初始径向微沟槽对摩擦副磨损性能影响研究

袁 伟，于 洁，郭前建，王志文

(山东理工大学机械工程学院，山东 淄博 255000)

1 引言

机械设备中做相对运动的摩擦副表面难免会出现与运动方向垂直的沟槽或缝隙，如对接曲轴轴瓦的微沟槽。接触副的片状零件加工过程中难免产生一定的残余内应力，如差速器中差速齿轮球形垫片，在磨损过程中，材料逐渐变薄，在摩擦力和残余内应力的共同作用下，易引起材料的径向开裂缝隙。这种垂直于相对滑动方向的微沟槽，对零件在工作中的磨损性能和可靠性具有重要影响。当微沟槽出现在零件使用早期，处于非剧烈磨损失效阶段时，沟槽宽度与周期内滑动迹线长度相比甚小，并不足以演变为致命性故障，在非拆卸状态下很难被发现，这种带伤工作的摩擦副，所表现的磨损性能特征，受到了研究者和生产商的广泛关注。

以往研究中主要通过人为改变摩擦副结构形貌的方式，在摩擦副表面设置初始沟槽，并对带有初始沟槽的试样进行摩擦学实验研究。文献[1]研究了存在约1 mm裂纹的接触表面上的应力应变特征和材料强度。文献[2]分析了存在半圆形裂纹表面的应力分布。利用线切割加工人工裂纹或微沟槽[3]，经常被用来进行加速试验和摩擦学性能研究。摩擦界面沟槽的存在[4-5]，一方面改变了材料的连续性和各向同性，从而改变了接触副的瞬时接触状态；另一方面具有捕获磨屑和储存润滑油的能力[6]，从而减轻磨屑对界面磨损的影响，特别是在交变载荷的作用下[7]，磨粒磨损易诱发其他磨损形式。

初始径向微沟槽的存在下，应用广泛的耐磨材料(如GCR15)所表现的摩擦磨损特征，可以通过球-盘摩擦磨损试验台进行研究。实验条件下，在线监测技术能更加有效地高频监测摩擦副的摩擦磨损状态，有利于磨损演变过程的研究。目前，在线铁谱在磨损状态实时监测与动态预测估计方面得到了广泛的应用和发展，如西安交通大学研发的在线图像可视铁谱仪(OLVF)[8-9]，能够有效地对磨损磨粒进行在线可视监测与分析，有利于对磨损状态的准确判断。此外，结合磨痕形貌和磨粒特征进行观测分析，能够更加准确地探究摩擦副在不同工况条件和运行过程中的磨损模式。

采用不同条数径向沟槽的盘试样进行对比实验。通过OLVF磨损率信号进行在线实时可视监测。选用利于加速磨损的实验条件，如增大接触比压，使用无添加剂的白油润滑，低转速确保不形成动压润滑等。应用TR200轮廓仪和扫描电子显微镜(SEM)观测磨痕截面轮廓和微观形貌特征，对特定磨损现象的磨损机理进行探究。

2 理论基础

2.1 IPCA参数

在线图像可视铁谱仪(OLVF)[10]是应用电磁线圈产生可控强磁场力使流经磨粒沉积区域的油液中铁磁性颗粒按谱线分布沉积。沉积结束后，OLVF中内置的CMOS摄像头获取铁谱图片。通过对铁谱图片进行图像处理，将彩色图片转换成灰度图片，从而计算出磨粒的百分覆盖面积比(IPCA)参数，记为Kt。

对磨粒沉积过程，作如下假设：(1)磨粒在油液分布均匀；(2)磨粒形状近似为球形，粒径均匀且无外源磨粒；(3)磨粒沉积无纵向叠加。因此，在采集周期内，沉积的磨粒二维覆盖面积与磨损率具有密切的正相关性，磨损过程中IPCA参数值的变化可以近似表征摩擦副磨损率的变化，从而实现对磨损的在线监测。根据IPCA定义可知，磨损表征参数Kt的表示式为[11]：

式中：C—铁谱谱片中沉积的磨粒所占可视沉积区域的像素点数；w和h—可视沉积区域宽度和高度的像素点数。

尽管该参数基于严格假设之上，但在磨损监测过程中，通过在线高频采集获取的磨损过程动态数据，具有总体有效性和重要参考价值。

2.2 球-盘Hertz接触

球-盘实验中接触模型，可等效为球体与光滑刚性平面的Hertz接触，在法向载荷Fn的作用下，球体产生弹性变形，变形后球-盘接触由点接触演化为面接触。应用弹性力学中Hertz接触，可以得出接触半径a：

