随着表面工程科学的发展，表面改性摩擦学获得了迅速发展。激光处理已经发展成一种重要的表面改性方式。而且激光表面改性与常规热处理工艺相比具有诸多优点。①激光功率密度高（高达106W/cm2以上），用激光束强化金属表面的加速度快(105～109 ℃/s)，金属对激光的吸附系数高达105～106 cm-1 ，基体自冷速度快(104 ℃/s)以上。无需淬火介质，不会造成环境污染。②可对工件进行选择性局部处理，而且工件变形 小，不影响整体结构。③操作简单，易实现自动化，可以在廉价的材料上形成优异性能的合金，节 省贵重金属和合金。④激光束照射到工作表面，使表层快速加热到相变温度上，当光速离开后，迅 速冷却，可获得非晶态和亚稳态层，使表面纳米化，大大提高了材料的表面性能。由于激光用于表 面处理的这些独特优点，使激光改性表面得到了广泛的应用。激光处理的零件可普遍应用于汽车缸 体、曲轴和凸轮轴等易磨损件，目的是提高其抗磨和抗擦伤性能<2>。林子光<3～5>采用激 光微精处理技术对零件表面进行激光处理，制备出零件表面具有一定微凸体或凹体的表面，能发挥 良好的的润滑及抗磨作用，并能长时间保持所生成的形貌。由于实际应用中，激光处理的表面都是 在有添加剂条件下工作的，因此研究添加剂对激光表理零件表面形貌的研究，探讨润滑油添加剂对其表面的作用，考察添加剂对激光改性表面摩擦磨损性能的影响规律。1 试验方法 摩擦磨损试验是在SRV摩擦磨损试验机上进行的，上试件选用为直径Φ10 mm 的GCr15钢球，硬度为61～63 HRC ,下试件为Φ22 mm×7.88 mm激光微精处理和未经激光处理的球墨铸铁圆盘，处理和未处理表面硬度分别为921 HV 和182 HV。载荷通过钢球施加，振动频率为20 Hz，振幅1mm，初始负荷300 N，然后逐级加载100 N/5min，将摩擦因数剧烈跳动或试验机剧烈震动前的载荷规定为承载能力。试验所用润滑油添 加剂是ZDDP、MoDTP、TCP、BOG、SO、CP和LP，添加剂在基础油中的质量分 数是0.03。添加剂的物理性能以及对钢—钢摩擦副的摩擦磨损性能已经有很多报道<6>，试验所用的基础油为液体石蜡（LP）。试验前试件在石油醚中超声清洗20min，试验前在接触处滴约0.2 ml润滑油，试验结束后利用轮廓仪测量磨损体积损失。 2 结果与讨论 图1 为SRV摩擦磨损试验机的承载能力和摩擦因数的测定结果；从图1（a）可以看出，在不同添加剂 作用下，激光微精处理的圆批盘表现出不同的承载能力，其承载能力顺序为二烷基二硫代磷酸锌（ ZDDP）=二烷基二硫代磷酸钼(MoDTP)＞磷酸三甲酚酯（TCP）＞硼化油酸甘油酯（ BOG）＞硫化异丁烯（SO）＞氯化石蜡（CP）＞液体石蜡（LP）。这与传统润滑油添加剂 的承载顺序不同，说明经过激光处理后的摩擦表面与通常钢钢摩擦副有不同的润滑条件，激光处理 的表面硬度提高，提高了承载能力。从图1（b）可以看出，在不同添加剂作用下，激光微精处理 的圆批盘表现出不同的摩擦因数，其摩擦因数从小到大的顺序是二烷基二硫代磷酸锌（ZDDP） =二烷基二硫代磷酸钼(MoDTP)＜硼化油酸甘油酯（BOG）＜磷酸三甲酚酯（TCP）＜硫化异丁烯（SO）＜氯化石蜡（CP）＜液体石蜡（LP）。减摩顺序基本符合常规添加剂的减摩顺序。 图1 承载能力和摩擦因数和磨损率随添加剂种类变化的关系图(a) 承载能力，(b) 摩擦因数，（c） 磨损率 Fig.1 The relation of load-carrying capacity, friction coefficient and wear rate with various additives in lubricating oil (a)Lood－carrying capacity, (b)Friction coefficient, (c)Wear rate 从图1（c）可以看出，在不同添加剂作用下，激光微精处理的圆批盘表现出不同的抗磨能力，其抗磨能力从大到小的顺序是二烷基二硫代磷酸锌（ZDDP）=二烷基二硫代磷酸钼(MoDTP)＞磷酸三甲酚酯（TCP）＞硫化异丁烯（SO）＞硼化油酸甘油酯（BOG）＞氯化石蜡（CP） ＞液体石蜡（LP）。