罗京帅，邢志国，王海斗，金　国，崔秀芳，谭　娜

(1. 哈尔滨工程大学 材料科学与化学工程学院表界面科学与技术研究所， 哈尔滨 150001；

2. 装甲兵工程学院 装备再制造技术国防科技重点实验室，北京 100072)



服役条件对表面织构摩擦学性能影响的研究进展*

罗京帅1，2，邢志国2，王海斗2，金国1，崔秀芳1，谭娜1

(1. 哈尔滨工程大学 材料科学与化学工程学院表界面科学与技术研究所， 哈尔滨 150001；

2. 装甲兵工程学院 装备再制造技术国防科技重点实验室，北京 100072)

摘要：通过某种工艺或多种工艺在零件表面获得一定的表面织构，是改善零件摩擦学性能的有效手段。综合国内外表面织构的研究，侧重分析了速度、载荷、润滑状态、滑动取向等服役条件对摩擦学性能的影响机制，并对未来表面织构的研究热点进行展望，对未来零件表面织构的设计与摩擦学性能的研究具有非常重要的参考价值。

关键词：表面织构；摩擦学；减摩

1引言

表面摩擦磨损是多数零件报废的主要原因，据统计大约有80%的零件损坏是由于各种形式的磨损所引起，磨损不仅消耗能源和材料，而且加速设备报废、导致频繁更换零件，对经济造成极大的损失[1]。传统的摩擦学认为，两个相互接触的表面越光滑，摩擦学性能就越优越。近年来的最新研究证明，表面并不是越光滑，摩擦学性能就越好；相反，具有一定形貌的表面反而表现出更好的摩擦学特性[2-4]。在摩擦副表面进行微造型的表面织构技术，已被证实具有提高表面摩擦学性能的效果，并且受到了广泛的关注[5-8]。

合理的表面织构设计可以显著提高摩擦副表面的摩擦学性能，已有研究表明，表面织构具有降低摩擦、减小磨损和提高表面承载力等特性[9-18]。零件表面摩擦学性能，在织构参数一定的情况下还会受到很多因素的影响[19-21]。本文重点阐述了速度、载荷、润滑状态、滑动取向等服役条件对表面织构摩擦学性能的影响机制[22-27]，总结了服役条件对表面织构摩擦学性能影响的主要研究成果，并对未来表面织构研究的发展趋势做出了展望和预测，以期为表面织构和摩擦学的研究提供一定的参考。

2速度与载荷

速度与载荷，是表面织构化零件在服役条件中比较重要的影响因素。例如，采用激光加工方法在WC-Co硬质合金材料表面制作出微坑阵列，研究表面织构在刀具减磨技术方面的应用。如图1(a)所示为织构化表面在不同载荷和速度下的摩擦系数曲线，发现在微量润滑条件下，织构化合金材料表面摩擦系数随着转速的提高逐渐减小。载荷越大，摩擦系数减小得越快。其中，载荷为100 N时，摩擦系数随着速度增大而减小的速率最快，这表明随着速度的增加，相对滑动产生的流体动压润滑效果逐渐加强，减摩的效果更加明显；随着速度的增大，摩擦系数趋向稳定，说明表面织构对稳定材料表面摩擦学性能方面有着重要作用。

图1织构化表面在不同载荷和速度下的摩擦系数曲线和微织构对摩擦系数的影响图[28]

Fig 1 Friction coefficient of textured surface under the different loading and velocity, the effect of texture on friction coefficient[28]

图1(b)为相同试验条件下，织构化试样相对于无织构化试样摩擦系数的减小量(Δμ)。在低速高载荷和高速中载荷时的Δμ较大，其摩擦系数的降低幅度可达15%左右，表明表面织构的减摩效果较好；低速高载荷时，微坑中的润滑油在高压条件下发挥作用，减小摩擦副之间的摩擦力。高速中载荷时，滑动速度的提高使得润滑油能够很好地产生流体动压润滑效果，充分发挥润滑油的减摩作用；同时微坑能够收集摩擦过程中产生的磨屑等微小杂质，提高润滑质量，从而达到减摩效果；而在低载荷和高速高载荷时减摩效果一般，这是因为微坑的储油作用发挥有限，二次润滑效果不够明显，从而织构化材料表面的摩擦系数降低较少[28]。

