条纹型表面织构及其提高材料抗磨损性能的方法
【专利摘要】条纹型表面织构及其提高材料抗磨损性能的方法。一般机械零件应满足的最基本要求为较好的耐磨性和能有效实现既定运动的摩擦系数。减少磨损常采用提高材料表面精度的方法。一种条纹型表面织构，所述的条纹型表面织构的组成单元是宽度为0.2mm条纹凹槽，所述的条纹凹槽分布于工件的摩擦副接触表面，所述的条纹凹槽的倾角为0°~90°，所述的倾角为条纹方向与试件宽度方向的夹角，所述的条纹凹槽的深度为0.1mm~0.4mm，所述的深度为条纹型微结构嵌入材料表面的深度，所述的条纹凹槽的边距为0.2mm~0.8mm，所述的边距为相邻两条纹边缘的距离。本发明用于提高材料抗磨损性能。
【专利说明】条纹型表面织构及其提高材料抗磨损性能的方法
[0001]【技术领域】:
本发明涉及一种条纹型表面织构及其提高材料抗磨损性能的方法。
[0002]【背景技术】:
机械运动必然产生摩擦，磨损是机构摩擦运动的产物。一般机械零件应满足的最基本要求为较好的耐磨性和能有效实现既定运动的摩擦系数。减少磨损常采用提高材料表面精度的方法。通过提高表面精度来降低磨损由于受到材料性质及加工精度的影响，表面精度的提高一直受到限制，而对于像汽轮机叶片、齿轮轮齿等复杂型面，单纯通过提高加工精度来改善耐磨性，更是十分困难。并且精度与成本呈指数关系递增，势必造成成本增加。仿生学的发展为提高材料表面抗磨损性能提供了新的思路，已有研究表明不同类型、尺寸的表面织构具有减少磨损，改善摩擦副的摩擦学性能的效果。
[0003]
【发明内容】
:
本发明的目的是提供一种条纹型表面织构及其提高材料抗磨损性能的方法，通过优化条纹型表面织构参数以改善材料表面抗磨损性能和磨损稳定性能，实现材料摩擦学性能与表面织构形式的最优匹配。
[0004]上述的目的通过以下的技术方案实现:
一种条纹型表面织构，所述的条纹型表面织构的组成单元是宽度为0.2_条纹凹槽，所述的条纹凹槽分布于工件的摩擦副接触表面，所述的条纹凹槽的倾角为0°?90°，所述的倾角为条纹方向与试件宽度方向的夹角，所述的条纹凹槽的深度为0.lmnT0.4_，所述的深度为条纹型微结构嵌入材料表面的深度，所述的条纹凹槽的边距为0.2mnT0.8mm，所述的边距为相邻两条纹边缘的距离。
[0005]一种关于如权利要求1所述的条纹型表面织构提高材料抗磨损性能的方法，采用光滑表面和微结构表面分别进行摩擦实验，在实验过程中，实验载荷为IN，采用点面接触往复式运动，相对速度为0.02m/s，采用三因素四水平正交试验，以条纹倾角、边距和条纹深度为因素；分析条纹型微结构对材料摩擦学性能的影响，进一步分析以上因素与材料摩擦磨损性能的变化规律，研究不同表面参数条纹微结构的摩擦学性能，优化表面参数；
具体包括如下步骤:首先，应用点面接触干摩擦实验测定材料的摩擦学性能，材料的摩擦系数由试验机的数据采集系统自动采集得到；
其次，采集材料表面磨损深度数据，用无水乙醇清洗试件，吹干，测算其磨损深度；磨损深度采用计算磨损面与未磨损面平均高度差值的方法获得。试件截面的高度数据，采用超景深数码显微镜进行测量；
最后，根据试验结果，利用MATLAB软件，采用最小二乘法和F检验法进行摩擦系数和平均磨损深度回归分析，获得各因素与材料摩擦系数及磨损深度的变化规律，选取最优的减磨增阻表面参数。
[0006]所述的所述的条纹型表面织构提高材料抗磨损性能的方法，所述的条纹型表面织构在干摩擦状态下，起到了捕获磨屑的作用，改善了材料抗磨损性能，缓解了磨屑等磨损粒子造成的三体磨损，根据试件摩擦系数时间历程数据，光滑试件达到稳定磨损所用的时间约为400s，微结构试件所用时间仅是光滑试件的25%，光滑试件在稳定磨损时摩擦系数的变化幅度也远远大于微结构试件，说明条纹微结构的磨损过程稳定性优于光滑表面。
[0007]有益效果:
1.本发明条纹型微结构能有效提升材料表面抗磨损性能，已有研究表明表面并非越光滑就越耐磨，具有一定非光滑形态的表面反而具有更好的抗磨性。根据正交试验结果，干摩擦条件下，表面形貌参数为倾角0°，边距0.2mm，深度0.1mm的条纹型微结构表面平均磨损深度仅为光滑表面的2.1%。此外，条纹型织构摩擦过程稳定性优于光滑表面，条纹型织构能使摩擦副快速进入稳定磨损状态，光滑试件达到稳定磨损所用的时间约为400s，条纹微结构试件达到稳定磨损所用的时间平均约为100s，仅是光滑试件所用时间的25%。且条纹型微结构试件稳定磨损时摩擦系数变化幅度远小于光滑试件。从各方面数据看，条纹微结构材料摩擦磨损性能远远优于表面光滑材料，条纹型微结构表面能满足机械材料较好抗磨损性能和适宜摩擦系数的要求。
