復合潤滑結構表面在油潤滑下的減摩性能*

趙 歡 周元凱,2 左 雪,2

(1.江蘇科技大學機械工程學院 江蘇鎮(zhèn)江 212100；2.江蘇科技大學江蘇省船舶機械先進制造及工藝重點實驗室 江蘇鎮(zhèn)江 212100)

織構化表面具有良好的減摩潤滑性能，已廣泛參與機械表面設計[1-3]?？棙嫽砻嫘阅苁芏嘁蛩赜绊慬4]，如織構幾何形貌、轉速、載荷和溫度等。特別在極端環(huán)境或復雜工況下，純織構表面減摩增效性受限。學者們發(fā)現(xiàn)將固體自潤滑材料封裝于表面織構內，構造復合潤滑結構表面可改善這一問題[5]。

周后明等[6]設計了以MoS2、Sb2O3和C為填充材料的復合潤滑結構刀具,并開展了對304奧氏體材料切削性能試驗，發(fā)現(xiàn)該刀具具有優(yōu)異的減摩性能。HU等[7]采用復合工藝在織構化表面制備了MoS2固體潤滑涂層，發(fā)現(xiàn)該涂層具有良好減摩性，隨著織構密度增加，涂層壽命延長。GAJRANI等[8]將MoS2與潤滑脂混合制備復合潤滑表面，發(fā)現(xiàn)該表面具有優(yōu)異的減摩性能。然后相關文獻中，少有涉及復合潤滑結構表面在油潤滑下的減摩性能研究。而在工程實際中，大量機械裝置處于油潤滑工作狀態(tài)，如燃氣輪機軸承、車床導軌、減速器齒輪等。另外，對磨合期內的減摩性能研究也鮮有關注。而磨合期是磨損過程關鍵，決定后續(xù)磨損表面質量和服役壽命[9]。

識別磨合狀態(tài)是界定磨合期前提。馬晨波等[10]認為磨合期是從開始磨合到摩擦因數波動范圍落在±5%以內時的歷程。李和言等[11]定義了摩擦因數的波動系數D和均值系數H，認為當同時滿足D≤0.16和H≤0.02時磨合完成。摩擦信號具有高度非線性[12]，僅靠時域信號界定磨合期可能造成誤差。磨合期與正常磨損期在系統(tǒng)狀態(tài)上有本質區(qū)別[13]。遞歸定量分析[14](Recurrence Quantification Analysis，RQA)可有效識別非線性系統(tǒng)狀態(tài)，因此可借助RQA參數[15]識別磨合狀態(tài)，測量磨合期時長。

本文作者以六方氮化硼為自潤滑材料，使用熱固法制備了復合潤滑結構表面，研究了其在油潤滑下的減摩性能；同時使用RQA參數界定磨合期，詳細研究了不同磨損階段的減摩性能。研究結果可為機械表面的減摩增效設計提供參考，有助于短時高效的磨合規(guī)范設計。

1 試驗部分

1.1 復合潤滑結構表面制備

如圖1所示，盤為下試件，外徑r1為82 mm。材料為45鋼，硬度為40HRC，表面粗糙度Ra為0.6～0.9 μm。銷為上試件，直徑r2為6 mm，高h為14 mm，基材為巴氏合金，硬度為35HB，表面粗糙度Ra為1.9～2.1 μm。盤表面無織構，在銷表面制備復合潤滑結構。利用Nd:YAG納秒激光器在銷試件端面加工圓形凹坑。掃描速度為500 mm/s，功率為10 W，頻率為20 kHz。銷試件表面織構化前后使用乙醇溶液和丙酮超聲清洗。

圖1 銷-盤摩擦副

六方氮化硼耐高溫、減摩性好，文中將其作為自潤滑材料。考慮到油液浸潤和摩擦拖拽作用，六方氮化硼可能迅速釋放，將環(huán)氧樹脂粉末與之混合,因環(huán)氧樹脂材料熱固性好，對金屬黏結性強,可降低六方氮化硼的釋放速度。六方氮化硼與環(huán)氧樹脂粉末的粒徑均為20 μm，純度均高于99.5%。六方氮化硼和環(huán)氧樹脂質量配比為25∶1，使用球磨機充分混合后涂覆于銷試件表面織構內，保壓靜置5 min;然后置入箱式爐熱固化，溫度為200 ℃，時間為15 min;最后冷卻至室溫，經金相砂紙研磨拋光，完成復合潤滑結構表面制備。

