超声波纳米表面改性的微凹表面及其摩擦学效应

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1、超声波纳米表面改性的微凹痕表面及其摩擦学效应摘要众所周知，凹痕表面可以提高摩擦学特性。本研究的根本目的是超声波纳米表面改性技术(UNSM)形成微凹表面的演示过程，并评估其摩擦学特性的影响。在磁盘上进行球测试，以揭示机制和微凹表面影响。UNSM处理表面和地面进行比较，UNSM处理的表面摩擦系数已经减少了约25％，这对于配合改善表面摩擦学性能是一个有意义的现象。UNSM处理表面磨损体积损失也被降低了约60％。利用扫描电子显微镜和表面粗糙度轮廓测量研究磨损表面。2011爱思唯尔B.V.保留所有权利关键词：超声波纳米表面UNS

2、M修改过程微型凹陷滑动摩擦系数滑动磨损1.引言技术实践的今天，特别是在弹簧制造，汽车及航空航天等行业，没有机械表面处理工艺流程是很难想象的。为了提高摩擦学性能和防止组件和机械部件的机械故障所有的表面处理工艺都被用上了。组件的机械故障，特别是摩擦故障，如摩擦和磨损相关的故障，都是如今不可用的主要的原因之一，这就是为什么这些现象都提升了对摩擦学兴趣。近日，表面纹理已被引入到微观尺度的水平上来提高摩檫学的摩擦和磨损。相关研究主要通过实验来展开。这些研究，例如，检查一个扁平的钢球和一激光纹理钢盘之间的摩擦，通过该微磁盘上的凹陷

3、的正面影响，得出具有较高的滑动速度下情况更加明显[1]。在另一个研究工作中，研究了不同种类的微凹陷表面粗糙度，这表明，不同表面纹理的摩擦系数差别很大[2]。这些研究为降低微凹陷表面的摩擦和磨损率提供洞察机制。然而，有关微凹表面对摩擦学特性的影响的实验通常是耗时的，并且实验结果的客观变化取决于实验条件，从实验中归纳微凹表面的结论，遇到了一些困难[3]。表面纹理对机械部件的摩擦特性的改善是一个有吸引力的方法。微凹配合表面的摩擦学以各种形式，大小和形状的研究工作已经在世界各地用各种方法使微凹表面技术开展开来，如喷丸，离子束纹

4、理，激光表面纹理等等。今后，除了这些技术，UNSM技术已被应用于各种机械部件[4-6]。Nakano等。[7]报道的摩擦系数增加或减少取决于微观纹理图案的几何形状，凹坑图案纹理导致比其他图案纹理摩擦系数低，如槽和网格图案纹理。相关的结果表明，较低的摩擦系数可以被获得，因为微凹坑的影响导致更大的配合面之间的分离。微凹陷性能的提高主要归因于UNSM处理表面的微凹陷扮演了润滑剂水库和帮助促进保留配合面之间的润滑薄膜的重要角色，从而降低摩擦和磨损率。值得称道的作品，以及前面提到的研究，对于提高配合面的摩擦学和机械性能的改善有很

5、大帮助。2.超声波纳米表面改性处理2.1UNSM处理的概念UNSM技术是由DesignMecha有限公司开发和商业化的一项专利技术[4]。UNSM是利用超声波能量改善金属的一种方法。由于其经济效果，对工件的效果可以很好的调节，并因为它在生产机器零件及各种用途的机器中是一种安全，简单和有效的方法，这项技术已引起了人们相当大的兴趣。UNSM技术掌握着工件表面的质量、性质和特性，在改造领域修改材料的性能，提高了疲劳和耐腐蚀性以及抗磨损性，并减少了接触故障，诱导表面层的残余应力和严重的塑性变形以及稳定性，在机械工业领域提高了静

6、止质量和可靠性的特点。UNSM技术已经说明了对各种金属和合金，如铝，青铜，钢，钛，铜等的有效性，这种UNSM技术也被应用到高温结构材料。UNSM技术的主要优点之一是它可用于在表面上创建微凹陷，并且这种生产成功率是极高的。2.2微凹表面形成的理论和过程在UNSM技术工艺过程中，工件表面不仅受静载荷（聚苯乙烯）作用，而且还受动态负载(Pdy=Psin2πft)的作用，如图1所示[5]。图2所示的发电机和压电转换器发射超声波为20kHz。当波穿越声学助推器时，会被放大。尺寸在10-100微米范围的震动振幅才可以通过接触面。均

7、匀的处理可以在处理后的表面获得。UNSM的原理是基于仪器的超声波频率共振的声学调节体的谐波振荡转换。通电的超声波换能器给声学调节体的本体带来了共振。从这些工件表面为20,000-40,000平方毫米的高频脉冲的总的力(F=Pst+Pdy)中产生能量[6]。与此同时，撞击在工件表面上产生无数的微凹面，表面上产生严重的塑性变形，从而诱导纳米结构。这些微凹表面既可以作为充满条件下的微流体动压轴承也可以作为润滑条件下的混合润滑和碎屑的微型水库。通常的氮化硅陶瓷（氮化硅）或碳化钨球和销具有球形精度高和表面光滑的特性被作为敲击介质

8、如表1中所示，这些球和销还可以连接到介质中。使用硬度为2300HV的氮化硅制成不同尺寸的球和硬度为1700HV的碳化钨制成不同尺寸的销。典型的销和球的大小是直径在1.2-6毫米的范围内，这些可以根据工件选材目的和力学性能的不用来选择。在应用中根据想要得到的效果来处理不同的球和销。备注：F=Pst+Pamsin2π英尺；其中：F是总