表面微結(jié)構(gòu)能夠作為磨屑收集器、儲(chǔ)存潤(rùn)滑劑并降低真實(shí)接觸面積，從而具有極好的減摩效果。表面精密加工技術(shù)(如激光加工、反應(yīng)離子刻蝕、金剛石壓印等)的發(fā)展，促進(jìn)了表面幾何微結(jié)構(gòu)在摩擦學(xué)方向的發(fā)展。如發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸上的45°網(wǎng)紋結(jié)構(gòu)不僅可以儲(chǔ)存潤(rùn)滑油，且能增大承載能力，改善潤(rùn)滑狀態(tài)，從而延長(zhǎng)使用壽命。

       根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，所采用的非晶合金須有良好的抗氧化性、高的熱穩(wěn)定性、較低的玻璃轉(zhuǎn)變溫度和較高的脆度。選擇Zr35Ti30Cu8.25Be26.75非晶合金作為研究對(duì)象。

       采用X射線衍射儀對(duì)電弧熔煉的Zr35Ti30Cu8.25Be26.75合金進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，并選用差示掃描量熱儀標(biāo)定其熱力學(xué)參數(shù)。

圖1:Zr35Ti30Cu8.25Be26.75非晶合金的XRD圖譜(a)和DSC曲線(b)

       圖1a、圖1b分別是Zr35Ti30Cu8.25Be26.75非晶合金試樣XRD、DSC實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖1a中XRD圖分析只在2θ≈38°附近有一寬的非晶彌散峰，且沒有表征晶體相的Bragg衍射尖峰出現(xiàn)，表明該合金為單一的非晶相。DSC測(cè)得玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg為305℃，晶化溫度Tx為465.8℃，過冷液相區(qū)范圍ΔT=Tx-Tg為160.8℃。

       鑒于自然界中，蜂窩具有六邊形結(jié)構(gòu)，節(jié)約材料的同時(shí)可以使得空間得以最大化利用，這種結(jié)構(gòu)能使六邊形表面微結(jié)構(gòu)在干、濕接觸時(shí)更有效地穩(wěn)定摩擦。因此，設(shè)計(jì)出正六邊形蜂窩狀結(jié)構(gòu)，壁厚W=8μm，深度H=100μm，相鄰蜂窩中心間距P=35.5～195μm。

       將蝕刻好的硅模與非晶合金片疊放于夾具中(防止非晶態(tài)合金在熱壓成形時(shí)向四周流動(dòng)而降低其復(fù)制性)，放置在設(shè)定溫度390℃的測(cè)試平臺(tái)。待溫度回升至設(shè)定溫度并保溫1～3min后開始?jí)河?，時(shí)間12min。實(shí)驗(yàn)完成后，迅速打開加熱箱門，立刻放入池中水冷而分開熱壓成形夾具。

圖2:不同蜂窩間距下Zr基非晶合金成形后SEM形貌圖

(a)P=35.5μm(b)P=75.5μm(c)P=155μm(d)P=195μm

       硅模腐蝕在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的NaOH溶液中進(jìn)行。待樣品超聲干凈，干燥后，采用X衍射分析儀測(cè)試其表面是否晶化，采用掃描透射電鏡SEM進(jìn)行形貌分析(圖2)，采用激光共聚焦三維輪廓儀測(cè)量結(jié)構(gòu)的深度是否符合實(shí)驗(yàn)要求，平均深度均達(dá)到100μm。

圖3:摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)銷-平面接觸示意圖(a)和不同尺寸結(jié)構(gòu)俯視圖(b)

       選擇摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦性能測(cè)試。采用銷-平面接觸、線性往復(fù)摩擦程序，原理如圖3所示。選用材質(zhì)為Si3N4(Φ2.6mm×2cm)陶瓷作為磨銷，接觸載荷選為4和10N，滑移速度選為10mm·s-1，摩擦?xí)r間選為900s。通過滴管以滴液方式在微結(jié)構(gòu)表面覆蓋一層水層模擬濕摩擦。每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次以保證數(shù)據(jù)可靠性。

