激光织构对干摩擦性能的影响及机理研究

齐烨，常秋英，王斌，李娟

（1.北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京100044；2.中国兵器科学研究院，北京100089）

激光织构对干摩擦性能的影响及机理研究

齐烨1，常秋英1，王斌1，李娟2

（1.北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京100044；2.中国兵器科学研究院，北京100089）

采用LM-YLP-20F-Ⅱ型激光打标机进行表面织构化处理，形成具有规则排列的圆形微坑阵列。通过环-块线接触摩擦磨损试验，研究了不同面密度的激光表面织构对干摩擦磨损性能的影响，采用探针轮廓仪和扫描电镜对试件的表面形貌进行了分析。建立了摩擦副的简化接触有限元模型，模拟摩擦副的滑动摩擦过程，从应力的角度分析表面织构对干摩擦性能的影响机理。试验结果表明：激光表面织构化对试件表面硬度影响显著；当激光织构面密度小于20%时，构成摩擦副的两试件的磨损量都小于无织构情况；当织构面密度大于20%时，与无织构情况相比，织构化试件的磨损仍降低，但对偶件的磨损反而增大。仿真结果表明：对织构化试件的对偶件来说，在一定的织构面密度范围内，在平均应力无大幅提高的前提下，织构凹坑的存在，缓解了接触区应力集中现象，从而有利于降低磨损。

材料表面与界面；磨损；激光表面织构；干摩擦；有限元仿真

0　引言

目前，表面织构越来越广泛地被用于改善摩擦学性能的研究中，大部分相关研究都是围绕表面织构在油润滑状态下的摩擦学性能进行的［1-4］，而表面织构在干摩擦状态下的研究很少。众所周知，这两种情况下表面织构的作用机理完全不同［5］。目前，车辆系统主要通过硬化刹车盘（毂）和更换抗磨性能优良材料［6］来提升刹车制动系统的抗磨性。激光表面织构改善干摩擦性能的技术对于提升装甲车刹车制动系统的摩擦磨损寿命提供了新的思路和方法。无论从机理研究还是工程应用的角度，对织构化摩擦试件的干摩擦磨损性能进行系统研究都具有重要意义。

目前只能检索到有限的研究工作探索激光表面织构在干摩擦状态下的相关性能［7-11］。一些研究人员提出激光表面织构增加了摩擦副表面的粗糙度导致干摩擦系数值变大［9］，而另外一些学者发现激光表面织构具有收集磨粒的作用从而降低了干摩擦系数值［10］，二者的结果完全相反。几乎所有激光表面织构的干摩擦磨损性能研究都表明激光表面织构具有良好的抗磨性。胡天昌等测得45#钢表面激光织构化后硬度并没有发生改变，提出由于微坑收集磨粒降低了磨粒磨损［10］；宋起飞等提出激光表面织构使得表面出现了很多高硬度单元体从而提升了织构化试件的抗磨性能［9］，但是并没有详细说明单元体的硬度如何测量和表征。并且以上抗磨性能的研究都是针对织构化试件的磨损性能，并没有考虑其对偶件的磨损情况，无论从机理分析还是从工程应用的角度分析对偶件的磨损都具有重要的意义。

鉴于以上情况，本文利用激光加工技术在45#钢表面制备出规则的凹坑型织构，研究激光表面织构在干摩擦状态下的摩擦学性能，不仅考察了织构化试件的磨损性能，并研究了其对偶件的磨损性能。同时系统考察了激光加工对试件表面硬度的影响，并结合有限元数值仿真计算的结果，进一步完善了表面织构化影响干摩擦磨损性能的机理。

1　摩擦磨损试验

摩擦磨损试验采用M-2000型摩擦磨损试验机，图1为M-2000型摩擦磨损试验机结构示意图。该试验机的载荷加载范围为0～2 000 N，转速可选200 r/min和400 r/min，既可进行环-环线接触滑动、滚动摩擦磨损试验，也可进行环-块线接触滑动摩擦磨损试验。本研究选用环-块线接触试件，环的尺寸为40 mm×10 mm，块的尺寸为9 mm×10 mm× 15 mm，环试件的基材为45#钢并进行了热处理，块试件基材为12Cr.采用LM-YLP-20F-Ⅱ型激光打标机在环试件的外圆周面上按照一定的排列方式加工圆形微凹坑阵列，块试件不进行织构化处理，主要的激光加工参数分别为：平均功率18 W，脉冲频率20 kHz，速度100 mm/s，打标循环过程重复7次。加工完成后用砂纸抛光表面织构微坑边缘的毛刺，并用酒精和丙酮对试件进行超声波清洗。由于环试件外圆周表面是一个曲面，显微硬度计和探针轮廓仪很难对该表面进行测量，本试验选择在相同基材的平面加工出完全相同的激光表面织构，在该织构化平面上测量硬度值和织构凹坑的截面形貌参数。图2（a）为扫描电镜下看到的织构凹坑排列形貌，图2（b）为探针轮廓仪测量得到的织构凹坑几何截面形貌，可以看出微凹坑直径为500 μm左右，深度为120 μm±20 μm.表面织构的面密度定义为所有织构凹坑在接触表面的面积总和与接触表面总面积的比值，改变凹坑之间的相邻距离，可以得到具有不同面密度值的表面织构。