符永宏等[29]采用优化的激光工艺参数和相应辅助工艺措施，加工出不同几何尺寸和分布的球冠状激光织构化形貌，研究了3种不同工况下的摩擦学性能。其中，在低速重载工况下，微凸体直径为550 μm的试样比微凸体直径为800 μm试样摩擦系数大54%，而在中速中载、高速轻载两种工况下，微凸体直径为550和800 μm的织构化试样的摩擦系数差别相对较小，前者比后者分别大14%和12%。在变速的情况下，随着速度增加，激光织构化形貌的流体动压润滑效果相对于未造型表面更加明显，摩擦系数下降较快。另外，有关不同密度的表面织构化钢盘在不同滑动速度下的研究表明，在较低滑动速度条件下，随着速度增加，试样的摩擦系数逐渐降低，光滑盘和低密度织构盘的表面粗糙度相近。这是因为摩擦系数主要受润滑油膜的影响，表面织构增加了油膜厚度，因此其摩擦系数比光滑盘低，但高密度织构使其表面粗糙度增大而产生严重磨损。在较高滑动速度条件下，随着速度增加，接触表面进入完全流体润滑状态，油膜厚度不再增加，激光织构化钢盘和光滑钢盘表面的摩擦行为相似；织构化钢盘在高速、高载和高粘度润滑油的条件下，具有更好的摩擦学性能[30]。

由于表面织构可组合种类太多，只有选择合适的组合类型才能体现出表面织构的减摩效果。在一定的条件下，表面织构的摩擦系数随滑动速度或载荷的增大，逐渐降低，最终趋于某一定值。速度越大，流体动压润滑效果越明显；载荷越大，二次润滑效果越明显。在不同润滑条件下，滑动速度对表面织构的摩擦学性能的影响效果也不同，在弹流润滑条件下，摩擦系数随着表面相对滑动速度的降低而减小；在混合润滑条件下，摩擦系数随着表面相对滑动速度的降低而增大；在边界润滑条件下，摩擦系数随着表面相对滑动速度的降低变化很小并趋于某一定值[31]。

3润滑状态

根据以往的研究发现，表面织构可以在干摩擦条件、高速轻载摩擦条件、低速重载摩擦条件等几乎所有的摩擦条件下起到减摩的效果[32-35]。有研究发现，经过表面织构化处理的表面只有在润滑剂条件下的摩擦学性能比无织构表面优越，但在没有润滑剂的情况下摩擦学性能并没有明显的改善。这是因为在润滑条件下，织构表面具有较强的贮存润滑油及形成油膜的能力[36-37]。

固体润滑剂在摩擦副表面上成膜被认为是降低摩擦系数的主要原因。由于干膜润滑剂寿命较短，硬度低，磨损率较高，其应用受到了一定限制[38-39]。表面织构化使摩擦表面分布微孔，存储润滑剂，有助于提高MoS2膜的使用寿命[40-41]。将固体润滑剂技术与表面织构相结合来改善界面间的摩擦磨损情况，研究其对摩擦学性能的协同作用，也是一个切实可行的研究方案。如图2(a)所示，是采用热压烧结成型方法在激光织构化表面制备了MoS2固体润滑膜涂层，并研究了制备方法和织构密度对MoS2涂层摩擦学性能的影响。

图2织构化基体表面热压成型MoS2涂层SEM图像和抛光薄膜与热压成型涂层试样的摩擦系数曲线对比[25]

Fig 2 SEM micrograph of MoS2coatings by hot pressing on the textured surface, the comparison of friction coefficient curves of the samples with burnished and hot pressed coatings[25]

如图2(b)所示为抛光薄膜与热压烧结成型涂层试样的摩擦系数曲线对比图，发现与织构化基体表面光滑涂层相比，在基体织构化表面热压烧结成型制备的MoS2固体润滑膜涂层的摩擦系数明显更小，其摩擦系数大约为0.05，磨损寿命得到显著提升；其优越的摩擦学性能，是由于其较薄且致密涂层与织构化基体具有较强的结合力造成的。8.5%织构化密度的热压烧结成型涂层的磨损寿命比光滑涂层的更长，且热压烧结成型涂层的磨损寿命，随着基体表面织构化密度的增大而显著提升。基体表面的高密度织构使得固体润滑膜的储量明显增加，接触表面涂层寿命更长，最优的织构化密度可以提供充足的润滑剂储存量，并且拥有相对较低的表面粗糙度[25]。另外，使用脉冲激光在镍基复合材料上进行的激光表面织构化研究表明，通过激光表面织构化和填充MoS2粉末，在室温～400 ℃的温度范围内，能够得到数值大约为0.1的较低的摩擦系数[42]。