（1）干摩擦條件

圖4:不同P值的摩擦系數(shù)和時(shí)間的關(guān)系(a)及不同P值微結(jié)構(gòu)的平均摩擦系數(shù)(b)

       圖4為不同尺寸非晶合金表面幾何微結(jié)構(gòu)的摩擦系數(shù)和時(shí)間的關(guān)系。從圖4a可以看出，表面光滑樣品的摩擦系數(shù)曲線呈現(xiàn)明顯的上下波動(dòng)，波動(dòng)范圍0.8～1.3，平均摩擦系數(shù)穩(wěn)定在1.07，這是由于摩擦產(chǎn)生的磨屑未能排出摩擦區(qū)域，在反復(fù)摩擦過程中，導(dǎo)致三體摩擦而產(chǎn)生多次摩損，使得摩擦系數(shù)曲線波動(dòng)很大。而具有表面幾何微結(jié)構(gòu)樣品的摩擦系數(shù)則呈現(xiàn)明顯的下降，并且波動(dòng)明顯減少，這是由于微孔結(jié)構(gòu)能夠收集摩擦磨損產(chǎn)生的磨屑，減少三體接觸；P=155和195μm的摩擦系數(shù)曲線都是先迅速增加，然后到達(dá)穩(wěn)定值0.60和0.68，整體趨勢(shì)很相似，而P=35.5μm的摩擦系數(shù)曲線波動(dòng)很大，最終穩(wěn)定在0.75；P=75.5μm的摩擦系數(shù)開始迅速增加，后減小，最終穩(wěn)定在0.43。從圖4b可以看出，隨著蜂窩間距P的增加，摩擦系數(shù)呈現(xiàn)先快速減小后緩慢增加的趨勢(shì)，并且在P=75.5μm時(shí)摩擦系數(shù)取得最小值，相對(duì)于光滑平面摩擦系數(shù)降低了60.0%。

圖5:不同P值非晶合金表面磨損SEM形貌圖

(a)光滑表面(b)P=35.5μm(c)P=75.5μm(d)P=155μm(e)P=195μm

       圖5為摩擦試樣的SEM圖，從圖5b可以看出，磨損區(qū)域的微結(jié)構(gòu)都已經(jīng)被完全破壞，微孔都被磨損產(chǎn)生的磨屑和表面產(chǎn)生的塑性變形所覆蓋，這說明在P=35.5μm條件下，微結(jié)構(gòu)極易被破壞，不能持續(xù)提高摩擦性能。光滑表面和P=35.5μm的表面由于實(shí)際接觸面積較大，在硬質(zhì)摩擦副的作用下，都有粘附現(xiàn)象發(fā)生。隨著P值的增加，其表面形貌變化趨勢(shì)基本一致，圖5c中發(fā)現(xiàn)存在一些微孔已經(jīng)被磨屑填滿，微結(jié)構(gòu)磨損的高度也隨著P值的增加先減小后增加，和摩擦系數(shù)的變化保持一致。當(dāng)P=195μm時(shí)，如圖5e，其磨損形貌表現(xiàn)為，蜂窩壁寬度增加了近一倍，有明顯的塑性變形，而在磨損邊緣也有摩擦產(chǎn)生的碎片?？傮w而言，在干摩擦條件下，表面微結(jié)構(gòu)除了能夠減少摩擦副的接觸面積、收集摩擦產(chǎn)生的磨屑，還可以有效的減輕犁溝效應(yīng)，將光滑平面產(chǎn)生連續(xù)的犁溝割裂成小段。

（2）濕摩擦條件

圖6:4N(a)和10N(b)水潤(rùn)滑載荷下，不同P值非晶合金表面的摩擦系數(shù)曲線圖和所對(duì)應(yīng)的平均摩擦系數(shù)(c)

