申苗苗 高殿榮 王子朋 劉曉輝

（燕山大學機械工程學院 河北秦皇島 066004）

軸向柱塞泵由于具有工作壓力高、結(jié)構(gòu)緊湊、壽命長等優(yōu)點，被廣泛應用于航空航天、海洋工程、工程機械等領(lǐng)域［1－3］。配流副是柱塞泵中的關(guān)鍵摩擦副之一，其是由配流盤表面和高速旋轉(zhuǎn)的缸體襯板組成的滑動摩擦副，起到隔離和密封泵吸油容腔與壓油容腔作用。配流副的合理設(shè)計十分重要，在保證良好的密封，以提高泵容積效率的同時，還要保證兩端面間摩擦阻力較小，磨擦損失較少，以提高泵的機械效率和使用壽命。

研究發(fā)現(xiàn)，無論是油泵還是水泵摩擦副均會由于磨損而失效，海水泵中還存在腐蝕等問題［4－6］。國內(nèi)外許多學者從抗腐蝕耐磨損的角度出發(fā)，經(jīng)過大量的理論分析與試驗研究基本解決了配流副的配對材料問題。其中以碳纖維增強聚醚醚酮（CFRPEEK）為配流盤材料，超級雙相不銹鋼SAF2507 為缸體襯板材料組成的配流副是一種常見的形式［7］。

同時研究人員也通過改變摩擦副配對材料表面的化學成分來提高材料的抗磨能力。杜玉香等［8］通過采用不同的工藝對38CrMoAlA、LZQT500－7 兩種柱塞泵摩擦副進行處理，分析其摩擦磨損性能，發(fā)現(xiàn)38CrMoAlA 氮化后表面等離子噴涂二硫化鉬固體潤滑膜與氮化后的QT500－7 配對的磨損量更小。馬少波等［9］在鐵基材料表面制備復合黏結(jié)潤滑涂層，在干摩擦和油潤滑條件下進行摩擦磨損試驗，發(fā)現(xiàn)復合黏結(jié)潤滑涂層具有更好的減摩特性。WANG 等［10］利用噴涂技術(shù)在鋁基底上制備具有不規(guī)則微結(jié)構(gòu)的表面，并進行低表面能修飾，獲得超疏水表面，結(jié)果表明：超疏水表面接觸角越大，抗磨損性能越好。嚴誠平等［11］對錫青銅摩擦表面進行了織構(gòu)化和低表面能處理，在球－盤式摩擦磨損試驗機上的油潤滑試驗表明：低速時潤濕性薄膜極易磨損，織構(gòu)化起主導作用；高速時，低潤濕性薄膜對減阻起顯著作用；低潤濕性處理后的光滑表面和織構(gòu)表面摩擦學性能均優(yōu)于各自處理前表面。VENGATESH 和KULANDAINATHAN［12］用電化學沉積法成功制備了自潤滑超疏水的陽極氧化鋁表面，與光滑的純鋁表面相比較，這種微納米結(jié)構(gòu)的超疏水表面在摩擦過程中摩擦因數(shù)可以從0.5 降低到0.02 左右，并能保持長時間穩(wěn)定性，表現(xiàn)出較好的抗磨損性能。WANG 等［13］在Na2SiO3溶液中利用微弧氧化技術(shù)在Ti6A14V 合金表面形成陶瓷涂層，并進行非潤滑、涂抹油潤滑和油浴潤滑的微動試驗，結(jié)果表明：改性Ti6Al4V 合金在不潤滑條件下的微動摩擦因數(shù)仍高達1.0 左右，但油浴潤滑條件下微弧氧化涂層的摩擦因數(shù)顯著降低。

就目前的文獻來看，國內(nèi)外對于表面改性以提高材料的摩擦性能方面已有很多研究，但將改性后的材料相互配對并在不同潤滑條件下研究潤濕性能與摩擦之間的關(guān)系的研究較少。本文作者針對軸向柱塞泵中的配流副，選取SAF2507 雙相不銹鋼和CFRPEEK 為配對材料，對其進行低表面能處理，然后利用MMD－5A 摩擦磨損試驗機探究不同潤濕組合的配流副在不同介質(zhì)中的摩擦磨損性能，為優(yōu)化與調(diào)控表面潤濕性設(shè)計以提高摩擦學性能提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

