仿生织构对65Mn 钢摩擦学性能的影响

张桔帮，王海军，陈文刚

（西南林业大学，云南 昆明 650224）

0 引 言

65Mn 钢具有硬度高、韧性好、耐磨性好及淬透性高等优点，被广泛用于农业机械、汽车船舶、铁路建设、工业机械等领域关键部件的制造[1]，例如深松机具、犁铧、旋耕刀、弹簧及磨床主轴等。这些部件通常要与水、土壤和岩石等接触，工况恶劣，磨损严重[2]。所以提高65Mn 钢部件表面耐磨性、延长使用寿命尤为重要。

国内外研究发现，自然界中生物体表往往具有润滑、自清洁、减摩耐磨等优秀特性，这些特性与其体表的非光滑形态密切相关[3]，例如：蚯蚓、鲨鱼、穿山甲等[4]。而模拟生物体表微结构，在材料表面加工仿生织构亦能获得减黏、减阻、减摩、耐磨甚至是增摩、防污等多种功能，能有效提升材料表面摩擦学性能[5]。主要减摩机制为：微织构能捕获磨屑、储存润滑剂、减小摩擦面积及产生微流体动压润滑效应等[6-7]。

基于仿生学原理，本研究模拟穿山甲鳞片表面结构设计并制备多种仿生织构表面。通过摩擦磨损实验，探究干摩擦和水润滑状态下仿生织构对65Mn 钢表面摩擦学性能的影响。为仿生织构在工业、农业领域的运用提供依据，降低磨损消耗，节约自然资源。

1 材料与方法

1.1 实验材料

本研究以65Mn 钢为实验基材。采用激光把65Mn 钢板切割成40 mm×40 mm×8 mm 的规格，后使用PG-1S 金相式样磨抛机对试样进行磨抛处理，去除表面缺陷及氧化层。打磨过程中，分别采用38.0、19.0、12.5、10.0、6.5、5.5、5.0 μm 的SiC 砂纸打磨至出现金属光泽，后采用金相抛光绒布及W0.5 的金刚石抛光膏将试样抛光至镜面，最后用超声波清洗仪洗净后油封待用。

1.2 仿生织构表面

通过三维形貌仪扫描提取穿山甲鳞片表面轮廓特征（图1（a）），提取方式为沿平行线方向扫描垂直与X轴方向的截面曲线轮廓，并读取点的坐标，得到了穿山甲鳞片表面织构的宽度D、深度h以及间距L（图1（b）），其形貌数据见表1。

图1 穿山甲鳞片表面形貌图

表1 鳞片表面织构宽度、深度及间距 单位：μm

对鳞片数据适当简化并通过三维软件进行模拟，建立以下3 种仿生织构模型，见图2。仿生织构模型为前端收缩后端舒张的渐变沟槽微织构，每个试样有8 组仿生织构前后衔接排列，各试样的织构参数见表2。仿生织构所包含的参数有：织构前端宽度D1、后端宽度D2、织构前端间距L1、后端间距L2及旋转半径R。采用激光打标机加工仿生织构试样，加工参数为：速度5 000 mm/s、功率100%、频率20 kHz、开/关光延时300μs/100μs、结束延时300μs、拐角延时100 μs、填充方式为回型+Z 型。

图2 仿生织构试样

表2 仿生织构参数

1.3 摩擦磨损实验

采用MRTR-1 多功能摩擦磨损试验机进行了干摩擦和水润滑条件下的摩擦磨损试验。实验采用销-盘摩擦副，摩擦方式为回转式（上试样固定不动，下试样为旋转部件），上试样为直径5 mm、高15 mm 的圆柱形GCr15 轴承钢。

本研究进行了2 种工况测试：（1）干摩擦状态下，测试了有无织构、不同尺寸以及不同旋转半径等参数对照组的摩擦磨损性能。（2）水润滑状态下，重复上述对照实验。测试过程中用吸管把水添加到销-盘摩擦副表面让接触点保持浸润状态。为减少实验偶然性，每个对照组均进行3 次重复实验。设置固定参数：转速为150 r/min、载荷为5 N、时间为120 min，每组实验均保持不变。每次实验前后均对上下试样进行清洗称重记录，并采用光学显微镜观察试样磨损形貌。

