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激光表面织构对往复式接触下摩擦磨损的减少作用
Sorin-Cristian Vlădescu a,*, Andrew V. Olver a, Ian G. Pegg b, Tom Reddyhoff a
- 摩擦学，帝国理工学院机械工程系，英国伦敦SW7 2AZ展览大道南肯辛顿
- 福特汽车公司，英国埃塞克斯Dunton
摘 要：本次研究的目的是深入了解激光表面织构凹坑与汽车活塞-衬套摩擦副的摩擦磨损行为之间的相互作用关系。为此，最近开发的往复式测试设备被用在高负载条件下进行磨损测试。将具有一系列凹坑几何结构的熔融二氧化硅样品与凸形钢垫摩擦，并将所得到的摩擦和磨损数据与无织构样品的数据进行比较。设置接触条件，消除初始表面粗糙度对织构行为的影响。试验表明，随着试样磨损和表面粗糙度增加，接触状态进一步进入混合边界状态。这导致有织构样品的相对性能显著改善，与无织构样品相比，摩擦降低高达70％。这与先前的结果一致，表明在混合润滑状态下表面织构可以增加膜厚度。表面织构还可将磨损量降低69％（相当于磨损系数从2.67e-4降到0.81e-4 [mm3/N m]）。另一个重要的发现是随着行程中凹坑体积的总和增加，摩擦和磨损量都单调减少。这可能有助于织构设计，因为这意味着只要整体体积最大化，单个凹坑宽度和深度值就可以在很大程度上被忽略。 这种趋势的唯一例外是凹坑面积比接触面积大时，在这种情况下，由于润滑膜的破裂，摩擦增加，而磨损减少不受影响—这可能表明凹坑通过不同的机制来减少磨损和摩擦。
关键词：激光表面织构；磨损；摩擦减少；活塞环
1 介绍
表面织构作为滑动接触中控制摩擦和磨损的方式，已经被研究了近五十年[1]，因为它实施起来相对简单并且可以和其他润滑方式结合使用，目前，由于汽车接触件的能量效率需要提高[2]，表面织构受到越来越多的关注，反之也受到更严格的CO2排放限制[3]和气候变化的紧迫问题的驱动。同时，表面织构的加工也更加廉价和准确[4]。尽管如此，对于表面织构影响摩擦学性能的机理，仍然缺乏确凿的证据，这就限制了它的开发和应用。
研究表面织构的功能通常可以划分为与摩擦有关的和与磨损有关的。早期大多数织构摩擦实验都是在全膜流体动力学和弹性动力学条件下进行的[5-15]，在这些条件下，并没有证明表面织构能够明显改善性能（不同的研究表明织构有益[13]，有害[14]，可忽略[15]）。然而最近，在混合和边界润滑条件下测量织构性能已经得到了越来越多的关注，其中几项研究[16-21]显示了凹坑如何导致摩擦减少超过50％。此外，由于最近倾向于降低流体动力损失的低粘度润滑剂，这种混合润滑和边界润滑的条件日益普遍[22]。
表面织构如何影响摩擦的主要原因可以概括如下。1966年，Hamilton和Allen[1,23]引入了“微观不规则性”的概念，并认为表面织构可以产生阻止液体逸出接触面的阻力。在此之后，Toslash;nder提出表面织构在接触点内形成一个“虚拟台阶”，类似于Rayleigh台阶轴承的膜厚度不连续变化[24,25]。后来，Morales-Espejel[26]和Greenwood[27]在研究EHL润滑接触中横向粗糙度的行为时提出，每个进入接触区的凹凸峰都表现为流动激励器，它关闭并打开入口以允许不同量的流体进入。多年以后，Morales-Espejel，Tripp及其同事[28]观察到，在EHL润滑条件下，由于接触区材料的弹性变形，油在压力下从凹坑中释放出来，因此这可能会增加负载支撑和油膜厚度。在2006年，Olver和Fowell的工作[29,30]中确定了“进气吸力”的概念，因此，当润滑剂在接触入口处膨胀成囊状时，因气蚀而产生的压力减小，会导致润滑油夹带量增加，从而使薄膜厚度增大。这些机制中很少有实验证明。就实验证据而言，到目前为止已知的是，凹坑会在混合和边界状态[31]中增加膜厚度，通常为几十纳米，因为该润滑状态下Stribeck曲线的斜率对摩擦具有显著影响[32]。此外，一个凹坑夹带只会导致薄膜厚度的暂时增加，这必须通过随后的凹坑夹带来维持，否则它会从接触部位被挤压[32]。
