激光織構(gòu)化對45鋼和12cr織構(gòu)織構(gòu)摩擦學(xué)性能的影響

激光織構(gòu)化對45鋼和12cr織構(gòu)織構(gòu)摩擦學(xué)性能的影響

摩擦導(dǎo)致的磨損是機械故障的主要原因。大約80%的零件都是由不同形狀的磨損引起的。為了減少磨損，近年來，作為一項有效提高機械表面摩擦磨損性能的可控技術(shù)，表面預(yù)算機被用來提高機械表面的摩擦磨損性能。目前，表面預(yù)算機加工方法主要包括離子去除加工、研磨表層涂層、激光微加工、電子束靜止劑、機械微刻等。其中，激光微加工在廣泛應(yīng)用于廣泛應(yīng)用于廣泛應(yīng)用材料廣泛、技術(shù)水平高、效率高、環(huán)境美觀等方面。吉林大學(xué)的楊常建和楊麗娟等在高速鋼W9Cr4V材料試件表面進行激光加工,研究了在干摩擦條件下,不同直徑和間距織構(gòu)表面摩擦磨損性能.宋起飛等研究了不同非光滑表面形貌制動盤材料的摩擦磨損性能,推測激光加工可以使試件表層形成提高抗磨性能的高硬度和高致密性的質(zhì)點,但是并未對其抗磨機理進行進一步地分析.近幾年,中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所的胡天昌等也針對激光織構(gòu)表面的干摩擦性能進行了研究,該研究指出織構(gòu)化形成的微坑能夠存儲摩擦過程中產(chǎn)生的磨屑而減小磨粒磨損,但是并未提及激光加工改變材料表層硬度以及形成的高硬度質(zhì)點對干摩擦磨損性能的影響.本文作者通過環(huán)-塊摩擦磨損試驗,探索了織構(gòu)面密度對不同材料的干摩擦磨損性能影響,闡述了激光織構(gòu)化對試件表層硬度的影響以及試件表層硬度的變化影響試件干摩擦特性的機理.1實驗部分1.1織構(gòu)化表面織構(gòu)化本次試驗中選用環(huán)、塊線接觸試件,環(huán)的尺寸為ue78840mm×10mm,塊的尺寸為9mm×10mm×15mm,試件的基材選用45鋼和12Cr兩種.對材料進行熱處理,借助HRU-150AT洛氏硬度計測得激光加工前不同摩擦副材料的硬度值,見表1.采用LM-YLP-20F-Ⅱ型激光打標(biāo)機,研究其激光加工參數(shù)對材料凹坑形貌的影響規(guī)律,在環(huán)試件的外圓周面上按照一定的排列均勻加工圓形凹坑,根據(jù)磨粒的大小和激光加工材料熱影響區(qū)的大小等因素,設(shè)計織構(gòu)特征尺寸,分別選取織構(gòu)面密度Sp為6.6%、9.1%和13.7%,織構(gòu)深度為120μm左右,塊試件不進行織構(gòu)化處理.加工完成后用砂紙去除表面織構(gòu)微坑邊緣的毛刺,并用酒精和丙酮對試件進行超聲波清洗.由于環(huán)試件的外圓周表面不便進行測量,本試驗中選擇在相同基材的平面加工出完全相同的激光表面織構(gòu),在該織構(gòu)化平面上測量硬度值和織構(gòu)凹坑的截面形貌參數(shù).經(jīng)測得激光加工后,45鋼和12Cr無微坑處硬度分別為HRC37±2和HRC42±2,較基體硬度分別降低了7.5%和19.2%;微坑內(nèi)及微坑壁硬度分別為HRC64±2和HRC73±2較基體硬度分別增加了60.0%和40.3%.用三維形貌儀測量45鋼微坑直徑500μm,深度120μm左右;12Cr微坑直徑500μm,不同織構(gòu)面密度對應(yīng)微坑深度值有較大的差別,相差最大可達到80μm左右.圖1(a)為45鋼,Sp=6.6%時,單個織構(gòu)微坑的SEM形貌,可以看到微坑內(nèi)部堆積著激光熔融后冷卻的殘渣,這些殘渣導(dǎo)致微坑內(nèi)壁的硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基體的硬度.圖1(b)為對應(yīng)的織構(gòu)微坑排列方式,改變凹坑之間的間隔可以分別得到面密度Sp為6.6%、9.1%和13.7%對應(yīng)的激光表面織構(gòu).1.2超聲清洗試驗干摩擦試驗采用M-2000摩擦磨損試驗機,其工作原理如圖2所示.試驗載荷為100N,速度為200r/min,每組試驗時間1h,試驗重復(fù)3次.試驗后用酒精和丙酮對試件超聲清洗,采用高精度天平(精度為0.1mg)在試驗前后對試件進行稱重,計算磨損量;采用掃描電子顯微鏡(SEM)對試件磨痕及表面形貌進行觀察分析.2結(jié)果與討論2.1織構(gòu)化材料的磨損量從表2不同試驗情況下的環(huán)試件磨損量平均值可以看到,當(dāng)試件材料為45鋼時,無論織構(gòu)面密度如何變化,織構(gòu)環(huán)試件的磨損量均小于無織構(gòu)環(huán)試件的磨損量,而對于12Cr材料,織構(gòu)環(huán)試件的磨損量均大于無織構(gòu)環(huán)試件的磨損量,最大增加量達到8.5mg.以上分析說明,在一定條件下,激光表面織構(gòu)技術(shù)可以改善干摩擦性能的結(jié)論并不適用于任何材料.