表面織構化改善摩擦學性能研究綜述

張玉周

(集美大學機械工程學院,福建 廈門 361021)

表面織構化改善摩擦學性能研究綜述

張玉周

(集美大學機械工程學院,福建 廈門 361021)

表面織構技術已得到國內外科研人員的廣泛關注.理論研究和工程實踐表明,表面織構化可以顯著改善接觸表面的摩擦學性能,從表面織構的減摩機理和應用2個方面對織構化提高表面摩擦學性能的研究進展進行了綜述,并對其發展趨勢進行展望和預測.

表面織構;流體動壓效應;二次潤滑;數值分析;綜述

0 前 言

多年來,表面織構化作為一種改善機械零件、微/納零件摩擦學性能的有效手段已得到廣泛共識.目前,這種技術已在計算機磁盤存儲器、MENS系統及機械行業(內燃機活塞與氣缸套系統、齒輪、軸承和密封等)中得到成功應用.

1966年,Hamilton等[1]最先通過蝕刻技術在機械密封件上制造出一系列微觀凸起,并通過理論分析和實驗驗證,獲得了最優的表面織構尺寸,其研究結果表明,這些微觀凸起可以起到微流體動壓軸承的作用,明顯增強了摩擦副的承載能力,降低摩擦系數.之后,研究人員又推出了許多新的表面織構技術,并運用多種表面織構化形式來改善摩擦學性能.比如,Etsion等[2]利用激光加工技術在機械密封件接觸面上加工出微凹坑.實驗證實,球形凹坑形狀最優,且存在一最優的凹坑深徑比,使得液膜剛度及PV參數最大.此外,有文獻報導,研究人員運用微細電解加工、磨粒噴射、機械微加工、微細特種加工、LIGA等技術分別在多種材料上進行表面織構化處理,并評價了表面織構對摩擦性能的影響,試驗結果都證實了表面織構化對表面摩擦學性能的有效改善[3-10,22-24].

本文從減摩機理和應用2個方面對表面織構改善摩擦學性能的研究現狀進行了綜述,并對其發展趨勢進行了展望和預測.

1 表面織構的減摩機理

1.1 附加流體動壓效應理論

附加流體動壓效應理論由Hamilton等[1]在1966年首次提出,其利用光刻蝕的辦法獲得表面織構,通過電流的測量判斷有效潤滑膜的存在.其后,Etsion等[2]通過激光對摩擦副進行織構化處理,考察其潤滑性能的變化,研究發現,帶微孔陣列的表面比光滑表面具有更好的潤滑性能,表面的部分織構化能夠十分有效地增加流體動壓效應.Tonder[11]將表面織構引發的流體動壓效應歸因于2個方面:一是表面織構區會產生類似Rayleigh軸承的階梯效應,二是表面織構會阻礙壓力區內潤滑油的流動.Kovalchenko[12]等通過銷—盤接觸的Stribeck曲線的測量研究了表面織構對流體潤滑向混合潤滑轉變的影響.此外,王曉雷等[13]對水潤滑下碳化硅陶瓷的承載能力及表面織構的影響進行了系統的研究,通過實驗獲得的表面織構特征參數對承載能力的影響規律與按流體動壓理論得到的理論分布呈現類似的趨勢,表明即使在水潤滑條件下,通過表面織構獲得的流體動壓潤滑效果也是顯著的.

