线接触副球墨铸铁表面激光织构对摩擦学特性的影响

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

Influence of laser surface texturing on tribological performance ofductile cast iron under line contact conditionsYuan Run，Cheng Yunrong，Fu Yonghong，Hua Xijun，Yang Dongyan，Chen Meiyun(School of Mechanical Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang，Jiangsu 212013，China)Abstract：To investigate the influence of laser surface texturing on the tribological properties of ductilecast iron under line contact conditions，the Q switched light-pumped Nd：rAG laser was used with laserprocessing technology of single pulse at a time and repeating at intervals to treat the ductile east iron spe-oimen end face.The regular network of micro-dimples with four different depth and four different areadensity were fabricated.A series of contrast experiments on the ductile cast iron specimen were performedby the line contact conditions on cylindrical pin-on-·disc friction and wear tester to realize slide-roll combi-nation movement.The experimental results show that compared with the smooth surface under the sametest condition，micro-dimples surface has beter friction reducing effect. The effects of micro-dimpledepth and area density on the tribological properties were also investigated.There are optimum design pa-rameters of micro·dimples to achieve the best effect of friction reduction and enhanced anti·-scufing per-formance。

Key words：ductile cast iron；laser surface texturing；line contact；tribological property；micro-dimple线接触副大多处于弹流润滑状态，如纹理、表面粗糙度等表面微形貌因素对其润滑性能及承载能力等有重要影响.激光表面织构由于具有加工效率高、形貌精密可控、环境友好等优点，被广泛应用于收稿日期：2012-05-07基金项目：国家重大科技成果转化项目(2060403)；国家自然科学基金资助项 目(51175233)；江苏势技支撑计划项目(BE2010060)镇江市工业科技支撑项 目(GY2012039)作者简介：袁 润(1965-)，男，江苏海安人，教授(yrun###.is.edu.Oil)，主要从事激光应用的研究。

程云荣(1985-)，男，湖南益阳人，硕士研究生(通信作者，chengyun132###163.corn)，主要从事内燃机表面织构的研究。

表面织构.W.Manabu等 研究实现织构化后试样的摩擦因数从 0.12降到 0.10，发现表面摩擦学性能主要受微凹腔直径和面积 占有率 的影响.R。

Hhnb等 研究发现：油膜厚度随周向纹理粗糙度的增大而增大，而横向纹理粗糙度变化对其几乎无影响.M.Vrbka等 试验结果表明：对具有-定尺寸和面积占有率的微凹腔，深度较浅时可显著提高试样滚动接触疲劳寿命.I.Krupka等 研究了微凹腔对弹流油膜作用机制，结果表明：滑滚比为正时，微凹腔内释放出的润滑油能够有效隔离摩擦副表面.符永宏等 对淬火45#钢表面进行织构化处理，并考察多种微结构表面的摩擦磨损性能，试验结果表明：微凹腔具有良好的减摩效果，减磨作用也较为明显。

目前，球墨铸铁材料由于其 良好的特性和低廉的成本被广泛应用凸轮轴等部件，而针对球墨铸铁在线接触工况下，表面织构化结构参数对其摩擦磨损性能的影响尚未见系统研究.为此，本研究利用单脉冲同点间隔多次的激光加工工艺，在球墨铸铁表面制备具有不同深度与面积占有率的微凹腔，对其摩擦磨损性能进行研究，并与光滑试样进行对比；利用金相显微镜，对具有优化设计参数微凹腔试样与光滑试样磨损表面进行测量与分析。

1 试 验1.1 试样表面织构化试验用上、下偶件材料均为球墨铸铁 QT600-3，经淬火 -回火处理，表面硬度为43～51 HRC，其化学成分如表1所示.基于课题组前期大量试验研究，本研究选冗有抛物线截面的微凹腔为研究对象。

表 1 球墨铸铁化学成分 %试验采用半导体声光泵浦YAG激光加工系统，激光模式为 TEM∞，采用声光调 Q控制产生激光脉冲，调 Q重复频率 2～10 kHz，激光输 出波长为532 Hil，泵浦电流为 l7～l8 A，其功率密度约为1O W ·em～，脉冲重复次数为 1～15次，光束质量系数M2<2，发散角小于 0.003 rad，扫描速率 10m m · s ～. 利用单脉冲同点间隔多次的激光加工工艺，在上、下偶件端面制备出均匀分布的微凹腔。

