表面织构化改善摩擦学性能研究综述

张玉周

(集美大学机械工程学院,福建 厦门 361021)

表面织构化改善摩擦学性能研究综述

张玉周

(集美大学机械工程学院,福建 厦门 361021)

表面织构技术已得到国内外科研人员的广泛关注.理论研究和工程实践表明,表面织构化可以显著改善接触表面的摩擦学性能,从表面织构的减摩机理和应用2个方面对织构化提高表面摩擦学性能的研究进展进行了综述,并对其发展趋势进行展望和预测.

表面织构;流体动压效应;二次润滑;数值分析;综述

0 前 言

多年来,表面织构化作为一种改善机械零件、微/纳零件摩擦学性能的有效手段已得到广泛共识.目前,这种技术已在计算机磁盘存储器、MENS系统及机械行业(内燃机活塞与气缸套系统、齿轮、轴承和密封等)中得到成功应用.

1966年,Hamilton等[1]最先通过蚀刻技术在机械密封件上制造出一系列微观凸起,并通过理论分析和实验验证,获得了最优的表面织构尺寸,其研究结果表明,这些微观凸起可以起到微流体动压轴承的作用,明显增强了摩擦副的承载能力,降低摩擦系数.之后,研究人员又推出了许多新的表面织构技术,并运用多种表面织构化形式来改善摩擦学性能.比如,Etsion等[2]利用激光加工技术在机械密封件接触面上加工出微凹坑.实验证实,球形凹坑形状最优,且存在一最优的凹坑深径比,使得液膜刚度及PV参数最大.此外,有文献报导,研究人员运用微细电解加工、磨粒喷射、机械微加工、微细特种加工、LIGA等技术分别在多种材料上进行表面织构化处理,并评价了表面织构对摩擦性能的影响,试验结果都证实了表面织构化对表面摩擦学性能的有效改善[3-10,22-24].

本文从减摩机理和应用2个方面对表面织构改善摩擦学性能的研究现状进行了综述,并对其发展趋势进行了展望和预测.

1 表面织构的减摩机理

1.1 附加流体动压效应理论

附加流体动压效应理论由Hamilton等[1]在1966年首次提出,其利用光刻蚀的办法获得表面织构,通过电流的测量判断有效润滑膜的存在.其后,Etsion等[2]通过激光对摩擦副进行织构化处理,考察其润滑性能的变化,研究发现,带微孔阵列的表面比光滑表面具有更好的润滑性能,表面的部分织构化能够十分有效地增加流体动压效应.Tonder[11]将表面织构引发的流体动压效应归因于2个方面:一是表面织构区会产生类似Rayleigh轴承的阶梯效应,二是表面织构会阻碍压力区内润滑油的流动.Kovalchenko[12]等通过销—盘接触的Stribeck曲线的测量研究了表面织构对流体润滑向混合润滑转变的影响.此外,王晓雷等[13]对水润滑下碳化硅陶瓷的承载能力及表面织构的影响进行了系统的研究,通过实验获得的表面织构特征参数对承载能力的影响规律与按流体动压理论得到的理论分布呈现类似的趋势,表明即使在水润滑条件下,通过表面织构获得的流体动压润滑效果也是显著的.

1.2 “二次润滑”与容纳磨损颗粒理论

相对于附加流体动压效应理论,目前科研人员对边界润滑区域的“二次润滑”理论以及容纳磨损颗粒理论研究较少.王晓雷等[14]对边界润滑条件下表面微细织构减摩特性进行了研究,利用纳米压痕仪在碳钢表面制作了具有不同密度和深度的划痕点阵,并对其在边界润滑条件下的摩擦性能进行了评价.胡天昌等[15]利用固体脉冲激光对GCr15钢样品表面进行了微坑织构化处理,考察了表面织构参数对其摩擦性能的影响,并得出如下结论:干摩擦条件下,织构面的摩擦系数均高于未织构面,而其磨损率均小于未织构面,SEM显示微坑槽起到了捕获磨屑的作用;而在贫油润滑条件下,织构面的摩擦系数与磨损均低于未织构面,Stribenck曲线表明织构面在试验条件下均处于油膜流体润滑状态,而未织构面则明显产生了向混合及边界润滑的过渡,说明表面微坑延伸了摩擦副动压润滑发生的范围,而在运行过程中微坑内贮存的润滑剂通过二次润滑效应补充到对偶表面形成连续的油膜.

