表面織構(gòu)化對摩擦學性能影響的研究進展

(新疆大學機械工程學院，烏魯木齊 830047)

0 引 言

摩擦磨損是機械系統(tǒng)中普遍存在的問題，約2/3工程材料損失量和80%機械零部件失效事故都是由摩擦磨損造成的[1]。據(jù)統(tǒng)計，英國、美國、日本、德國等發(fā)達國家每年因摩擦磨損而造成的經(jīng)濟損失占國民生產(chǎn)總值的1%2%。我國的情況更加不容樂觀，每年因摩擦磨損造成的直接經(jīng)濟損失高達3 270億元，由摩擦磨損帶來的間接經(jīng)濟損失更是無法估量[2]。此外，摩擦磨損造成的大量材料損失成為我國建立資源環(huán)境友好型社會，實現(xiàn)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的攔路虎。因此，大力發(fā)展減磨技術(shù)，提高機械零件的使用壽命成為研究者關(guān)注的重點。

1966年，HAMILTON等[3]打破了傳統(tǒng)認知上的潤滑理念[4]，率先指出摩擦副表面的微凹坑能夠在潤滑條件下產(chǎn)生流體動壓效應，進而提高摩擦副表面的耐磨性能。近二十年來，研究者從大自然中獲得啟發(fā)，逐步認識到非光滑表面的優(yōu)異性能。仿生學研究發(fā)現(xiàn)：荷葉表面有序排列的凸起微結(jié)構(gòu)賦予其“出淤泥而不染”的自清潔能力；海豚和鯊魚表皮的菱形凸起結(jié)構(gòu)能夠幫助其減小水下流體阻力，降低游行過程產(chǎn)生的噪聲；土壤動物(蚯蚓、螻蛄、蟑螂等)體表規(guī)則的凸起或凹坑結(jié)構(gòu)可以大大減小其在土壤中穿行時的摩擦力[5-7]。隨著仿生學研究的深入，表面織構(gòu)技術(shù)應運而生；該技術(shù)是通過微細加工技術(shù)在材料表面加工出具有一定幾何形貌與尺寸，且排列規(guī)律的圖案，從而改善材料表面摩擦學性能的新型表面改性技術(shù)。表面織構(gòu)因其在改善材料摩擦學性能方面的突出優(yōu)勢，而在機械摩擦配副中發(fā)揮著重要作用。為了給相關(guān)研究人員提供參考，作者對表面織構(gòu)的加工技術(shù)，不同工況下表面織構(gòu)的減磨機理，以及表面織構(gòu)形貌及其幾何參數(shù)對耐磨性能的影響等方面的研究進展進行了綜述。

1 表面織構(gòu)的加工技術(shù)

1.1 傳統(tǒng)加工技術(shù)

傳統(tǒng)的表面織構(gòu)加工技術(shù)主要有反應離子刻蝕技術(shù)、噴丸技術(shù)、機械壓刻技術(shù)、電解加工技術(shù)、珩磨加工技術(shù)等。WANG等[8]采用反應離子蝕刻技術(shù)在摩擦副表面加工出分布均勻的微凹坑圖案，提高了試樣表面的耐磨性能。UEHARA等[9]采用噴丸技術(shù)在氮化硅陶瓷表面加工出凹坑織構(gòu)，使得在油潤滑條件下試樣表面的耐磨性能得到顯著提高。李凱凱[10]利用電解加工技術(shù)在缸套表面加工出均勻密度、變密度和復合密度三種形式的織構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在充分潤滑情況下，面積率(織構(gòu)化區(qū)域面積在整個試樣表面的占比)為10%的復合密度型表面織構(gòu)化試樣表現(xiàn)出最優(yōu)的減磨效果。CHO等[11]采用微型數(shù)控機械加工技術(shù)在聚甲醛表面加工凹坑織構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在潤滑條件下面積率為10%的織構(gòu)化表面的摩擦因數(shù)最低，為光滑表面的50%。

反應離子刻蝕技術(shù)和機械壓刻技術(shù)的加工精度高，但前者需要輔助設備，后者工藝復雜且壓刻表面的金剛石易剝落，這些都會導致加工成本升高，因此這兩種技術(shù)均不適合大批量加工零件。噴丸技術(shù)和電解加工技術(shù)雖然具有設備簡單、加工成本低等優(yōu)點，但電解加工后有廢液產(chǎn)生，特殊氣氛下的噴丸技術(shù)會對環(huán)境造成污染，這與我國提倡的綠色可持續(xù)發(fā)展目標不符。珩磨加工技術(shù)雖然具有加工效率高的優(yōu)點，但在加工過程中材料之間相互擠壓，甚至會產(chǎn)生材料剝落現(xiàn)象，因此不適用于加工精度要求較高的零件。