1.2 “二次潤滑”與容納磨損顆粒理論

相對于附加流體動壓效應理論,目前科研人員對邊界潤滑區域的“二次潤滑”理論以及容納磨損顆粒理論研究較少.王曉雷等[14]對邊界潤滑條件下表面微細織構減摩特性進行了研究,利用納米壓痕儀在碳鋼表面制作了具有不同密度和深度的劃痕點陣,并對其在邊界潤滑條件下的摩擦性能進行了評價.胡天昌等[15]利用固體脈沖激光對GCr15鋼樣品表面進行了微坑織構化處理,考察了表面織構參數對其摩擦性能的影響,并得出如下結論:干摩擦條件下,織構面的摩擦系數均高于未織構面,而其磨損率均小于未織構面,SEM顯示微坑槽起到了捕獲磨屑的作用;而在貧油潤滑條件下,織構面的摩擦系數與磨損均低于未織構面,Stribenck曲線表明織構面在試驗條件下均處于油膜流體潤滑狀態,而未織構面則明顯產生了向混合及邊界潤滑的過渡,說明表面微坑延伸了摩擦副動壓潤滑發生的范圍,而在運行過程中微坑內貯存的潤滑劑通過二次潤滑效應補充到對偶表面形成連續的油膜.

1.3 分歧和不足

雖然研究人員對表面織構化減摩機理的研究已取得了重要進展,但目前仍存在一些分歧和不足.

1)表面織構之所以能夠提高承載力,學者們提出了不同的看法.比如,Hamilton等[1]認為由于織構產生空化從而使織構兩邊的壓力不對稱得到承載力,而Tonder[11]則認為是由于織構區域能夠在接觸區域內存儲潤滑油,因而較好保持油膜從而得到承載力.

2)在流體潤滑區域,表面織構是否能夠減小摩擦系數,提高摩擦學性能,學者們還沒有統一的認識.

3)目前科研人員對表面織構化的研究大多是在光滑表面上進行,表面粗糙度對織構表面的潤滑減摩性能研究還很缺乏.

2 表面織構的理論模型與數值分析

有學者通過反復試驗來分析表面織構化處理對表面摩擦學性能的影響,并確定較優的結構形式和參數[16].但這種研究手段材料消耗大、周期長,研究結果受實際試驗條件的限制,不具有普適性,也很難找到最優的結構形式和參數.目前,國內外學者分析了表面織構如何有效改善機械部件(機械密封、滑動軸承、活塞與氣缸套系統)、微/納器件的摩擦學性能,建立了多個表面織構的理論計算模型,并通過數值分析的方法對模型進行求解.這些計算模型,大部分是基于Reynolds方程開展的,而且在一定條件下理論分析結果與試驗結果也顯示出較好的一致性.但考慮流體慣性項的影響,有學者認為應該采用更精確的N-S方程.數值解法主要為有限元法、有限差分法和有限體積法.其中,有限體積法計算效率和精度更高,近幾年發展迅速.

Estion[20-23]對機械密封端面的織構化處理進行了理論分析,并建立了具有規則分布的半球形微孔機械密封的物理模型,通過求解Reynolds方程獲得了端面間壓力分布規律,分析了微孔形狀、尺寸、深徑比、分布密度等對密封性能的影響,并獲得了最優化參數.于新奇等[24]建立了激光加工多孔端面機械密封的計算模型和邊界條件,推導了激光加工多孔端面機械密封的摩擦扭矩表達式,并采用有限差分法求解液膜控制方程,獲得了在不同操作工況和表面微孔結構參數下的密封開啟力,得到了產生最大端面動壓力時的優化結構參數.趙中等[25]建立了激光加工微孔端面液體潤滑機械密封的理論模型,分析了微孔沿圓周和半徑方向呈間斷扇形分布時的密封性能,采用有限元法求解Reynolds方程獲得不同扇形區和微孔結構尺寸參數條件下的端面液膜壓力分布,在此基礎上計算了液膜剛度、開啟力、泄漏量、摩擦扭矩、剛漏比和開漏比等密封性能參數,討論了各密封性能參數隨結構參數的變化規律.鄭顯良等[26]分析了表面織構對活塞環摩擦學性能的影響,建立了考慮動壓效應和擠壓效應的一系列微單元織構的流體潤滑模型,通過有限差分法求解數學模型,得出了表面織構各參數對缸套活塞環油膜潤滑的影響規律.符永宏等[27]基于摩擦學理論和缸套/活塞環的潤滑磨損特征,建立了具有規則微觀幾何形貌特征的缸套內表面潤滑理論模型,用變異的多重網格法進行了數值求解,并對微觀幾何形貌參數進行了初步的優化設計.Brizmer等[28]建立了推力軸承表面織構化的理論模型,并比較了推力軸承全面織構和局部織構的承載能力.