研究表明表面织构对磨损的影响有两种主要机制，即“润滑剂补给”和“磨屑捕集”。其中第一个涉及乏油—即由于入口处存在的润滑油量不足而引起油膜厚度减小[33]，这是由于快速往复运动引起的汽车活塞 - 衬套接触中的问题，并且事实说明油必须润滑多个接触点[34]。当润滑剂在一次接触过程中被推到一边并且不能及时回流到下一个通道时会发生乏油[33]。在这种情况下，零部件表面上的凹坑可以充当“微型贮存器”并促进润滑剂回流到接触部分—这一过程称为润滑剂补给[35]。一些研究已经探讨过这种机制。布拉特等人[36]对具有不同凹槽几何形状的样本进行销盘测试，结果显示摩擦系数和磨损率降低，并且由于凹槽存储润滑剂和补充轨道的能力而使磨损寿命增加。在最近的一项研究中，Borghi等人[37]使用能量分散光谱学（EDS）检测了织构化和非织构化表面的化学组成。这显示凹坑内有大量的Mg和Ca，因此证明了保留润滑剂是织构表面减少摩擦和磨损的方式。Krupka等人[38]也得出结论：凹坑可以充当能够将润滑剂供应到接触区域以克服乏油的储油池。他们在EHL和混合润滑条件下进行的试验表明，微凹坑表面克服了乏油并增加了油膜厚度，这导致磨损显著降低。Rahnejat及其同事[39,40]进一步提出重要理论，即凹坑可以充当润滑剂储存器来减少摩擦，从而帮助产生“微楔”效应。最后，作者目前观察到，凹坑将润滑剂带入空穴区域，并且认为这可以减少再接触过程中的乏油，否则空穴区域在反向后将被入口摄入[16]。
表面织构减少磨损的第二种机制是“磨屑捕集”，即凹坑去除颗粒，否则这些颗粒会残留在接触面中并加速表面损伤。关于这方面的早期研究之一是由Varenberg等人在干燥侵蚀条件下使用扁平滑动接触[41]进行的，试验结果显示磨屑从接触区域被移除并积聚在微织构的凹坑中。在此之后，他们概要的展示了凹坑里的填充情况：从边缘开始，接着是中心，最后是底部。除此之外，Pettersson和Jacobson研究了表面织构在乏油和润滑边界条件下对磨损的影响[18,19]，并得出结论认为凹坑可以去除接触区域的碎屑，从而延迟或减缓磨损[19]。他们使用往复式球对盘摩擦计，观察到平行于滑动方向的凹槽和矩形与无织构表面相比减少的磨损量可以忽略不计。通过使用相对较新的技术例如SEM（该技术可以在进行摩擦学测试后立即捕获织构表面的形态和化学性质）已经进一步确定凹坑可以充当颗粒捕集器的作用。首次研究由Zum Gahr等人[42]在微织构钢/氧化陶瓷和自配副氧化陶瓷的平面滑动摩擦副上进行。他们注意到摩擦力信号中的瞬时峰值在无织构样本滑动50米后出现，但凹坑织构样本直到滑动400米后才出现。测试后获得的磨损表面的SEM显微照片显示，来自接触区域的刚产生的和部分压实的碎屑已经积聚在微凹坑中。他们的结论是：在无织构标本滑动试验中，早期观察到的摩擦尖峰是由于颗粒截留造成的，而织构表面测试中的平坦尖峰是因为积聚的磨损颗粒的层或组的分布在微凹坑里。
如上所述，到目前为止，对表面结构的大部分研究都集中在摩擦或磨损上，但却不是同时进行的。由于在混合和边界条件下，表面织构对减少摩擦是最有效的，在发生明显的表面接触和磨损的情况下，凹坑对摩擦和磨损的影响似乎是相互关联的。本研究中描述的简单实验，目的是探索这三个参数之间的关系。我们希望可以提供基本的想法，了解如何应用表面织构可以改善活塞/汽缸接触部分的润滑，因为这部分的摩擦损失占汽车中摩擦能量的45％（摩擦损失占总燃料能量的11.5％[2]）。此外，由于上述原因，这些部件中的接触部分经历了乏油后可能由于表面织构增强的润滑剂补充作用而受益。这就是说，我们的研究发现也可以应用于汽车其他部件，如曲轴轴承（消耗大约19％的汽车燃料能量[43]），以及压缩机等应用中的其他接触件。
2 实验程序
2.1 试验台描述
这项研究使用了定制的往复式测试台，能够在部分复制汽车活塞衬套摩擦副的条件下测量摩擦力，详见[16]。往复式试验机的主要结构特征如图1所示。其中包括一个稳定的凸起AISI 52100钢衬垫和一个熔融石英板，两者之间线性接触，该板通过凸轮机构沿着两个直线方位滑动，可控幅度为28.6mm，速度接近正弦曲线。为了产生正常的工作负荷，将自重固定在二氧化硅垫片样品架上，而由加热循环器和两个泵组成的系统将油液以精确控制的温度和流速直接供应到接触部分的任一侧。
图1 内部开发的往复式试验台
