提高動壓效果，微油儲存和研磨。現(xiàn)在，表面紡織結(jié)構(gòu)主要包括機(jī)械工程、能束法、化學(xué)刻蝕等。其中，激光微加工法廣泛應(yīng)用于我國的應(yīng)用材料，具有高精度、高效、對環(huán)境的適應(yīng)性等優(yōu)點。目前，45作為一種通用的工程材料，但在45-0鋼表面的激光光束結(jié)構(gòu)參數(shù)對其干摩擦性能的影響方面還沒有系統(tǒng)的研究。作者采用激光微加工法在45-0鋼表面制備微井紡織機(jī)結(jié)構(gòu)，研究了不同條件下的干摩擦特性，以及不同紡織機(jī)結(jié)構(gòu)密度和規(guī)模對摩擦性能的影響。1實驗部分1.1試驗系統(tǒng)及微織構(gòu)化試驗基材為45#鋼,其尺寸為?25mm×8mm,試塊經(jīng)拋光機(jī)上拋光至表面粗糙度Ra為0.05μm,在MH-5-VM型顯微硬度儀上測試其表面硬度為HV100260左右.經(jīng)初步試驗比較,確定圓形凹坑形態(tài)作為研究對象,所加工凹坑呈環(huán)形矩陣排列.試驗采用調(diào)Q的脈沖Nd:YAG激光器加工系統(tǒng),激光器波長1064nm,平均功率10W,脈寬5～25ns.加工參數(shù)為脈沖頻率10kHz,掃描速度為5mm/s.加工完成后對試樣在拋光機(jī)做拋光處理以去除坑邊緣形成的毛刺.微坑間表面顯微硬度值經(jīng)測定為HV100260左右,與未織構(gòu)面相同,這表明激光織構(gòu)化對表面硬度幾乎沒有影響.同時對表面織構(gòu)尺寸及形貌進(jìn)行了表征.表面織構(gòu)化微坑尺寸及分布見表1.采用MicroXAMInterferometricSurfaceProfile三維表面輪廓儀對其形貌觀察如圖1所示,可見,經(jīng)激光織構(gòu)化的鋼表面形成了較為規(guī)整的微結(jié)構(gòu).1.2試樣表面形貌摩擦試驗在CSEM摩擦磨損試驗機(jī)上進(jìn)行,采用銷盤摩擦副接觸形式.上試件為?5mm×20mm的45#鋼圓柱銷,銷的接觸端面拋光至表面粗糙度Ra0.05μm.下試件為經(jīng)過織構(gòu)化處理的45#鋼盤.試驗前試樣和偶件均用丙酮超聲清洗,在室溫下考察材料在干摩擦條件下的摩擦磨損性能,試驗條件分別為載荷2～10N,速度10～40cm/s,行程設(shè)定100m,每個試驗重復(fù)3次.采用三維表面輪廓儀及掃描電子顯微鏡(SEM)對試樣磨痕表面形貌進(jìn)行觀察分析.2結(jié)果與討論2.1織構(gòu)面摩擦系數(shù)和磨損率圖2～4示出了2N及5N載荷和不同速度條件下織構(gòu)面與未織構(gòu)面摩擦系數(shù)和磨損率變化曲線.從圖2和圖4中看出,在2N載荷下,特別是隨著速度增加至20cm/s以上時,未織構(gòu)面摩擦系數(shù)高于織構(gòu)面并且在運(yùn)行開始即迅速升高并出現(xiàn)劇烈波動,而織構(gòu)面摩擦系數(shù)增加緩慢較為平穩(wěn),其中300μm孔徑織構(gòu)面在10及40cm/s速度下摩擦系數(shù)較未織構(gòu)面減小14%和41%,從圖3磨損率比較圖上看,織構(gòu)面的磨損率較未織構(gòu)面均減小34%.當(dāng)載荷增至5N,未織構(gòu)面在運(yùn)行開始階段其摩擦系數(shù)均發(fā)生劇烈波動,并且出現(xiàn)極大磨損,織構(gòu)面的摩擦系數(shù)均小于未織構(gòu)面,在10和40cm/s速度下300μm孔徑織構(gòu)面摩擦系數(shù)較未織構(gòu)面減小26%和16%,而磨損分別降低54%和17%.從圖2和圖4也反映出30～40cm/s速度下織構(gòu)面摩擦系數(shù)波動較大并伴隨較大磨損.當(dāng)載荷增至10N,2種表面的摩擦系數(shù)均迅速增加且磨損加劇.