1.3 分歧和不足

虽然研究人员对表面织构化减摩机理的研究已取得了重要进展,但目前仍存在一些分歧和不足.

1)表面织构之所以能够提高承载力,学者们提出了不同的看法.比如,Hamilton等[1]认为由于织构产生空化从而使织构两边的压力不对称得到承载力,而Tonder[11]则认为是由于织构区域能够在接触区域内存储润滑油,因而较好保持油膜从而得到承载力.

2)在流体润滑区域,表面织构是否能够减小摩擦系数,提高摩擦学性能,学者们还没有统一的认识.

3)目前科研人员对表面织构化的研究大多是在光滑表面上进行,表面粗糙度对织构表面的润滑减摩性能研究还很缺乏.

2 表面织构的理论模型与数值分析

有学者通过反复试验来分析表面织构化处理对表面摩擦学性能的影响,并确定较优的结构形式和参数[16].但这种研究手段材料消耗大、周期长,研究结果受实际试验条件的限制,不具有普适性,也很难找到最优的结构形式和参数.目前,国内外学者分析了表面织构如何有效改善机械部件(机械密封、滑动轴承、活塞与气缸套系统)、微/纳器件的摩擦学性能,建立了多个表面织构的理论计算模型,并通过数值分析的方法对模型进行求解.这些计算模型,大部分是基于Reynolds方程开展的,而且在一定条件下理论分析结果与试验结果也显示出较好的一致性.但考虑流体惯性项的影响,有学者认为应该采用更精确的N-S方程.数值解法主要为有限元法、有限差分法和有限体积法.其中,有限体积法计算效率和精度更高,近几年发展迅速.

Estion[20-23]对机械密封端面的织构化处理进行了理论分析,并建立了具有规则分布的半球形微孔机械密封的物理模型,通过求解Reynolds方程获得了端面间压力分布规律,分析了微孔形状、尺寸、深径比、分布密度等对密封性能的影响,并获得了最优化参数.于新奇等[24]建立了激光加工多孔端面机械密封的计算模型和边界条件,推导了激光加工多孔端面机械密封的摩擦扭矩表达式,并采用有限差分法求解液膜控制方程,获得了在不同操作工况和表面微孔结构参数下的密封开启力,得到了产生最大端面动压力时的优化结构参数.赵中等[25]建立了激光加工微孔端面液体润滑机械密封的理论模型,分析了微孔沿圆周和半径方向呈间断扇形分布时的密封性能,采用有限元法求解Reynolds方程获得不同扇形区和微孔结构尺寸参数条件下的端面液膜压力分布,在此基础上计算了液膜刚度、开启力、泄漏量、摩擦扭矩、刚漏比和开漏比等密封性能参数,讨论了各密封性能参数随结构参数的变化规律.郑显良等[26]分析了表面织构对活塞环摩擦学性能的影响,建立了考虑动压效应和挤压效应的一系列微单元织构的流体润滑模型,通过有限差分法求解数学模型,得出了表面织构各参数对缸套活塞环油膜润滑的影响规律.符永宏等[27]基于摩擦学理论和缸套/活塞环的润滑磨损特征,建立了具有规则微观几何形貌特征的缸套内表面润滑理论模型,用变异的多重网格法进行了数值求解,并对微观几何形貌参数进行了初步的优化设计.Brizmer等[28]建立了推力轴承表面织构化的理论模型,并比较了推力轴承全面织构和局部织构的承载能力.