图1　M-2000型摩擦磨损试验机结构示意图Fig.1 Schematic diagram of M-2000 friction and wear tester

试验中加工了5种不同的面密度，分别为6.6%、9.1%、13.7%、20.0%、33.0%，对无织构试件与织构化试件进行同等条件的干摩擦试验，试验载荷为100 N，转速为200 r/min，每组试验至少重复3次，每组试验时长为60 min.试验前后用酒精和丙酮对试件超声清洗，采用高精度天平（精度为0.1 mg）在试验前后对试件进行称重，计算磨损量。

图2　表面织构形貌Fig.2 The morphology of surface texture

2　试验结果

2.1激光织构化表面硬度测量

对织构化试件和无织构试件进行显微硬度测量，得到激光加工对材料表面硬度的变化影响。在无织构试件表面取3点位置测量显微硬度（见表1），取平均值为452HV.在激光织构化表面取多点测量织构凹坑间表面的显微硬度，发现试件无凹坑处表面的硬度全部降低了。图3为面密度20.0%织构化试件表面的显微硬度测量位置分布情况，选了7个位置进行硬度测试，织构微坑内部无法进行显微硬度测量改用洛氏硬度计测量，测量结果列于表1中。将位置1～7的测量值取平均值为345HV，可见激光加工后试件表面无微坑处的硬度降低了23.7%.坑内的洛氏硬度值为64HRC（800HV），微坑内部的硬度值较原试件提升了77.0%.从图2（a）中可以看到织构凹坑底部及内壁覆盖着激光融覆层和大量熔渣，这些冷却的熔融物使得凹坑内壁的硬度高于基体本来的硬度，最终激光织构化表面形成了高低硬度交替变化的格局。

表1　环试件表面硬度测量结果Tab.1 Surface hardness of rings

图3　织构化试件表面显微硬度测量位置（织构面密度20.0%）Fig.3 Positions of microhardness measuring on textured surface（area density of textures of 20.0%）

2.2激光织构化对磨损量的影响

试件在试验前后清洗烘干后，用电子天平称重，取3次重复试验的磨损量平均值作为环块试件的干摩擦磨损量，如表2中数据。激光织构化环试件的磨损量与无织构试件相比降低了很多，减磨效果显著。当激光织构面密度从6.6%增加到20.0%的过程中，环试件的磨损量从0.056 9 g迅速降低至0.018 1 g，减磨效果从48.3%上升到83.4%，提升明显。当激光织构面密度从20.0%提升到33.0%，环试件的磨损量没有降低，减磨效果不再提升。根据表面硬度测量结果，在激光织构化表面形成了一个个较软组织包围高硬度微坑规律性变化的格局，较硬的微坑镶嵌在较软的基体上发挥支撑载荷、抵抗磨损、阻止磨粒犁削的作用，而周围较软的组织则可以缓解接触表面应力的集中。

表2　环块试件磨损量平均值Tab.2 Average wear losses of rings and blocks

激光表面织构使得环试件表面出现了高硬度区，对块试件表面具有严重的磨削作用，随着织构面密度的增加，高硬度区面积增加，磨削作用加强造成块试件的磨损量不断上升。有趣的是，当织构面密度低于20.0%时，块试件的磨损量始终小于无织构情况的磨损量，在后文有限元仿真模拟中将对该现象进一步解释；当织构面密度高于33.0%时，块试件的磨损量高于无织构情况对应的磨损量，激光织构具有加剧块磨损的作用。综合考虑摩擦副对偶件的磨损性能，选择激光织构面密度低于20.0%的范围对于环块试件都具有减磨效果。

