王子朋， 高殿榮， 梁瑛娜， 劉曉輝， 申苗苗

(1.燕山大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 河北 秦皇島 066004；2.燕山大學(xué) 河北省重型機(jī)械流體動力傳輸與控制重點實驗室, 河北 秦皇島 066004)

引言

由于磨損對機(jī)器效率、壽命、能耗等有著直接的影響，減小磨損一直是各行各業(yè)不可避開的話題。因CFR/PEEK有著良好的耐腐蝕性，潤滑性等優(yōu)良性能，廣泛應(yīng)用于海洋、生物、航空等領(lǐng)域[1-3]。并且，CFR/PEEK具有較強(qiáng)耐水解和抗壓性能，可以很好的應(yīng)用于高壓水環(huán)境下長期服役的液壓元件，如水壓泵的各種摩擦副。目前已有大量學(xué)者對CFR/PEEK中碳纖維的添加計量[4]、纖維形態(tài)[5]、纖維布局和加工方法[6]做了較為系統(tǒng)的研究，因此可以對CFR/PEEK摩擦副表面進(jìn)行進(jìn)一步處理，使其達(dá)到最佳摩擦磨損性能。傳統(tǒng)的表面處理技術(shù)有滲入化學(xué)元素、表面涂敷、表面熱處理等方式來改變表面的耐磨性[7-8]。近年來人們對一些動物表皮進(jìn)行深入研究，如穿山甲、鯊魚皮、昆蟲翅膀等，人們從仿生學(xué)角度出發(fā)，借鑒這些動物經(jīng)過數(shù)百萬年的進(jìn)化才得到的“成果”，加工出一些仿生非光滑表面[9-11]，如不粘鍋表面、潛水泳衣表面、輪船底部表面等，目前仿生非光滑表面的應(yīng)用已經(jīng)取得了顯著的成果。這些方法主要以改變表面結(jié)構(gòu)或提高表面硬度的方式來達(dá)到減磨的目的，而對表面潤濕性在不同黏度介質(zhì)下對摩擦副影響方面還鮮有報道。

表面潤濕性是表述表面性能的重要指標(biāo)，潤濕性反應(yīng)界面對液體的吸附能力，對微觀尺度下物質(zhì)與能量輸運起著重要作用，材料界面潤濕性與滑移特征之間存在密切聯(lián)系[12-13]，因此通過改變表面微觀織構(gòu)來改變表面潤濕性進(jìn)而改變摩擦副摩擦學(xué)性能已經(jīng)成為研究熱點。王權(quán)岱等[14]發(fā)現(xiàn)，材料表面潤濕性在不同潤滑狀態(tài)下對摩擦學(xué)特性有顯著的影響。王新宇等[15]發(fā)現(xiàn)，與未織構(gòu)的DLC涂層相比，PAO潤滑油在織構(gòu)化處理的DLC涂層樣品表面具有更好的潤濕性和摩擦學(xué)性能。CONIGLIO N等[16]研究發(fā)現(xiàn)，潤濕性與表面紋理的尺度及表面粗糙度有關(guān)。馬明明等[17]探討凹坑形織構(gòu)對表面潤濕性和摩擦學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)凹坑形貌對摩擦學(xué)性能的影響大于對潤濕性的影響。熊其玉等[18]研究發(fā)現(xiàn)：激光微織構(gòu)能夠改變表面潤濕性，Sa相同的表面，微織構(gòu)形狀、方向均影響表面潤濕性。李杰等[19]在微織構(gòu)表面修飾有機(jī)硅烷分子膜，制備得到具有疏水/超疏水性表面，結(jié)果表明，激光微織構(gòu)具有的微米級粗糙結(jié)構(gòu)與自組裝分子膜的共同作用對超疏水表面的構(gòu)建具有重要作用。董青[20]通過試驗發(fā)現(xiàn)，激光表面微織構(gòu)能夠加劇表面的潤濕性，表面帶有微織構(gòu)的試件的摩擦系數(shù)均比未織構(gòu)試件的摩擦系數(shù)低。連峰等[21]采用低表面能修飾和涂覆SiO2，制備具有不同潤濕性的 Ti6Al4V表面，摩擦磨損試驗結(jié)果表明，低表面能修飾或涂覆SiO2均使 Ti6Al4V表面由親水變?yōu)槭杷?，但涂覆SiO2可獲得更大的接觸角和小的滾動角，且更加顯著地減小摩擦系數(shù)和磨損量。崔曉華等[22]研究了不同長度CF/PEEK復(fù)合材料對潤濕性及摩擦學(xué)性能的影響，試驗結(jié)果表明，加入碳纖維后，復(fù)合材料表面接觸角增大；CF/PEEK的摩擦系數(shù)及摩擦量均低于純PEEK。焦云龍等[23]在研究表面潤濕性對橡膠滑動接觸界面摩擦特性的影響時進(jìn)行了試驗，研究表明，固-液接觸角與穩(wěn)態(tài)滑動摩擦因數(shù)具有一定的線性相關(guān)性(R2≈0.92)，摩擦因數(shù)隨著接觸角的增大而增大。

