表面织构及其对摩擦学性能的影响_资料下载.pdf
《表面织构及其对摩擦学性能的影响_资料下载.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《表面织构及其对摩擦学性能的影响_资料下载.pdf（5页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
lliqiucumt163?
com?
表面织构及其对摩擦学性能的影响*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。
关键词:
表面织构;
摩擦学性能;
激光;
摩擦磨损中图分类号:
TH117?
1?
文献标识码:
A?
文章编号:
0254-0150（2009）2-094-4SurfaceTextureandItsInfluenceonTribologicalPropertiesLiJianquan?
ZhuHua（SchoolofMechatronicEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,XuzhouJiangsu221008,China）Abstract:
Themainpatternsandprocessingmethodsofsurfacetexture,andthemaintestmethodsfortribologicalprop?
ertieswereintroduced.Theinfluenceofdifferentsurfacetextureonthetribologicalpropertiesandactionmechanismwasexpounded.Themainresultsofthepresentstudyofthesurfacetextueweresummarized,theworkshouldbegonedeepintothefuturestudyofthesurfacetexturewasputforward.Keywords:
surfacetexture;
tribologicalproperties;
laser;
frictionandwear?
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（Surfacetexture）,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。
表面织构1?
表面织构图案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1?
表面织构图案Fig1?
Surfacetexturepatterns1?
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、LIGA技术10、脉冲电弧加工技术（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。
LIGA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。
表面织构对摩擦学性能的影响2?
摩擦学性能测试方法目前,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;
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磨损量的变化来考量表面的摩擦学性能。
图2?
往复式活塞环?
缸套摩擦磨损试验机Fig2?
To?
and?
forpistonring?
cylinderfrictiontester2?
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Pradeep16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Pradeep等16所做试验结果的平均摩擦因数图。
吉林大学宋起飞等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。
DeJong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。
表1?
不同表面试样的磨损量和摩擦因数试验结果?
Table1?
Expermientalresultsofwearmassandfrictioncoefficientfordifferentsurfaces表面织构磨损量/mg摩擦因数?
光滑1370?
31凹坑600?
51条纹状540?
56网格状400?
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。
Ulrika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952009年第2期历建全等:
表面织构及其对摩擦学性能的影响影响,发现凹坑直径及其间距越大,耐磨性越好。
PAndersson等21对微凹坑深度以及在表面的分布密度和凹坑的直径进行研究发现,在高粘度油润滑条件下,凹坑在深空穴、低密度、小开口条件下的摩擦学性能得到最大程度的提高。
王再宙等22的研究发现,凸包的间距对耐磨性有着显著的影响,而凸包的高度对耐磨性影响不大。
GRyk和IEtsion23研究发现,部分织构化活塞环（如图5所示）的摩擦力比普通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。
Ulri?
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。
图5?
部分织构化的活塞环Fig5?
Partialtexturedpistonring?
表面织构还能够提高承载能力,XiaoleiWang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。
另外,戴振东等25通过对仿生摩擦学的研究发现,仿生沙鱼表面的V形肋条结构和仿生荷叶的表面织构能够起到减小流固界面阻力的作用,效果比较明显,但是对于仿生表面织构的制造技术方面存在一定的困难。
3?
机制分析图9?
凹坑作为储油器作用的示意图Fig9?
Sketchmapofdmipleactsasoilreservoirs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926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96润滑与密封第34卷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。
LZhou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。
结论与展望目前对表面织构的研究已经表明:
（1）表面织构在干摩擦条件下能够提高材料的耐磨性和摩擦因数,而在有润滑剂存在的条件下能够起到提高耐磨性和降低摩擦因数的作用。
（2）表面凹坑或凹痕能够起到储油器的作用,能够减少润滑油的使用量,并且能缩短润滑膜的形成时间,从而减少摩擦副的磨损,降低摩擦副的摩擦因数。
（3）表面织构图案形状、大小以及分布密度对摩擦副的摩擦学性能都有着显著影响。
（4）表面织构能够起到提高承载能力的作用。
（5）目前的表面织构研究主要以比较简单的凹坑和凹痕图案为主,还缺少对复杂表面织构图案和仿生图案的深入研究,同时对表面织构的设计缺少理论依据。
笔者认为,未来应着重从以下几方面开展对表面织构的研究:
（1）对表面织构提高摩擦表面摩擦学性能进行理论研究,并根据摩擦副的运行环境、工况条件和运动方式设计理想的表面织构图案,从而最大程度地提高其摩擦学性能。
（2）对复杂表面织构图案进行深入研究。
如开展对不同尺寸、不同形状和不同密度的复合表面织构的研究,尤其是对多尺度表面织构图案的研究。
（3）对仿生表面织构进行深入研究。
研究生物表面织构的作用机制、测试方法和仿生设计方法。
（4）研究表面织构加工技术。
对于所设计的表面织构,尤其是复杂、多尺度和仿生表面织构,需要研发出有效的加工技术和加工设备。
参考文献?
BharatBhushan.摩擦学导论M.葛世荣,译.北京:
机械工业出版社,2007.?
韩志武,任露泉,刘祖斌.激光织构仿生非光滑表面抗磨性能研究J.摩擦学学报,2004,24（4）:
289-293.?
王晓雷,王静秋,韩文非.边界润滑条件下表
升级会员 