表面织构化对摩擦学性能影响的研究进展

(新疆大学机械工程学院，乌鲁木齐 830047)

0 引 言

摩擦磨损是机械系统中普遍存在的问题，约2/3工程材料损失量和80%机械零部件失效事故都是由摩擦磨损造成的[1]。据统计，英国、美国、日本、德国等发达国家每年因摩擦磨损而造成的经济损失占国民生产总值的1%2%。我国的情况更加不容乐观，每年因摩擦磨损造成的直接经济损失高达3 270亿元，由摩擦磨损带来的间接经济损失更是无法估量[2]。此外，摩擦磨损造成的大量材料损失成为我国建立资源环境友好型社会，实现经济可持续发展的拦路虎。因此，大力发展减磨技术，提高机械零件的使用寿命成为研究者关注的重点。

1966年，HAMILTON等[3]打破了传统认知上的润滑理念[4]，率先指出摩擦副表面的微凹坑能够在润滑条件下产生流体动压效应，进而提高摩擦副表面的耐磨性能。近二十年来，研究者从大自然中获得启发，逐步认识到非光滑表面的优异性能。仿生学研究发现：荷叶表面有序排列的凸起微结构赋予其“出淤泥而不染”的自清洁能力；海豚和鲨鱼表皮的菱形凸起结构能够帮助其减小水下流体阻力，降低游行过程产生的噪声；土壤动物(蚯蚓、蝼蛄、蟑螂等)体表规则的凸起或凹坑结构可以大大减小其在土壤中穿行时的摩擦力[5-7]。随着仿生学研究的深入，表面织构技术应运而生；该技术是通过微细加工技术在材料表面加工出具有一定几何形貌与尺寸，且排列规律的图案，从而改善材料表面摩擦学性能的新型表面改性技术。表面织构因其在改善材料摩擦学性能方面的突出优势，而在机械摩擦配副中发挥着重要作用。为了给相关研究人员提供参考，作者对表面织构的加工技术，不同工况下表面织构的减磨机理，以及表面织构形貌及其几何参数对耐磨性能的影响等方面的研究进展进行了综述。

1 表面织构的加工技术

1.1 传统加工技术

传统的表面织构加工技术主要有反应离子刻蚀技术、喷丸技术、机械压刻技术、电解加工技术、珩磨加工技术等。WANG等[8]采用反应离子蚀刻技术在摩擦副表面加工出分布均匀的微凹坑图案，提高了试样表面的耐磨性能。UEHARA等[9]采用喷丸技术在氮化硅陶瓷表面加工出凹坑织构，使得在油润滑条件下试样表面的耐磨性能得到显著提高。李凯凯[10]利用电解加工技术在缸套表面加工出均匀密度、变密度和复合密度三种形式的织构，发现在充分润滑情况下，面积率(织构化区域面积在整个试样表面的占比)为10%的复合密度型表面织构化试样表现出最优的减磨效果。CHO等[11]采用微型数控机械加工技术在聚甲醛表面加工凹坑织构，发现在润滑条件下面积率为10%的织构化表面的摩擦因数最低，为光滑表面的50%。

反应离子刻蚀技术和机械压刻技术的加工精度高，但前者需要辅助设备，后者工艺复杂且压刻表面的金刚石易剥落，这些都会导致加工成本升高，因此这两种技术均不适合大批量加工零件。喷丸技术和电解加工技术虽然具有设备简单、加工成本低等优点，但电解加工后有废液产生，特殊气氛下的喷丸技术会对环境造成污染，这与我国提倡的绿色可持续发展目标不符。珩磨加工技术虽然具有加工效率高的优点，但在加工过程中材料之间相互挤压，甚至会产生材料剥落现象，因此不适用于加工精度要求较高的零件。

1.2 激光加工技术

激光加工技术作为一种新兴的表面织构加工技术，具有加工精度高、加工效率快、无污染、与零件非接触等优点，迅速成为表面织构加工领域最受欢迎的方法之一[12]。其中，飞秒激光(超短脉冲激光)加工技术的优势更为显著[13-14]。飞秒激光照射到材料表面时，表面局部温度在很短的时间内急速升高，使材料直接蒸发；同时，由于脉冲时间在飞秒级别，材料内部完成热传导所需要的时间远大于材料蒸发的时间，因此热影响区非常小，加工出的织构形状规整、尺寸精准。FATIMA等[15]通过飞秒激光技术在刀具上加工出微沟槽织构，并通过正交试验法对AISI4140钢进行干式切削试验，发现与非织构化刀具相比，切削时织构化刀具前后刀面的摩擦因数分别减小了17%，18%。董光能等[16-17]采用激光织构化技术在TiNi合金表面构造了规则的微凸表面形貌，发现织构化TiNi合金的摩擦因数可降至0.1以下。