本研究以柱塞泵配流副為試驗對象，通過不同目數(shù)的砂紙打磨配流副表面，改變表面形貌得到不同潤濕性表面，采用MMD-5A標(biāo)準(zhǔn)摩擦磨損試驗機(jī)探索不同潤濕性的CFR/PEEK在水、海水、油介質(zhì)中的摩擦學(xué)行為，為CFR/PEEK的實際應(yīng)用提供理論支持。

1 試驗

1.1 試件的制備

以柱塞泵配流副為基底，上試件采用硬度較大的SAF2507雙相不銹鋼，下試件采用CFR/PEEK，上、下試樣分別對應(yīng)柱塞泵配流副中的缸體端面、配流盤，如圖1所示。

圖1 試驗試樣

采用不同目數(shù)的砂紙在光滑平臺上打磨試件表面，打磨方向為任意方向。試驗一共分12組進(jìn)行，分別取12對上下試件。上試件統(tǒng)一采用2000目砂紙打磨，采用HARKE接觸角測量儀分別用水、海水、油測量接觸角，水采用普通蒸餾水，海水是在秦皇島海域打撈經(jīng)過沉淀和過濾后的天然海水，油采用L-HM46#高壓抗磨液壓油，測量液滴過大時，由于液滴自身的重力會使鋪展速度加快，造成測量誤差，經(jīng)如圖2所示的Taylor Hobson粗糙度輪廓儀測量，表面粗糙度最大1.2 μm，液滴體積取3 μL可滿足試驗，取液滴滴下后1 s時的接觸角值，每個表面測量10個位置取平均值。測得2000目數(shù)砂紙打磨的SAF2507用不同介質(zhì)測量的表面接觸角如表1所示。

表1 上試件表面接觸角

圖2 Taylor Hobson粗糙度輪廓儀

下試件采用同樣的方法用不同目數(shù)的砂紙打磨，下試件打磨12個，分4組， 每一組的3個試件用同一種砂紙打磨，不同目數(shù)砂紙所打磨下試件表面粗糙度，經(jīng)Taylor Hobson粗糙度輪廓儀測量后得出曲線結(jié)果如圖3所示，δ為輪廓偏離量，l為取樣長度。

圖3 不同目數(shù)砂紙打磨表面測量曲線

將打磨好的試件分別在水、海水、油介質(zhì)中進(jìn)行試驗，由于被同一種砂紙打磨的不同下試件接觸角誤差相差不大(±2°)，分析時可認(rèn)為是同一種表面，不同砂紙打磨的CFR/PEEK用不同介質(zhì)測量的表面接觸角如表2所示。

表2 不同砂紙打磨出的下試件表面接觸角

由表2可以看出，相同表面下水和海水接觸角相差不大，水略高于海水，液壓油的接觸角最小。說明CFR/PEEK試件表面難以被水潤濕，容易被液壓油潤濕。同一種液體下隨著表面粗糙度增加接觸角在變小，這是由于材料本身屬于親水(油)材料，隨著粗糙度增加，固液接觸面積也在增加，這也符合Wenzel模型理論。