1.2 試驗方法

為對比無織構(No Texture，NT)、純織構(Only Texture，OT)和復合潤滑結構(Composite Lubrication Structure，CLS)表面的減摩性能，按相同工藝制備了OT表面。在相同織構面積比前提下，CLS表面織構孔徑分別為0.5和1 mm，深度均為0.6 mm。純織構表面織構孔徑為0.5 mm，深度為0.6 mm。不同銷試件表面形貌如圖2所示，試驗工況如表1所示。

圖2 不同銷試件表面形貌

表1 試驗安排

如圖3所示，銷-盤摩擦試驗在FTM-M30型試驗機上進行。試驗機由加載系統(tǒng)、電機、傳感器、進出油管和擋油槽等組成。使用牌號CD15W-40潤滑油對摩擦副持續(xù)富油潤滑，流量為5 mL/s。試驗環(huán)境溫度為24～26 ℃，平均濕度為40%～50%。試驗開始前，銷試件隨加載系統(tǒng)垂直向下施壓于盤試件。電機帶動盤試件旋轉，開始摩擦試驗。每組試驗時長為25 min，采樣頻率為40 Hz。

圖3 FTM-M30摩擦試驗機

2 磨合期界定

借助RQA參數表征摩擦因數信號中復雜特征，從識別系統(tǒng)狀態(tài)角度界定磨合期。RQA參數有遞歸率RR、平均對角線長度L、確定度DET等，它們對系統(tǒng)狀態(tài)變化反應極其敏感[16-17]。選用平均對角線長度L界定磨合期，其算法如下。

對時間序列相空間重構[18]，基于相軌跡得到遞歸矩陣：

(1)

由遞歸矩陣繪制遞歸圖。Ri,j=1時，遞歸圖的第i行和j列坐標以黑點顯示，Ri,j=0時以白點顯示。L是RP中與主對角線平行的對角線總長度均值，公式為

(2)

式中:N為相點總數;p(l)為對角線結構長度為l的數量;lmin為對角線的最短長度，lmin=2。

以編號5試驗為例給出磨合期界定過程。試驗時長25 min，采集摩擦因數信號為60 000點。劃定每個窗口為25 s，長度為1 000點，共60個窗口。如圖4所示為平均對角線長度曲線。按公式(3)定義L的波動系數F，式中Ln為第n個窗口的L。綜合多次試驗，文中磨合期時長認定為當F開始落在10%以內窗口時對應的時間，并保證往后5個窗口內F均小于10%。如圖4所示，試驗5下的F在第13個窗口時滿足磨合期定義，每個窗口時間為25 s，故磨合期時長為325 s。

圖4 平均對角線長度曲線

(3)

3 試驗結果

3.1 磨合期時長

不同銷試件表面的磨合期時長如圖5所示。在0.2 m/s、50 N工況下，NT、OT、CLS(0.5 mm)和CLS(1 mm)表面的磨合期時長分別為375、200、50和50 s。對應地，1.09 m/s、225 N工況下分別為325、175、125和100 s，1.99 m/s、400 N工況下分別為250、125、100和50 s。3種工況下，NT表面磨合期平均時長為317 s，OT表面為167 s，CLS(0.5 mm)表面為92 s，CLS(1 mm)表面為67 s。相比NT表面，CLS(1 mm)表面的磨合期平均縮短率最高，為78.9%。CLS(0.5 mm)表面次之，為71.0%,OT表面最低，為47.3%。可見，CLS表面可以大幅縮減磨合期，并且在CLS(1 mm)表面下更顯著。