1.2 激光加工技術(shù)

激光加工技術(shù)作為一種新興的表面織構(gòu)加工技術(shù)，具有加工精度高、加工效率快、無污染、與零件非接觸等優(yōu)點，迅速成為表面織構(gòu)加工領(lǐng)域最受歡迎的方法之一[12]。其中，飛秒激光(超短脈沖激光)加工技術(shù)的優(yōu)勢更為顯著[13-14]。飛秒激光照射到材料表面時，表面局部溫度在很短的時間內(nèi)急速升高，使材料直接蒸發(fā)；同時，由于脈沖時間在飛秒級別，材料內(nèi)部完成熱傳導所需要的時間遠大于材料蒸發(fā)的時間，因此熱影響區(qū)非常小，加工出的織構(gòu)形狀規(guī)整、尺寸精準。FATIMA等[15]通過飛秒激光技術(shù)在刀具上加工出微溝槽織構(gòu)，并通過正交試驗法對AISI4140鋼進行干式切削試驗，發(fā)現(xiàn)與非織構(gòu)化刀具相比，切削時織構(gòu)化刀具前后刀面的摩擦因數(shù)分別減小了17%，18%。董光能等[16-17]采用激光織構(gòu)化技術(shù)在TiNi合金表面構(gòu)造了規(guī)則的微凸表面形貌，發(fā)現(xiàn)織構(gòu)化TiNi合金的摩擦因數(shù)可降至0.1以下。

2 表面織構(gòu)的減磨機理

2.1 干摩擦條件下的減磨機理

在干摩擦條件下，零件凸起部位最先剝落而形成磨屑；若未及時清理，隨著摩擦副的相對運動，磨屑很容易在接觸面上形成犁溝，破壞表面形貌。表面織構(gòu)作為一個天然的“存儲器”可以收集磨屑，減少磨屑對基體的二次磨損[18]。SUGIHARA等[19]采用飛秒激光加工技術(shù)在硬質(zhì)合金刀具上加工微凹坑和溝槽織構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在干式切削條件下刀具表面織構(gòu)會附著磨屑，且刀具表面磨痕很少。連峰等[20]研究表明，在干摩擦條件下點陣狀織構(gòu)試樣的摩擦因數(shù)比光滑試樣的小，直線織構(gòu)試樣和網(wǎng)格織構(gòu)試樣的摩擦因數(shù)則比光滑試樣的大，這是因為點陣狀織構(gòu)在摩擦過程中更能有效捕獲磨屑，從而提高試樣的耐磨性能。表面織構(gòu)除了可捕獲磨屑外，還可以提高基體的硬度。宋起飛等[21]研究發(fā)現(xiàn)，采用激光加工方法在鑄鐵上加工出織構(gòu)后，其表面硬度高于基體的，織構(gòu)的存在相當于在基體中增加了硬質(zhì)強化點，即在基體中添加了增強相，從而導致硬度提高，因此耐磨性也隨之提高。韓志武等[22]用激光重熔技術(shù)在軋輥模型試樣表面加工出凹坑形、波紋形、凸包型和鱗片形等4種仿生微織構(gòu)，發(fā)現(xiàn)仿生微織構(gòu)試樣的耐磨性能均優(yōu)于光滑試樣的，這與激光加工后試樣表面重熔區(qū)形成微細的萊氏體組織有關(guān)。綜上可知，干摩擦條件下表面織構(gòu)的減磨機理主要歸結(jié)為：織構(gòu)存儲磨屑，減少二次磨損；織構(gòu)處的硬度高于基體的(相變硬化)，導致耐磨性也隨之提高。