[0008]2.本发明条纹微结构倾角是决定材料表面磨损深度的重要参数，电火花切削加工形成硬化变质层强化了条纹凹槽表面，这些强化的沟槽能够拦截表面裂纹的扩展延伸，有效提高材料抗磨损性能。倾角越小，条纹与摩擦方向夹角越大，拦截效果越显著。倾角为0°的条纹织构抗磨损效果最好，其平均磨损深度仅为倾角90°条纹织构的6.9%。采用最小二乘法和F检验法，得出磨损深度回归模型。根据磨损深度回归模型，以上因素中，倾角对磨损深度影响最大。此外，条纹的倾角对摩擦副的相对运动有一定的阻碍作用，影响摩擦系数的大小，倾角为0°的条纹织构摩擦系数0.42，倾角为90°的条纹织构摩擦系数为前者的50%,倾角越小,条纹与摩擦方向越大,摩擦系数相对较大。
[0009]3.本发明条纹微结构深度是材料摩擦学性能的重要指标，微结构对材料表面形貌进行了规则改造，改变了摩擦副表面接触状况，对摩擦系数产生不可忽略的影响。深度为0.1mm微结构的摩擦系数0.14，深度为0.4mm条纹织构的摩擦系数是0.42，是前者的3倍，由实验所得数据可知，条纹表面织构深度越大，材料的摩擦系数系数越大。采用最小二乘法和F检验法，得出摩擦系数回归模型，以上因素中，深度对摩擦系数影响最大。同时，条纹凹槽的存在起到了容纳磨屑的作用，在一定程度上缓解了摩擦副的磨损，对改善材料表面抗磨损性能起到了重要作用。深度为0.1mm的条纹织构平均磨损深度7.6 μ m，仅为深度
0.4mm织构平均磨损深度的27%。
[0010]4.本发明边距为相邻两条纹边缘的距离，影响条纹微结构的密度，是考察条纹微结构摩擦学性质不可忽略的因素。凹槽的存在起到了容纳磨屑的作用，凹槽的密度则影响凹槽捕获磨损粒子的能力，进而改变磨粒与摩擦副的三体磨损状态，影响摩擦性能稳定性和抗磨损性能。根据正交试验及分析可知，边距0.2mm的条型微结构平均磨损深度7.6 μ m，仅为边距0.8mm条纹织构的6.9%。磨损深度随边距的增大而增大。边距0.2mm的条纹微结构摩擦系数为0.14，边距0.8mm织构摩擦系数是其3倍。摩擦系数随边距的增大而增大。
[0011]5.本发明条纹织构大大改善了材料的摩擦学性质，促使摩擦副快速进入稳定磨损过程，提高磨损过程稳定性，在减磨方面效果显著。磨损深度随着倾角和边距的增大而增大，随深度的增大而减小。摩擦系数随微结构深度、边距的增大而增大，随着倾角的增大而减小。条纹微结构的深度、边距、倾角三个参数存在最优组合得到最佳抗磨损效果和满足运动要求的摩擦系数。[0012]【专利附图】
【附图说明】:
附图1是本发明条纹型表面织构倾角为0°时的示意图。
[0013]附图2是本发明条纹型表面织构倾角为30°时的示意图。
[0014]附图3是本发明条纹型表面织构倾角为60°时的示意图。
[0015]附图4是本发明条纹型表面织构倾角为90°时的示意图。
[0016]【具体实施方式】:
实施例1:
一种条纹型表面织构，所述的条纹型表面织构的组成单元是宽度为0.2_条纹凹槽，所述的条纹凹槽分布于工件的摩擦副接触表面，所述的条纹凹槽的倾角为0°?90°，所述的倾角为条纹方向与试件宽度方向的夹角，所述的条纹凹槽的深度为0.lmnT0.4_，所述的深度为条纹型微结构嵌入材料表面的深度，所述的条纹凹槽的边距为0.2mnT0.8mm，所述的边距为相邻两条纹边缘的距离。
[0017]所述的倾角为0°、0° ;倾角是影响材料抗磨损性能的一个重要参数，电火花切削加工形成的硬质层强化了条纹凹槽，使其能够拦截表面裂纹的扩展延伸，倾角过大，条纹方向与摩擦副相对运动方向夹角过小，拦截效果不明显，抗磨损性能不佳；倾角过小，条纹织构与摩擦副相对运动方向夹角过大，相应增大了摩擦系数，故倾角的选择应在保证优良抗磨损性能情况下获得适宜摩擦系数。所述的深度为0.lmnT0.4mm，深度过小，条纹凹槽容纳磨损粒子能力较弱，抗磨损性能下降；深度过大，表面平整度越小，相当于粗糙度增大，摩擦系数上升，在保证满足摩擦系数要求情况下，应控制条纹型微结构深度不宜过小。所述的边距为0.2mnT0.8mm,边距过大,条纹凹槽密度较小,捕获磨损粒子能力较弱,抗磨损性能较差；边距过小，表面粗糙度相对较大，摩擦系数上升；在满足摩擦系数要求情况下，应选择较小边距以改善抗磨损性能。