1.2 試驗步驟

試驗所用機(jī)器為MMD-5A標(biāo)準(zhǔn)摩擦磨損試驗機(jī)，主軸上端由電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)，主軸下端自帶具有自動調(diào)整功能的上試樣夾具，上試樣上面的2個定位孔與上試樣夾具上的定位銷配合后，中心處用螺釘擰緊在夾具上，上試樣夾具的自動調(diào)整功能可保證摩擦過程中摩擦副始終保持面接觸；下試樣底面的2個定位孔與固定在加載液壓缸活塞桿端部的底座上的2個定位銷配合，再將水盒固定在底座上。當(dāng)加載液壓缸活塞桿向上運動時，會使上下試樣的表面接觸并加載到設(shè)定值，如圖4所示，上下試件夾具如圖5所示。試驗前用超聲波清洗儀清洗30 min并吹干以保證試件表面的清潔，用HARKE接觸角測量儀測量接觸角，用激光共聚焦電子顯微鏡觀測表面形貌，并用高精度電子天平對下試件稱重，以備試驗前后對比。將試件和水盒安裝在試驗機(jī)上后倒入潤滑介質(zhì)以保證整個摩擦過程在浸泡下進(jìn)行。一般柱塞泵額定壓力在31.5 MPa，轉(zhuǎn)速范圍為800～2000 r/min。雖然上下試樣是仿照柱塞泵缸體端面與配流盤加工的，但由于本研究主要是研究不同潤濕性CFR/PEEK在不同介質(zhì)中的摩檫學(xué)性能，且由于受所用摩擦磨損試驗機(jī)最大加載力的限制，本次所用試驗工況并沒有與實際的柱塞泵的壓力和轉(zhuǎn)速相匹配。本研究采用的測試時間t=10 min，轉(zhuǎn)速N=200 r·min-1，所加載荷F=100 N，試驗后導(dǎo)出EXCEL數(shù)據(jù)表格，試驗過程及設(shè)備如圖4所示。

圖4 摩擦磨損試驗流程示意圖

圖5 上、下試樣安裝夾具圖

2 試驗結(jié)果分析

2.1 摩擦結(jié)果分析

把摩擦磨損試驗機(jī)電腦導(dǎo)出的EXCEL數(shù)據(jù)導(dǎo)入Origin得出摩擦系數(shù)隨時間變化曲線，如圖6所示。

圖6 不同介質(zhì)下摩擦系數(shù)隨時間變化曲線圖

由圖6可以看出，在同一種介質(zhì)中，表面接觸角最大摩擦磨損系數(shù)最小，在不同介質(zhì)中，油介質(zhì)中的摩擦系數(shù)要大于水和海水，水中的摩擦系數(shù)略小于海水。因為當(dāng)兩表面接觸并開始相對滑動以后，由于上下試件相互接觸并擠壓，在接觸面上會產(chǎn)生一個阻礙相對運動的力，稱摩擦力。除摩擦力外，由于液體的黏滯性，上試件轉(zhuǎn)動會帶動液體轉(zhuǎn)動，在液體與下試件接觸表面也會形成一個阻礙相對運動的力，稱黏滯力[24]。黏滯力和潤濕性還有液體黏度有關(guān)，潤濕性越差(接觸角越大)，黏滯力越小；液體黏度越小，黏滯力越小。黏滯力可理解為兩相對滑動固體表面之間的流體內(nèi)部的內(nèi)摩擦力，關(guān)系式如下：

(1)

式中，T—— 內(nèi)摩擦力

μ—— 動力黏度

A—— 潤滑膜與試件的接觸面積

v—— 滑動速度

h—— 潤滑膜厚度

由上式可知，同種表面在同種工況下，內(nèi)摩擦力的影響因素只有潤滑介質(zhì)的動力黏度和潤滑膜厚度，在室溫下水的動力黏度約為1×10-3Pa·s，油的動力黏度約為50 Pa·s，經(jīng)測量砂紙打磨試件表面粗糙度范圍是0.1～1.2 μm，根據(jù)Ra概念可知表面微凸體高度范圍是0.2～2.4 μm，又經(jīng)過顯微鏡對試驗后觀測的表面犁溝可知，油膜厚度尺寸小于微凸體高度尺寸，可取滑膜厚度范圍為0.2～2.4 μm。極端情況下，水潤滑時潤滑膜厚度取0.2 μm，油潤滑膜取2.4 μm，此時求得T水為5000vA，小于T油為2.1×107vA，即在同種表面在同種工況下，水潤滑下的內(nèi)摩擦力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于油潤滑下的內(nèi)摩擦力，摩擦力和摩擦系數(shù)關(guān)系式為：