2.2 潤滑條件下的減磨機理

2.2.1 高速輕載工況

在高速輕載工況下，流體動壓效應是微凹坑織構(gòu)具有減磨效果的主要原因。流體動壓理論的早期發(fā)現(xiàn)得益于推力軸承的試驗研究，在該研究中發(fā)現(xiàn)具有一定表面粗糙度的平行表面的潤滑性能更好[23-26]。王素華等[27]研究發(fā)現(xiàn)，在潤滑條件下磨損時可將表面織構(gòu)看作微小流體動壓軸承，可在摩擦副表面產(chǎn)生流體動壓膜，從而減小摩擦因數(shù)，達到減磨效果。吳澤等[28-29]采用激光加工技術(shù)在硬質(zhì)合金刀具前刀面易磨損處加工出橢圓形微溝槽，在微溝槽內(nèi)填充固體潤滑劑后對TC4鈦合金進行切削試驗，發(fā)現(xiàn)該自潤滑刀具在改善刀/屑界面的潤滑狀態(tài)的同時，還能顯著降低切削過程中的切削力和切削溫度，從而提高刀具的使用壽命。在高速輕載工況下，摩擦副兩接觸面間的潤滑劑會產(chǎn)生流體動壓膜，可有效防止摩擦副的直接接觸，從而減小摩擦因數(shù)，因此材料的耐磨性能提高。

2.2.2 低速重載工況

在低速重載工況下，摩擦副表面的相對運動速度較小而載荷過大，兩接觸面間難以形成流體動壓膜，因此摩擦副會直接接觸，此時材料的摩擦性能是由接觸面的邊界特性決定的。摩擦副在較大載荷的作用下互相擠壓，導致表面發(fā)生塑性變形[30]，使得存儲在織構(gòu)中的潤滑劑因周圍材料變形而被擠出；此時的織構(gòu)就相當于一個微型油泵，可實現(xiàn)對摩擦副的“二次供油”[8]，有效避免材料變形、剝落甚至咬合，從而改善接觸面的潤滑狀況，起到減磨的作用。劉一靜等[31]利用電解加工技術(shù)在發(fā)動機活塞裙部加工出具有不同直徑和深度的凹坑結(jié)構(gòu)，并在不同載荷和轉(zhuǎn)速下進行摩擦磨損試驗，發(fā)現(xiàn)當載荷為800 N，轉(zhuǎn)速為200 r·min-1時，直徑為250 μm，深度為5 μm的織構(gòu)表現(xiàn)出最佳的減磨效果。GRABON等[32]研究表明，微凹坑與珩磨網(wǎng)紋相結(jié)合的織構(gòu)可明顯降低缸套-活塞環(huán)摩擦副在低速重載工況下的摩擦因數(shù)。魏曉鳳[33]研究表明，用激光加工技術(shù)在人工髖關(guān)節(jié)材料表面制備微納結(jié)構(gòu)后，摩擦副在低速重載工況下的摩擦因數(shù)減小。綜上可知，在低速重載工況下，摩擦副接觸面間不會產(chǎn)生流體動壓效應，減磨主要依靠表面織構(gòu)對摩擦副的“二次供油”。

3 表面織構(gòu)形貌和幾何參數(shù)對摩擦學性能的影響

3.1 織構(gòu)形貌的影響

研究表明，只有選擇合適的織構(gòu)形貌和幾何參數(shù)，才能使表面織構(gòu)發(fā)揮出最優(yōu)的減磨效果[18-19]。在研究初期，受限于單一的制備技術(shù)和匱乏的理論知識，凹坑和溝槽是研究者重點研究的織構(gòu)形貌。近幾十年來，得益于仿生學的發(fā)展以及加工方法的日益完備，表面織構(gòu)形貌越來越豐富，主要包括圓形凸起、網(wǎng)格、波紋、六邊形凸起等。

織構(gòu)形貌對摩擦學性能有較大的影響，即使在織構(gòu)面積、深度和面積率相同的情況下，不同形貌織構(gòu)產(chǎn)生的流體動壓膜的承載能力也不同，但是不同形貌織構(gòu)的減磨機理目前尚未達成統(tǒng)一。于海武等[34]在織構(gòu)面積、深度和面積率相同的情況下，對圓形、正方形和橢圓形凹坑織構(gòu)的減磨效果進行對比，發(fā)現(xiàn)橢圓形凹坑織構(gòu)表現(xiàn)出最優(yōu)的減磨效果，正方形凹坑織構(gòu)的次之，圓形凹坑織構(gòu)的最差。宋起飛等[20]在鑄鐵表面加工出凹坑、溝槽和網(wǎng)格等3種不同形貌的織構(gòu)，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格織構(gòu)試樣的磨損量和摩擦因數(shù)最小，耐磨性能最好。王麗麗等[35]用激光加工技術(shù)在45號鋼表面加工出周向溝槽、局部網(wǎng)狀溝槽、徑向溝槽、微凹坑等4種不同形貌的織構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在相同的摩擦條件下這4種織構(gòu)表現(xiàn)出不同的減磨效果：在穩(wěn)定磨損階段，與光滑試樣相比，徑向溝槽織構(gòu)試樣和凹坑織構(gòu)試樣的摩擦因數(shù)分別降低了16%和11%，而局部網(wǎng)狀織構(gòu)試樣的摩擦因數(shù)與光滑試樣的相差不大，周向溝槽織構(gòu)試樣的摩擦因數(shù)大于光滑試樣的。

