表面织构及其对摩擦学性能的影响

磨损量的变化来考量表面的摩擦学性能。
大学宋起飞等 [ 18] 通过在 铸铁 材料 刹车 毂表 面加 工凹 坑形及条纹状图 案, 通过 在 M 2000 型摩 擦磨损 试验 机上进行环块摩擦磨损试验, 得到了表 1所示的试验 数据。结果表明, 表面织构增加了材料的耐磨性和摩 擦因数, 极 大地 提高 了 刹车 毂的 制动 效 果。 D e Jong 等 [ 19] 通过在套 筒表 面加 工织 构, 结果 摩擦 力比 无织 构光滑表 面提 高了 70% 。他 们的 研 究表 明, 表 面进 行织构化, 在干摩擦条件下能够提高耐磨性, 而且会 提高摩擦力, 并不能降低摩擦因数。
传统摩擦学研究认为, 相互接触的 2个表面越光 滑磨损量越小。近年来的研 究表明 [1- 2] , 表面 并非越 光滑就越耐磨, 而是具有一定非光滑形态的表面反而 具有更好的耐磨性能。研究非光滑形态表面也就是研 究具有织构的表面。所谓表面织构 ( Su rface texture), 是指在摩擦副表面通过一定的加工技术加工出具有一 定尺寸和排列的凹坑、凹痕或凸包等图案的点阵。研 究表明 [ 3], 不同密度和不同深度的表面织构所具有的 减磨效果不同, 表面织构在改善摩擦副的摩擦学性能 方面起到了积极的作用。本文作者在介绍表面织构图 案及其加工方法的基础上, 阐述表面织构对材料摩擦 学性能的影响及机制, 总结当前表面织构研究的主要 成果, 同时对未来表面织构研究的发展趋势提出了展 望。 1 表面织构 1 1 表面织构图案
对于表面织构能够提高摩擦副的摩擦学 性能的机 制分析主要是表面织构的凹坑或凹痕能够起 到储油器 的作用 (储油器示 意图如图 9[26] 所示 ), 能够及 时使 摩擦副表 面形 成 润滑 膜, 从 而 减少 摩 擦副 的 摩 擦磨 损。润滑油对摩擦副表面的润滑作用主要是 依靠两摩
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子刻蚀对装置和环境要求较高, 表面喷丸处理控制困 难且污染 环境, 电子 束和 光 刻技 术成 本较 高。 L IGA 技术 是一 种基于 X 射线 光刻技 术的 三微结 构加 工技 术, 主要包括 X 光深 度同 步 辐射 光刻、 电铸 成型 和 注塑成型 3个工艺步骤, 加工过程比较复杂。激光加 工技术在大气环境中进行且对环境无污染, 该加工技 术能提高表面硬度, 因而激光加工技术的应用比较广 泛。激光珩磨技术在提高表面耐磨性方面已取得了显 著效果 [ 12- 14] 。 2 表面织构对摩擦学性能的影响 2 1 摩擦学性能测试方法
表 1 不同表面试样的磨损量和摩擦因数试验结果 Tab le 1 Expermi en tal results of w ear m ass and friction coefficien t for different surfaces
表面织构 光滑 凹坑 条纹状 网格状
磨损量 /m g 137 60 54 40
活塞环的摩擦 力要 小 20% ~ 25% ( 摩 擦力 与转 速关 系如图 6所示 ); 表面 织构的 图案形状、 大小及 分布 密度等对摩擦副的摩擦学性能都有着 显著影响。 U lri ka等 [ 6] 就表 面织 构对边 界润 滑条件 下滑动 接触 表面 的影响进行的研究表明, 相互接触的两物体表面的耐 磨性与物体运动方向和表面织构形状方向存在一定的 关系, 运动方向与凹痕方向平行时耐磨性最差。
表面织构图案都是同尺寸均匀分布在表面上。目 前所研 究的 表面 织 构图 案 主要 有: 鳞 片 形 [ 2] 、凸 包 形 [ 4]、圆凹 坑 形 [ 5] 和 方 凹 坑形 [ 6], 以及 条 状凹 痕 形 和网格状凹痕形 [ 7], 如图 1所示。其中主要以研究凹 坑形和凹痕形为主, 对凸包形和鳞片形的研究较少。
图 5 部分织构化的活塞环 F ig 5 Partia l textured piston r ing
表 面 织 构 还 能 够 提 高 承 载 能 力, X iao lei W ang 等 [ 24] 的研究发 现, 在小 直径 凹 坑上 再加 工一 部 分大 直径凹坑 (如图 7所示 ) , 能显著 提高临 界承载 能力 (图 8 所示为不同织构摩擦因数与载荷关系图 ) 。由图 8可以看出, 大、小不 同直径凹 坑都存 在时的承 载能 力最强, 从而说明表面织构能够提高摩擦副 的承载能 力, 而且复杂图案提高承载能力的效果更好。
摩擦因数 0 31 0 51 0 56 0 61
不同表 面织 构图 案 对摩 擦学 性 能的 影响 并 不一
样, 目 前 主 要 以 研 究 凹 坑 形 和 凹 痕 形 为 主。 U lrika 等 [ 7] 对凹痕形表面织构的研究表明, 在有润滑的条件 下, 表 面 织构 ( 如 图 1 所示 ) 能 够 减 小 摩擦 因 数, 而且网格状凹痕比条纹状凹痕减摩效果更加明显。宋 起飞等 [ 18] 对不 同表 面织 构的 研究 表明, 在 耐磨 性方 面, 凹坑状图案最好, 条纹状次之, 网格状最差。杨 卓娟等 [ 20] 研究了 凹坑直 径及 其间 距对 摩擦 学性 能的
图 2 往复式活塞环 缸套摩擦磨损试验机
F ig 2 To and for piston ring cy linder fr iction tester
2 2 对摩擦学性能的主要影响 研究表明, 合理的表面织构能够提高表面的摩擦