2.3激光织构化对摩擦系数的影响

图4反应了无织构、织构面密度20.0%和33.0%对应的摩擦系数变化情况。在试验开始的磨合阶段摩擦系数波动非常剧烈。当试验刚刚进入稳定状态时，可以看出试件的摩擦系数呈小幅上升，并且织构面密度33.0%所对应的摩擦系数最大，无织构试件对应的摩擦系数最小，织构面密度20.0%所对应的摩擦系数居于二者之间，总的来说激光织构化对摩擦系数的影响不是非常显著，摩擦系数始终在0.5～0.6的范围内变化，并且试验后期摩擦系数趋于一致。面密度为6.6%、9.1%和13.7%时摩擦系数随时间的变化和无织构时几乎重合，图4中不再给出。上述摩擦系数的变化与文献［10］的结论不同，可见表面织构对摩擦系数的影响规律是比较复杂的。

3　有限元仿真

3.1建立有限元模型

利用ANSYS软件建立两个试件的有限元接触模型，考察接触区域应力的分布情况。由于环块试件的接触区非常小，可以将其简化成两平行平面接触，整个模型简化为两个尺寸很小的长方体接触并相对摩擦运动，上试件几何尺寸4 mm×4 mm，下试件几何尺寸10 mm×5 mm.选用半圆形织构凹坑，凹坑直径为0.6 mm.上下平面使用结构实体单元PLANE42划分网格，采用二维面-面接触单元TARGE169和CONTA172描述上下表面之间的相互作用，图5为织构化试件有限元接触模型。

图4　摩擦系数随试验时间的变化Fig.4 Friction coefficient vs.test time

图5　织构化试件有限元接触模型Fig.5 Finite element contact model of textured specimen

在边界条件的处理上采用了两个载荷步来施加载荷：第1个载荷步中，下试件底面的所有节点上施加x、y两个方向的位移约束，在上试件的上表面所有节点施加面载荷1 MPa；第2个载荷步中，上试件上表面所有节点施加y向位移6 mm.加载结束后计算求解得到应力的分布结果。通过比较无织构情况与织构化情况对应的摩擦副接触面应力分布结果，从表面织构对接触面应力分布影响的角度分析表面织构对干摩擦性能的影响。

3.2接触应力分布结果

模型上试件从下试件左端滑动到右端总共需要12个位移载荷子步。在对接触表面应力进行分析时，本文选取了上下试件滑动摩擦的起始（载荷子步1）、中间（载荷子步6）和结束（载荷子步11）状态对应的应力分布图。图6为无织构试件对应的接触应力分布结果，在上下试件相对运动过程中，上试件下表面右侧大部分时间处于应力集中状态，该处会过早磨损，随着相对滑动的进行，磨损区会从右侧向左一直扩展致使上试件的摩擦表面磨损严重。图7中凹坑的存在减小了摩擦副的接触面积，致使最大接触应力值略有增大，但最大接触应力值在块试件接触表面的位置在不断的变化。随着摩擦副的相对滑动，上试件接触表面的每一点都会经历高应力点和低应力区的交替变换，上试件下表面不存在长时间处于高应力集中的区域，与无织构情况相比缓解了应力集中，有利于降低磨损，该结果解释了表2中面密度低于20.0%的激光织构有利于降低上试件（块）磨损量的原因。

图6　无织构模型滑动过程的接触应力结果Fig.6 Contact stress of non-textured model during sliding

图7　织构化模型滑动过程的接触应力结果Fig.7 Contact stress of textured model during sliding

4　结论

本文针对激光表面织构对干摩擦性能的影响进行了摩擦磨损试验研究，对织构微坑内部和外部表面进行了硬度测试，并应用有限元数值模拟的方法探究了摩擦副接触表面的应力分布情况，得到以下研究结论：

1）45#钢试件（硬度452HV）进行激光织构化对表面硬度影响显著，微坑内部硬度高于基体硬度，微坑间表面硬度低于基体硬度。

2）当织构面密度小于20.0%时，织构化试件减磨效果随着面密度的增加提升显著；当织构面密度大于20.0%，减磨效果不再上升。

3）对于织构化试件的对偶件，随着织构面密度的增加，磨损量逐渐增加；当织构面密度小于20.0%时，对偶件的磨损量小于无织构对应的磨损量，激光织构具有减磨效果；当织构面密度大于20.0%，对偶件的磨损量大于无织构对应的磨损量，激光表面织构对其无减磨效果。

4）织构凹坑的存在，改变了试件的应力分布，使接触区形成了高、低应力交替分布的格局，随着上试件的滑动，应力集中点在不断变化位置，而无织构情况时上试件的应力集中点位置不变，因此织构的存在有利于缓解上试件的磨损。

（

）

［1］Suh M S，Chae Y H，Kim S S，et al.Effect of geometrical parameters in micro-grooved crosshatch pattern under lubricated sliding friction［J］.Tribology International，2010，43（8）：1508-1517.

