織構對表面摩擦性能的影響機制

納米技術的出現創造了技術革命的新時代。與此同時,世界在能源、航空航天、運輸等領域仍然面臨著效率、可靠性和耐久性的挑戰。1999年美國能源部披露:美國車輛發動機及傳動系統減少摩擦與磨損,每年可節約1200億美元。摩擦與磨損仍然是影響世界經濟的重要因素。減小摩擦提高能源效率始終是摩擦學工作者追求的目標。近半個多世紀以來,科學家們在空氣動力學、減摩和耐磨材料、表面鍍層、潤滑油和減摩添加劑方面已取得巨大進展。相對而言,摩擦副表面的物理和化學結構的設計仍是一個薄弱環節。表面織構(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陣,已經被證明是改善表面摩擦學特性的一個有效手段。表面織構的利用已有悠久的歷史。如滑動軸承軸瓦上人為的“刮痕”;發動機氣缸壁上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等現代加工技術的發展,使得對不同材質表面微米甚至納米尺度表面織構的精確加工成為可能,為表面織構的應用拓展了全新的空間。1991年Ranjan在計算機硬盤盤片的起動停止區(Start/stopzone)采用激光技術加工了由直徑20μm,深10nm左右的凹坑組成的點陣,成功地降低了盤片與磁頭的吸附力,減小了摩擦,延長了使用壽命。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。該方法形成的隨機分布的凹坑(Microdimple,直徑200μm,深數微米)呈現出明顯的減摩效果,僅此處理一項,就降低發動機整體機械損失達2.2%。就機制而言,人們研究最為充分的是流體動壓潤滑機制。即每個微小形貌都可以認為是一個微小的流體動壓潤滑軸承,在相對滑動過程中產生額外的流體動壓力,從而促進表面流體潤滑的形成,增加表面的承載能力。實驗已證明,在相對高速輕載的接觸條件下,表面織構的流體動壓效果明顯。本文作者曾對水潤滑下碳化硅陶瓷的承載能力及表面織構的影響進行過系統的研究。通過實驗獲得的表面織構特征參數對承載能力的影響規律與按流體動壓理論得到的理論分布呈現類似的趨勢,說明即使在水潤滑條件下,通過表面織構獲得的流體動壓潤滑效果是顯著的。在非液體潤滑的條件下,表面織構的工作機制包括:容納磨損顆粒,減少由于磨粒耕犁作用而產生的高摩擦;以及在硬盤和微小機電系統等場合,減少表面的接觸面積,從而降低兩表面間表面力的作用等。邊界潤滑條件下表面織構的作用及其工作機制是近年來人們開始關注的一個焦點。在相對低速重載條件下,兩表面間的流體動壓效果無足輕重,而接觸表面間的邊界摩擦特性決定著整體的摩擦特性。由于邊界潤滑條件下的摩擦因數較高,且許多大型機械的摩擦副工作于這種狀態,實現邊界潤滑條件下摩擦特性的改善具有重要意義。目前針對邊界潤滑條件下的表面織構的研究還處于起步階段,對于邊界條件下織構的潤滑機制,最一致的認識是織構可以作為潤滑液的存儲空間,在需要時為周圍的接觸面提供潤滑。但對于什么是織構設計的關鍵參數,目前還沒有統一的認識。本研究作者利用納米壓痕儀進行了金屬表面的織構加工,對“劃痕”狀織構及其摩擦學特性進行了初步研究。1實驗設計1.1盤狀試驗件的制備為控制實驗條件為邊界潤滑或以邊界潤滑為主的混合潤滑,采用鋼球為上試驗件,盤狀試樣為下試驗件。摩擦試驗在改裝后的四球試驗機上完成,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個盤狀試樣接觸,球受驅動繞垂直軸轉動。上試樣為25級ANSIE-52100鋼球,直徑12.7mm,硬度HRC64～66。下試樣為52100鋼經調質處理,直徑6.35mm,厚度2.5mm。為避免點接觸產生劇烈的磨損,盤狀試驗件上的接觸點在試驗前進行了球面化預磨,如圖1所示。球面接觸區的直徑為0.5mm左右。1.2表面織構的加工利用Hysitron公司的納米壓痕儀進行了本研究中表面織構的制作。通過控制金剛石壓頭的垂直力以及押頭的橫向運動距離,可使金剛石壓頭在試樣表面產生如圖2所示的劃痕。