学性能。印度的 P radeep[ 16] 和国内的邓宝清等 [ 17] 的研 究发现, 非光滑表面织构在干摩擦条件下并不能降低 摩擦 因数, 如 图 3所 示 [ 17] 为无 表面 织构和 表面 织构 为凹坑的表面摩擦 因数和摩 擦力与 滑动周 期的 关系, 可以看出, 有织构与无织构表面的摩擦学性能没有明 显的差别。只有在有润滑剂存在的时候非光滑表面的 摩擦学性能明显优于无织构光滑表面, 如图 4所示为 Prad eep等 [ 16] 所做 试验结果的平 均摩擦因数 图。吉林
* 基金项目: 国家 973 项目 ( 2007CB607605); 国家自然科 学基金项目 ( 50475164) 收稿日期: 2008- 09- 16 作者简介: 历建全 ( 1984 ), 男, 硕士研究生 E m ai:l liqiucum t @ 163 com
图 1 表面织构图案 F ig 1 Surface texture patterns
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擦副之间产生相对运动, 从而带动润滑油 在表面形成 润滑膜, 减少两摩擦副表面的直接接触来 降低摩擦和 减少磨损。当有了凹坑或凹痕的存在 时, 在凹坑或凹 痕内就会存有润滑油, 当两摩擦副表面开 始相对运动 时, 产生了相对运动速度, 由于润滑油有 粘性就粘附 在摩擦副表面, 在表面的带动下很快在表 面形成润滑 膜, 缩短了润滑膜的形成时间, 从而起到 抗摩减磨的 作用。
目前, 研究表面织构对摩擦学性能影响的主要测 试方法有: 在 M 2000 型摩擦磨 损试 验机上 进行 的上 试件为块状, 下试 件为环 状的 摩擦 磨损 试验; 销 盘 转动摩擦磨 损试 验; 销 盘 滑动 摩擦 磨损 试验; 销 平 面与平面的往复摩擦磨 损 试验 , 以及 在 往 复 式活 塞 环 缸套摩擦磨损模拟试 验机上 进行的活 塞环 缸 套摩 擦磨损试验, 如图 2 所示 [15] 。其中 以销 盘 试验 最为 广泛。在上述摩擦磨损试验机上通过测量摩擦因数和
1 2 表面织构加工方法 对表面织 构 进行 加工 的技 术 主要 有反 应 离 子刻
蚀 [ 8] 、表面喷丸 处理 [9] 、 L IGA 技术 [ 10] 、脉冲电 弧加
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工技术 ( PAAT ) [ 11] 、 电 子 束 和 光 刻 技 术 [ 5]、 轧 压、 微机械蚀刻、化学刻蚀以及激光加工技术等。反应离
2009年 2月 第 34卷AT ION ENG INEER ING
表面织构及其对摩擦学性能的影响*
Feb 2009 V ol 34 N o 2
历建全 朱 华
(中国矿业大学机电工程学院 江苏徐州 221008)
摘要: 介绍了表面织构的图案和加工方法以及摩擦学性能的测试方法, 阐述了不同表面织构对摩擦学性能的影响及 机制, 总结了当前表面织构研究的主要成果, 并提出了未来表面织构研究需要深入开展的工作。
( Schoo l ofM echa tron ic Eng inee ring, China U nivers ity o fM ining and T echno logy, Xuzhou Jiangsu 221008, Ch ina) Abstract: Th em ain patterns and p rocess ing m ethod s o f su rface textu re, and the ma in testm ethods for tribolog ica l p rop erties were introduced. Th e in flu en ce of d ifferen t surface textu re on th e tribolog ical p roperties and action m echan ism was expounded. Th e ma in resu lts of the p resen t study of th e su rface textue w ere summ arized, th ew ork sh ou ld be gone deep in to the futu re study of th e surface texture was pu t forw ard. K eywords: surface textu re; tribo log ical p roperties; laser; friction and w ear
L Zhou等 [ 27] 的 研究 发现, 非光 滑表 面 织构 的摩 擦副比光滑无 织构摩 擦副对 润滑 剂的消 耗要 小得多, 这说明表面织构能够起到储油器的作 用, 减少润滑油 的流失。表 面凹 坑 或凹 痕 还能 够 储存 磨 损下 来 的磨 粒, 避免形成三体摩擦, 从而进一步起到 抗摩减磨的 作用。另外, 表面 条状凹 痕还 有利 于形成 动压 润滑, 进一步避免两摩擦副的直接接触从而降低 摩擦副表面 的磨损 [ 15] 。在表面 加工 凹 坑或 凹 痕之 后, 减 少 了两 接触表面的实际接触面积, 从而减少了表 面的摩擦与 磨损。对于用激光技术加工的表面织 构, 激光能够改 变表面的晶相, 使表面具有较高的硬 度, 从而使织构 能够长时间保持, 这也是激光技术应用比 较广泛的主 要原因之一。 3 结论与展望