上試樣缸體襯板材料選擇超級雙相不銹鋼SAF2507，其化學成分為（質(zhì)量分數(shù)，%）：0.03C；1.20Mn；0.8Si；0.02S；0.035P；24.0～26.0Cr；6.0～8.0Ni；3.0～5.0Mo；0.5Cu；0.24～0.32 N。主要性能參數(shù)如表1 所示。下試樣配流盤材料選擇特種高分子聚合物碳纖維增強聚醚醚酮，簡記為CFRPEEK，主要性能參數(shù)如表2 所示。

表1 雙相不銹鋼SAF2507 的性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of duplex stainless steel SAF2507

表2 CFRPEEK 的性能參數(shù)Table 2 Performance parameters of CFRPEEK

1.2 潤滑介質(zhì)的制備

試驗潤滑介質(zhì)分別為水、海水、液壓油。其中試驗所用水為蒸餾水。試驗所用海水為秦皇島渤海海域的天然海水，根據(jù)國家海洋監(jiān)測規(guī)范，測定其鹽度為2.983%，pH 值為7.2。試驗前，使用濾紙將海水中的雜質(zhì)和多余結(jié)晶鹽過濾除去，并對海水進行48 h靜置處理備用。試驗所用液壓油為L－HM46 抗磨液壓油。

1.3 不同潤濕表面的制備

將0.5 mL 的1H，1H，2H，2H—全氟癸基三甲氧基硅烷（PFOTES，97%）溶于100 mL 的無水乙醇（分析純，99.7%）中，用玻璃棒攪拌，直至液體均勻透明，得到低面能溶液。將上試樣和下試樣浸于低面能溶液中修飾2 h，取出置于100 ℃干燥箱中30 min，高溫加快反應速度的同時使試樣表面的疏水結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。取出試樣后在超聲波清洗儀中依次用丙酮、水各清洗20 min，洗去表面多余分子膜，在空氣中風干，制得具有低表面能的上／下試樣。

1.4 摩擦試驗

用600 目砂紙打磨上試樣，1 000 目砂紙打磨下試樣，至其表面均勻，采用Form Talysurf i60 粗糙度測量儀測得上試樣Ra值為0.10～0.20 μm，下試樣Ra值為0.60～0.70 μm。將試樣放入超聲波清洗儀中依次用丙酮、水各清洗20 min，在空氣中風干，部分試樣清洗完畢后用于制備低表面能試樣。采用奧林巴斯激光共聚焦顯微鏡對上下試件初始形貌進行觀測。

利用MMD－5A 多功能摩擦磨損試驗機進行摩擦試驗，圖1 所示為摩擦磨損試驗機及其試樣安裝示意圖。試驗機的右半部分為工作平臺、控制面板、顯示屏，左半部分為試件的安裝裝置。上試樣通過與上底座連接安裝在由電機帶動的主軸上，試驗開始后隨主軸做順時針轉(zhuǎn)動；下試樣通過定位銷與下底座連接固定在立柱上，由液壓缸負責軸向的升降及加載，試驗開始后不做旋轉(zhuǎn)運動。上下底座在試驗時處于裝有潤滑液的潤滑槽中，試驗前向槽中注入（320±20）mL的潤滑液，浸泡上下試樣，蓋上槽蓋，防止試驗過程中潤滑介質(zhì)的噴濺。試驗過程中由拉力傳感器和溫度傳感器采集記錄的數(shù)據(jù)，由計算機簡單處理后生成曲線顯示在屏幕上。

圖1 摩擦磨損試驗機及試樣安裝Fig.1 Friction and wear testing machine and sample installation

摩擦試驗結(jié)束后，再次對試樣進行清洗、干燥，然后進行表面形貌觀測。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 表面潤濕性能