式中：E′—系统性弹性模量，；E1、E2—两摩擦副材料的弹性模量；υ1、υ2—两摩擦副材料的泊松比。

而接触副的平均接触压力为：

在滑动实验过程中，初始接触半径和平均接触压力对磨损历程有重要影响，特别是存在非连续性材料的周期性滑动副。

3 试样与实验

采用球-盘摩擦磨损实验台进行实验，实验台由试样固定装置、杠杆加载系统、驱动电机及供油系统组成。球、盘试样同采用轴承钢GCr15材料，硬度为420HV，球试样直径为6mm，盘试样直径为60mm，厚度为5mm，表面粗糙度Ra=0.2µm，实验中球盘相对滑动线速度为12.5m/s.由Archard磨损计算模型可知，当接触比压p＞H/3(H为材料的布氏硬度)时，磨损增长较为显著，根据式(3)计算得到相应的临界载荷Fc为25N，因此，采用加速磨损实验，法向载荷设为2Fc=50N。由式(2)可知Hertz接触直径2a=0.211mm。盘试样上沿径向方向开设微型沟槽，参照Hertz接触直径，微沟槽宽度设为0.25mm，深度为盘试样厚度5mm，因此，球试样经过该沟槽时，摩擦副的接触压力会显著增加。

实验过程通过OLVF在线监测油液中磨粒含量，输出IPCA参数曲线。为了缩短实验周期，盘试样不经过任何热处理。为防止实验过程中产生磁化磨粒，影响OLVF监测结果，粗加工后对盘试样进行去磁化处理。然后，对盘试样精磨抛光，使表面粗糙度达到0.2µm，并在去离子水中超声波震荡清洗。为加速磨损实验过程，选用32#白矿油润滑。实验过程中采用蠕动泵连续开环供油，为保证单次采集周期内所需油液量与供油量持平，防止磨粒在油液中滞留，供油速度定为3.5ml/min，OLVF采集周期设为5min。通过设置无沟槽(T1-0)、单沟槽(T2-1)、四沟槽(T3-4)和八沟槽(T4-8)等4种不同沟槽数的盘试样的对比实验，实现径向沟槽下GCr15材料配副的摩擦磨损性能评价。

4 结果与讨论

4.1 IPCA参数曲线

应用OLVF对实验T1-0、T2-1、T3-4和T4-8的磨损过程进行在线监测，获得IPCA参数曲线，如图1所示。由经典摩擦学理论可知，磨损过程可分为3个典型阶段，即磨合期、稳定磨损期和剧烈磨损期，磨损率呈现典型的“浴盆曲线”特征。实验过程中获取的IPCA参数曲线显示：(1)在实验T1-0中，盘试样接触面连续的情况下，磨合期较短，约25min；(2)在实验T2-1、T3-4和T4-8中，随着微沟槽条数的增多，磨合期较长，分别约为60min、150min和200min，而Kt值呈现振荡式降低的趋势。(3)当盘试样上微沟槽数为4和8条时，Kt值分别在(25～50)min和(80～130)min的时间段里出现相对较低值，而后磨损再次增强并持续约60min。以上数据表面，单条微沟槽对摩擦副的磨损过程影响并不显著，当盘试样上存在多条微沟槽时，摩擦副在磨合期的磨损率表现出一定的跳跃性。表明沟槽数越多，相对滑动的接触表面在磨合期阶段的磨损过程越不稳定。采用TR200二维轮廓仪，获取实验T1-0、T2-1、T3-4及T4-8中盘试样磨痕截面轮廓。由结果可知，如图2所示。实验T1-0和T2-1中盘试样的磨损量并没有发生明显变化，与IPCA监测结果一致；当微沟槽条数为4和8时，磨痕损失截面积增加显著，分别达到9.1×10-9和15.3×10-9m2。通过对磨损率的在线监测和盘试样的磨痕截面分析表明：法向载荷相同的条件下，单沟槽对磨损量和磨损率影响较小；然而，当微沟槽条数较多时，磨合期明显延长，磨损率和磨损量都显著增大。

