織構(gòu)對(duì)表面摩擦性能的影響機(jī)制

織構(gòu)對(duì)表面摩擦性能的影響機(jī)制

納米技術(shù)的出現(xiàn)創(chuàng)造了技術(shù)革命的新時(shí)代。與此同時(shí),世界在能源、航空航天、運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域仍然面臨著效率、可靠性和耐久性的挑戰(zhàn)。1999年美國(guó)能源部披露:美國(guó)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)減少摩擦與磨損,每年可節(jié)約1200億美元。摩擦與磨損仍然是影響世界經(jīng)濟(jì)的重要因素。減小摩擦提高能源效率始終是摩擦學(xué)工作者追求的目標(biāo)。近半個(gè)多世紀(jì)以來,科學(xué)家們?cè)诳諝鈩?dòng)力學(xué)、減摩和耐磨材料、表面鍍層、潤(rùn)滑油和減摩添加劑方面已取得巨大進(jìn)展。相對(duì)而言,摩擦副表面的物理和化學(xué)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)仍是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。表面織構(gòu)(Surfacetexture),即在摩擦面上加工出具有一定尺寸和排列的凹坑或微小溝槽的點(diǎn)陣,已經(jīng)被證明是改善表面摩擦學(xué)特性的一個(gè)有效手段。表面織構(gòu)的利用已有悠久的歷史。如滑動(dòng)軸承軸瓦上人為的“刮痕”;發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸壁上45°傾斜的加工條紋;以及高爾夫球上的淺坑都是降低摩擦的有效手段。激光、微小磨粒噴射以及MEMS等現(xiàn)代加工技術(shù)的發(fā)展,使得對(duì)不同材質(zhì)表面微米甚至納米尺度表面織構(gòu)的精確加工成為可能,為表面織構(gòu)的應(yīng)用拓展了全新的空間。1991年Ranjan在計(jì)算機(jī)硬盤盤片的起動(dòng)停止區(qū)(Start/stopzone)采用激光技術(shù)加工了由直徑20μm,深10nm左右的凹坑組成的點(diǎn)陣,成功地降低了盤片與磁頭的吸附力,減小了摩擦,延長(zhǎng)了使用壽命。2000年本田公司采用微小陶瓷球高速噴射的方法處理活塞的摩擦面。該方法形成的隨機(jī)分布的凹坑(Microdimple,直徑200μm,深數(shù)微米)呈現(xiàn)出明顯的減摩效果,僅此處理一項(xiàng),就降低發(fā)動(dòng)機(jī)整體機(jī)械損失達(dá)2.2%。就機(jī)制而言,人們研究最為充分的是流體動(dòng)壓潤(rùn)滑機(jī)制。即每個(gè)微小形貌都可以認(rèn)為是一個(gè)微小的流體動(dòng)壓潤(rùn)滑軸承,在相對(duì)滑動(dòng)過程中產(chǎn)生額外的流體動(dòng)壓力,從而促進(jìn)表面流體潤(rùn)滑的形成,增加表面的承載能力。實(shí)驗(yàn)已證明,在相對(duì)高速輕載的接觸條件下,表面織構(gòu)的流體動(dòng)壓效果明顯。本文作者曾對(duì)水潤(rùn)滑下碳化硅陶瓷的承載能力及表面織構(gòu)的影響進(jìn)行過系統(tǒng)的研究。通過實(shí)驗(yàn)獲得的表面織構(gòu)特征參數(shù)對(duì)承載能力的影響規(guī)律與按流體動(dòng)壓理論得到的理論分布呈現(xiàn)類似的趨勢(shì),說明即使在水潤(rùn)滑條件下,通過表面織構(gòu)獲得的流體動(dòng)壓潤(rùn)滑效果是顯著的。在非液體潤(rùn)滑的條件下,表面織構(gòu)的工作機(jī)制包括:容納磨損顆粒,減少由于磨粒耕犁作用而產(chǎn)生的高摩擦;以及在硬盤和微小機(jī)電系統(tǒng)等場(chǎng)合,減少表面的接觸面積,從而降低兩表面間表面力的作用等。邊界潤(rùn)滑條件下表面織構(gòu)的作用及其工作機(jī)制是近年來人們開始關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn)。