接觸角是指在固、液、氣三相交界處，自固－液界面經(jīng)過液體內(nèi)部到氣－液界面之間的夾角，如圖2所示。將上下光滑試樣與低面能修飾試樣分別對蒸餾水、海水、L－HM46 抗磨液壓油（以下簡稱水、海水、油）做接觸角測量，進樣液滴體積為1 μL，考慮液滴滴落后在固體表面的蒸發(fā)等情況，選取6 個不同的位置測量液滴滴落20 s 時形成的形狀，取其平均值作為靜態(tài)接觸角，結(jié)果如圖3 所示。

圖2 液滴在理想平面上接觸角示意Fig.2 Schematic of the contact angle of a droplet on an ideal plane

圖3 上下試樣表面在不同液體下的接觸角Fig.3 Contact angles of upper and lower sample surfaces under different liquids

未經(jīng)修飾的上下表面水、海水、油的接觸角均小于90°，均呈現(xiàn)親水、親油性，且水與海水的接觸角差別不大，同一試樣表面水的接觸角略大于海水的接觸角，水與海水的接觸角均大于油的接觸角。

本征接觸角θ則可用楊氏方程［14］描述

式中：γSV為氣態(tài)－固態(tài)界面間的表面張力；γLV為氣－液界面間的表面張力；γSL為液態(tài)－固態(tài)界面間的表面張力；θ為液－固－氣三相平衡時的本征接觸角。

當液體的表面張力減小即γLV減小時，cosθ增大，則本征接觸角θ減?。欢?、海水、水的表面張力依次增大，故上下試樣在油、海水、水上的接觸角依次增大。

上下試樣初始表面水接觸角分別為82.7°、85.2°，海水接觸角分別為77°、82.6°，均呈現(xiàn)親水性。經(jīng)低面能溶液處理后，上下試樣水接觸角分別為108.3°、110.7°，海水接觸角分別為 107.4°、108.2°，均呈現(xiàn)疏水性。上下試樣初始表面油接觸角分別為39.9°、41.7°，呈現(xiàn)親油性，經(jīng)低面能溶液修飾后油接觸角分別為75.9°、74.6°，可見低面能溶液處理后試件表面雖仍保持親油性但其接觸角已明顯變大。

PFOTES 對上下試樣的修飾機制如圖4 所示，PFOTES 的分子式為C13H13F17O3Si，其分子末端基團－Si－OCH3會與乙醇溶液中微量的水發(fā)生水解反應生成－Si－OH 基團。該基團與上下試樣表面的－OH 基團進行脫水縮合反應后將長鏈硅烷分子修飾到試件表面，在100 ℃下保溫烘干30 min 后，在試件表面形成較為穩(wěn)定全氟甲基基團。而全氟甲基基團具有疏水性［15］，故經(jīng)低面能溶液修飾后的上下試樣接觸角明顯變大，表面成為疏水表面。

圖4 PFOTES 對上下試樣修飾機制Fig.4 Modification mechanism of samples by PFOTES

2.2 接觸角對時間的依賴性

液滴滴在上下試件上形成的固液接觸角并不是一個固定值，隨著時間的推移，接觸角也在不斷地變化。圖5 所示為3 種不同的液體介質(zhì)在原始表面和低表面能表面上固液接觸角隨時間的變化過程。試驗液滴體積為1 μL，環(huán)境溫度為20 ℃，測量時長為300 s。

圖5 固液接觸角在300 s 內(nèi)隨時間變化Fig.5 The change trend of solid－liquid contact angle with time in 300 s：（a）water contact angle；（b）seawater contact angle；（c）oil contact angle

由圖5 可以看出，水與海水接觸角的變化趨勢相似，在液滴滴落的60 s 內(nèi)接觸角迅速減??；經(jīng)低面能修飾試樣較原試樣下降速率較慢，接觸角在60 s之后依然減小，但較為緩慢；低面能修飾試樣的水／海水接觸角在300 s 內(nèi)始終高于90°；油接觸角在液滴滴落后10 s 內(nèi)接觸角迅速減小，并在30 s 內(nèi)達到穩(wěn)定，且隨著時間的延長接觸角的大小始終保持在很小的范圍內(nèi)波動。