此外,裴世源等[17]為解決傳統數值方法在求解多尺度織構流體潤滑問題時計算速度慢、效率低、規模受限等問題,提出了一種多尺度表面織構流體潤滑問題的快速求解方法——有限細胞算法(FCM).馬晨波等[18]借助計算流體動力學,通過建立求解NS方程的表面織構潤滑計算模型的方法研究慣性項對織構表面流體動力學性能的影響規律,并進一步提出N-S方程和Reynolds方程在建立求解流體潤滑條件下表面織構潤滑計算模型時適用范圍的判別依據.

3 表面織構化的應用

Etsion等[2]最早對機械密封的表面織構進行了系統研究,通過求解Reynolds方程得出端面的流體動壓分布及各種工況下的平均壓力.研究發現,微凹坑的直徑、深度和密度是描述表面織構減摩性能的關鍵參數,微凹坑的形狀影響較小,但深徑比對承載能力的影響非常大.研究表明,機械密封的表面織構使得摩擦扭矩減小65%以上,端面溫升也遠低于未織構化處理.但是,隨著機械密封承受的單位載荷和壓力的提高,摩擦扭矩的減小效應會逐步消失.采用局部高密度的織構化處理,可以改善高壓密封件的摩擦學性能,由于減小了2個接觸表面的接觸壓力,摩擦扭矩可減小90%以上.

Hoppermann等[29]的研究發現,如果只在機械密封的一個耦合面上進行織構化處理,摩擦力會比未織構化處理減小40%,而如果2個耦合面都進行織構化處理,摩擦力反而會增加100%.Kligerman等[30]研究了表面織構化對氣密封摩擦學性能的影響.結果表明,織構化同樣能改善氣密封的摩擦學性能,摩擦扭矩和端面溫升與未織構化處理相比大大減小.但是,最優深徑比與液體潤滑相比要小得多.

此外,研究還發現,在滑動軸承、活塞與氣缸套系統上進行織構化處理后,摩擦學性能的改善基本上得到了與機械密封時同樣的效果,但仍表現出一些特點.雖然表面織構的形狀、深徑比及分布密度同樣是提高減摩性能和承載能力的關鍵因素,但Rahmani等[31]的研究表明,矩形微坑對滑動軸承的摩擦性能影響最大;矩形凸臺織構承載能力最高.符永宏等[32-33]的研究表明,即使在活塞與氣缸套系統的2個平面摩擦副上進行織構化處理,也能獲得良好的動壓效果.Ryk等[34]比較了活塞環表面全面和局部織構化對改善系統摩擦學性能的影響,結果表明,全面織構耐摩擦能力相對未織構化處理可提高40%,而局部織構在全面織構的基礎上,耐摩擦能力又提高了25%,這主要是因為局部織構產生的是聚集效應,相當于在名義平行表面上提供了一個當量楔形間隙,減小了摩擦.這些結果與機械密封織構化所表現出的明顯不同.這可能與表面織構在不同的機械部件上的減摩機理存在差異有關,但目前還未有研究人員就表面織構在不同機械部件上的減摩機理進行比較研究.

另外,近年來表面織構改善微觀摩擦學性能的研究也取得重大進展,主要體現在表面織構在磁盤存儲器和MENS系統上的應用.為了提高存儲效率,在磁盤存儲器中,磁頭和磁盤的間隙現在已降到10 nm左右.同樣,在MENS系統中,摩擦副表面的間隙也是處于納米級.由于尺寸效應和表面效應,微構件間的表面張力、摩擦力和黏著力成為影響微/納構件的功能、可靠性和使用壽命的關鍵因素,改善微/納構件的摩擦學性能已成為新的研究熱點.其中,表面織構化處理已被實踐證明是有效手段之一.國內外學者普遍認為,微/納器件表面的織構化處理之所以能夠改善摩擦學性能,主要是因為表面織構化處理可減小摩擦副表面的接觸面積,增加接觸表面的粗糙度,增強表面的疏水性,從而大大降低了表面的黏著力和摩擦力.比如,Ranjan等[35]和Suh[36]等利用激光技術在計算機硬盤盤片上制造微小隆起或凹坑以減小表面接觸,研究結果都證明了表面織構化處理可以有效減小磁頭與磁盤表面之間的真實接觸面積,從而降低摩擦和黏著力.