[0018]实施例2:
一种关于如权利要求1所述的条纹型表面织构提高材料抗磨损性能的方法，采用光滑表面和微结构表面分别进行摩擦实验，在实验过程中，实验载荷为IN，采用点面接触往复式运动，相对速度为0.02m/s，采用三因素四水平正交试验，以条纹倾角、边距和条纹深度为因素；分析条纹型微结构对材料摩擦学性能的影响，进一步分析以上因素与材料摩擦磨损性能的变化规律，研究不同表面参数条纹微结构的摩擦学性能，优化表面参数；
具体包括如下步骤:首先，应用点面接触干摩擦实验测定材料的摩擦学性能，材料的摩擦系数由试验机的数据采集系统自动采集得到；
其次，采集材料表面磨损深度数据，用无水乙醇清洗试件，吹干，测算其磨损深度；磨损深度采用计算磨损面与未磨损面平均高度差值的方法获得。试件截面的高度数据，采用超景深数码显微镜进行测量；
最后，根据试验结果，利用MATLAB软件，采用最小二乘法和F检验法进行摩擦系数和平均磨损深度回归分析，获得各因素与材料摩擦系数及磨损深度的变化规律，选取最优的减磨增阻表面参数。
[0019]实施例3:
根据实施例2所述的所述的条纹型表面织构提高材料抗磨损性能的方法，所述的条纹型表面织构在干摩擦状态下，起到了捕获磨屑的作用，改善了材料抗磨损性能，缓解了磨屑等磨损粒子造成的三体磨损，根据试件摩擦系数时间历程数据，光滑试件达到稳定磨损所用的时间约为400s，微结构试件所用时间仅是光滑试件的25%，光滑试件在稳定磨损时摩擦系数的变化幅度也远远大于微结构试件，说明条纹微结构的磨损过程稳定性优于光滑表面。
【权利要求】
1.一种条纹型表面织构，其特征是:所述的条纹型表面织构的组成单元是宽度为0.2mm条纹凹槽，所述的条纹凹槽分布于工件的摩擦副接触表面，所述的条纹凹槽的倾角为0°?90°，所述的倾角为条纹方向与试件宽度方向的夹角，所述的条纹凹槽的深度为0.lmnT0.4mm，所述的深度为条纹型微结构嵌入材料表面的深度，所述的条纹凹槽的边距为0.2mnT0.8mm，所述的边距为相邻两条纹边缘的距离。
2.一种关于如权利要求1所述的条纹型表面织构提高材料抗磨损性能的方法，其特征是:采用光滑表面和微结构表面分别进行摩擦实验，在实验过程中，实验载荷为IN，采用点面接触往复式运动，相对速度为0.02m/s，采用三因素四水平正交试验，以条纹倾角、边距和条纹深度为因素；分析条纹型微结构对材料摩擦学性能的影响，进一步分析以上因素与材料摩擦磨损性能的变化规律，研究不同表面参数条纹微结构的摩擦学性能，优化表面参数； 具体包括如下步骤:首先，应用点面接触干摩擦实验测定材料的摩擦学性能，材料的摩擦系数由试验机的数据采集系统自动采集得到； 其次，采集材料表面磨损深度数据，用无水乙醇清洗试件，吹干，测算其磨损深度；磨损深度采用计算磨损面与未磨损面平均高度差值的方法获得，试件截面的高度数据，采用超景深数码显微镜进行测量； 最后，根据试验结果，利用MATLAB软件，采用最小二乘法和F检验法进行摩擦系数和平均磨损深度回归分析，获得各因素与材料摩擦系数及磨损深度的变化规律，选取最优的减磨增阻表面参数。
3.根据权利要求2所述的所述的条纹型表面织构提高材料抗磨损性能的方法，其特征是:所述的条纹型表面织构在干摩擦状态下，起到了捕获磨屑的作用，改善了材料抗磨损性能，缓解了磨屑等磨损粒子造成的三体磨损，根据试件摩擦系数时间历程数据，光滑试件达到稳定磨损所用的时间约为400s，微结构试件所用时间仅是光滑试件的25%，光滑试件在稳定磨损时摩擦系数的变化幅度也远远大于微结构试件，说明条纹微结构的磨损过程稳定性优于光滑表面。
【文档编号】G01N3/56GK103868813SQ201410102057
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年3月19日 优先权日:2014年3月19日
【发明者】赵彦玲, 向敬忠, 杨雪松, 夏成涛, 李积才, 黄平, 王伟全, 孔泳力 申请人:哈尔滨理工大学