圖5 不同銷表面的磨合期時長

3.2 摩擦因數

不同表面的摩擦因數如圖6所示。摩擦因數信號先快速上升或下降再趨于平穩(wěn),這是由于機加工后表面在開始摩擦時接觸面積較小，表面壓力過大，塑性變形劇烈;摩擦界面在動態(tài)磨損中逐漸匹配完成磨合，進入正常磨損階段后摩擦因數信號趨于平穩(wěn)。為對比不同銷表面在磨合期與正常磨損期的減摩效果，根據第2節(jié)中的方法劃分磨損狀態(tài)。

圖6 不同工況下各表面的摩擦因數

如圖7(a)所示，首先對比不同表面在磨合期的減摩效果。在0.2 m/s、50 N工況下，NT、OT、CLS(0.5 mm)和CLS(1 mm)表面的摩擦因數分別為0.228 8、0.099 3、0.065 9和0.036 0。對應地，在1.09 m/s、225 N工況下分別為0.153 7、0.107 6、0.057 6和0.025 5。在1.99 m/s、400 N工況下分別為0.232 4、0.094 4、0.062 2和0.024 4。3種工況下，不同表面按摩擦因數均值從高到低的排序為NT、OT、CLS(0.5 mm)和CLS(1 mm)，摩擦因數均值分別為0.205 0、0.100 4、0.061 9和0.028 6?？梢姡珻LS表面可獲得較低的摩擦因數，在CLS表面(1 mm)下最低。

在0.2 m/s、50 N工況下，相比NT表面，OT、CLS(0.5 mm)和CLS(1 mm)表面的減摩率分別是56.7%、71.2%和84.3%。對應地，1.09 m/s、225 N工況下的減摩率分別為30.0%、62.5%和83.4%；1.99 m/s、400 N工況下的減摩率分別為59.4%、73.2%和89.5%。3種工況下，不同表面按平均減摩率從低到高的排序為OT、CLS(0.5 mm)和CLS(1 mm)，平均減摩率分別為48.7%、69.0%和85.7%。CLS表面具有更顯著的減摩效果，最好的減摩效果發(fā)生在CLS(1 mm)表面。另外，OT和CLS表面在1.99 m/s、400 N工況下減摩效果更顯著，其減摩率比0.2 m/s、50 N工況和1.09 m/s、225 N工況下平均高出9.4%。

進入正常磨損期后的摩擦因數如圖7(b)所示。在0.2 m/s、50 N工況下，NT、OT、CLS(0.5 mm)和CLS(1 mm)表面的摩擦因數分別為0.130 4、0.082 9、0.059 2和0.032 3。對應地，在1.09 m/s、225 N工況下分別為0.126 3、0.068 0、0.039 9和0.017 1;在1.99 m/s、400 N工況下分別為0.152 7、0.070 3、0.042 9和0.025 7。3種工況下，不同表面按摩擦因數均值從高到低的排序為NT、OT、CLS(0.5 mm)和CLS(1 mm)，摩擦因數均值分別為0.136 5、0.073 7、0.047 3和0.025 0?？梢姡贑LS(1 mm)表面下獲得最低的摩擦因數；多數表面在正常磨損期內的摩擦因數比磨合期內更低；磨合期內摩擦因數越低，進入正常磨損期后越低。

圖7 不同表面在磨合期和正常磨損期的摩擦因數

在0.2 m/s、50 N工況下，相比NT表面，OT、CLS(0.5 mm)和CLS(1 mm)表面的減摩率分別是36.4%、54.6%和75.2%。對應地，1.09 m/s、225 N工況下的減摩率分別為46.2%、68.4%和86.5%;1.99 m/s、400 N工況下的減摩率分別為54.0%、71.9%和83.2%。3種工況下，不同表面按平均減摩率從低到高的排序為OT、CLS(0.5 mm)和CLS(1 mm)，平均減摩率分別為45.5%、65.0%和81.6%。CLS表面具有更顯著的減摩效果，最好的減摩效果發(fā)生在CLS(1 mm)表面。綜合來看，OT和CLS表面在1.99 m/s、400 N工況下減摩效果更顯著，其減摩率比0.2 m/s、50 N工況和1.09 m/s、225 N工況下平均高出8.5%。

