激光表面织构在摩擦学中的应用-刘明朗

激光表面织构在摩擦学中的应用刘明朗，黄仲佳(安徽工程大学安徽省高性能有色金属材料重点实验室，安徽芜湖241000)［摘要］主要介绍了国内外激光表面织构在摩擦学领域的研究和应用现状，指出在摩擦表面制备适当参数的激光表面织构，可以降低摩擦系数、减少磨损及提高承载力等，最后指出了需要深入研究的2条要点。［关键词］表面技术;激光织构;摩擦学［中图分类号］TG172．2［文献标识码］A［文章编号］1001－1560(2012)05－0048－03［收稿日期］20111205［通信作者］黄仲佳(1979－)，博士，讲师，主要从事表面科学与工程研究，电话:[phone]，E-mail:[e-mail]0前言具有一定非光滑形态的表面(即表面织构)可以降低摩擦、减小磨损和提高承载能力，在汽车发动机、滑动轴承、人工关节及磁介质存储等领域有着极其广泛的应用［1］。常用的表面织构制备方法有反应离子刻蚀、表面喷丸处理、电子束刻蚀、机械刻蚀以及激光表面织构等。其中反应离子刻蚀需辅助装置或特殊气氛，喷丸处理对环境污染较大，电子束刻蚀需要真空装置且成本较高，机械刻蚀的噪声和灰尘较大，污染环境，而激光表面织构对环境无污染、制作简单、耗时短，成本低、加工范围宽，可控制尺寸和形貌。目前，国内外对激光表面织构已有相当的研究，以下就激光表面织构在摩擦学领域的研究和应用现状进行概述。1激光表面织构在各种摩擦条件下的应用1．1干摩擦表面织构可以有效提高干摩擦零部件的摩擦学性能。激光表面织构最早是用于防止磁头驱动的黏附磨损，目前已经在该领域应用20多年［2］。用激光束照射到隔板然后透射到工件表面的激光织构方法可大幅提高冷锻造刀具寿命，提高幅度高达69%，涂层硬化处理后再激光表面织构更有利于提高其摩擦学性能［3］。激光表面织构的研究主要包括摩擦载荷、润滑条件及表面织构参数对摩擦学性能的影响。在较高载荷条件下，随着织构密度的增大，表面微坑增多，能收集更多的磨屑，因而具有较低的摩擦系数［4］。在汽车制动盘(毂)材料铸铁表面刻出规则分布的凹坑、条纹和网格等形态:随着单元体间距增加，表面耐磨性下降，凹坑状试样磨损量增加幅度最大，条纹状的居中，网格状的最小;表面摩擦系数随单元体间距增加而减小，其中网格状的变化较小，凹坑状的变化较大［5］。激光表面织构与固体润滑技术结合制备减摩耐磨表面，能够大幅提高固体润滑膜的使用寿命，成为近年干摩擦条件的研究热点。激光表面织构使在高温渗透过程中被氧化成固体润滑剂的渗钼层的使用寿命增加至原来的2倍，摩擦系数降低了30%左右［6］。在TiCN涂层上制备激光表面织构，并涂敷MoS2/石墨/Sb2O3复合固体润滑膜，激光微孔的存在起到存储固体润滑剂的作用，与光滑TiCN表面的MoS2/石墨/Sb2O3复合固体润滑膜相比，其摩擦系数从0．2降至0．1，并且寿命增加至原来的10倍［7］。1．2边界润滑由于边界润滑条件下的摩擦系数较高，且许多大型机械的摩擦副都工作于这种状态，实现边界润滑条件下摩擦学特性的改善具有重要意义。目前，对边界润滑条件下的表面织构的研究还处于起步阶段，较一致的认识是织构可以作为润滑液的存储空间，在需要时为周围的接触面提供润滑［8］，同时织构凹坑起到收集微磨损磨屑的作用，从而降低摩擦系数和磨损率［9］。在油中，表面织构具有SiC环和碳环时，织构表面的摩擦系数和温度均有大幅降低［10］。固定密封环滑动速度为39．2m/s，随单位压力的增加，织构密封环的摩擦力矩和表面温度明显低于非织构密封环的［11］。少量润滑油条件下，表面织构试样的摩擦寿命是未织构的8倍［12］。有限次数的微动疲劳试验表明:表面织构的存在，使得磨屑更容易离开微动疲劳48激光表面织构在摩擦学中的应用区进入织构微坑中，从而改善了其微动抗疲劳性能，使微动疲劳寿命提高了近1倍［13］。虽然边界条件下表面织构可以提高摩擦副的摩擦学性能，但对表面织构设计的关键参数还没有统一的认识。