［2］RYK G，Kligerman Y，Etsion I，et al.Experimental investigation of partial laser surface texturing for piston-ring friction reduction［J］.Tribology Transactions，2005，48（4）：583-588.

［3］Wan X，Kato K.Improving the anti-seizure ability of SiC seal in water with RIE texturing［J］.Tribology Letters，2003，14（4）：275-280.

［4］张金煜，孟永刚.推力滑动轴承表面织构的优化设计［J］.机械工程学报，2012，48（17）：91-99. ZHANG Jin-yu，MENG Yong-gang.Optimal design of surface texture in parallel thrust bearings［J］.Journal of Mechanical Engineering，2012，48（17）：91-99.（in Chinese）

［5］Etsion I.State of the art in laser surface texturing［J］.Journal of Tribology of the ASME，2005，127（1）：248-253.

［6］曹献坤，姚安佑，闻荻江.片状增强制动摩擦材料的探究［J］.兵工学报，2000，21（3）：249-252. CAO Xian-kun，YAO An-you，WEN Di-jiang.The study of vermiculite-sheet reinforced friction material［J］.Acta Armamentarii，2000，21（3）：249-252.（in Chinese）

［7］丛茜，张宏涛，金敬福，等.仿生非光滑通孔耐磨机制有限元分析［J］.润滑与密封，2007，32（1）：31-33，151. CONG Qian，ZHANG Hong-tao，JIN Jing-fu，et al.Finite element analysis of wear resistance mechanism of bionic non-smooth through-hole［J］.Lubrication Engineering，2007，32（1）：31-33，151.（in Chinese）

［8］任露泉，徐德生，邱晓明，等.仿生非光滑耐磨复合层的研究［J］.农业工程学报，2001，17（3）：7-9. REN Lu-quan，XU De-sheng，QIU Xiao-ming，et al.Research on wear-resistant composite with bionic unsmooth surface［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2001，17（3）：7-9.（in Chinese）

［9］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. SONG Qi-fei，ZHOU Hong，LI Yue，et al.Friction and wear properties of cast-iron material with bionic non-smooth surface under normal temperature［J］.Tribology，2006，26（1）：24-27.（in Chinese）

［10］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. HU Tian-chang，HU Li-tian，DING Qi.Tribological properties of laser textured surfaces of 45#steel under dry friction［J］.Tribology，2010，30（1）：46-52.（in Chinese）

［11］刘东雷，孟小霞，袁春俭，等.多种规则微造型表面摩擦特性的试验研究［J］.润滑与密封，2008，33（7）：28-31. LIU Dong-lei，MENG Xiao-xia，YUAN Chun-jian，et al.Research on tribological performance of texturing surfaces［J］.Lubrication Engineering，2008，33（7）：28-31.（in Chinese）

Research on Tribological Behaviors of Laser Surface Textures under Dry Sliding

QI Ye1，CHANG Qiu-ying1，WANG Bin1，LI Juan2
（1.School of Mechanical，Electronic and Control Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China；2.Ordnance Science and Research Academy of China，Beijing 100089，China）

Surface of specimen is textured with a LM-YLP-20F-Ⅱlaser marking machine to develop regularly arranged micro-dimples.Ring-block line contact friction tests are performed to study the influence of laser textures'area density on friction and wear behaviors under dry sliding.The morphologies of textures are examined with a stylus profiler and a scanning electron microscope.A simplified finite element contact model of friction pair with surface textures is developed to simulate sliding friction，and the stress distribution is obtained to analyze the effects of surface textures on tribological properties.The results show that the effect of laser surface texturing on the surface hardness of specimen is remarkable.Both the wear losses of two mating specimens are reduced compared with non-textured specimens when the area density of laser surface textures is less than 20%，and the wear rate of textured specimen still goes down.However the wear rate of the mating specimen goes up when the area density of laser surface textures is over 20%.High stress location and magnitude shift with the change in the dimples on contact surfaces，which is beneficial to wear resistance.

surface and interface of materials；wear；laser surface texture；dry friction；finite element simulation

TH117.1

A

1000-1093（2015）02-0200-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.02.002

2013-11-19

国家自然科学基金项目（51075026）；总装备部预先研究项目（62501036025）

齐烨（1987—），女，硕士研究生。E-mail：11121436@bjtu.edu.cn；常秋英（1972—），女，副教授，硕士生导师。E-mail：qychang@bjtu.edu.cn