由于该技术属于热加工，在对试样端面进行微凹腔制备过程中，微凹腔外缘会形成凸起的环状热影响区域，并产生周边毛刺.用粒度为 1 200的金相砂纸轻轻打磨，然后在抛光机抛光至表面粗糙度 尺。

约为 0.1 p，m，将试样置于盛有乙醇烧杯中，超声波清洗 15 min，取出，烘干至表面洁净，并保存。

试样端面微凹腔直径过嗅导致其润滑效果提升不明显，过大则影响表面粗糙度，微凹腔直径为70 m时，润滑效果较佳 J.通过改变激光脉冲重复次数获得(a)表面微凹腔分布图不同的微凹腔深度，以及改变微凹腔横向与纵向间距获得不同的面积占有率.面积占有率公式如下：5 筹， (1)式中：S。为微凹腔面积 占有率；d为凹腔直径；L为凹腔间的间距.微凹腔结构参数如表2所示。

表2 微凹腔结构参数参数 微凹腔直经/m面积占有率/ m横向问距/ m纵向间距/ m深度/I.m703.1，9.6，17.1，24.6350，200，150，125350，200，150，1257，10，l4，17采用美国Veeco公司的WYO-NT1100三维形貌测量仪和德国徕卡公司 LEICADM 2500M金相显微镜对表面微观几何形貌进行测量.图 1为试样表面微凹腔分布及形貌扫描图像。

900 2O 40 60 80 10o 120U m (b)微凹腔俯视图望亘 ! . ! - z：o.6522$tm。 J l图 1 微凹腔分布与几何形貌图Um (c)微凹腔剖面图1.2 试验方法采用 WWM-1A型摩擦磨损试验机，模拟凸轮- 滚轮摩擦副滚滑复合运动形式，示意图如图 2所示.上偶件经驱动随主轴转动，下偶件在垂直载荷作用下与圆柱销相接触，2个45#钢圆柱销被夹具固定在上下偶件之间做滚滑复合运动。

I I载荷球墨铸铁上偶件图 2 摩擦磨损试验试验中，上、下偶件端面均为织构化表面；环境温度20℃；载荷 100 N；转速分别为 100，300和500r·min～；选用长城汽油机油 H100SC40为润滑油，采用富油润滑.试验前，先空载运行半小时，确保摩擦磨损试验机工作稳定性和达到可靠的试验精度；然后在定载荷下，摩擦磨损试验在 3种转速下均运行 20 min，前 10 min为试样跑合时间，取相对稳定的后 10 min为测试时间，采集间隔时间5 S，数据取平均值.结束后，对试样进行超声波清洗，利用金相显微镜对优化设计参数微凹腔试样及光滑试样表面磨损形貌进行测量与分析。

2 结果与分析2.1 转速与摩擦因数关系图3为载荷 100 N、微凹腔深度为 10 Ixm时，转速对摩擦因数的影响。

0.130. 赫星0，09掰0.07O O5100 300 500转速 ，(r.mil-)图3 转速与摩擦因数关系图3中摩擦因数范围0.075～0.125，从转速变化趋势来看，未织构表面和织构化表面的摩擦因数均随转速增大而减小.这是因为线接触副大多处于弹性流体动力润滑状态，弹流油膜厚度与速度的关系是强变化 j.随着转速增大，两试样相对运动速度增大，流体动压效应增强，上下接触面会进-步分离。