以低面能處理下試件油接觸角為例，分析液滴滴落在固體表面后的整個過程，如圖6 所示。在進液器針頭處的被測液滴剛與被測固體表面相接觸離開針頭的0～2 s 內(nèi)，由于被測液滴的種類不同會形成不同的初始接觸角，其大小主要取決于液固界面能，如圖6（a）所示，油滴落在低面能處理下試樣上形成的初始接觸角為92.2°。在初始接觸角形成的2～60 s 內(nèi)，液滴與固體表面形成的體系能量處于不平衡狀態(tài)，液滴在自身重力、液體表面張力以及固體的粗糙表面對液滴的毛細作用的驅(qū)動下迅速鋪展、浸潤，使接觸角不斷減小，如圖6（b）所示，油滴滴落在低面能處理下試樣上10 s 時過程接觸角為74.8°。在60～300 s內(nèi)，整個體系能量趨于穩(wěn)定，液滴重力的驅(qū)動作用逐漸減弱，球形液滴表面張力產(chǎn)生的向下的壓力不斷減小，液滴的鋪展速度逐漸變慢，在固液接觸角的下降速度逐漸減小為0 后，固液接觸角會穩(wěn)定在一個固定的值，即平衡接觸角，如圖6（c）所示，油滴落在低表面能處理下試樣上300 s 時形成的平衡接觸角為62.7°。水／海水隨著時間的推移，液滴滲透與蒸發(fā)一直進行，平衡接觸角較難出現(xiàn)，如圖5（a）所示，水及海水接觸角一直在不斷減?。欢偷姆肿娱g作用力比較大，蒸發(fā)較為緩慢，接觸角較為穩(wěn)定，如圖5（c）所示。陸興等人［16］在探究去離子水及甘油在多孔銀表面固液接觸角對時間的依賴性時也發(fā)現(xiàn)了液滴滴落在表面的3 個過程，說明文中試驗液滴在固體表面上鋪展的過程具有一定的普適性。

2.3 摩擦磨損性能

摩擦磨損試驗在3 種不同的潤滑介質(zhì)下進行，每對配流副的試驗時間持續(xù)1 200 s，法向載荷為300 N，轉(zhuǎn)速為400 r／min。為探究不同潤濕組合的配流副在不同潤滑介質(zhì)下的摩擦磨損性能，設(shè)計了如表3 所示的試驗方案。每種配流副均在3 種不同潤滑介質(zhì)下進行試驗，共計12 次試驗。不同潤濕組合的配流副在水、海水、液壓油潤滑下的摩擦因數(shù)隨時間變化曲線如圖7 所示，整個摩擦過程的平均摩擦因數(shù)如圖8所示。

圖7 不同潤濕組合的配流副在不同潤滑介質(zhì)中的摩擦因數(shù)Fig.7 Friction coefficients of valve pairs with different wetting combinations in different lubricating media：（a）water lubrication；（b）seawater lubrication；（c）oil lubrication

圖8 不同潤濕組合的配流副在不同潤滑介質(zhì)下的平均摩擦因數(shù)Fig.8 Average friction coefficient of valve pairs with different wetting combinations in different lubricating media

