沟槽形织构密度对45钢摩擦磨损性能的影响

刘 喆 陈江善 高心蕊 黄 杰 冷 科

（中国核动力研究设计院，四川 成都610213）

0 引言

45钢是一种高质量的碳素结构钢，因具有高强度、良好的机械性能和力学性能等优点而被广泛地应用于工业生产、航天建筑以及电力工程等领域。但其在使用过程中经常发生表面磨损失效，严重影响其使用寿命[1，2]。为了提高其耐磨性，延长零件的使用寿命，通常在45钢表面进行织构加工，达到减少磨损的目的[3，4]。表面织构技术是通过微细加工技术在材料表面加工出具有一定几何形貌与尺寸，且排列规律的图案，是提高材料表面摩擦学性能的一种新的表面改性技术。激光表面织构技术因其具有高效率、环保性以及操作简便等优点而被广泛应用[5]。近年来，大量研究表明，与光滑表面相比，具有一定非光滑形貌的表面具有更优异的减摩耐磨性能。激光表面织构技术已应用各种材料表面，以改善材料表面的摩擦学性能[6]。表面织构图案参数有很多种，如织构图案密度、直径、形状等，其中，沟槽形织构应用的最为广泛，织构图案的密度是影响摩擦磨损性能的重要参数[7]。因此，本文研究不同密度的沟槽形织构图案密度对45钢摩擦磨损性能的影响。

1 实验材料与方法

1.1 45钢基材

本实验选用45号钢作为基体材料，调质处理，尺寸为3mm×3mm×1mm，熔覆前用砂纸去除材料表面的锈迹，然后用酒精冲洗，尽量减少对摩擦磨损性能的影响。实验所用45钢化学成分见表1。

表1 45钢的化学成分

1.2 织构图案的制备

采用激光刻蚀设备在45钢表面进行不同密度织构图案的加工，激光器型号为IPG-20W。激光的能量分布为高斯分布，波长为1060nm。激光加工参数为：功率14W，频率20Hz，扫描速度400mm/s，加工次数为两次。圆形织构的直径均为50μm，通过调整织构的间距来改变织构图案的密度，本文研究五种织构密度对45钢摩擦磨损性能的影响，织构图案的参数如表2所示。为了简化结果分析过程，将织构参数表达为直径—间距的形式，例如，织构图案的直径为50μm，间距为205μm，则表达为50~205μm。

表2 45钢表面织构图案参数

1.3 实验方法

采用UMT多功能摩擦磨损试验机上对制备织构的45钢表面进行摩擦磨损实验，采用球-盘摩擦副进行往复试验。上试样为直径6.3mm的钢球，织构化处理的45钢为下试样。试验条件：干摩擦条件，转速60r/min，载荷为7.5N，滑动速度为8mm/s，磨痕轨道半径5mm，往复行程5mm，试验时间5min。

采用白光干涉仪对织构的二维形貌、粗糙度参数、摩擦磨损试验后的磨痕形貌、磨痕宽度以及磨损体积进行分析。

2 实验结果

2.1 织构图案的二维形貌及粗糙度参数

在45钢表面引入织构图案，因织构密度的不同，其表面三维形貌及粗糙度发生显著变化，采用白光干涉仪对不同密度的织构图案三维形貌进行表征，并对表面的面粗糙度进行提取，如图1所示。从图1可以看出，激光织构加工并没有在45钢表面引入裂纹，织构图案呈现均匀分布的形貌，表面较为平整。当织构图案的间距由205μm增加到265μm，织构表面的平面趋于明显增加，织构的密度减小。

图1 45钢表面不同密度织构的三维形貌

表面粗糙度是影响摩擦磨损性能的主要原因，为了分析织构密度对摩擦磨损性能的影响机理，将具有不同密度的织构图案表面的面粗糙度进行分析，如表3所示。从表中可以看出随着织构图案密度的增加，织构表面的粗糙度呈现出先减小后增大的趋势。

表3 不同织构参数表面粗糙度

2.2 织构图案密度对摩擦磨损性能的影响

为了对比分析织构对45钢摩擦磨损性能的影响，对未进行织构加工的45钢表面与不同密度的织构表面的摩擦磨损性能进行了分析，其摩擦系数如图2所示。通过分析得出未进行织构的45钢表面的平均摩擦系数为0.459 2。从其摩擦曲线可以看出，在初始阶段其摩擦系数骤增，随着时间的延长，其摩擦系数逐渐趋于稳定。

对具有不同密度织构图案的45钢表面进行摩擦磨损测试，其摩擦系数如图2所示。对比于未织构的45钢表面，当织构间距为235μm及205μm时，平均摩擦系数降低，其平均摩擦系数分别为0.388 1及0.439，织构图案起到良好的减摩作用。当织构图案的间距为265μm时，对比于未织构的45钢表面，摩擦系数增大，平均摩擦系数为0.483 3。

图2 不同密度织构图案摩擦系数

随着织构密度的增加，摩擦系数呈现出先降低后增加的趋势，45钢的减摩性能随织构图案密度的增加呈现想增加后降低的趋势。其原因为，随着织构间距由265μm降低到235μm，织构图案的密度增加，织构图案储存磨屑的能力增加，因此45钢的减摩性能增加。但是随着织构间距的继续减小，由235μm减小到205μm，虽然45钢表面织构的密度仍继续增加，但是由织构导致的表面粗糙度也显著增加，如表3所示，因此，当织构间距为205μm时，45钢表面的减摩性反而降低。

为了进一步分析织构图案密度对45钢表面耐磨性的影响，对摩擦磨损后45钢表面的磨痕形貌及磨损体积进行了分析，如图3所示，为不同密度织构图案的磨损形貌。从图3可以看出，摩擦磨损试验后，未织构表面出现了犁沟形貌，而织构化的45钢表面，磨损掉的磨屑填充在凹坑内部，也进一步证实了织构图案具有储存磨屑的能力。如图4所示，对比分析了不同织构密度与未织构的45钢表面摩擦磨损实验后的磨损体积。从图4可以看出，对比于未织构的45钢，加工织构后，45钢的磨损体积显著降低，表明其耐磨性有明显的提高。同时，随着织构密度的增加，45钢表面的磨损体积增加，表明随着织构密度的增加，45钢的耐磨性降低。其原因为，随着织构密度的增加，45钢表面的粗糙度增加，因此导致45钢的耐磨性降低。

图3 不同织构参数的磨痕形貌

图4 不同参数织构表面的磨损体积

3 结论

在45钢表面制备织构图案可以改善45钢的减摩性及耐磨性能。随着织构图案密度的增大，45钢的减摩性能呈现先增加后降低的趋势，其原因为随着织构密度的增加，沟槽形织构图案起到储存磨屑的能力，有利于其减摩性能的提高，但随着织构密度的增加，表面粗糙度也随之增加，织构图案储存磨屑的能力与表面粗糙度增加二者的竞争机制决定了45钢最终的减摩性能。随着织构图案密度的增加，45钢的磨损体积增大，其原因为随着织构密度的增加，表面粗糙度增加，因此45钢表面的耐磨性降低。