此外,裴世源等[17]为解决传统数值方法在求解多尺度织构流体润滑问题时计算速度慢、效率低、规模受限等问题,提出了一种多尺度表面织构流体润滑问题的快速求解方法——有限细胞算法(FCM).马晨波等[18]借助计算流体动力学,通过建立求解NS方程的表面织构润滑计算模型的方法研究惯性项对织构表面流体动力学性能的影响规律,并进一步提出N-S方程和Reynolds方程在建立求解流体润滑条件下表面织构润滑计算模型时适用范围的判别依据.

3 表面织构化的应用

Etsion等[2]最早对机械密封的表面织构进行了系统研究,通过求解Reynolds方程得出端面的流体动压分布及各种工况下的平均压力.研究发现,微凹坑的直径、深度和密度是描述表面织构减摩性能的关键参数,微凹坑的形状影响较小,但深径比对承载能力的影响非常大.研究表明,机械密封的表面织构使得摩擦扭矩减小65%以上,端面温升也远低于未织构化处理.但是,随着机械密封承受的单位载荷和压力的提高,摩擦扭矩的减小效应会逐步消失.采用局部高密度的织构化处理,可以改善高压密封件的摩擦学性能,由于减小了2个接触表面的接触压力,摩擦扭矩可减小90%以上.

Hoppermann等[29]的研究发现,如果只在机械密封的一个耦合面上进行织构化处理,摩擦力会比未织构化处理减小40%,而如果2个耦合面都进行织构化处理,摩擦力反而会增加100%.Kligerman等[30]研究了表面织构化对气密封摩擦学性能的影响.结果表明,织构化同样能改善气密封的摩擦学性能,摩擦扭矩和端面温升与未织构化处理相比大大减小.但是,最优深径比与液体润滑相比要小得多.

此外,研究还发现,在滑动轴承、活塞与气缸套系统上进行织构化处理后,摩擦学性能的改善基本上得到了与机械密封时同样的效果,但仍表现出一些特点.虽然表面织构的形状、深径比及分布密度同样是提高减摩性能和承载能力的关键因素,但Rahmani等[31]的研究表明,矩形微坑对滑动轴承的摩擦性能影响最大;矩形凸台织构承载能力最高.符永宏等[32-33]的研究表明,即使在活塞与气缸套系统的2个平面摩擦副上进行织构化处理,也能获得良好的动压效果.Ryk等[34]比较了活塞环表面全面和局部织构化对改善系统摩擦学性能的影响,结果表明,全面织构耐摩擦能力相对未织构化处理可提高40%,而局部织构在全面织构的基础上,耐摩擦能力又提高了25%,这主要是因为局部织构产生的是聚集效应,相当于在名义平行表面上提供了一个当量楔形间隙,减小了摩擦.这些结果与机械密封织构化所表现出的明显不同.这可能与表面织构在不同的机械部件上的减摩机理存在差异有关,但目前还未有研究人员就表面织构在不同机械部件上的减摩机理进行比较研究.

另外,近年来表面织构改善微观摩擦学性能的研究也取得重大进展,主要体现在表面织构在磁盘存储器和MENS系统上的应用.为了提高存储效率,在磁盘存储器中,磁头和磁盘的间隙现在已降到10 nm左右.同样,在MENS系统中,摩擦副表面的间隙也是处于纳米级.由于尺寸效应和表面效应,微构件间的表面张力、摩擦力和黏着力成为影响微/纳构件的功能、可靠性和使用寿命的关键因素,改善微/纳构件的摩擦学性能已成为新的研究热点.其中,表面织构化处理已被实践证明是有效手段之一.国内外学者普遍认为,微/纳器件表面的织构化处理之所以能够改善摩擦学性能,主要是因为表面织构化处理可减小摩擦副表面的接触面积,增加接触表面的粗糙度,增强表面的疏水性,从而大大降低了表面的黏着力和摩擦力.比如,Ranjan等[35]和Suh[36]等利用激光技术在计算机硬盘盘片上制造微小隆起或凹坑以减小表面接触,研究结果都证明了表面织构化处理可以有效减小磁头与磁盘表面之间的真实接触面积,从而降低摩擦和黏着力.