綜合對比分析圖7、8 可以看出，水潤滑條件下a、d 2 種組合的配流副即雙親水配流副與雙疏水配流副略低于其余2 種組合的配流副，但4 種配流副摩擦因數(shù)差距較小；海水潤滑條件下d 組配流副摩擦因數(shù)最小，其平均摩擦因數(shù)較a 組配流副減小了38.2%。這是由于試樣表面水／海水接觸角越小，水／海水越容易鋪展吸附在試樣表面形成潤滑膜起到潤滑作用，故在水／海水潤滑下雙親水配流副即a 組配流副摩擦因數(shù)較低；而試樣表面接觸角越大，潤濕性能越差，水／海水越不容易吸附形成潤滑膜，雙疏水表面配流副的潤滑作用由于其表面疏水性能的增強而減弱，但疏水性也會使運動的SAF2507 與水／海水接觸的界面產(chǎn)生滑移現(xiàn)象減小黏性阻力［17］，故在水／海水潤滑下雙疏水組合配流副摩擦因數(shù)也較低。油潤滑下a 組摩擦因數(shù)最高，b、c、d 組平均摩擦因數(shù)分別較a 組減小24%、12.3%、24.4%。這是由于隨著試樣表面油接觸角的增大，試樣親油性能減弱，摩擦時的黏性阻力減小，繼而摩擦因數(shù)減小，故b、c、d 組摩擦因數(shù)均小于a 組摩擦因數(shù)。

同種組合的配流副油潤滑下的摩擦因數(shù)高于海水潤滑高于水潤滑。這是由于液壓油的黏度遠高于水和海水，摩擦時受接觸表面間的剪切應力和黏性阻力的影響較大，故摩擦因數(shù)最高。而海水主要成分為氯化鈉、氯化鎂等，氯離子的腐蝕作用與摩擦交互作用，故海水潤滑下的摩擦因數(shù)高于水潤滑下摩擦因數(shù)。

由于上下試樣磨損量較小，磨損量的測量誤差較大，為盡可能選擇較大的觀察面積對磨損區(qū)域進行全面觀測，故選擇在奧林巴斯激光共聚焦顯微鏡5 倍鏡頭下對上下試樣的磨損表面進行觀察，觀察多處磨損表面，對磨痕深度取平均值。上下試樣磨損后表面平均磨痕深度如圖9 所示。

圖9 配流副磨損后表面磨痕深度Fig.9 Depth of wear marks after matching wear：（a）upper sample；（b）lower sample

由圖9 可知，水潤滑下4 種組合的配流副上試樣表面磨痕深度依次為86.1、77.4、90、92.4 μm，下試樣表面磨痕深度依次為112、111.3、116、100 μm；不同組合配流副間表面磨痕深度差別較小。海水潤滑下4 種組合的配流副上試樣表面磨痕深度依次為70.2、68.8、93、64 μm，下試樣表面磨痕深度依次為76、110.4、88、56.1 μm；與a、b、c 3 組配流副相比，d 組配流副即雙疏水表面配流副表現(xiàn)出更優(yōu)的摩擦因數(shù)及更淺的磨痕深度。這是由于海水中的氯離子含量很大，具有較高的腐蝕性，上下試樣的鈍化膜被破壞后，腐蝕速度增加，磨損與腐蝕相互作用；而低表面能試樣表面較原始表面有一層保護膜，保護試樣基體不受傷害，故海水潤滑下d 組磨痕最小。油潤滑下上下試樣a 組磨痕深度最大，上下試樣磨痕深度分別為75.6、77.9 μm；d 組磨痕深度最小，上下試樣磨痕深度分別為60、65 μm。與摩擦因數(shù)的結(jié)果相反，同種組合的配流副水潤滑磨痕深度幾乎均高于海水潤滑磨痕深度和油潤滑磨痕深度。油介質(zhì)在形成潤滑膜的同時，厚重的油膜也對試樣表面產(chǎn)生保護作用，即液壓油在增大摩擦因數(shù)的同時減輕了表面的磨損，對摩擦有雙重作用，且隨著親油性減弱，磨痕深度變淺，即表面耐磨性能增強。

2.4 磨損表面與摩擦磨損過程分析

取c 組配流副為代表分析其在水、海水、油介質(zhì)下的摩擦磨損，c 組上下試樣在不同介質(zhì)下的宏觀磨損形貌及微觀磨損形貌如圖10—12 所示。

圖10 水潤滑下試樣磨損形貌Fig.10 Wear morphology of specimens under water lubrication：（a）upper sample macro morphology；（b）upper sample micro twodimensional morphology；（c）upper sample micro three－dimensional morphology；（d）lower sample macro morphology；（e）lower sample micro two－dimensional morphology；（f）lower sample micro three－dimensional morphology