图1 不同实验IPCA参数曲线Fig.1 IPCA Parameter Curves In Various Tests

图2 盘试样磨痕截面积Fig.2 Cross-Sectional Area of Wear Scar on Disc Specimen

4.2 磨痕特征分析

对实验后的盘试样在无水乙醇或丙酮中进行超声振荡清洗，然后放入扫描电子显微镜(SEM)内，观察其磨痕形貌。观测点为距离沟槽位置后方15mm处，结果，如图3所示。实验T1-0中，当盘试样无沟槽时，磨痕上出现大量犁沟形貌，主要磨损形式为磨粒磨损。而实验T2-1中，单沟槽盘试样上，磨痕表面相对无沟槽盘试样磨痕，较为光滑，但在比压较大的磨痕中间区域，出现了显著的疲劳点蚀特征。实验T3-4和T4-8的盘试样磨痕形貌显示，磨损过程中盘试样接触表面发生显著的塑性流动，特别是微沟槽为8条时，接触表面材料易出现塑性流动，发生疲劳磨损，材料流动和磨损后留下较多凹坑。

图3 实验后盘试样磨痕形貌Fig.3 Morphologies of Wear Scars on Disc Samples After Tests

如图4所示，由盘试样微沟槽位置处SEM图片可知，球试样经过微沟槽时，由于名义接触面积先降低后增加地变化，磨痕宽度从沟槽前沿开始逐渐增大，当越过微沟槽时，接触宽度增大更加显著。这种现象是由于球试样在相对滑动过程中，对微沟槽后沿有一定的冲击作用，该冲击作用造成后沿磨痕表面发生疲劳点蚀。通过对比球试样磨痕形貌特征可知，如图5所示。在T1-0实验中，球试样的磨痕形状近似为球形，并沿滑动方向出现粗细不等的条纹状犁沟，而在T2-1实验中，受微沟槽的影响，球试样磨痕呈现典型的椭圆形，且表面较为光滑。

图4 实验T1-0盘试样沟槽处磨痕形貌Fig.4 Wear Scar Morphology at the Groove Region of the Disc Specimen After Test T1-0

图5 不同实验中球试样磨痕形貌特征Fig.5 Characteristics of Wear Scars on Ball in Different Tests

球、盘磨痕的SEM形貌特征表明，初始径向微沟槽能够改变滑动接触副的接触特征，降低磨粒磨损，但随着沟槽数的增多，疲劳磨损较为明显，特别是磨痕上接触压力较大的中间区域。

4.3 典型磨粒特征

根据OLVF的采样监测结果，对实验中Kt值较高的铁谱样本磨粒，通过二次收集、清洗和离散化处理以后，用金相显微镜进行离线观测。如图6所示，实验T1-0中，在没有微沟槽时，可以发现典型的切削磨粒，结合相应的盘试样磨痕形貌，可以判断该组实验中主要的磨损形式为磨粒磨损。而实验T2-1中，观测到的磨粒形貌主要如图6(中)所示，未观测到细长磨粒。当微沟槽增加到8条时(实验T4-8)，由于球试验每次经过微沟槽时，不可避免地产生一定的振动，致使盘试样磨痕出现疲劳磨损，磨合过程中材料表面发生的冷作硬化层被压溃，产生边沿整齐的特征磨粒。因此，相同工况条件下，微裂纹条数对GCr15材料的磨损形式具有重要影响，特别是条数达到8条时，影响更为显著。

图6 典型磨粒特征Fig.6 Typical Wear Particle Characteristics

5 结论

(1)滑动摩擦副上径向微沟槽较多时，磨合期磨损率波动变化较大，特别是微沟槽数目为8条时，Kt值起伏变化显著，磨合期持续时间较长，磨损量较大。(2)无沟槽下摩擦副磨损较小，主要的磨损形式为磨粒磨损；而单沟槽时磨损量无明显增加，表面相对光滑；随着沟槽数增加到4条时，磨痕中出现疲劳点蚀现象，特别是8条微沟槽时，疲劳点蚀非常显著，磨损严重，沟槽前沿塑性变形明显。(3)无初始微沟槽的摩擦副易发生磨粒磨损并产生细长切削磨粒，而在微沟槽的作用下，磨粒磨损得到显著改善，磨损形式发生改变，然而，微沟槽数较多时，易发生疲劳磨损，产生片状磨粒，磨损恶化严重。