3.3 討論與分析

不論在磨合期還是正常磨損期內，CLS表面減摩效果最好，這源于表面織構與六方氮化硼粉末兩方面作用。磨損過程中，由于摩擦副間的拖拽作用，加之產生摩擦熱，六方氮化硼從織構內緩釋到潤滑油液中，這將增加潤滑油的黏度，有利于形成動壓潤滑效應。緩釋的六方氮化硼粉末受摩擦擠壓，在銷表面逐漸形成固體潤滑膜。由六方氮化硼形成的固體潤滑膜抗剪切能力弱，作為摩擦副中間介層，可有效避免表面直接接觸磨損。六方氮化硼中混入的環(huán)氧樹脂對金屬表面具有良好的黏結作用，在高摩擦熱下熱固性好，有助于固體潤滑膜牢固附于銷表面，可增強表面減摩功能的穩(wěn)定性。

六方氮化硼緩釋后，表面織構開始發(fā)揮作用。表面織構可充當微型軸承，以提高摩擦界面間流體動壓潤滑性能，加強油膜承載能力，減少接觸磨損。摩擦過程中，尤其在磨合期內摩擦表面會發(fā)生劇烈塑性變形，表面織構可收納磨損產物和潤滑油，以減少表面異常磨損和保持持續(xù)潤滑。CLS表面將固-液-織構結合形成三重潤滑系統(tǒng)，具有顯著減摩效果。

磨合期內，CLS(1 mm)表面在3種工況下的平均減摩率較CLS(0.5 mm)表面高16.7%；正常磨損期內，CLS(1 mm)表面的平均減摩率較CLS(0.5 mm)表面高16.6%。可見，同為CLS表面下，CLS(1 mm)表面的減摩效果優(yōu)于CLS(0.5 mm)表面；CLS(1 mm)表面磨合期更短，平均磨合時間為67 s，較CLS(0.5 mm)表面提前25 s完成磨合。分析如下，在相同時間內，六方氮化硼粉末在大孔徑下緩釋量更多，有利于較快形成更穩(wěn)定的固體潤滑膜。另外，大孔徑微織構表面在油潤滑下會產生更大動壓承載力，流體動壓潤滑效應增強，減摩效果更顯著，這也有助于摩擦副表面由初始接觸時的邊界潤滑或混合潤滑狀態(tài)向流體動壓潤滑狀態(tài)的加速轉變。

OT和CLS表面均在1.99 m/s、400 N工況下，即較高速度和載荷下的減摩效果更顯著。這是因為，隨著速度和載荷的增加，摩擦界面流體動壓潤滑性能增強；而在高載荷下，油膜因壓力增大而更為致密，承載能力增強，減摩效果顯著。高速高載下，CLS表面比OT表面有更好的減摩效果，這是由于織構貯油等作用，OT表面可實現(xiàn)一定程度減摩，但在高速旋轉運動下，潤滑油液會被甩出，OT表面減摩功能的穩(wěn)定性受到影響；而CLS表面形成的固體潤滑膜受工況條件影響較小，能持續(xù)較好地發(fā)揮減摩性能。

4 結論

(1)復合潤滑結構表面擁有較低的摩擦因數和顯著的減摩效果。在磨合期內，復合潤滑結構表面在3種工況下的摩擦因數均值為0.045 3，較無織構表面的減摩率為77.9%。在正常磨損期內的摩擦因數均值為0.036 2，減摩率為73.5%。復合潤滑結構表面的磨合期最短，平均時長為79.5 s，相比無織構表面平均下降75.0%。

(2)在磨合期和正常磨損期內，純織構和復合潤滑表面的減摩效果在較高速度和載荷的工況下表現(xiàn)更為顯著。另外，銷試件表面在磨合期的摩擦因數越低，對應進入正常磨損期后就越低。

(3)2種復合潤滑結構表面中，織構孔徑為1 mm表面的平均減摩率較0.5 mm表面在磨合期內高16.7%，在正常磨損期內高16.6%。較大織構孔徑下的復合潤滑結構表面減摩性能更好，磨合期也更短。