零件表面織構(gòu)的研究

零件表面織構(gòu)的研究

1磨損表面織構(gòu)摩擦磨損是大多數(shù)零件棄置的主要原因。據(jù)統(tǒng)計(jì)，約80%的零件損傷是由各種磨損引起的。磨損不僅消耗了能源和材料，而且加速了設(shè)備報(bào)廢，頻繁更換零件，給經(jīng)濟(jì)帶來(lái)了巨大損失。合理的表面織構(gòu)設(shè)計(jì)可以顯著提高摩擦副表面的摩擦學(xué)性能,已有研究表明,表面織構(gòu)具有降低摩擦、減小磨損和提高表面承載力等特性2滑動(dòng)速度對(duì)摩擦學(xué)性能的影響速度與載荷,是表面織構(gòu)化零件在服役條件中比較重要的影響因素。例如,采用激光加工方法在WC-Co硬質(zhì)合金材料表面制作出微坑陣列,研究表面織構(gòu)在刀具減磨技術(shù)方面的應(yīng)用。如圖1(a)所示為織構(gòu)化表面在不同載荷和速度下的摩擦系數(shù)曲線,發(fā)現(xiàn)在微量潤(rùn)滑條件下,織構(gòu)化合金材料表面摩擦系數(shù)隨著轉(zhuǎn)速的提高逐漸減小。載荷越大,摩擦系數(shù)減小得越快。其中,載荷為100N時(shí),摩擦系數(shù)隨著速度增大而減小的速率最快,這表明隨著速度的增加,相對(duì)滑動(dòng)產(chǎn)生的流體動(dòng)壓潤(rùn)滑效果逐漸加強(qiáng),減摩的效果更加明顯;隨著速度的增大,摩擦系數(shù)趨向穩(wěn)定,說(shuō)明表面織構(gòu)對(duì)穩(wěn)定材料表面摩擦學(xué)性能方面有著重要作用。圖1(b)為相同試驗(yàn)條件下,織構(gòu)化試樣相對(duì)于無(wú)織構(gòu)化試樣摩擦系數(shù)的減小量(Δμ)。在低速高載荷和高速中載荷時(shí)的Δμ較大,其摩擦系數(shù)的降低幅度可達(dá)15%左右,表明表面織構(gòu)的減摩效果較好;低速高載荷時(shí),微坑中的潤(rùn)滑油在高壓條件下發(fā)揮作用,減小摩擦副之間的摩擦力。高速中載荷時(shí),滑動(dòng)速度的提高使得潤(rùn)滑油能夠很好地產(chǎn)生流體動(dòng)壓潤(rùn)滑效果,充分發(fā)揮潤(rùn)滑油的減摩作用;同時(shí)微坑能夠收集摩擦過(guò)程中產(chǎn)生的磨屑等微小雜質(zhì),提高潤(rùn)滑質(zhì)量,從而達(dá)到減摩效果;而在低載荷和高速高載荷時(shí)減摩效果一般,這是因?yàn)槲⒖拥膬?chǔ)油作用發(fā)揮有限,二次潤(rùn)滑效果不夠明顯,從而織構(gòu)化材料表面的摩擦系數(shù)降低較少符永宏等由于表面織構(gòu)可組合種類太多,只有選擇合適的組合類型才能體現(xiàn)出表面織構(gòu)的減摩效果。在一定的條件下,表面織構(gòu)的摩擦系數(shù)隨滑動(dòng)速度或載荷的增大,逐漸降低,最終趨于某一定值。速度越大,流體動(dòng)壓潤(rùn)滑效果越明顯;載荷越大,二次潤(rùn)滑效果越明顯。