圖11 海水潤滑下試樣磨損形貌Fig.11 Wear morphology of specimens under seawater lubrication：（a）upper sample macro morphology；（b）upper sample micro twodimensional morphology；（c）upper sample micro three－dimensional morphology；（d）lower sample macro morphology；（e）lower sample micro two－dimensional morphology；（f）lower sample micro three－dimensional morphology

從整體外觀上來看，上試樣SAF2507 上出現(xiàn)不同程度的劃痕，下試樣CFRPEEK 表面存在明顯的“拋光” 現(xiàn)象，由于在磨損過程中配流副并不是一直處于磨損狀態(tài)，磨損較輕，故上下試樣表面都產(chǎn)生了2 個磨損帶，海水潤滑下的磨損帶最為明顯。

觀察上試樣微觀表面形貌可知，SAF2507 表面在其滑動方向上產(chǎn)生了較多劃痕，原始痕跡雖未完全覆蓋，但其表面形貌被嚴重破壞，這是由于CFRPEEK潤滑相強度較低，在摩擦過程中被剪切力磨掉，而其中的CF 在擠壓下對SAF2507 會產(chǎn)生機械耕犁［18］。再觀察下試樣表面形貌可知，下試件CFRPEEK 上不太明顯的碳纖維也由于磨損變成白色亮點，海水潤滑條件下SAF2507 對CFRPEEK 的犁溝作用最大，表面犁溝狀磨痕密度最大，且犁溝深度較深，表面材料也由于黏著磨損而有所脫落，表面碳纖維亮點極其明顯。水潤滑條件下磨損較輕，磨痕寬度較小，油潤滑下磨痕最不明顯。

綜合圖7—12 分析摩擦磨損過程可知，當試驗開始后，在法向力的作用下配流副上下試件兩摩擦表面相接觸，但由于兩表面并不是絕對光滑表面，兩表面的接觸其實是兩表面上微峰之間的接觸。當上試件在主軸的帶動下做旋轉(zhuǎn)運動后，配流副之間開始產(chǎn)生相對滑動，配流副表面的微峰發(fā)生劇烈的擠壓和碰撞，硬度較大的SAF2507 嵌入到CFRPEEK 中，對其產(chǎn)生犁溝作用。油潤滑下由于厚重油膜的存在此作用較小，如圖12（c）所示，兩表面材料發(fā)生塑性流動，此階段摩擦因數(shù)較大，當CFRPEEK 表面的微峰峰頂逐漸被抹去，摩擦因數(shù)逐漸平穩(wěn)，磨合期結(jié)束。之后隨著時間的推移，摩擦副表面間的磨屑逐漸增多，磨料磨損發(fā)生，配流副間的磨損增大。當配流副間黏結(jié)點的黏結(jié)強度大于CFRPEEK 的剪切強度時，CFRPEEK 表面材料轉(zhuǎn)移到SAF2507 表面，發(fā)生黏著磨損［19］，而疏水表面本身表面自由能較低，接觸表面的黏著力較小，故雙疏水配副具有較好的減摩耐磨性能［20］。

3 結(jié)論

（1）低面能修飾可使SAF2507 與CFRPEEK 表面由親水表面轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷砻妫砻嬗徒佑|角均明顯增大，但并未形成疏油表面。

（2）隨時間的推移水和海水接觸角持續(xù)減小，液滴在上下修飾試樣表面較原試樣表面鋪展較緩慢，油接觸角會隨著時間穩(wěn)定在一定的值。

（3）同種組合的配流副其摩擦因數(shù)在油、海水、水介質(zhì)中依次減小，其磨痕深度在水、海水、油介質(zhì)中依次減小，即液壓油在增大摩擦因數(shù)的同時減輕了表面的磨損，對摩擦有雙重作用。

（4）SAF2507 與CFRPEEK 的摩擦主要以犁溝效應和黏著磨損為主，雙低表面能組合配流副能有效減小摩擦過程中的黏著磨損，表現(xiàn)出更好的摩擦性能。