在摩擦副中导入软固体颗粒，使摩擦副中间充满固体颗粒第三体，在一些情况下，可以增强润滑效果[43]。邵天敏等[44]利用电加工的方法在45钢表面制备了条纹状织构，使用SRV往复式摩擦磨损试验机分别考察了在纯液体石蜡和添加Cu颗粒液体石蜡润滑条件下摩擦副的摩擦系数和磨损情况。研究Cu颗粒和条纹织构的协同作用对摩擦副摩擦磨损性能的影响，发现摩擦系数与条纹织构的面积率以及施加的载荷密切相关，在较大的载荷条件下，表面织构与Cu颗粒的协同作用可以有效降低摩擦系数，载荷越大，降低摩擦系数所需要的织构面积率越大。在摩擦磨损过程中，垂直于摩擦方向的条纹状织构一方面使表面摩擦系数增大，但同时也起到了容纳磨屑的作用，从而遏制磨损区域的进一步扩大；在Cu颗粒和条纹织构的协同作用下，大颗粒磨屑被条纹织构容纳后不再破坏表面，而被大颗粒划伤的表面被Cu颗粒修复，Cu颗粒的添加能够有效改善表面的摩擦磨损性能。

荷叶效应，即荷叶的自清洁性，源于其粗糙表面上微纳米复合结构和低表面能蜡状物质的共同作用。研究表明，通过在基体表面构筑仿荷叶效应的微米阶层结构并辅以低表面能物质修饰，可以获得具有疏水甚至超疏水性能的表面，这类表面在自清洁、流体减阻、防腐蚀等方面具有广阔应用前景[45]。王莉[46]通过激光加工在锡青铜(ZQSn6.5-0.1)和轴承钢(GCr15)表面制备了微结构阵列织构，并进行低表面能处理，得到了两种金属双疏(疏水/疏油)表面。对制备的试样进行摩擦学性能实验研究发现，在相同润滑条件下，锡青铜和轴承钢双疏表面摩擦系数均比各自光滑试样表面低，最低分别为0.137和0.026；速度对金属双疏表面摩擦系数的影响符合stribeck曲线理论，即随着速度的增加，锡青铜与轴承钢试样的摩擦系数均先减小后增大。但摩擦进入流体润滑状态后，由于双疏表面的界面滑移特性，仍具有减摩效果，具有微结构图形的金属双疏表面能显著降低摩擦系数，减少磨损，微结构图形为圆凹坑的试样减摩效果最好。

目前，单一的工艺方法对于提高材料性能的能力有限，而与其它工艺方法、处理手段相结合的复合工艺，对于提高材料性能、节能环保、提高生产利用率等方面，却会产生很好的效果。比如，将表面织构化与固体润滑剂相结合，与润滑油的添加剂技术相结合，与表面修饰技术相结合，与表面涂层技术相结合，与热处理、渗碳渗氮等表面改性技术相结合等，研究其对摩擦学性能的积极作用。对于从事摩擦学和润滑材料的研究学者来说，如何把织构化与其它技术手段很好地结合起来，以改善表界面的摩擦学行为将是一个很有前景的研究方向。

4滑动取向

表面织构的滑动取向即摩擦副与表面织构的相对运动方向，滑动取向的选择对织构化表面的摩擦学效果具有一定的影响。表面织构滑动取向的研究主要针对凹槽型织构，平行和垂直于滑动方向是凹槽型织构两个比较极端的情况；研究表明，其它滑动取向的凹槽型织构性能介于这两种极端情况之间[3]。如图3(a)所示为采用光刻-电解刻蚀技术，在铸铁表面加工出宽度为100 μm，织构化密度为10%，深度分别为7和19 μm的凹槽，来研究表面微凹槽的滑动取向对其摩擦学性能的影响。

图3上试样微凹槽的光学显微图像以及取向对不同微凹槽表面摩擦系数影响[47]

Fig 3 Optical microscope image of the micro-grooves on the upper specimen, orientation effect of different micro-grooves[47]

如图3(b)所示为取向对不同微凹槽表面摩擦系数影响，当表面接触应力为0.5 MPa时，与垂直和平行方向相比，选取相对于滑动方向垂直和平行方向之间任意角度的凹槽更有优势，因为它通常可以在大多数情况下起到减摩的效果；与无织构表面相比，19 μm深的凹槽织构在选取最优滑动取向时的摩擦系数可以减小到44%。然而，当接触应力较小时，7 μm深的凹槽，垂直于滑动方向比平行方向有更好的减摩效果，与无织构表面相比，其摩擦力减小到了38.2%；当接触应力较大时，19 μm深的凹槽，平行于滑动方向比垂直方向有更好的减摩效果，是因为其产生的额外应力提供了润滑油对摩擦表面的供给。表面微凹槽的滑动取向对其摩擦学性能有很强的影响，在不同的接触应力条件下，不同滑动取向的效果会随凹槽织构深度的不同而有所不同[47]。