4 發展趨勢預測

雖然國內外對于表面織構改善摩擦學性能方面的研究和應用較多,但對表面織構減摩機理的認識還存在分歧,理論模型的研究較少,不具有普遍性和通用性.另外,當前表面功能結構正從宏觀結構向微結構、納米結構發展,從單一結構向復合功能結構發展.因此,從目前的研究趨勢來看,今后可著重從以下5個方面開展對表面織構的深入研究.

1)在機理方面,應更注重表面織構理論模型的研究,使之更具有一般性和通用性,更能科學地反映織構制備工藝參數、織構化幾何形狀及參數等因素與摩擦潤滑理論之間的關系.充分利用計算機技術來開展虛擬織構、表面織構仿真等方面的研究.

2)揭示復合表面功能結構、微結構及納米結構條件下表現出有別于單一的、宏觀表面功能結構的特殊作用機理,并提出相應的制造方法、建立相關理論.

3)發展織構加工技術,提出新的制造理論和方法,擴大表面織構的應用范圍.

4)表面織構表征方面的研究,尚未見有文獻報導.當前,分形理論在摩擦學研究中的應用已成為新的研究熱點,是否可以考慮應用分形理論解決表面織構的表征問題,值得探討.

5)在摩擦副運行過程中,表面織構的形貌、參數,表面的接觸狀態均發生非線性變化,潤滑機理和摩擦學性能也會變化,這方面的研究有待進一步深入.

[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] 劉一靜,袁明超,王曉雷.表面織構對發動機活塞/缸套摩擦性能的影響[J].中國礦業大學學報,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,胡麗天,丁齊.45鋼表面激光織構化及其干摩擦特性研究[J].摩擦學學報,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,陳大融,孔憲梅.規則凹坑表面形貌潤滑研究[J].摩擦學學報,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] 王曉雷,韓文非.邊界潤滑條件下表面微細織構減摩特性研究[J].潤滑與密封,2007,32(12):36-39.

[15] 胡天昌,丁齊,胡麗天.激光表面織構化對GCr15鋼摩擦磨損性能的影響[J].摩擦學學報,2011,31(5):447-451.

[16] 于海武,袁思歡,孫造,等.微凹坑形狀對試件表面摩擦特性的影響[J].華南理工大學學報(自然科學版),2011,39(1):106-110.

[17] 裴世源,徐華,馬石磊,等.多尺度表面織構流體潤滑問題的快速求解方法[J].西安交通大學學報,2011,45(5):119-126.

[18] 馬晨波,朱華,孫見君.基于CFD分析的表面織構潤滑計算適用方程研究[J].機械工程學報,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機械密封的性能數值分析[J].現代制造工程,2004,27(7):66-68.

[25] 趙中,彭旭東,盛頌恩,等.多孔扇形分布端面機械密封性能的數值分析[J].化工學報,2009,60(4):965-971.

[26] 鄭顯良.表面織構化活塞環的摩擦學性能研究[D].北京:北京交通大學,2010.

[27] 符永宏,張華偉,紀敬虎,等.微造型活塞環表面的潤滑性能數值分析[J].內燃機學報,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,葉云霞,張永康,等.發動機氣缸孔表面的激光珩磨技術研究[J].激光技術,2002,26(5):379-381.

[33] 符永宏,葉云霞,張永康,等.用于顯著改善摩擦副潤滑狀態的激光珩磨技術[J].機械工程學報,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.

張玉周(1971—),男,博士研究生,高級實驗師,從事脆性材料加工技術研究.