杨卓娟，赵东明，尚广瑞，范丽丹

(吉林工程技术师范学院，长春 130052)

45钢光滑和非光滑试样耐磨性试验研究

杨卓娟，赵东明，尚广瑞，范丽丹

(吉林工程技术师范学院，长春 130052)

采用UMT-2微观摩擦磨损试验机，研究45钢光滑试样、机械和激光加工凹坑形非光滑试样的耐磨性。试验结果表明，在本次试验条件下，光滑试样耐磨性最差，相同尺寸和间距凹坑形激光加工试样耐磨性高于机械加工试样；且凹坑直径和间距相等时，即凹坑分布越均匀耐磨性越好；分析了激光加工试样的耐磨机理，为凹坑型非光滑表面尺寸和分布密度的选取提供了初步的试验数据。

光滑；非光滑；机械加工；激光加工；耐磨性

0 前言

在自然界中生物非光滑表面形貌普遍存在，不同的非光滑形貌往往都是为适应不同的生活环境进化形成的，工程仿生学研究方向之一是生物非光滑表面形貌特征与其功能特性之间的关系问题。近年来研究发现，生物体表不仅在形态上具有非光滑特性，而且体表单元体还具有和母体不同的物质构成非光滑结构。根据生物体表非光滑形态和结构的耐磨效应，应用到相对运动机械部件(齿轮、活塞等)表面，可以明显提高机械部件表面的耐磨性能，同时摩擦阻力和粘附力也明显减小[1-5]。

实现非光滑形貌的方法有很多，但能保证非光滑尺寸精度和形貌持久的加工方法不多，目前比较常见的是激光加工。本文进行激光和机械加工非光滑形貌耐磨性的比较研究，旨在探讨激光和机械加工非光滑形貌对耐磨性的影响。

1 试验部分

1.1 试样的设计

本试验选用凹坑形非光滑形貌，拟用磨损量大小代表试样的磨损性能。设计光滑试样1种，凹坑形非光滑试样6种(分别用激光和机械加工方法进行加工)，具体尺寸及分布情况见表1。

表1 试样的尺寸、分布及加工方法

1.2 非光滑试样的加工

试样材料为45钢，调质处理后将45钢板利用线切割加工成20 mm×10 mm×8 mm大小的矩形。在其一端面用YAG-150型数控激光加工系统和B-3V数控铣床加工出规则凹坑形非光滑形貌。

1.3 试验步骤

本试验有13种试样，为减小试验误差影响，每个试样均做3次试验，使重量取其结果的平均值。试验步骤如下：

1)为保持试样表面清洁，试验前用无水乙醇在超声波清洗器中清洗30 min，然后在清水中超声清洗15 min，干后在电子天平上称重记为磨损前质量；

2)将试样固定在UMT-2摩擦磨损试验机上，选择洛氏硬度为HRC 63、直径为4 mm的GCr15钢球作为对磨件。经预试验后对试样施加10 kg力进行对磨，每次沿摩擦表面行走3次，约90 min；

3)将磨损后的试样用无水乙醇在超声波清洗器中清洗30 min，然后在清水中超声清洗15 min，干后在电子天平上称重记为磨损后质量；

4)将试样沿垂直于激光移动方向纵向剖开，镶嵌并研磨抛光制成金相样品，经4%硝酸酒精溶液腐蚀，采用日本JSM-5310型扫描电镜(Scanning Electron)观察试样电镜组织，试验电压为25 kV，放大倍数为50～5 000倍进行磨损机理分析。

2 试验结果分析

2.1 试样的耐磨性

从图1中可以看出，13个试样中，1号未处理的光滑试样磨损后失重量最大，5号激光加工试样的磨损量最小。

图1 试样失重量曲线图

2.2 激光和机械加工试样耐磨性分析

从图2～3可以看出，在凹坑直径不变的情况下，激光加工试样比机械加工试样耐磨；随着中心距的增加，磨损量增加，但在凹坑直径和凹坑间距相同的情况下，磨损量最小，即呈现出均匀耐磨的状态。