在不同潤(rùn)滑條件下,滑動(dòng)速度對(duì)表面織構(gòu)的摩擦學(xué)性能的影響效果也不同,在彈流潤(rùn)滑條件下,摩擦系數(shù)隨著表面相對(duì)滑動(dòng)速度的降低而減小;在混合潤(rùn)滑條件下,摩擦系數(shù)隨著表面相對(duì)滑動(dòng)速度的降低而增大;在邊界潤(rùn)滑條件下,摩擦系數(shù)隨著表面相對(duì)滑動(dòng)速度的降低變化很小并趨于某一定值3表面織構(gòu)化對(duì)摩擦學(xué)性能的影響根據(jù)以往的研究發(fā)現(xiàn),表面織構(gòu)可以在干摩擦條件、高速輕載摩擦條件、低速重載摩擦條件等幾乎所有的摩擦條件下起到減摩的效果固體潤(rùn)滑劑在摩擦副表面上成膜被認(rèn)為是降低摩擦系數(shù)的主要原因。由于干膜潤(rùn)滑劑壽命較短,硬度低,磨損率較高,其應(yīng)用受到了一定限制如圖2(b)所示為拋光薄膜與熱壓燒結(jié)成型涂層試樣的摩擦系數(shù)曲線對(duì)比圖,發(fā)現(xiàn)與織構(gòu)化基體表面光滑涂層相比,在基體織構(gòu)化表面熱壓燒結(jié)成型制備的MoS在摩擦副中導(dǎo)入軟固體顆粒,使摩擦副中間充滿固體顆粒第三體,在一些情況下,可以增強(qiáng)潤(rùn)滑效果荷葉效應(yīng),即荷葉的自清潔性,源于其粗糙表面上微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)和低表面能蠟狀物質(zhì)的共同作用。研究表明,通過(guò)在基體表面構(gòu)筑仿荷葉效應(yīng)的微米階層結(jié)構(gòu)并輔以低表面能物質(zhì)修飾,可以獲得具有疏水甚至超疏水性能的表面,這類表面在自清潔、流體減阻、防腐蝕等方面具有廣闊應(yīng)用前景目前,單一的工藝方法對(duì)于提高材料性能的能力有限,而與其它工藝方法、處理手段相結(jié)合的復(fù)合工藝,對(duì)于提高材料性能、節(jié)能環(huán)保、提高生產(chǎn)利用率等方面,卻會(huì)產(chǎn)生很好的效果。比如,將表面織構(gòu)化與固體潤(rùn)滑劑相結(jié)合,與潤(rùn)滑油的添加劑技術(shù)相結(jié)合,與表面修飾技術(shù)相結(jié)合,與表面涂層技術(shù)相結(jié)合,與熱處理、滲碳滲氮等表面改性技術(shù)相結(jié)合等,研究其對(duì)摩擦學(xué)性能的積極作用。對(duì)于從事摩擦學(xué)和潤(rùn)滑材料的研究學(xué)者來(lái)說(shuō),如何把織構(gòu)化與其它技術(shù)手段很好地結(jié)合起來(lái),以改善表界面的摩擦學(xué)行為將是一個(gè)很有前景的研究方向。4微凹織構(gòu)化的摩擦學(xué)性能影響表面織構(gòu)的滑動(dòng)取向即摩擦副與表面織構(gòu)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向,滑動(dòng)取向的選擇對(duì)織構(gòu)化表面的摩擦學(xué)效果具有一定的影響。表面織構(gòu)滑動(dòng)取向的研究主要針對(duì)凹槽型織構(gòu),平行和垂直于滑動(dòng)方向是凹槽型織構(gòu)兩個(gè)比較極端的情況;研究表明,其它滑動(dòng)取向的凹槽型織構(gòu)性能介于這兩種極端情況之間如圖3(b)所示為取向?qū)Σ煌疾郾砻婺Σ料禂?shù)影響,當(dāng)表面接觸應(yīng)力為0.5MPa時(shí),與垂直和平行方向相比,選取相對(duì)于滑動(dòng)方向垂直和平行方向之間任意角度的凹槽更有優(yōu)勢(shì),因?yàn)樗ǔ？