在相對(duì)低速重載條件下,兩表面間的流體動(dòng)壓效果無(wú)足輕重,而接觸表面間的邊界摩擦特性決定著整體的摩擦特性。由于邊界潤(rùn)滑條件下的摩擦因數(shù)較高,且許多大型機(jī)械的摩擦副工作于這種狀態(tài),實(shí)現(xiàn)邊界潤(rùn)滑條件下摩擦特性的改善具有重要意義。目前針對(duì)邊界潤(rùn)滑條件下的表面織構(gòu)的研究還處于起步階段,對(duì)于邊界條件下織構(gòu)的潤(rùn)滑機(jī)制,最一致的認(rèn)識(shí)是織構(gòu)可以作為潤(rùn)滑液的存儲(chǔ)空間,在需要時(shí)為周圍的接觸面提供潤(rùn)滑。但對(duì)于什么是織構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù),目前還沒有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。本研究作者利用納米壓痕儀進(jìn)行了金屬表面的織構(gòu)加工,對(duì)“劃痕”狀織構(gòu)及其摩擦學(xué)特性進(jìn)行了初步研究。1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)1.1盤狀試驗(yàn)件的制備為控制實(shí)驗(yàn)條件為邊界潤(rùn)滑或以邊界潤(rùn)滑為主的混合潤(rùn)滑,采用鋼球?yàn)樯显囼?yàn)件,盤狀試樣為下試驗(yàn)件。摩擦試驗(yàn)在改裝后的四球試驗(yàn)機(jī)上完成,試樣的接觸條件如圖1所示,球在垂直載荷的作用下與下面3個(gè)盤狀試樣接觸,球受驅(qū)動(dòng)繞垂直軸轉(zhuǎn)動(dòng)。上試樣為25級(jí)ANSIE-52100鋼球,直徑12.7mm,硬度HRC64～66。下試樣為52100鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理,直徑6.35mm,厚度2.5mm。為避免點(diǎn)接觸產(chǎn)生劇烈的磨損,盤狀試驗(yàn)件上的接觸點(diǎn)在試驗(yàn)前進(jìn)行了球面化預(yù)磨,如圖1所示。球面接觸區(qū)的直徑為0.5mm左右。1.2表面織構(gòu)的加工利用Hysitron公司的納米壓痕儀進(jìn)行了本研究中表面織構(gòu)的制作。通過控制金剛石壓頭的垂直力以及押頭的橫向運(yùn)動(dòng)距離,可使金剛石壓頭在試樣表面產(chǎn)生如圖2所示的劃痕。劃痕深度和寬度可通過垂直力控制,其長(zhǎng)度由橫向運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度控制。通過位置編程可在試樣表面加工出按一定規(guī)則排列的“劃痕”的點(diǎn)陣,即為本研究的織構(gòu)。采用納米壓痕儀制作表面織構(gòu)的原因是:(1)已有實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,凹坑的深度與直徑的比值是影響其摩擦學(xué)特性的重要參數(shù),采用此方法可有效控制幾何參數(shù)。(2)采用劃痕法可以在不增加深度的前提下增大凹坑的面積。實(shí)驗(yàn)中制作了5種具有不同深度和密度的織構(gòu)。表1列出了其深度,間隔以及織構(gòu)的標(biāo)識(shí)符。如果設(shè)T11和T13的織構(gòu)密度(單位面積內(nèi)的劃痕數(shù))為D,則T22的密度為2D,T31、T33的密度為4D。采用輕質(zhì)礦物油作為潤(rùn)滑劑,其40℃時(shí)的運(yùn)動(dòng)粘度為25.1mm2/s。為防止劇烈磨損,減少磨損對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響,在潤(rùn)滑油中加入2%的抗磨添加劑和1%的抗氧化添加劑。1.3轉(zhuǎn)速作用下轉(zhuǎn)速對(duì)摩擦特性的影響試樣的跑合及測(cè)試過程如圖3所示。