劃痕深度和寬度可通過垂直力控制,其長度由橫向運動長度控制。通過位置編程可在試樣表面加工出按一定規則排列的“劃痕”的點陣,即為本研究的織構。采用納米壓痕儀制作表面織構的原因是:(1)已有實驗結果表明,凹坑的深度與直徑的比值是影響其摩擦學特性的重要參數,采用此方法可有效控制幾何參數。(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。實驗中制作了5種具有不同深度和密度的織構。表1列出了其深度,間隔以及織構的標識符。如果設T11和T13的織構密度(單位面積內的劃痕數)為D,則T22的密度為2D,T31、T33的密度為4D。采用輕質礦物油作為潤滑劑,其40℃時的運動粘度為25.1mm2/s。為防止劇烈磨損,減少磨損對實驗結果的影響,在潤滑油中加入2%的抗磨添加劑和1%的抗氧化添加劑。1.3轉速作用下轉速對摩擦特性的影響試樣的跑合及測試過程如圖3所示。試樣從500r/min開始旋轉,1min之內加載至試驗值,運行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)每一個轉速停留1min記錄摩擦力。實驗中,依次在100,200和300N的垂直載荷下,重復上述過程以測得不同載荷和轉速條件下的摩擦特性。在垂直載荷為100,200和300N時,球與下試驗件的平均接觸壓力分別為203,407和610MPa。2結果與討論實驗得到的不同載荷和轉速條件下的摩擦因數曲線如圖4所示。2.1邊界潤滑特性在500r/min下,無織構表面的摩擦因數在0.09～0.1之間,表明表面接近邊界潤滑狀態,邊界潤滑的特性決定著總體的摩擦特性。隨著旋轉速度的增加,所有表面的摩擦因數均有所下降,顯示出隨著速度的增加,由于相對滑動產生的流體動壓效果逐漸加強,導致實際接觸面積逐漸減少。無論有無織構,所有摩擦因數隨速度的下降率幾乎相同,顯示出對所有表面,速度的影響程度沒有明顯區別。2.2其他織物的減摩效果同無織構表面相比,本研究中有一種織構T13(低密度,500nm深)的摩擦因數有所上升,其余4種織構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,與無織構表面相比,降低摩擦因數達45%,在300N、500r/min的低速重載條件下,其摩擦因數的降低幅度仍達18%左右。2.3表面織構對摩擦學性能的影響圖5為轉速為500r/min、載荷分別為100和300N條件下,各織構表面的摩擦因數降低率。對T11而言,在100N載荷下,表面織構可導致摩擦因數降低37%,但當載荷增加至300N時,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T33在100N、500r/min時的減摩效果為11.2%,在300N時,仍達到10.1%,顯示出不同深度和密度的組合產生的不同效果。2.4表面粗糙度化對減摩效果的影響在本實驗條件下表面織構可能的工作機制包括:(1)隨表面的磨損或變形,凹坑的體積縮小而凹坑中存儲的油液被擠出,從而形成擠壓膜;(2)在相對滑動過程中,存儲在凹坑中的油液在摩擦力的驅動下流出凹坑,從而形成對周圍表面的潤滑;(3)織構的加工增加了接觸面的粗糙度,特別是“劃痕”兩邊的飛邊會在一定程度上增加摩擦。對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,由此產生的擠壓膜效應可能是其最佳減摩效果的主要原因。但隨試驗過程的磨損,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。對于T33而言,凹坑的深度和密度均為本實驗中最大。一方面,凹坑中的油液可為接觸面提供良好的潤滑。另一方面,由于表面粗糙化引起的摩擦的升高也應高于其它試樣。所以,在500r/min、100N條件下,其減摩效果并不比其它織構顯著。但當載荷增至300N時,凹坑的飛邊由于磨損而消失,而其油液的存儲能力開始顯示出潤滑效果,所以在其它織構存在減摩效果明顯降低的同時,T33仍保持著10%的減摩效