图2 凹坑直径D=1 000 μm

2.3 激光加工试样耐磨机理分析

1)在材料方面，经激光加工的凹坑相对于基体具有更加致密的组织结构，从而导致其表面的强度和硬度增加，起到支撑载荷和抵抗磨损的作用。

图3 凹坑直径D=1 500 μm

(a)原始试样的SEM图片

(b)磨损前试样SEM图片

(c)磨损后试样SEM图片图4 试样的SEM图片

图4(a)为原始45钢试样退火状态的金相组织，为铁素体与珠光体的机械混合物，珠光体中，铁素体与渗碳体的层片间距为0.3～0.9 μm，其硬度为5～27 HRC。

图4(b)为激光加工后的试样。激光加工产生的高温超过了A1线，并且在其后快速冷却，使靠近激光加工部分材料发生相变，其转变产物为层片间距为0.1～0.3 μm的索氏体与屈氏体的混合组织，其硬度较原始珠光体得到提高，其幅度最高可达59%。表明在激光加工过程中，临近加工部分的材料硬度得到了提高，从而其耐磨能力获得提高。

图4(b)还表明，由于激光局部加工引起的金相组织的变化呈逐渐减弱的趋势，沿着加工部分的边缘已远，铁素体与渗碳体层片间距逐渐恢复到了原始试样的金相组织级别。这种变化预示整个激光加工过的试样在各个部位的耐磨能力是变化的，越是靠近加工部分，硬度越高，耐磨性也越强。

图4(c)为激光加工后经过了磨损的试样表面金相组织。图中显示，在磨损过程中，晶粒中珠光体层片发生了扭曲，带来了高度形变。由于在磨损过程中，并没有发生相变，因此，晶粒的扭曲属于冷塑性变形，并产生了加工硬化，由此提高了耐磨能力。

2)在结构方面，激光加工试样在磨损过程中能够减少试样表面与对磨件的接触面积，从而有效减少了磨损；同时凹坑表面结构使得试样的表观接触面积增加，有利于磨损过程中摩擦热的释放。

3)在形态方面，激光加工试样表面单元体在磨损过程中，可以使部分磨粒的摩擦状态从滑动摩擦变为滚动摩擦，从而大大减轻了磨粒对材料表面的划伤和犁沟作用，也提高了耐磨性。

3 结语

1)从光滑、激光加工、机械加工试样的磨损试验中，发现激光加工试样的耐磨性能最优，其次是机械加工试样，未经加工的光滑平面试样耐磨性最差。

2)在一定范围内，随凹坑直径的增加，耐磨性增加；非光滑表面形貌越均匀，耐磨性越好。

3)机械加工试样耐磨性没有激光加工试样耐磨性好，是因为机械加工试样仅仅有结构和形态两因素的耦合对耐磨性起作用，而激光加工试样由于激光的强化作用，试样在磨损过程中非光滑材料、结构和形态3个因素耦合对其耐磨性产生综合影响，使其耐磨性达到最佳状态。

[1] 李瑞峰.仿生耦合钻杆接头及仿生耐磨带的试验研究[D].长春：吉林大学，2013.

[2] 许小侠.基于逆向工程学的仿生非光滑齿轮表面耐磨性研究[D].长春：吉林大学，2004.

[3] 王再宙，韩志武,任露泉.激光处理非光滑凸包表面的耐磨性试验[J].吉林大学学报：工学版，2002，32(2):45-48.

[4] 邓宝清，任露泉,苏岩，等.模拟活塞缸套摩擦副的仿生非光滑表面的摩擦学研究[J].吉林大学学报：工学版，2004，34(1):79-84.

[5] 杨卓娟，刘文成.W9Cr4V高速钢非光滑表面耐磨性正交设计试验研究[J].吉林工程技术师范学院学报，2012，28(2):78-80.

The Experimental Study on Wear Resistance of 45 smooth and non-smooth steel specimens

YANG Zhuo-juan，et al.

(JilinEngineeringNormalUniversity，Changchun130052，China)

The wear resistance of the 45 smooth steel specimens，and non-smooth specimens produced in the machines and the laser texturing concave have been studied by adopting UMT-2 micro friction experiment machine.The experiment results show that under this experimental condition，the wear resistance of smooth specimens is the worst.With the same sizes and spaces，the wearing resistance of the specimens formed in laser texturing concave is higher than the machining；and under the sample diameters of the concaves，the more even distribution of the concaves，the better wearing resistance.The wear mechanism of the specimens formed by the laser texturing have been analyzed to provide a preliminary experiment date for the selection of concaved non-smooth surface size and density distribution.

smooth；non-smooth；machining；laser texturing；wear resistance

2017-05-07

吉林省教育厅科研项目(吉教科合字[2014]第412号)

杨卓娟(1964-)，女(汉)，河北丰润，博士，教授 主要研究工程仿生。

10.3969/j.issn.1009-8984.2017.02.010

TH117

A

1009-8984(2017)02-0044-03