這可能是由于在低載或者低速條件下,磨損較小,磨損量緩慢增加使得表面微坑能有效地捕獲磨屑,而隨載荷及速度的升高,磨損急劇增大致使微坑變小甚至磨平,產(chǎn)生的磨屑不能收集在微坑內(nèi)而發(fā)生三體磨損使得織構(gòu)化維持減摩抗磨的時間減少.2.2織構(gòu)密度對摩擦系數(shù)的影響同時考察了相同孔徑下的不同織構(gòu)面密度對其干摩擦性能的影響.從圖4看出:在2N載荷下,對孔徑100μm織構(gòu)面,織構(gòu)面密度較小時表面摩擦系數(shù)較小;對孔徑200μm織構(gòu)面,織構(gòu)密度為33%的表面較其他2種織構(gòu)面具有較低的摩擦系數(shù);孔徑300μm織構(gòu)面,織構(gòu)面密度為33%同樣出現(xiàn)較小的摩擦系數(shù).隨著載荷增至5N,較大織構(gòu)面密度(23%、33%)普遍具有較低的摩擦系數(shù),其中孔徑200μm織構(gòu)面二者摩擦系數(shù)無顯著差別,其余織構(gòu)面中面積密度為33%時表現(xiàn)出較低的摩擦系數(shù).在微坑直徑相同的情況下,織構(gòu)密度減小意味著微坑間距增大,由于間距增大,光滑面積與凹坑的面積比例增大,使得摩擦力矩變小,從而表現(xiàn)出較低的摩擦系數(shù),然而隨微坑間距進(jìn)一步增大,產(chǎn)生的磨屑不能及時填充坑內(nèi)反而不利于減小磨損.試驗也發(fā)現(xiàn)2N載荷下含較小摩擦系數(shù)的織構(gòu)面坑邊緣間距均為120μm左右,此范圍內(nèi)表現(xiàn)出較低的摩擦磨損.在較高載荷條件下,隨著織構(gòu)密度的增大,表面微坑相應(yīng)增多使其能夠收集更多磨屑因而普遍具有較低的摩擦系數(shù).2.3孔徑對摩擦學(xué)性能的影響圖5給出了不同條件下,微坑孔徑大小對摩擦系數(shù)的影響.從圖中看出,對于相同的織構(gòu)面密度,較大孔徑即300μm織構(gòu)面較前二者一般具有較低的摩擦系數(shù),尤其是在較高載荷條件下,較大孔徑更有利于減小摩擦磨損.這可能是由于微坑直徑的增大意味著可能捕獲更多的磨屑,尤其是高載高速下產(chǎn)生的較大粒度磨屑,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,從而減小了摩擦磨損.同時與圖4相比較,孔徑對摩擦系數(shù)的影響要更大一些.2.4織構(gòu)化面速度場圖6示出了2N,20cm/s條件下織構(gòu)面與未織構(gòu)面磨斑形貌及輪廓比較圖.從圖中看出,在干摩擦條件下,未織構(gòu)面產(chǎn)生了大面積較大磨損,磨痕也較織構(gòu)面深,并且產(chǎn)生了大量磨屑,主要表現(xiàn)為犁溝及黏著磨損.而織構(gòu)化面的磨痕較淺,結(jié)構(gòu)保留較完整,磨損明顯小于未織構(gòu)面,并且較大孔徑織構(gòu)面磨損也小于小孔徑織構(gòu)面.同時在摩擦試驗后將織構(gòu)化試樣在丙酮中超聲清洗,對此磨斑清洗前后的形貌進(jìn)行了對比.如圖7所示,超聲前磨斑表面大部分微坑為磨屑所覆蓋,超聲后磨斑表面微坑內(nèi)的磨屑被清除而顯出織構(gòu)化形貌,這說明摩擦過程中形成的磨屑填充至微坑內(nèi)從而有效減小了磨粒磨損,因此減小了表面的摩擦磨損.3織構(gòu)密度對摩擦學(xué)性能的影響a.在45#鋼表面采用激光微加工方式制得了較為規(guī)整的微坑型織構(gòu).b.在干摩擦條件下,在2N及5N載荷下,激光織構(gòu)化45#鋼表面較未織構(gòu)面摩擦系數(shù)均有不同程度減小,并且較未織構(gòu)面有更穩(wěn)定的摩擦系數(shù),同時織構(gòu)化面表現(xiàn)出更低的磨損率,這是由于表面微坑在摩擦過程中起到捕獲磨屑的作用從而減小了磨粒磨損.c.在2N及5N載荷條件下,對相同孔徑織構(gòu)面,