4 发展趋势预测

虽然国内外对于表面织构改善摩擦学性能方面的研究和应用较多,但对表面织构减摩机理的认识还存在分歧,理论模型的研究较少,不具有普遍性和通用性.另外,当前表面功能结构正从宏观结构向微结构、纳米结构发展,从单一结构向复合功能结构发展.因此,从目前的研究趋势来看,今后可着重从以下5个方面开展对表面织构的深入研究.

1)在机理方面,应更注重表面织构理论模型的研究,使之更具有一般性和通用性,更能科学地反映织构制备工艺参数、织构化几何形状及参数等因素与摩擦润滑理论之间的关系.充分利用计算机技术来开展虚拟织构、表面织构仿真等方面的研究.

2)揭示复合表面功能结构、微结构及纳米结构条件下表现出有别于单一的、宏观表面功能结构的特殊作用机理,并提出相应的制造方法、建立相关理论.

3)发展织构加工技术,提出新的制造理论和方法,扩大表面织构的应用范围.

4)表面织构表征方面的研究,尚未见有文献报导.当前,分形理论在摩擦学研究中的应用已成为新的研究热点,是否可以考虑应用分形理论解决表面织构的表征问题,值得探讨.

5)在摩擦副运行过程中,表面织构的形貌、参数,表面的接触状态均发生非线性变化,润滑机理和摩擦学性能也会变化,这方面的研究有待进一步深入.

[1] Hamilton D B,Halowit J A.A theory of lubrication by micro irregularities[J].Journal of Basic Engineering,1966,88(1):177-185.

[2] Etsion I.Improving tribological performance of mechanical components by laser surface texturing[J].Tribology Letters,2004,17(4):733-737.

[3] 刘一静,袁明超,王晓雷.表面织构对发动机活塞/缸套摩擦性能的影响[J].中国矿业大学学报,2009,55(6):866-871.

[4] Wakuda M,Yamauchi Y,Kanzaki S,et al.Effect of surface texturing on friction reduction between ceramic and steel materials under lubrication sliding contact[J].Wear,2003,254(3-4):356-363.

[5] Andersson P,Koskinen J,Varjus S,et al.Microlubrication effect by laser-textured steelsurfaces[J].Wear,2007,262(3-4):369-379.

[6] 胡天昌,胡丽天,丁齐.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.

[7] Voevodin A A,Zabinski J S.Laser surface texturing for adaptive solid lubrication[J].Wear,2006,261(11-12):1285-1292.

[8] Basnyat P,Luster B,Muratore C,et al.Surface texturing for adaptive solid lubrication[J].Surface&Coating Technology,2008,203(1-2):73-79.

[9] 汪家道,陈大融,孔宪梅.规则凹坑表面形貌润滑研究[J].摩擦学学报,2003,23(1):52-55.

[10] Pettersson U,Jacobson S.Influence of surface texture on boundary lubricated sliding contacts[J].Tribology International,2003,36(11):857-864.

[11] Tonder K.Hydrodynamic effects of tailored inlet roughness:extended theory[J].Tribology International,2004,37(2):137-142.

[12] Kovalchenko A,Ajayi O,Erdemira A,et al.The effect of laser surface texturing on transitionsin lubricationreg imesduring unidirectional sliding contacts[J].Tribology International,2005,38(3):219-225.

[13] Wang X L,Kato K,et al.Load carrying capacity map for the surface texture design of SiC thrust bearing sliding in water[J].Tribology International,2003,36(3):189-197.

[14] 王晓雷,韩文非.边界润滑条件下表面微细织构减摩特性研究[J].润滑与密封,2007,32(12):36-39.

[15] 胡天昌,丁齐,胡丽天.激光表面织构化对GCr15钢摩擦磨损性能的影响[J].摩擦学学报,2011,31(5):447-451.

[16] 于海武,袁思欢,孙造,等.微凹坑形状对试件表面摩擦特性的影响[J].华南理工大学学报(自然科学版),2011,39(1):106-110.