2 结果与分析

图3 为不同润滑条件下摩擦系数随时间的变化曲线图。可以看出，不同参数及条件下试样的摩擦系数有显著差异。干摩擦状态下，前期3 种仿生试样的摩擦系数缓慢上升，且均低于无织构试样的摩擦系数，有一定减摩效果，在趋于稳定后并无明显减摩效果；而无织构试样的摩擦系数在短时间内急剧上升，系数波动较大。如图5（a）、（b）所示，实验后无织构试样表面出现大量长距离犁沟磨痕，磨损严重，大量磨屑附着于摩擦表面；而实验后仿生织构并未完全磨损失效，且接触面磨痕较少（图5（d）），从图5（c）可以看出，磨屑主要附着于微织构凹坑内，摩擦副接触表面只有少量磨屑附着，此外还有大量磨屑堆积于接触面内圈。由此可见，摩擦磨损过程中织构可以起到收集磨粒的作用，能有效降低磨屑对试样表面的磨损[8]。织构形貌对磨屑的存储能力直接影响织构表面的减摩能力，后期摩擦系数的升高与织构内磨屑存储过多有直接关系。织构表面改变了界面的连续性，致使摩擦副无法形成长距离连续划痕从而抑制摩擦磨损，说明摩擦力和摩擦系数稳定性与表面接触条件有关[9]。

图3 干摩擦状态下摩擦系数

图5 干摩擦试样表面磨损形貌

实验结果表明，适当的表面织构能有效减低水润滑状态下65Mn 钢的摩擦系数（图4）。水润滑状态下仿生织构试样12.5-0.4 型和12.5-0.6 型具有良好的减摩效果，相较于无织构试样，试样12.5-0.4 型的平均摩擦系数比无织构平均摩擦系数降低了37.6%，试样12.5-0.6 型降低了26.4%，摩擦系数均比较稳定。而试样7.5-0.6 型摩擦系数较大，并无明显减摩效果，显然旋转半径（线速度）是影响织构表面水润滑状态下摩擦学性能的重要因素。

图4 水润滑状态下摩擦系数

图6 显示了2 种工况下上试样的磨损质量。可以看出，干磨状态下织构试样12.5-0.4 型、12.5-0.6型磨损质量有所下降，具有一定减磨效果。这与上述平均摩擦系数所反映的结论一致。相较于干摩擦，12.5-0.4 型及12.5-0.6 型试样实验组在水润滑状态下，上试样磨损质量大幅降低（图6），具有良好减磨效果，试样7.5-0.6 型次之，而无织构试验组减磨效果甚微。说明适合的参数条件下，仿生织构表面能促进摩擦表面形成稳定的润滑水膜，从而分离摩擦表面，改善摩擦性能。在转速150 r/min、载荷5 N 的水润滑条件下，无织构光滑表面难以形成稳定的润滑水膜，所以上试样磨损质量最大；试样7.5-0.6 型表面形成了较稳定的润滑水膜，但水膜承载能力不如12.5-0.4 型试样。说明旋转半径（线速度）是影响织构试样表面润滑水膜承载能力的重要因素。

图6 上试样摩擦质量

3 结 语

实验结果表明，摩擦磨损过程中仿生织构可以起到捕获磨粒的作用，能有效提升材料表面摩擦学性能。合适的参数条件下，材料表面织构化有益于获得较为稳定的摩擦系数。

水润滑条件下，仿生织构表面能促进摩擦表面形成稳定的润滑水膜，获得良好的减摩润滑效果；在转速为150 r/min、载荷为5 N 的工况下，仿生织构试样12.5-0.4 型和12.5-0.6 型具有良好的减摩效果，试样12.5-0.4 型的平均摩擦系数降低了37.6%，试样12.5-0.6 型降低了26.4%。因此，仿生织构是提升农业、工业机具表面耐磨抗磨性的重要研究方向。