随着表面织构研究的发展，激光表面织构在机械行业摩擦表面的研究和应用已取得了突破，激光表面织构可使机械摩擦件具有高效、长寿命及高可靠性的力学性能，同时还能够提高机械承载能力及发动机的燃油效率。如将其用于汽车内燃机中的汽缸/活塞、滑动轴承套、发动机导轨、密封环及启动/停车部件等，可以避免由于干摩擦引起的温度突然升高等［14］。燃机缸套的激光表面织构即“激光珩磨”降低了内燃机的油耗和磨损，目前该技术在德国已商业化应用［15］。虽然大多数认为激光表面织构可以提高摩擦副的摩擦学性能，但也有少数认为激光表面织构会降低其摩擦学性能。当油滴速度降低，摩擦副处于贫油润滑状态时，摩擦副的摩擦系数增高，有些表面织构试样的摩擦系数比光滑试样还要高;对于高黏性的贫油润滑状态，所有织构表面的摩擦系数都比光滑表面高，并且织构微坑越深其摩擦系数越高;由于大多数润滑油流入织构微坑中，使得滑动摩擦表面之间的润滑油减少，是织构表面摩擦系数增高的主要原因［16］。以密封环作摩擦副，摩擦副单面表面织构的摩擦系数比光滑密封环摩擦副的低40%，双面表面织构的摩擦系数却比光滑摩擦副密封环的高100%［17］。1．3液体润滑摩擦在液体润滑摩擦条件下，表面织构可以有效提高摩擦副的摩擦学性能及承载能力。在水润滑条件下，与未织构表面相比，表面织构密封环的摩擦力矩降为原来的65%，摩擦副表面温度也大幅下降，机械密封环表面织构后在油润滑条件下摩擦力矩减少了40%，寿命提高了近1倍［18］。随润滑载荷和滑动速度的增加，表面织构可以扩大流体动压润滑的面积，使织构表面的摩擦系数小于未织构表面的［19］。近来，表面织构参数对摩擦学性能的影响规律得到重视。在液体动压润滑系统中，微孔直径并不影响表面织构的摩擦学性能，微孔密度才是其摩擦学性能的主要影响参数，最优微孔密度为30%［20］。这个理论已在活塞环激光表面织构的应用中得到了证实:油润滑条件下，微孔密度为30%的表面织构活塞环的摩擦力比未织构的低30%［21］。对于具有相同微孔密度的织构表面，微孔孔径对摩擦系数有一定的影响，较大孔径织构表面具有较低的摩擦系数，尤其是在较高载荷下，更有利于减小表面摩擦磨损［22］。模拟端面密封环的摩擦形式，在GCr15密封环上形成环形排列的3种不同密度的微孔(直径约200μm)，测试其在乏油条件下摩擦系数随滑动距离的变化:高密度微孔使接触表面的粗糙度增大，因而在滑动初期摩擦系数较高，属于摩擦副的跑合阶段;随着滑动距离的增加，3种微孔密度密封环的摩擦系数均呈阶梯型逐渐下降，并保持在较低水平，其中高微孔密度密封环的摩擦系数最低，低微孔密度密封环在摩擦过程中摩擦系数变化不大，基本和光滑试样保持一致［23］。1．4提高摩擦副承载能力激光表面织构在提高端面密封的液膜刚度和延长寿命方面具有显著效果。当载荷大于150N时，分别将光滑和微孔化的密封摩擦副安装在泵上运转，光滑的密封环上有明显的磨损，具有微孔的密封环上几乎没有磨损;表面织构的密封摩擦副即使在载荷大于150N时也能形成完整的液膜，耐磨性能相对光滑密封摩擦副提高了1倍［24］。在碳化硅表面制备了微凹坑直径150μm和深8～10μm的织构，在缸套和轴的水润滑摩擦试验中，表面织构摩擦副从流体动压润滑转变成混合润滑的临界载荷比光滑摩擦副的高20%［25］。微凹坑的形状对摩擦副承载能力的影响不大，微凹坑深度和直径比才是摩擦副承载能力的重要影响参数，当凹坑深度和直径比为0．1时，织构表面的液压动力支承可提高30%左右［26］。利用表面织构可以提高摩擦副承载能力的特点，可制备出等静压的密封环。在同一个密封环表面上承受高压的部位加工高密度的表面织构，而承受低压的部位则保持光滑状态;由于表面织构的部位在液体动压润滑系统中可以提供较大承载能力，使密封产生等静压效果，从而提高了密封环的整体承载能力［27］。在轴承试样承受高压的部位加工织构，在水中保持4．9m/s和9．8m/s的滑行速度，轴承试样织构部位的间隙约是光滑部位的3倍，轴承的摩擦力降低为原来的2/3，具有等静压效果，这样的轴承可以与锥形加强滑块轴承相媲美，甚至性能更优［28］。