激光织构表面固体润滑滚动摩擦特性研究

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Study on the Rolling Friction Properties of the Laser Textured Surfaceunder S0lid Lubrication ConditionHua Xijun Wu Jinquan Liu Ming Zhou Wan Fu Yonghong(Mechanical Engineering College of Jiangsu University，Zhenjiang Jiangsu 212013，China)Abstract：The textures on the surface of 45 steel were produced by acousto-optic Q diode-pumped YAG laser，and therolling friction properties of the texture surfaces with different textured density were studied by using a pin - plate linecontact friction and weal"testing machine with MoS2 as solid lubricant under different working conditions.The results showthat the friction coefficient on the laser textured surface is much steady and has an obvious decrease compared with that ofa untextured surface.With the increasing of texture density，the friction coefficient on the textured surface is decreasedfirstly and then increased.and the surface with texture density of 19.6% -34.9% has better friction reducing efect。

With the respective increase of rotational speed and load，the friction coefficients on the laser textured surfaces display adecreasing trend under different working conditions。

Keywords：laser texturing；solid lubrication；line contact；rolling friction property激光表面织构化技术以其加工效率高、加工精度高以及对环境无污染等优点成为-种较为先进的提高零部件减摩和耐磨性能的表面工程技术，引起了国内外众多摩擦学学者的广泛关注u ，而固体润滑技术以其承载能力高、对环境无污染等特点广泛应用于航空航天工程及民用工业工程。织构表面的固体润滑性基金项目：国家自然科学基金项目 (51175233)；江苏势技支撑 计 划 (BE2010060)；江 苏 省 科 技 成 果 转 化 项 目(BA2010068)；镇江市工业科技支撑项目 (GY2012039)；江苏省高校自然科学研究计划 (07KJD460035)。

收稿 日期 ：2012-09-03作者简介：华稀 (1966-)，男，工学博士，教授，主要从事激光表面改性与摩擦学设计、固体润滑等方面的研究工作。

能研究正日益受到重视，文献 [3]研究了激光织构化不锈钢表面镶嵌 MoS 的滑动摩擦特性，结果表明：织构密度为 15% -25%的热压织构化表面表现出了较好的减摩效果和较长的磨损寿命。文献 [4]采用光刻技术在 TiN涂层表面加工不同形貌的凹坑 ，并用石墨和铟作为固体润滑剂进行滑动摩擦试验，结果表明：直径9 Ixm，间距 25 m的织构形貌表现出了较佳的减摩耐磨性能。文献 [5]研究了表面覆盖 MoS：的激光织构化镍基复合材料在不同织构密度和不同温度下的滑动摩擦特性，结果表明：织构密度为 7.1%的织构化表面具有较长的磨损寿命和较低的摩擦 因数 ，且较优温度范围内 (室温至400 oC)摩擦因数低至0.1。文献 [6-7]将激光表面织构固体润滑技术应用至硬质合 金刀具 上，结 果表 明：前刀 面填充2013年第3期 华稀等：激光织构表面固体润滑滚动摩擦特性研究了，因此其润滑效果变差 ，摩擦 因数 出现明显上升的现象。而对于织构面，填充在 凹坑 中 MoS，由于滚动摩擦 的作用受热膨胀 ，接着在销子的滚动下挤到基材表面，且 MoS 对金属具有很强的吸附性，会在基材表面形成-层固体润滑转移薄膜；此外，凹坑又具有贮存和捕获 MoS 的作用，因此填充在微凹坑中的MoS，起到持续润滑 的效果 ，使得织构面的摩擦因数明显小于未织构面的摩擦因数，且受到的是滚动摩擦作用 ，因此织构面的摩擦因数波动较校图4 织构面和未织构面的摩擦因数变化曲线Fig 4 Variations of friction coeficient for textured anduntextured surfaces2.2 织构密度对摩擦 因数的影响图5示出了不同织构面密度试样在 100 N，100r/min工况下摩擦因数的变化曲线∩以看出，织构面的摩擦因数均小于未织构面的摩擦因数且随着织构密度的增大呈现先减畜增大的趋势，其中以织构密度在 19.6%和 34.9%时所达到的减摩效果较好。这是因为填充在织构面凹坑中的 MoS，起到了良好的固体润滑的效果。-方面，织构密度过小意味着织构面凹坑中填充的 MoS 量偏少 ，导致润滑不足；另-方面，织构密度的增大意味着增大了织构表面的粗糙程度同时也减小了滚动摩擦副实际的接触面积 ，润滑效果下降，在-定程度上增大了摩擦因数 ，因此织构面的摩擦因数随着织构密度的增大出现先减畜增大的趋势。

Area density ofdimples d/%图5 不同织构密度表面的摩擦因数Fig 5 Friction coeficient of the textured surfaces with differentarea densities2.3 转数对织构面摩擦 因数的影响图6所示为织构密度为 25.6%的试样在载荷 100N时摩擦因数随转速的变化曲线，可以看出，织构面摩擦因数随着转速的增加呈现逐渐减小的趋势。这是因为-方面，转速的增大加快了圆柱销的滚动速度 ，使得 MoS 的转移更频繁，试样表面破损的MoS 润滑转移薄膜可以得到更快的修补 ，从而达到更好的减摩效果；另-方面，转速的增大使得摩擦区域的温度有所上升，也降低 了 MoS：的湿度，根据 MoS：的性质 ，摩擦因数也会呈现减小的趋势。

图6 不同转数下织构表面的摩擦因数Fig 6 Friction coeficient of the textured surfaces underdiferent rotational speeds2.4 载荷对织构面摩擦因数的影响图7所示 为织构密 度为 19.6% 的试样 在转速100 r/min时摩擦 因数随载荷的变化曲线，可知，织构面摩擦因数随着载荷的增大呈现逐渐减小的趋势。

- 方面，根据赫兹弹性接触区的半宽公式，接触区的半宽随着载荷的增大而增大，由此增大了滚动摩擦副实际的接触区域 ，从而增强了 MoS 对金属的吸附性 ，吸附在基材表面的 MoS 更好地实现其润滑性能；另- 方面，根据摩擦学二项式定律，在接触面积不变的条件下，摩擦因数随着载荷的增大而减小，试验的结果饮合此定律。

图7 不 同载荷下织构表面的摩擦因数Fig 7 Variations of friction coeficient of diferent load润滑与密封 第 38卷3 结论(1)激光织构化 45 钢表面较未织构化 45 钢表面的摩擦因数有明显的减小，且织构面的摩擦因数更稳定，表明织构面的 MoS：具有 良好的固体润滑效果。

(2)激光织构面的摩擦因数随织构密度的增大呈现先减 畜增大 的趋势 ，较佳织构 密度 范围为19.6% ～34.9% 。

(3)织构面的摩擦因数随着转速、载荷 的增大均呈现逐渐减小的趋势。