零件表面织构的研究

零件表面织构的研究

1磨损表面织构摩擦磨损是大多数零件弃置的主要原因。据统计，约80%的零件损伤是由各种磨损引起的。磨损不仅消耗了能源和材料，而且加速了设备报废，频繁更换零件，给经济带来了巨大损失。合理的表面织构设计可以显著提高摩擦副表面的摩擦学性能,已有研究表明,表面织构具有降低摩擦、减小磨损和提高表面承载力等特性2滑动速度对摩擦学性能的影响速度与载荷,是表面织构化零件在服役条件中比较重要的影响因素。例如,采用激光加工方法在WC-Co硬质合金材料表面制作出微坑阵列,研究表面织构在刀具减磨技术方面的应用。如图1(a)所示为织构化表面在不同载荷和速度下的摩擦系数曲线,发现在微量润滑条件下,织构化合金材料表面摩擦系数随着转速的提高逐渐减小。载荷越大,摩擦系数减小得越快。其中,载荷为100N时,摩擦系数随着速度增大而减小的速率最快,这表明随着速度的增加,相对滑动产生的流体动压润滑效果逐渐加强,减摩的效果更加明显;随着速度的增大,摩擦系数趋向稳定,说明表面织构对稳定材料表面摩擦学性能方面有着重要作用。图1(b)为相同试验条件下,织构化试样相对于无织构化试样摩擦系数的减小量(Δμ)。在低速高载荷和高速中载荷时的Δμ较大,其摩擦系数的降低幅度可达15%左右,表明表面织构的减摩效果较好;低速高载荷时,微坑中的润滑油在高压条件下发挥作用,减小摩擦副之间的摩擦力。高速中载荷时,滑动速度的提高使得润滑油能够很好地产生流体动压润滑效果,充分发挥润滑油的减摩作用;同时微坑能够收集摩擦过程中产生的磨屑等微小杂质,提高润滑质量,从而达到减摩效果;而在低载荷和高速高载荷时减摩效果一般,这是因为微坑的储油作用发挥有限,二次润滑效果不够明显,从而织构化材料表面的摩擦系数降低较少符永宏等由于表面织构可组合种类太多,只有选择合适的组合类型才能体现出表面织构的减摩效果。在一定的条件下,表面织构的摩擦系数随滑动速度或载荷的增大,逐渐降低,最终趋于某一定值。速度越大,流体动压润滑效果越明显;载荷越大,二次润滑效果越明显。在不同润滑条件下,滑动速度对表面织构的摩擦学性能的影响效果也不同,在弹流润滑条件下,摩擦系数随着表面相对滑动速度的降低而减小;在混合润滑条件下,摩擦系数随着表面相对滑动速度的降低而增大;在边界润滑条件下,摩擦系数随着表面相对滑动速度的降低变化很小并趋于某一定值3表面织构化对摩擦学性能的影响根据以往的研究发现,表面织构可以在干摩擦条件、高速轻载摩擦条件、低速重载摩擦条件等几乎所有的摩擦条件下起到减摩的效果固体润滑剂在摩擦副表面上成膜被认为是降低摩擦系数的主要原因。由于干膜润滑剂寿命较短,硬度低,磨损率较高,其应用受到了一定限制如图2(b)所示为抛光薄膜与热压烧结成型涂层试样的摩擦系数曲线对比图,发现与织构化基体表面光滑涂层相比,在基体织构化表面热压烧结成型制备的MoS在摩擦副中导入软固体颗粒,使摩擦副中间充满固体颗粒第三体,在一些情况下,可以增强润滑效果荷叶效应,即荷叶的自清洁性,源于其粗糙表面上微纳米复合结构和低表面能蜡状物质的共同作用。研究表明,通过在基体表面构筑仿荷叶效应的微米阶层结构并辅以低表面能物质修饰,可以获得具有疏水甚至超疏水性能的表面,这类表面在自清洁、流体减阻、防腐蚀等方面具有广阔应用前景目前,单一的工艺方法对于提高材料性能的能力有限,而与其它工艺方法、处理手段相结合的复合工艺,对于提高材料性能、节能环保、提高生产利用率等方面,却会产生很好的效果。比如,将表面织构化与固体润滑剂相结合,与润滑油的添加剂技术相结合,与表面修饰技术相结合,与表面涂层技术相结合,与热处理、渗碳渗氮等表面改性技术相结合等,研究其对摩擦学性能的积极作用。对于从事摩擦学和润滑材料的研究学者来说,如何把织构化与其它技术手段很好地结合起来,以改善表界面的摩擦学行为将是一个很有前景的研究方向。4微凹织构化的摩擦学性能影响表面织构的滑动取向即摩擦副与表面织构的相对运动方向,滑动取向的选择对织构化表面的摩擦学效果具有一定的影响。表面织构滑动取向的研究主要针对凹槽型织构,平行和垂直于滑动方向是凹槽型织构两个比较极端的情况;研究表明,其它滑动取向的凹槽型织构性能介于这两种极端情况之间如图3(b)所示为取向对不同微凹槽表面摩擦系数影响,当表面接触应力为0.5MPa时,与垂直和平行方向相比,选取相对于滑动方向垂直和平行方向之间任意角度的凹槽更有优势,因为它通常可以在大多数情况下起到减摩的效果;与无织构表面相比,19μm深的凹槽织构在选取最优滑动取向时的摩擦系数可以减小到44%。然而,当接触应力较小时,7μm深的凹槽,垂直于滑动方向比平行方向有更好的减摩效果,与无织构表面相比,其摩擦力减小到了38.2%;当接触应力较大时,19μm深的凹槽,平行于滑动方向比垂直方向有更好的减摩效果,是因为其产生的额外应力提供了润滑油对摩擦表面的供给。表面微凹槽的滑动取向对其摩擦学性能有很强的影响,在不同的接触应力条件下,不同滑动取向的效果会随凹槽织构深度的不同而有所不同对织构化密度和运动方向的相关研究也得出,在富油润滑条件下,由于低面积率的圆形凹坑织构能够存储润滑油的体积有限,无法通过改善表面的润滑效果来显著提高表面的摩擦学性能;而较高织构密度的条状沟槽(25%),垂直于运动方向时,条状沟槽的润滑油存储器效应引发了微观弹性流体动压润滑机制,摩擦系数大大减小;平行于运动方向时,由于润滑剂沿着条状沟槽的不断损失,摩擦系数不仅增大,且耐磨性差针对点接触摩擦条件,在不同的载荷和凹槽深度情况下,凹槽型织构最优滑动取向的研究成果如表1所示。5表面织构作用机理目前,国内外关于表面织构提高摩擦学性能方面的研究和应用较多,已经取得了丰硕的研究成果,但是还需要进行系统性和综合性的研究和突破。(1)在干摩擦条件下,表面织构能够储存磨粒、减少犁沟,提高摩擦副的耐磨性;在有润滑剂的条件下,有利于形成流体动压润滑,起到提高表面承载力、耐磨性以及降低摩擦系数等作用。但其作用机理的研究仍缺乏系统性和通用性,有的甚至具有争议性。实验研究能解决的问题依然有限,很多问题需要通过与理论配合来解决。(2)速度、载荷、润滑状态、滑动取向等服役条件对摩擦副的摩擦学性能有很大的影响。由于表面织构可组合种类太多,包括织构的形貌类型、几何参数、摩擦工况、接触方式、界面材料、润滑剂以及环境影响等因素,目前尚无一定的最优的织构方案,只是针对不同的材料存在不同的最优设计,并且大都以实验为主,缺乏较好的理论解释。(3)目前,单一的工艺方法对于提