对织构化密度和运动方向的相关研究也得出，在富油润滑条件下，由于低面积率的圆形凹坑织构能够存储润滑油的体积有限，无法通过改善表面的润滑效果来显著提高表面的摩擦学性能；而较高织构密度的条状沟槽(25%)，垂直于运动方向时，条状沟槽的润滑油存储器效应引发了微观弹性流体动压润滑机制，摩擦系数大大减小；平行于运动方向时，由于润滑剂沿着条状沟槽的不断损失，摩擦系数不仅增大，且耐磨性差[48]。Moronuki[49]也得出了相似的试验结果，分析认为在较低载荷条件下，润滑剂的毛细作用更强，粘着力更大，垂直于凹槽型织构滑动时可以最大限度地降低粘着力的摩擦阻力效果，从而起到降低摩擦的作用。在边界润滑条件下，针对表面织构对滑动接触表面的影响进行的研究表明，相互接触的两物体表面的摩擦学性能不但与表面织构形状大小有关，还与两摩擦表面的相互运动方向存在一定的联系，运动方向与凹痕方向平行时耐磨性最差[50]。另外H.L.Costa[51]通过研究油润滑条件下，线接触摩擦副往复运动的摩擦学性能得出不同的研究结果，在较低载荷条件下(12 N)，垂直于滑动方向凹槽型织构试样比其它滑动取向的试样的摩擦学性能更差；在较高载荷条件下，垂直于滑动方向凹槽型织构试样表现出了最好的摩擦学性能，油膜厚度也最大。分析认为，当载荷较大时，接触区域面积更大，凹槽型织构平行于滑动方向，润滑油更容易被排挤出接触区域，表现出更差的润滑效果。

针对点接触摩擦条件，在不同的载荷和凹槽深度情况下，凹槽型织构最优滑动取向的研究成果如表1所示。

表1不同条件下的最优滑动取向

Table 1 The optimalsliding orientation under different conditions

滑动取向低载荷中载荷高载荷浅凹槽90°0～90°0～90°深凹槽0～90°0～90°0

5结语

目前，国内外关于表面织构提高摩擦学性能方面的研究和应用较多，已经取得了丰硕的研究成果，但是还需要进行系统性和综合性的研究和突破。

(1)在干摩擦条件下，表面织构能够储存磨粒、减少犁沟，提高摩擦副的耐磨性；在有润滑剂的条件下，有利于形成流体动压润滑，起到提高表面承载力、耐磨性以及降低摩擦系数等作用。但其作用机理的研究仍缺乏系统性和通用性，有的甚至具有争议性。实验研究能解决的问题依然有限，很多问题需要通过与理论配合来解决。

(2)速度、载荷、润滑状态、滑动取向等服役条件对摩擦副的摩擦学性能有很大的影响。由于表面织构可组合种类太多，包括织构的形貌类型、几何参数、摩擦工况、接触方式、界面材料、润滑剂以及环境影响等因素，目前尚无一定的最优的织构方案，只是针对不同的材料存在不同的最优设计，并且大都以实验为主，缺乏较好的理论解释。

(3)目前，单一的工艺方法对于提高材料性能的能力有限，而与其它工艺方法、处理手段相结合的复合工艺，比如，将表面织构化与固体润滑剂相结合，与润滑油的添加剂技术相结合，与表面修饰技术相结合，与表面涂层技术相结合，与热处理、渗碳渗氮等表面改性技术相结合等，对于从事摩擦学和润滑材料的研究学者来说将是一个很有前景的研究方向。

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Effects of commission condition on the tribological properties of surface texture: a review

LUO Jingshuai1, 2, XING Zhiguo2, WANG Haidou2, JIN Guo1, CUI Xiufang1, TAN Na1

(1. Institute of Surface/Interface Science and Technology, School of Materials Science and Chemical Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China;2. National Key Laboratory for Remanufacturing,Academy of Armored Forces Engineering, Beijing 100072, China)

Abstract:Obtaining the surface texture on the parts surface using a process or a variety of techniques was effective to increase the tribological properties. In this paper, the research on the surface texture domestic and overseas were synthesized, the mechanisms of the effects of the commission condition on tribological properties were analysed importantly, such as velocity, loading, lubrication state and the sliding orientation. And the future research hotspots were predicted to provide very important reference value for the design of the surface texture on the parts and the study of the tribological properties in the future.

DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.01.006

文献标识码：A

中图分类号：TH117.3

作者简介：罗京帅(1990-)，男，河南许昌人，在读硕士，师承王海斗教授，研究方向为表面工程。

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51475473)；国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2011CB013405)；北京市自然科学基金重大资助项目(3120001)

文章编号：1001-9731(2016)01-01028-06

Key words:rosin; carboxylation; polymer microspheres; suspension polymerization surface texture; tribology; antifriction

收到初稿日期：2015-02-10 收到修改稿日期：2015-11-03 通讯作者：王海斗，E-mail: wanghaidou@aliyun.com