2展望较优的表面织构参数可以降低滑动摩擦件的摩擦系数和磨损率，但在织构设计不符合实际应用条件，或织构参数没有得到优化的情况下，激光表面织构对摩擦学性能可能会有负面的效应，严重时织构表面的摩擦学性能甚至比光滑表面的还低。为了进一步提高激光表面织构在摩擦学中的应49激光表面织构在摩擦学中的应用用，未来的研究重点如下:(1)边界条件下，研究并确定影响摩擦副摩擦性能的表面织构关键参数及其最优值。(2)将激光表面织构与固体润滑技术相结合制备减摩耐磨的表面。［参考文献］［1］汤丽萍，刘莹．表面微织构对重载齿轮传动摩擦性能的影响［J］．清华大学学报(自然科学版)，2010，50(7):1009～1012．［2］赵民，丁津原，李建卫，等．激光处理合金辊表面/20MnSiV钢磨损特性研究［J］．润滑与密封，2002(5):37～40．［3］GeigerM，PoppU，EngelU．Eximerlasermicrotexturingofcoldforgingtoolsurface—influenceontoollife［J］．AnnalsoftheCIRP，2002，51(1):231～234．［4］胡天昌，胡丽天，丁奇．45钢表面激光织构化及其干摩擦特性研究［J］．摩擦学学报，2010，30(1):46～52．［5］宋起飞，周宏，李跃，等．仿生非光滑表面铸铁材料的常温摩擦磨损性能［J］．摩擦学学报，2006，26(1):24～27．［6］LiJL，XiongDS，WuHY，etal．Tribologicalproper-tiesoflasersurfacetexturingandmolybdenizingduplex-treatedNi-basedalloy［J］．TribologyTransaction，2010，53(2):195～202．［7］VoevodinAA，ZabinskiJS．Lasersurfacetexturingforadaptivesolidlubrication［J］．Wear，2006，261(11/12):1285～1292．［8］PetterssonU，JacobsonS．FrictionandwearpropertiesofmicrotexturedDLCcoatedsurfacesinboundarylubricatedsliding［J］．TribologyLetters，2004，17(3):553～559．［9］RykG，KligermanY，EtsionI．ExperimentalInvestiga-tionofLaserSurfaceTexturingforReciprocatingAutomo-tiveComponents［J］．TribologyTransactions，2002，45(4):444～449．［10］YuXQ，HeS，CaiRL．Frictionalcharacteristicsofmechanicalsealswithalaser-texturedsealface［J］．Jour-nalofMaterialsProcessingTechnology，2002，129(1～3):463～466．［11］McnikleA，EtsionI．Near-contactlasersurfacetextureddrygasseals［J］．JournalofTribology，2004，126(4):788～794．［12］DumitruG，RomanoV，WeberHP，etal．Lasermicro-structuringofsteelsurfacesfortribologicalapplications［J］．ApplPhysA，2000，70(4):485～487．［13］VolchokA，HalperinG，EtsionI．Theeffectofsurfacer