2 表面织构的减磨机理

2.1 干摩擦条件下的减磨机理

在干摩擦条件下，零件凸起部位最先剥落而形成磨屑；若未及时清理，随着摩擦副的相对运动，磨屑很容易在接触面上形成犁沟，破坏表面形貌。表面织构作为一个天然的“存储器”可以收集磨屑，减少磨屑对基体的二次磨损[18]。SUGIHARA等[19]采用飞秒激光加工技术在硬质合金刀具上加工微凹坑和沟槽织构，发现在干式切削条件下刀具表面织构会附着磨屑，且刀具表面磨痕很少。连峰等[20]研究表明，在干摩擦条件下点阵状织构试样的摩擦因数比光滑试样的小，直线织构试样和网格织构试样的摩擦因数则比光滑试样的大，这是因为点阵状织构在摩擦过程中更能有效捕获磨屑，从而提高试样的耐磨性能。表面织构除了可捕获磨屑外，还可以提高基体的硬度。宋起飞等[21]研究发现，采用激光加工方法在铸铁上加工出织构后，其表面硬度高于基体的，织构的存在相当于在基体中增加了硬质强化点，即在基体中添加了增强相，从而导致硬度提高，因此耐磨性也随之提高。韩志武等[22]用激光重熔技术在轧辊模型试样表面加工出凹坑形、波纹形、凸包型和鳞片形等4种仿生微织构，发现仿生微织构试样的耐磨性能均优于光滑试样的，这与激光加工后试样表面重熔区形成微细的莱氏体组织有关。综上可知，干摩擦条件下表面织构的减磨机理主要归结为：织构存储磨屑，减少二次磨损；织构处的硬度高于基体的(相变硬化)，导致耐磨性也随之提高。

2.2 润滑条件下的减磨机理

2.2.1 高速轻载工况

在高速轻载工况下，流体动压效应是微凹坑织构具有减磨效果的主要原因。流体动压理论的早期发现得益于推力轴承的试验研究，在该研究中发现具有一定表面粗糙度的平行表面的润滑性能更好[23-26]。王素华等[27]研究发现，在润滑条件下磨损时可将表面织构看作微小流体动压轴承，可在摩擦副表面产生流体动压膜，从而减小摩擦因数，达到减磨效果。吴泽等[28-29]采用激光加工技术在硬质合金刀具前刀面易磨损处加工出椭圆形微沟槽，在微沟槽内填充固体润滑剂后对TC4钛合金进行切削试验，发现该自润滑刀具在改善刀/屑界面的润滑状态的同时，还能显著降低切削过程中的切削力和切削温度，从而提高刀具的使用寿命。在高速轻载工况下，摩擦副两接触面间的润滑剂会产生流体动压膜，可有效防止摩擦副的直接接触，从而减小摩擦因数，因此材料的耐磨性能提高。

2.2.2 低速重载工况

在低速重载工况下，摩擦副表面的相对运动速度较小而载荷过大，两接触面间难以形成流体动压膜，因此摩擦副会直接接触，此时材料的摩擦性能是由接触面的边界特性决定的。摩擦副在较大载荷的作用下互相挤压，导致表面发生塑性变形[30]，使得存储在织构中的润滑剂因周围材料变形而被挤出；此时的织构就相当于一个微型油泵，可实现对摩擦副的“二次供油”[8]，有效避免材料变形、剥落甚至咬合，从而改善接触面的润滑状况，起到减磨的作用。刘一静等[31]利用电解加工技术在发动机活塞裙部加工出具有不同直径和深度的凹坑结构，并在不同载荷和转速下进行摩擦磨损试验，发现当载荷为800 N，转速为200 r·min-1时，直径为250 μm，深度为5 μm的织构表现出最佳的减磨效果。GRABON等[32]研究表明，微凹坑与珩磨网纹相结合的织构可明显降低缸套-活塞环摩擦副在低速重载工况下的摩擦因数。魏晓凤[33]研究表明，用激光加工技术在人工髋关节材料表面制备微纳结构后，摩擦副在低速重载工况下的摩擦因数减小。综上可知，在低速重载工况下，摩擦副接触面间不会产生流体动压效应，减磨主要依靠表面织构对摩擦副的“二次供油”。