(2)

式中，f—— 摩擦系數(shù)

N—— 正壓力(試驗加載力)

由上式可知，正壓力一定的情況下，摩擦力與摩擦系數(shù)成正比，此時結(jié)合試驗結(jié)果可知，同種表面在同種工況下，油潤滑下摩擦磨損系數(shù)最大。

從圖6中可以看出，試件在發(fā)生相對滑動的一瞬間，摩擦系數(shù)驟然上升然后緩慢下降到一個穩(wěn)定狀態(tài)，水和海水介質(zhì)中摩擦的這種現(xiàn)象比油的現(xiàn)象要明顯，這是由于摩擦發(fā)生后的磨合階段的兩表面微凸體間的擠壓和碰撞，或者上表面微凸體對下表面的犁溝作用，使得磨合階段摩擦力較大，這一過程大約發(fā)生在100 s以內(nèi)，當(dāng)穩(wěn)定摩擦階段的時候，微凸體已經(jīng)被破壞，犁溝已經(jīng)形成，這時候摩擦系數(shù)會處于穩(wěn)定狀態(tài)，水和海水介質(zhì)中摩擦的這種現(xiàn)象比油的現(xiàn)象要明顯，因為油比水和海水更容易形成潤滑膜，由于潤滑油膜的存在使得一些較小的微凸體不會直接接觸從而大大減小磨合期的時間。從圖6a、圖6b中還可看出，在水(海水)介質(zhì)下，水的接觸角為68.21°和56.32°(海水為65.12°和54.32°)的兩條摩擦系數(shù)曲線圖在前后進(jìn)行了交叉，說明在后段的摩擦中，水接觸角為56.32°(海水為54.32°)的表面摩擦效果表現(xiàn)會更好；圖6c中，油介質(zhì)下接觸角為30.13°的表面摩擦系數(shù)曲線從最開始的最大慢慢下降到接觸角為41.33°和36.65°表面摩擦系數(shù)的下方，說明接觸角為30.13°的表面在后段的摩擦效果表現(xiàn)會更好。

由圖6還可知，所有摩擦試驗進(jìn)行到100 s以后基本進(jìn)入穩(wěn)定磨合階段，取后500 s的平均摩擦系數(shù)，每個介質(zhì)分別用4種由大到小不同潤濕性表面的下試件試驗，將最大、最小平均摩擦系數(shù)的差與最大、最小接觸角的商作為潤濕性對摩擦系數(shù)的影響因數(shù)，即：

(3)

式中，S—— 影響因數(shù)

Φ—— 最大平均摩擦系數(shù)

φ—— 最小平均摩擦系數(shù)

α—— 最大接觸角

β—— 最小接觸角

通過上式計算可得出：S水=0.00136，S海水=0.00270，S油=0.00377。由此可知，潤濕性對摩擦系數(shù)的影響在油介質(zhì)中最大，水介質(zhì)中影響最小。

2.2 磨損表面分析

試驗前后利用OLYMPUS OLS-3100奧林巴斯激光共聚焦電子顯微鏡觀測摩擦表面，該顯微鏡以405 nm 短波長半導(dǎo)體激光為光源，通過顯微鏡內(nèi)高精度掃描裝置對試件表面的二維掃描，運用共聚焦，逐層獲取試件表面二維圖像和焦面的縱向空間坐標(biāo)。經(jīng)計算機(jī)處理，將各個焦面的顯微圖像疊加，獲得試件表面的三維真實形貌。取2000目砂紙打磨的下試件為代表，取表面磨損較為嚴(yán)重的部分進(jìn)行拍照掃描，在水、海水、油介質(zhì)下試驗前后的真實表面形貌如圖7所示。