3.2 幾何參數(shù)的影響

3.2.1 織構(gòu)面積率的影響

織構(gòu)面積率是影響摩擦學性能的重要參數(shù)，因此選擇合適的織構(gòu)面積率對于獲得良好的摩擦學性能至關(guān)重要。胡天昌等[36]研究表明：在45號鋼表面加工出相同尺寸的凹坑織構(gòu)后，織構(gòu)面積率與摩擦因數(shù)并非呈簡單的線性關(guān)系，當織構(gòu)面積率為20%～30%時，摩擦因數(shù)較低。李亞軍等[37]采用激光加工技術(shù)在45號鋼表面加工出不同面積率的凹坑織構(gòu)，發(fā)現(xiàn)：在干摩擦和4%織構(gòu)面積率條件下，試樣的摩擦因數(shù)最小且穩(wěn)定摩擦因數(shù)為0.56；在乏油條件下，面積率為4%織構(gòu)試樣的摩擦因數(shù)小于光滑試樣的，但是當織構(gòu)面積率達到16.2%時，摩擦因數(shù)大于光滑試樣的。周元凱等[38]用微型鉆頭在45號鋼表面分別加工出面積率為2%，6%，10%的圓形微凹坑，發(fā)現(xiàn)在較低載荷下，面積率高的織構(gòu)減磨效果更好，而在較高載荷下，面積率低的織構(gòu)減磨效果更好。

3.2.2 織構(gòu)尺寸及分布方式的影響

織構(gòu)的尺寸和分布方式對材料的摩擦學性能也有重要的影響。于海武等[39]研究發(fā)現(xiàn)，在富油環(huán)境下，微凹坑橫/縱間距比為1…3時，凹坑織構(gòu)具有最佳的減磨效果。RIPPOLL等[40]采用激光加工技術(shù)在涂有MoS2涂層的鈦合金上加工出不同尺寸的微凹坑織構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在干摩擦條件下，當微凹坑間距約為50 μm，深度約為20 μm，織構(gòu)面積率為40%60%時，凹坑具有最優(yōu)的磨屑捕捉效果，合金的耐磨性能最佳。萬軼[41]和胡天昌等[42]均用激光加工技術(shù)在GCr15鋼表面加工出微凹坑織構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在貧油工況下，織構(gòu)試樣的摩擦因數(shù)和磨損率均明顯低于光滑試樣的，且當凹坑直徑為150 μm，深度為30～40 μm，織構(gòu)面積率為8%9%時，凹坑織構(gòu)的減磨效果最好。

4 結(jié)束語

目前，表面織構(gòu)在改善材料耐磨性能方面表現(xiàn)突出，且其優(yōu)異的減磨性能在切削刀具、生物材料、機械零部件等領(lǐng)域已得到試驗驗證，具有廣闊的應用前景。在不同工況下，表面織構(gòu)的減磨機理也不同：在干摩擦條件下，表面織構(gòu)可以存儲磨屑，避免二次磨損，同時可提高材料表面整體硬度，提高耐磨性能;在潤滑條件下，表面織構(gòu)可產(chǎn)生流體動壓效應或起到“二次供油”作用，從而減少摩擦副接觸面的摩擦，提高材料的耐磨性能。影響表面織構(gòu)減磨效果的因素繁多且各個因素交互作用，因此需要通過試驗分析得到最優(yōu)的參數(shù)。

雖然國內(nèi)表面織構(gòu)研究的起步較晚，但是發(fā)展勢頭良好，未來的研究方向主要集中在以下幾個方面：(1)結(jié)合實際工況，先利用計算機模擬出合適的織構(gòu)形貌及幾何參數(shù)，為試驗提供參考；(2)研究更多的織構(gòu)形貌，如仿生形貌、復合形貌等，對非單一織構(gòu)的摩擦學特性進行系統(tǒng)研究；(3)將表面織構(gòu)技術(shù)與其他表面技術(shù)進行結(jié)合，從而進一步改善材料的性能。