2.2 深度与摩擦因数的关系当载荷为 100 N、微凹腔面积占有率为 9.6%时，不同深度对摩擦因数的影响规律如图4所示.由图4可见：本试验速率范围内，当试样为未织构表面时，其摩擦因数大于织构化，且随微凹腔深度增加，不同转速下的摩擦因数逐渐减小；当深度为 10 Ixm时，试样具有最小摩擦因数，较光滑表面最大减小了26.3%；且随着微凹腔深度进-步增大，摩擦因数有所增加，但增加幅度较小.本试验速率范围内均具有相同变化趋势，随微凹腔深度增加，摩擦因数先减小后增大，并均在深度为 l0 m时达到最小值.说明微凹腔深度存在-个优化值，此时，微凹腔能显著改善摩擦学性能.深度较小时，可能是微凹腔产生的流体动压效应不明显，或因为在线接触条件下，由于较强挤压作用导致微凹腔内润滑油发生较严重侧漏，起不到供油作用；凹腔深度增大到-定程度后，使得润滑油在凹腔内产生涡流而形成粘滞阻力，影响其减摩效果 .由图4可见：当前工况下，面积占有率为9.6%时的微凹腔优化深度为10 m。

图4 微凹腔深度与摩擦因数关系2.3 凹腔面积占有率与摩擦因数的关系图5为载荷 100 N、微凹腔深度为 10 Ixm时微凹腔面积占有率对摩擦因数的影响曲线.由图5可知：本试验速率范围内，微凹腔织构化表面摩擦因数较光滑表面小；摩擦因数随微凹腔面积占有率的增大呈先减畜增大趋势，并 均在 面积 占有率为9.6%时达到最小值，远小于光滑表面的摩擦因数。

这可能是在给定微凹腔直径及深度时，面积占有率决定了试样表面的储油能力和微凹腔相互之间润滑[7][8][9]tion[J].Transactions of the Chinese Society for Agricul-rural Machinery，2010，41(1)：216-220.(in Chinese)符永宏，季 伟 ，张华伟，等.表面规则微凹腔半径对活塞环润滑性能的影响[J].江苏大学学报：自然科学版，2010，31(6)：621-624。

Fu Yonghong，Ji Wei，Zhang Huawei，et a1.Influenceof surface regular micro·-pore radius on lubrication per-formance of piston ring[J].Journal offlangsu Universi-ty：Natural Science Edition，2010，31(6)：621-624。

(in Chinese)温诗铸，杨沛然.弹性流体动力润滑[M].北京：清华大学出版社，1992。

汤丽萍，刘 莹.表面微织构对重载齿轮传动摩擦性能的影响[J].清华大学学报：自然科学版，2010，50(7)：1009-1012，1017。

Tang Liping，Liu Ying.Influence of surface micro-tex-ture on the tribological properties of heavy-duty gears[J].Journal of Tsinghua e ：Natural Science E-dition，2010，50(7)：1009-1012，1017.(in Chinese)[10] 李 兵，刘 馄，王 静，等.线接触滑 -滚条件下微凹腔表面摩擦特 性 [J].机械工程 学报，2011，47(21)：91-96。

Li Bing，Liu Kun，Wang Jing，et a1.Micro cavity S tri-bological property under line contact and sliding-rollingconditions[J].Journal of Mechanical Engineering，2011，47(21)：91-96.(in Chinese)(责任编辑 赵 鸥)， ' l ' ， ， l l ' ' ' ， ， ， l ， ' ， l ， l ， ， ， ' ' ， l ， ， ， l - ， l ， ' ' ， ， ， ， ' ， ' ， ， ， ， ， ， ' ' l ， l ' ' ' ， l ' ' ' ， ， ， l ， ， ' ' ' ' ， l ， ， ' (上接第443页)[8][9]陈 炜 ，薛 雷，陈康敏，等 ，双相钢激光拼焊板温拉伸性能及微观组织[J].材料工程 ，2010(7)：54-58。

Chen Wei，Xue Lei，Chen Kangmin，et a1.Warm ten-sile properties and microstructures of dual phase steel la-ser tailor welded blanks[J].Journal of Materials Engi-neering，2010(7)：54-58.(in Chinese)陈 炜，滕广宇，丁 毅 ，等，双相钢拼焊板温拉伸流变应力研究 [J].机械工程学报，2011，47(22)：49-54。

Chen Wei，Teng Guangyu，Ding Yi，et a1.Flow stressof dual phase steel tailor welded blanks during warm ten-sile[J].Journal of Mechanical Engineering，201 1，47(22)：49-54.(in Chinese)[10] McQueen H J，Ryan N D.Constitutive analysis in hotworking[J].Materials Science and Engineering A，2002，322(1/2)：43-63。