高灵敏度称重传感器位于与钢垫座直接接触的位置。这个支架的设计是为了让钢板自动对准熔融石英板标本，同时具有一个灵活的底座以方便测力传感器的测量。来自称重传感器的摩擦力信号被数字化并使用LabView软件进行存储。
固定在凸轮机构轴上的旋转位置编码器用于测量往复速度和曲轴角度位置。摩擦力与曲柄角度位置之间的对应关系是通过定制的9位触发系统实现的，该系统可同步测量信号。这样可以同时分析反转点和相应磨损轨迹位置处的边界摩擦，精度为曲轴旋转周期的0.7°。
通过在不同的条件下进行大量的重复测试，证实了使用该配置在织构和非织构表面上获得的测试结果的可靠性。这些结果可以在以下参考文献中找到[16,31,32]。
2.2 测试参数和样本
本研究中使用尺寸为125times;15times;5mm的HPFS标准级熔融石英矩形垫作为往复式样品。样本上的织构图案由垂直于滑动方向的线性槽组成。本研究中使用的材料与商业活塞衬垫中的材料之间存在许多差异，其中表面通常是铸铁或铝，珩磨产生的粗糙度通常为0.2-0.3mu;m。此外，DLC等涂层越来越多地用于汽车内衬[40]。如第3节所述，这意味着这些实验中的磨损机制与当前实际汽车活塞衬套界面中的磨损机制不同。然而，二氧化硅和钢之间的接触模型是故意选择的，以便重复以前三项研究中使用的实验条件[16,31,32]。这使我们能够将观察结果与以前对于织构如何减少摩擦的既定理解联系起来（重要的是我们测试了激光纹理对摩擦学性能有影响的条件）。使用二氧化硅标本的另一个原因是它们的均匀性和表面光洁度（12纳米Ra），这使我们能够准确测量和表征磨损行为，并消除初始表面粗糙度对织构摩擦行为的影响。
凹坑是用激光表面纹理（LST）制作的[4]。该方法也称为激光珩磨，采用超快皮秒激光器，发射持续时间为10 ps，频率为10 kHz，波长为355 nm，功率为5 mJ的光脉冲。这样短的脉冲时间是至关重要的，以便在材料有发生巨大热量变化之前从表面消融微米尺寸部分。由于我们发现具有微米尺寸的脊或具有几度垂直度的壁的凹坑会导致明显的性能下降，因此产生几何均匀性是必需的。
基于先前的实验研究[16]选择了凹坑的方向，表明在混合和边界润滑条件下，与滑动方向垂直的沟槽对于减少摩擦是最有效的。同样重要的是，凹坑可以完全被包括在接触区域内，因为这些凹坑比在行进方向上长于接触区的凹坑的性能要好[15,16,19]。在这项研究中，选择了三种不同的凹坑宽度；首先是40mm和80mm的两个宽度，其足够小以便完全封闭在接触区域内，其次是300mm的凹坑宽度，其比弹性接触宽度大得多。表1总结了所选织构的几何形状以及相应的图像，而图2显示了靠近触点入口的80毫米宽度凹坑接触区域的干涉图像示例（用光学显微镜观察透明二氧化硅样品的接触区域而获得）。
表1 所选织构图案的几何形状
图2 靠近入口的凹坑接触区域的干扰图像
对应的试样（模拟顶部活塞环的所有相同的AISI 52100钢衬垫）长10毫米，并沿滑动方向弯曲，形成收敛-发散的形式。首先对最初的完全硬化的样品进行研磨处理，最少去除0.15mm的量。随后在研磨样品的40mm半径处2mm宽侧使用专用夹具，这可以沿着垫的整个长度进行精确抛光而不改变半径。根据图3所示的粗糙度对凸面进行镜面抛光。
图3 镜面抛光钢样品的三维表面轮廓
在所有摩擦力和磨损测试中，施加155N的正常负载并保持1Hz的曲柄角速度。选择这种高载荷，低速度的条件是为了减少润滑剂的夹带，增加表面接触和磨损。通过使用无添加剂的矿物油也促进了磨损，这种矿物油在整个测试过程中连续供应到接触区域，同时准确地控制其温度并因此控制粘度。表2列出了润滑剂的特性以及所有其他测试参数。
表2 实验条件
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负载 W,[N] |
曲柄角速度 V,[Hz] |
油温[°C] |
润滑油性能参数<!-- 全文共20893字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料 资料编号：[9177]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word |
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