       圖6為4N載荷下不同P值微結(jié)構(gòu)表面的摩擦系數(shù)關(guān)系圖。由圖可知，光滑表面的樣品的摩擦系數(shù)曲線波動(dòng)大，波動(dòng)范圍0.939±0.095，較干摩擦條件下有輕微減弱，這主要是由于水潤(rùn)滑的作用。具有微結(jié)構(gòu)的樣品的摩擦系數(shù)趨勢(shì)基本一致；開始隨著摩擦?xí)r間的增加，摩擦系數(shù)迅速增加；到達(dá)最高點(diǎn)后摩擦系數(shù)又緩慢減小，300s后開始穩(wěn)定下來，最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。P=35.5μm摩擦系數(shù)曲線存在幾個(gè)突出、不穩(wěn)定的點(diǎn)；P=155和195μm的摩擦系數(shù)曲線均值穩(wěn)定在0.58和0.60左右，整體略低于干摩擦條件；值得注意的是，P=75.5μm在所有微結(jié)構(gòu)中的摩擦系數(shù)曲線最低，平均摩擦系數(shù)相對(duì)于光滑表面下降了46.8%；總體摩擦系數(shù)變化形狀和干摩擦一致，而波動(dòng)程度都比干摩擦條件下的稍微減少。

       圖6b為10N下水潤(rùn)滑摩擦系數(shù)曲線圖。隨著載荷的增加，其摩擦系數(shù)曲線出現(xiàn)了不穩(wěn)定性。具有表面微結(jié)構(gòu)的摩擦系數(shù)曲線在到達(dá)500s后都表現(xiàn)出穩(wěn)定狀態(tài)，平均摩擦系數(shù)依次為0.811、0.608、0.463、0.569和0.582，且摩擦系數(shù)隨著載荷的增加而減少，這是由于實(shí)際接觸面積與載荷為非線性關(guān)系，使得摩擦系數(shù)降低，符合摩擦二項(xiàng)式定律。

       圖6c為不同P值對(duì)應(yīng)的平均摩擦系數(shù)，可以看出，隨著載荷的增加，微結(jié)構(gòu)同樣能夠穩(wěn)定和減小摩擦系數(shù)，但是不同P值表面微結(jié)構(gòu)對(duì)摩擦系數(shù)的影響也將變?nèi)?。為了研究濕摩擦條件下的磨損機(jī)理，本研究通過SEM掃描水潤(rùn)滑條件下(載荷4N)的磨損形貌，如圖7所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)P=35.5μm的磨損區(qū)域大部分被覆蓋，只有少許可以看出微孔的結(jié)構(gòu)，但表面都有不同程度的粘附現(xiàn)象和明顯的犁溝槽發(fā)生。P=155和P=195μm的磨損表面相對(duì)于干摩擦下，表面塑性變形減弱。P=75.5μm的磨損表面只有輕微的犁溝現(xiàn)象，磨損表面呈現(xiàn)平整狀態(tài)，這與其摩擦系數(shù)最小和磨損速率最慢相一致。同樣由于水潤(rùn)滑的作用，相同結(jié)構(gòu)的表面摩擦行為所呈現(xiàn)出的是更平穩(wěn)的摩擦系數(shù)。

       （1）在干摩擦和水潤(rùn)滑條件下，摩擦系數(shù)隨著表面蜂窩結(jié)構(gòu)中心間距的增加先減小后增大。

       （2）在干摩擦條件下，摩擦系數(shù)相對(duì)于光滑表面最多下降了60.0%，在水潤(rùn)滑條件下，摩擦系數(shù)最多下降了46.8%。

       （3）理論分析表明：摩擦力正比于真實(shí)接觸面積。隨著相鄰蜂窩中心間距的增加，真實(shí)接觸面積降低，從而減小了摩擦系數(shù)，同時(shí)表面微結(jié)構(gòu)還能夠收集磨屑、儲(chǔ)存潤(rùn)滑劑、提高承載能力；當(dāng)相鄰蜂窩中心間距進(jìn)一步增加時(shí)，減小真實(shí)接觸面積同時(shí)顯著增加了接觸應(yīng)力，使得犁溝效應(yīng)增強(qiáng)，從而摩擦系數(shù)增加，因此摩擦系數(shù)隨蜂窩間距增大呈先減小后增加趨勢(shì)。

來源：塑性工程學(xué)報(bào) 2018年第25卷第5期 李寧 徐二江 柳林 王新云 李建軍《非晶合金表面熱壓印微結(jié)構(gòu)的摩擦性能研究》