從表2還可以看到,在一定試驗條件下,無論試驗材料如何變化,織構(gòu)環(huán)試件的磨損量均隨著織構(gòu)面密度的增加而減小.表3為不同試驗情況下的塊試件磨損量平均值,從表中可以看到,12Cr材料在不同織構(gòu)面密度情況下,對應(yīng)的塊試件磨損量相同,均保持在11mg(天平稱量最后一位為估值,可忽略不計),較無織構(gòu)環(huán)試件對應(yīng)塊試件的磨損量值增加1mg;當(dāng)試驗材料為45鋼,織構(gòu)化對應(yīng)塊試件的磨損量隨著織構(gòu)面密度的增加而增加,并且均小于無織構(gòu)環(huán)試件對應(yīng)塊試件的磨損量值.激光加工會使試件材料產(chǎn)生熱影響區(qū),在微坑壁處生成一定厚度的硬質(zhì)層和過渡層,因此微坑內(nèi)及微坑壁的硬度增加;試件織構(gòu)微坑之間表面由于距離激光加工中心較遠(yuǎn)而未發(fā)生相變硬化,反而在二次回火的作用下硬度降低.在干摩擦過程中,高硬度質(zhì)點不易被磨損,并且在一定程度上可以起到對低硬度質(zhì)點的保護和支撐作用,從而減小磨損量;另一方面,織構(gòu)微坑在摩擦過程中可以收集磨屑,減緩磨粒磨損,因此織構(gòu)環(huán)試件的磨損量均小于無織構(gòu)環(huán)試件的磨損量;隨著織構(gòu)面密度的增加,微坑在圓周表面的面積占有率增加,一方面增加了高硬度質(zhì)點的密集程度,另一方面微坑可以收集更多的磨屑,因此在一定范圍內(nèi),織構(gòu)環(huán)試件的磨損量隨著織構(gòu)面密度的增加而減小;但是,織構(gòu)面密度的增加會使得摩擦副接觸面積減小,平均接觸應(yīng)力增大,從而增大接觸區(qū)的磨損,因此,只有選取合適的織構(gòu)面密度才能有效地改善摩擦表面的抗磨性能.對于12Cr材料,織構(gòu)化試件磨損量大于無織構(gòu)環(huán)試件磨損量可能是因為激光加工使材料的組織晶粒大小和類型發(fā)生改變,從而影響表面摩擦學(xué)性能,說明微坑能夠收集磨屑并不是影響織構(gòu)表面干摩擦性能的唯一機理,在今后對激光織構(gòu)表面摩擦性能研究過程中,有必要考慮激光加工對材料硬度以及晶粒變化的影響.對于45鋼材料,激光加工后環(huán)試件表面形成大量硬度高于塊試件硬度的質(zhì)點,在摩擦過程中對塊試件表面起到一定的切削作用,隨著織構(gòu)面密度的增大,高硬度質(zhì)點對塊的切削作用增大,因此塊試件的磨損量增加.2.2織構(gòu)化對摩擦系數(shù)穩(wěn)定值的影響從圖3不同織構(gòu)面密度對應(yīng)的摩擦表面間摩擦系數(shù)變化曲線可以看到,當(dāng)試驗材料為45鋼時,無論環(huán)試件是否織構(gòu)化、織構(gòu)面密度如何變化,摩擦系數(shù)的穩(wěn)定值都保持在0.6左右,說明織構(gòu)化對摩擦表面間摩擦系數(shù)值的影響不大.從圖3(b)可以看到,當(dāng)試驗材料為12Cr時,織構(gòu)摩擦表面間的摩擦系數(shù)穩(wěn)定值逐漸增大到0.75左右,較45鋼摩擦表面所能達到的穩(wěn)定值增大;無織構(gòu)12Cr試件表面間的摩擦系數(shù)波動十分劇烈,未達到穩(wěn)定的狀態(tài).2.3織構(gòu)化和磨粒磨損圖4和圖5分別為試驗1h后,12Cr材料和45鋼材料無織構(gòu)與織構(gòu)面密度Sp=13.7%環(huán)試件磨損表面形貌的掃描電鏡照片.從圖4(a)可以看到,12Cr無織構(gòu)磨損表面產(chǎn)生了較嚴(yán)重的磨粒磨損和材料附著碾壓現(xiàn)象;對比無織構(gòu)與織構(gòu)化磨損表面,織構(gòu)化可以改善摩擦表面間的磨粒磨損,但是在一定程度上加劇了沿磨痕方向無微坑部分表面的黏著磨損;對比圖4(b)中沿磨痕方向有織構(gòu)與無織構(gòu)部分表面,可以明顯看到,有織構(gòu)部分表面只有輕微的磨粒磨損和犁溝黏著磨損,而無織構(gòu)部分表面則產(chǎn)生了較嚴(yán)重的黏著和犁耕磨損,最終導(dǎo)致織構(gòu)環(huán)試件的磨損量大于無織構(gòu)環(huán)試件的磨損量.當(dāng)試件材料為45鋼時,從圖5可以看到:由于對摩試件間的擠壓作用,無織構(gòu)表面產(chǎn)生了大量沿磨痕方向的材料附著和碾壓現(xiàn)象;對于織構(gòu)化的表面,在相同的試驗條件下,由于織構(gòu)化形成的微坑能夠收集摩擦過程中產(chǎn)生的磨屑和激光加工使材料表面形成的高硬度質(zhì)點在一定程度上提高了材料抗磨性能,因此僅產(chǎn)生較輕微的磨損.3表面磨損量的影響a.激光表面織構(gòu)化對試件表面硬度影響顯著,織構(gòu)微坑之間表面硬度較基體硬度降低,而微坑內(nèi)及微坑壁硬度較基體硬度增加.b.在相同試驗條件下,與無織構(gòu)試件相比,45鋼織構(gòu)環(huán)試件磨損量明顯降低,而12Cr織構(gòu)環(huán)試件磨損量卻有所升高.c.激光加工形成的微坑能夠