梢栽诖蠖鄶?shù)情況下起到減摩的效果;與無(wú)織構(gòu)表面相比,19μm深的凹槽織構(gòu)在選取最優(yōu)滑動(dòng)取向時(shí)的摩擦系數(shù)可以減小到44%。然而,當(dāng)接觸應(yīng)力較小時(shí),7μm深的凹槽,垂直于滑動(dòng)方向比平行方向有更好的減摩效果,與無(wú)織構(gòu)表面相比,其摩擦力減小到了38.2%;當(dāng)接觸應(yīng)力較大時(shí),19μm深的凹槽,平行于滑動(dòng)方向比垂直方向有更好的減摩效果,是因?yàn)槠洚a(chǎn)生的額外應(yīng)力提供了潤(rùn)滑油對(duì)摩擦表面的供給。表面微凹槽的滑動(dòng)取向?qū)ζ淠Σ翆W(xué)性能有很強(qiáng)的影響,在不同的接觸應(yīng)力條件下,不同滑動(dòng)取向的效果會(huì)隨凹槽織構(gòu)深度的不同而有所不同對(duì)織構(gòu)化密度和運(yùn)動(dòng)方向的相關(guān)研究也得出,在富油潤(rùn)滑條件下,由于低面積率的圓形凹坑織構(gòu)能夠存儲(chǔ)潤(rùn)滑油的體積有限,無(wú)法通過(guò)改善表面的潤(rùn)滑效果來(lái)顯著提高表面的摩擦學(xué)性能;而較高織構(gòu)密度的條狀溝槽(25%),垂直于運(yùn)動(dòng)方向時(shí),條狀溝槽的潤(rùn)滑油存儲(chǔ)器效應(yīng)引發(fā)了微觀彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑機(jī)制,摩擦系數(shù)大大減小;平行于運(yùn)動(dòng)方向時(shí),由于潤(rùn)滑劑沿著條狀溝槽的不斷損失,摩擦系數(shù)不僅增大,且耐磨性差針對(duì)點(diǎn)接觸摩擦條件,在不同的載荷和凹槽深度情況下,凹槽型織構(gòu)最優(yōu)滑動(dòng)取向的研究成果如表1所示。5表面織構(gòu)作用機(jī)理目前,國(guó)內(nèi)外關(guān)于表面織構(gòu)提高摩擦學(xué)性能方面的研究和應(yīng)用較多,已經(jīng)取得了豐碩的研究成果,但是還需要進(jìn)行系統(tǒng)性和綜合性的研究和突破。(1)在干摩擦條件下,表面織構(gòu)能夠儲(chǔ)存磨粒、減少犁溝,提高摩擦副的耐磨性;在有潤(rùn)滑劑的條件下,有利于形成流體動(dòng)壓潤(rùn)滑,起到提高表面承載力、耐磨性以及降低摩擦系數(shù)等作用。但其作用機(jī)理的研究仍缺乏系統(tǒng)性和通用性,有的甚至具有爭(zhēng)議性。實(shí)驗(yàn)研究能解決的問(wèn)題依然有限,很多問(wèn)題需要通過(guò)與理論配合來(lái)解決。(2)速度、載荷、潤(rùn)滑狀態(tài)、滑動(dòng)取向等服役條件對(duì)摩擦副的摩擦學(xué)性能有很大的影響。由于表面織構(gòu)可組合種類太多,包括織構(gòu)的形貌類型、幾何參數(shù)、摩擦工況、接觸方式、界面材料、潤(rùn)滑劑以及環(huán)境影響等因素,目前尚無(wú)一定的最優(yōu)的織構(gòu)方案,只是針對(duì)不同的材料存在不同的最優(yōu)設(shè)計(jì),并且大都以實(shí)驗(yàn)為主,缺乏較好的理論解釋。(3)目前,單一的工藝方法對(duì)于提