由圖7可看出，在水介質(zhì)中摩擦的下表面形成一條寬16.5 μm、深2.2 μm的犁溝；海水中的犁溝寬85 μm、深7.4 μm；油中的犁溝寬22 μm、深2.3 μm。犁溝的形成主要從兩方面考慮：一是上試件表面微凸體對下試件表面直接“犁溝”作用，二是下試件被碰撞脫落掉的微凸體顆粒對表面產(chǎn)生的二次“犁溝”作用。從犁溝尺寸數(shù)據(jù)來看，海水最大，水比油小，但通過掃描的三維表面可以看出，在油介質(zhì)中摩擦表面的犁溝兩側(cè)有2條“渠岸”，這是由于上試件微凸體對下試件表面進(jìn)行犁溝作用的時候，下試件原始表面的材料被上試件微凸體擠壓出來，從二維圖像可以看出犁溝兩側(cè)并無明顯碳纖維，由此可知在油介質(zhì)中摩擦的表面除犁溝外的其他原始表面沒有完全破壞。而水和海水介質(zhì)中摩擦表面犁溝旁邊并無明顯渠岸，從二維圖中可以看出表面的其他部分有不止一條的細(xì)小犁溝，并遍布碳纖維顆粒，這說明原始表面已被完全破壞，犁溝兩側(cè)的渠岸也被“磨平”。這是由于油比水更容易形成潤滑膜，潤滑膜的存在可以使摩擦副兩表面的間隙更大，因此在油介質(zhì)下摩擦?xí)r一些更細(xì)小的微凸體不會與摩擦表面發(fā)生直接接觸，所以油介質(zhì)下摩擦?xí)r犁溝數(shù)量也很少。且海水有一定的腐蝕性，由于磨損和腐蝕產(chǎn)生交互作用[25]，使得海水介質(zhì)下磨損要比水介質(zhì)下嚴(yán)重。

2.3 磨損量分析

通過試驗前后對下試件的稱重，相減得出磨損量，試驗前后試件磨損量如圖8所示。

磨損量的實質(zhì)就是在摩擦過程中脫落掉的微凸體顆粒以及犁溝中被“犁”出材料，所以磨損量主要是在磨合階段形成的。從圖8可以看出，3種不同介質(zhì)中，表面接觸角越大，磨損量越小，這與圖6所示摩擦系數(shù)圖吻合，可以說明，表面接觸角越大磨合階段摩擦系數(shù)越小，磨損量越小。磨損量和潤滑介質(zhì)有關(guān)，一方面，潤滑介質(zhì)黏度越大，越容易形成潤滑膜，潤滑膜越厚，磨損量越小，當(dāng)潤滑膜厚到足以把兩摩擦表面完全隔開，理論上此時磨損量將為0；另一方面，在黏度大小近乎相同的水和海水潤滑介質(zhì)下，由于海水具有一定的腐蝕性，海水潤滑下由于磨損和腐蝕同時發(fā)生作用，導(dǎo)致海水潤滑下磨損現(xiàn)象更加嚴(yán)重。油介質(zhì)下磨損量最小，其中接表面觸角為41.33°的試件磨損量最小，結(jié)合圖7c、圖7d，由于潤滑油膜的存在，有效減少摩擦副兩表面直接接觸面積，從而減少表面被破壞的概率，但又因為油的黏滯性使得摩擦副滑動阻力變大，總的來說，油介質(zhì)可以有效保護(hù)試件的壽命，但并不一定可以使效率更高。

圖7 試驗前后試件表面二維三維形貌圖像

圖8 試驗后磨損量對比圖

3 結(jié)論

(1) 此次所選材料的摩擦過程主要以磨粒磨損為主，一方面是SAF2507表面的微凸體對CFR/PEEK表面的“犁溝”作用，另一方面是由于摩擦表面的碰撞和擠壓而脫落的磨屑對CFR/PEEK表面的二次“犁溝”作用；

(2) 選取黏度更大的液壓油作為摩擦介質(zhì)可以有效減少磨粒磨損現(xiàn)象，但也會因為黏度更大而增加摩擦阻力；

(3) 在水、海水和油介質(zhì)潤滑下，接觸角最大的表面摩擦系數(shù)最小，磨損量最小。同種接觸角在3種不同介質(zhì)潤滑下，油潤滑磨損量最小，水介質(zhì)下摩擦系數(shù)小于海水。在水、海水和油介質(zhì)潤滑下，通過改變潤濕性來改善摩擦系數(shù)的試驗中，油介質(zhì)影響最大，水介質(zhì)中影響最小。