3 表面织构形貌和几何参数对摩擦学性能的影响

3.1 织构形貌的影响

研究表明，只有选择合适的织构形貌和几何参数，才能使表面织构发挥出最优的减磨效果[18-19]。在研究初期，受限于单一的制备技术和匮乏的理论知识，凹坑和沟槽是研究者重点研究的织构形貌。近几十年来，得益于仿生学的发展以及加工方法的日益完备，表面织构形貌越来越丰富，主要包括圆形凸起、网格、波纹、六边形凸起等。

织构形貌对摩擦学性能有较大的影响，即使在织构面积、深度和面积率相同的情况下，不同形貌织构产生的流体动压膜的承载能力也不同，但是不同形貌织构的减磨机理目前尚未达成统一。于海武等[34]在织构面积、深度和面积率相同的情况下，对圆形、正方形和椭圆形凹坑织构的减磨效果进行对比，发现椭圆形凹坑织构表现出最优的减磨效果，正方形凹坑织构的次之，圆形凹坑织构的最差。宋起飞等[20]在铸铁表面加工出凹坑、沟槽和网格等3种不同形貌的织构，发现网格织构试样的磨损量和摩擦因数最小，耐磨性能最好。王丽丽等[35]用激光加工技术在45号钢表面加工出周向沟槽、局部网状沟槽、径向沟槽、微凹坑等4种不同形貌的织构，发现在相同的摩擦条件下这4种织构表现出不同的减磨效果：在稳定磨损阶段，与光滑试样相比，径向沟槽织构试样和凹坑织构试样的摩擦因数分别降低了16%和11%，而局部网状织构试样的摩擦因数与光滑试样的相差不大，周向沟槽织构试样的摩擦因数大于光滑试样的。

3.2 几何参数的影响

3.2.1 织构面积率的影响

织构面积率是影响摩擦学性能的重要参数，因此选择合适的织构面积率对于获得良好的摩擦学性能至关重要。胡天昌等[36]研究表明：在45号钢表面加工出相同尺寸的凹坑织构后，织构面积率与摩擦因数并非呈简单的线性关系，当织构面积率为20%～30%时，摩擦因数较低。李亚军等[37]采用激光加工技术在45号钢表面加工出不同面积率的凹坑织构，发现：在干摩擦和4%织构面积率条件下，试样的摩擦因数最小且稳定摩擦因数为0.56；在乏油条件下，面积率为4%织构试样的摩擦因数小于光滑试样的，但是当织构面积率达到16.2%时，摩擦因数大于光滑试样的。周元凯等[38]用微型钻头在45号钢表面分别加工出面积率为2%，6%，10%的圆形微凹坑，发现在较低载荷下，面积率高的织构减磨效果更好，而在较高载荷下，面积率低的织构减磨效果更好。

3.2.2 织构尺寸及分布方式的影响

织构的尺寸和分布方式对材料的摩擦学性能也有重要的影响。于海武等[39]研究发现，在富油环境下，微凹坑横/纵间距比为1…3时，凹坑织构具有最佳的减磨效果。RIPPOLL等[40]采用激光加工技术在涂有MoS2涂层的钛合金上加工出不同尺寸的微凹坑织构，发现在干摩擦条件下，当微凹坑间距约为50 μm，深度约为20 μm，织构面积率为40%60%时，凹坑具有最优的磨屑捕捉效果，合金的耐磨性能最佳。万轶[41]和胡天昌等[42]均用激光加工技术在GCr15钢表面加工出微凹坑织构，发现在贫油工况下，织构试样的摩擦因数和磨损率均明显低于光滑试样的，且当凹坑直径为150 μm，深度为30～40 μm，织构面积率为8%9%时，凹坑织构的减磨效果最好。

4 结束语

目前，表面织构在改善材料耐磨性能方面表现突出，且其优异的减磨性能在切削刀具、生物材料、机械零部件等领域已得到试验验证，具有广阔的应用前景。在不同工况下，表面织构的减磨机理也不同：在干摩擦条件下，表面织构可以存储磨屑，避免二次磨损，同时可提高材料表面整体硬度，提高耐磨性能;在润滑条件下，表面织构可产生流体动压效应或起到“二次供油”作用，从而减少摩擦副接触面的摩擦，提高材料的耐磨性能。影响表面织构减磨效果的因素繁多且各个因素交互作用，因此需要通过试验分析得到最优的参数。

虽然国内表面织构研究的起步较晚，但是发展势头良好，未来的研究方向主要集中在以下几个方面：(1)结合实际工况，先利用计算机模拟出合适的织构形貌及几何参数，为试验提供参考；(2)研究更多的织构形貌，如仿生形貌、复合形貌等，对非单一织构的摩擦学特性进行系统研究；(3)将表面织构技术与其他表面技术进行结合，从而进一步改善材料的性能。