[17] 裴世源,徐华,马石磊,等.多尺度表面织构流体润滑问题的快速求解方法[J].西安交通大学学报,2011,45(5):119-126.

[18] 马晨波,朱华,孙见君.基于CFD分析的表面织构润滑计算适用方程研究[J].机械工程学报,2011,47(15):95-100.

[19] Wang Q J,Zhu D.Virtual texturing:modeling the performance of lubricated contacts of engineered surface[J].Tribology Tractions,2005,127(4):722-728.

[20] EpsteinD,Keer LM,Wang Q J.Effect of surface topography on contact fatigue in mixed lubrication[J].Tribology Tractions,2003,46(4):506-512,3-11.

[21] Etsion I,Halperin G.A laser surface textured hydrostatic mechanical seal[J].Tribology Transactions,2002,45(3):430-434.

[22] Etsion I.Improving Tribological performance of mechanical componentsby lasersurface texturing[J].Tribology Letters,2004,17(4):733-737.

[23] Etsion I,Burstein L.A model for mechanical seals with regular micro surface structure[J].Tribology Transactions,1996,39(3):677-683.

[24] 于新奇,蔡仁良.激光加工的多孔端面机械密封的性能数值分析[J].现代制造工程,2004,27(7):66-68.

[25] 赵中,彭旭东,盛颂恩,等.多孔扇形分布端面机械密封性能的数值分析[J].化工学报,2009,60(4):965-971.

[26] 郑显良.表面织构化活塞环的摩擦学性能研究[D].北京:北京交通大学,2010.

[27] 符永宏,张华伟,纪敬虎,等.微造型活塞环表面的润滑性能数值分析[J].内燃机学报,2009,27(2):180-185.

[28] Brizmer V,Kligerman Y,Etsion I.A laser surface textured parallel thrust bearing[J].Tribology Transactions,2003,46(3):397-403.

[29] Hoppermann A,Kordt M.Tribological optimization using laser structured contact surfaces,O+P oelhydraulik und pneumatik[J].Vereinigte Fachverlage Mainz,2002,46(4):385-392.

[30] Kligerman Y,Etsion I.Analysis of the hydrodynamic effects in a surface textured circumferential gas seal[J].Tribology Transactions,2001,44(3):472-478.

[31] Rahmani R,Mirzaee I,Sshirvani A,et al.An analytical approach for analysis and optimization of slider bearings with infinite width[J].Tribology International,2010,43(8):1551-1565.

[32] 符永宏,叶云霞,张永康,等.发动机气缸孔表面的激光珩磨技术研究[J].激光技术,2002,26(5):379-381.

[33] 符永宏,叶云霞,张永康,等.用于显著改善摩擦副润滑状态的激光珩磨技术[J].机械工程学报,2002,38(8):115-117.

[34] Ryk G,Etsion I.Testing piston rings with partial laser surface texturing for friction reduction[J].Wear,2006,261(7-8):792-796.

[35] Ranjan R,Lambeth D N,Tromel M,et al.Laser texturing for low flying height media[J].Journal of Applied Physics,1991,69(8):5745-5747.

[36] Suh A Y,Lee S C,PolycarpouA A.Adhesion and friction evaluation of textured slider surfaces in ultra-low head-disk interface[J].Trobology Letter,2004,17(4):739-749.

Review of Research on Surface Texturing for Improving Tribological Performance

ZHANG Yuzhou
(College of Mechanical Engineering,Jimei University,Xiamen 361021,China)

The surface texturing technology has aroused great attention of worldwide researchers.Theoretical research and engineering practice have indicated that surface texturing may significantly improve the tribological performance of contact surfaces.The recent research on surface texturing for improving tribological performance is summarized and analyzed in the paper from the anti-friction principle and application on surface texturing.The future trends of surface texturing are also prospected and for ecasted.

surface texturing;hydrodynamic action;secondary lubrication;numerical analysis;review

TH117

A

1004-5422(2013)01-0064-04

2012-11-16.

张玉周(1971—),男,博士研究生,高级实验师,从事脆性材料加工技术研究.