試樣從500r/min開始旋轉(zhuǎn),1min之內(nèi)加載至試驗(yàn)值,運(yùn)行5min作為跑合,然后在500r/min(0.19m/s),1500r/min(0.54m/s),2500r/min(0.95m/s),3500r/min(1.33m/s)每一個(gè)轉(zhuǎn)速停留1min記錄摩擦力。實(shí)驗(yàn)中,依次在100,200和300N的垂直載荷下,重復(fù)上述過程以測(cè)得不同載荷和轉(zhuǎn)速條件下的摩擦特性。在垂直載荷為100,200和300N時(shí),球與下試驗(yàn)件的平均接觸壓力分別為203,407和610MPa。2結(jié)果與討論實(shí)驗(yàn)得到的不同載荷和轉(zhuǎn)速條件下的摩擦因數(shù)曲線如圖4所示。2.1邊界潤(rùn)滑特性在500r/min下,無(wú)織構(gòu)表面的摩擦因數(shù)在0.09～0.1之間,表明表面接近邊界潤(rùn)滑狀態(tài),邊界潤(rùn)滑的特性決定著總體的摩擦特性。隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加,所有表面的摩擦因數(shù)均有所下降,顯示出隨著速度的增加,由于相對(duì)滑動(dòng)產(chǎn)生的流體動(dòng)壓效果逐漸加強(qiáng),導(dǎo)致實(shí)際接觸面積逐漸減少。無(wú)論有無(wú)織構(gòu),所有摩擦因數(shù)隨速度的下降率幾乎相同,顯示出對(duì)所有表面,速度的影響程度沒有明顯區(qū)別。2.2其他織物的減摩效果同無(wú)織構(gòu)表面相比,本研究中有一種織構(gòu)T13(低密度,500nm深)的摩擦因數(shù)有所上升,其余4種織構(gòu)具有顯著的減摩效果。其中以T11(低密度,125nm深)的減摩效果最為顯著。在100N、3500r/min條件下,與無(wú)織構(gòu)表面相比,降低摩擦因數(shù)達(dá)45%,在300N、500r/min的低速重載條件下,其摩擦因數(shù)的降低幅度仍達(dá)18%左右。2.3表面織構(gòu)對(duì)摩擦學(xué)性能的影響圖5為轉(zhuǎn)速為500r/min、載荷分別為100和300N條件下,各織構(gòu)表面的摩擦因數(shù)降低率。對(duì)T11而言,在100N載荷下,表面織構(gòu)可導(dǎo)致摩擦因數(shù)降低37%,但當(dāng)載荷增加至300N時(shí),T11的減摩效果下降至18%。T13,T22,T31與T11類似,減摩效果下降1/2左右。顯示出在高接觸壓力條件下利用表面織構(gòu)降低摩擦的難度要高于低接觸壓力條件。與此相比,高密度,500nm深的織構(gòu)T33在100N、500r/min時(shí)的減摩效果為11.2%,在300N時(shí),仍達(dá)到10.1%,顯示出不同深度和密度的組合產(chǎn)生的不同效果。2.4表面粗糙度化對(duì)減摩效果的影響在本實(shí)驗(yàn)條件下表面織構(gòu)可能的工作機(jī)制包括:(1)隨表面的磨損或變形,凹坑的體積縮小而凹坑中存儲(chǔ)的油液被擠出,從而形成擠壓膜;(2)在相對(duì)滑動(dòng)過程中,存儲(chǔ)在凹坑中的油液在摩擦力的驅(qū)動(dòng)下流出凹坑,從而形成對(duì)周圍表面的潤(rùn)滑;(3)織構(gòu)的加工增加了接觸面的粗糙度,特別是“劃痕”兩邊的飛邊會(huì)在一定程度上增加摩擦。對(duì)T11而言,凹坑的深度最小,凹坑的體積亦為最小。所以,由于磨損或變形引起的凹坑的體積變化率最大,由此產(chǎn)生的擠壓膜效應(yīng)可能是其最佳減摩效果的主要原因。但隨試驗(yàn)過程的磨損,凹坑逐漸消失,如圖6所示。所以在300N載荷下,其減摩效果明顯小于100N載荷的效果。對(duì)于T33而言,凹坑的深度和密度均為本實(shí)驗(yàn)中最大。一方面,凹坑中的油液可為接觸面提供良好的潤(rùn)滑。另一方面,由于表面粗糙化引起的摩擦的升高也應(yīng)高于其它試樣。所以,在500r/min、100N條件下,其減摩效果并不比其它織構(gòu)顯著。但當(dāng)載荷增至300N時(shí),凹坑的飛邊由于磨損而消失,而其油液的存儲(chǔ)能力開始顯示出潤(rùn)滑效果,所以在其它織構(gòu)存在減摩效果明顯降低的同時(shí),T33仍保持著10%的減摩效