从以上结果发现ZDDP和MoDTP极压抗磨减摩效果最优，而传统的极压剂摩擦学性能相对较差。2.2 结果分析 图2～3示出了扫描电子显微镜（SEM）和Χ射线能量散低能电子衍射（EDS）摩擦副表面的形貌和元素的面分布。 图2 激光处理的原始SEM图（×35） Fig.2 SEM surface morphology of nodular cast iron after laser treatment（×35） (a) Micrograph of wear scar under SO (b) S element map (c) Micrograph of wear scar under ZDDP (d) P element map (e) S element map (f) Zn element map 图3 各种添加剂的磨斑及表面元素的面分布 (×300) Fig.3 Wear scare and elements maps of specimens under various lubricating additives（×300） 0.000.020.040.060.080.100.120.140.16摩擦因数ZDDP TCPSOLP添加剂种类(b)0123456磨损率(10-6mm3/N.mm)ZDDP TCPBOGLP添加剂种类02004006008001000承载能力/NZDDPTCPSOLP添加剂种类 a 从图2可以看出，激光微精处理后，表面呈凸凹结构，从放大100倍的磨痕可以看出，磨痕浅，只 是相对较轻的粘着磨损。从元素面面分布可以看到凸处有较多的活性化学元素，在凹处，则没有或 有很少的活性元素，相比较而言，承载能力高的添加剂，表面元素分布均匀而且多，如MoDTP 和ZDDP，而承载能力低的添加剂，表面元素分布少且不均匀，如SO。另外人为激光微精处理 的表面形貌可以产生理想的润滑状态。表面激光微精处理后，激光淬火硬化区表面是由极细的马氏 体和未转变的残余奥氏体等组成，有可能表面获得非晶态，由于马氏体相变的发生使硬化层内出现 残余应力，有利于提高工件的疲劳寿命和耐磨性<7>。润滑油添加剂大大提高了激光微精处理表面的抗磨和承载能力，但其抗磨减摩机理有待进一步深入研究。3 结 论 (1) 不同的润滑油添加剂在激光微精处理的球墨铸铁表现出不同的抗磨减摩和承载能力。 (2) 在不同的润滑油添加剂的作用下，抗磨添加剂比极压剂表现出更优越的摩擦学性能，因此建议激光微精处理的摩擦副采用非传统的抗磨复配技术。 润滑油添加剂对激光改性球墨铸铁抗磨性能的影响$沈阳工业大学@夏延秋
$中科院兰化所@刘维民
$中科院兰化所@薛群基
$天津工业大学@林子光激光改性;;极压抗磨添加剂;;球墨铸铁采用SRV摩擦磨损试验机考察 了激光改性球墨铸铁(QT450-10)的抗磨性能。结果表明,激光处理的球墨铸铁具有理想 的表面形貌和较高的表面硬度,在润滑油添加剂的作用下,其抗磨性能提高1～2个数量级。对常 用的6种添加剂的测试发现,其抗磨能力依次为二烷基二硫代磷酸锌(ZDDP)=二烷基二硫代 磷酸钼(MoDTP)>磷酸三甲酚酯(TCP)>硼化油酸甘油酯(BOG)>硫化异丁烯(S O)>氯化石蜡(CP)>液体石蜡(LP),承载能力顺序与此类似。同时采用SEM和EDS 对磨斑表面形貌和元素的面分布进行了研究。<1>张绪寿,余来贵,陈建敏.表面工程摩擦学研究进展.摩擦学学报,2000,20(2):156～160.
<2>李国英主编.表面工程手册,机械工业出版社,2001,3:807～809.
<3>林子光,王恩鸿.脂润滑条件下激光微精处理零件的抗擦伤性能研究
.摩擦学学报,1998,18(3):238～242.
<4>林子光.铸铁表面激光处理的摩擦学特性.表面工程,1996,31(2):5-109～5-207
<5>LinZ G,GuoZ B.Laser microprecision treatment to raiseEHL effect.LubricationScience.1992,5(1):33～41.
<6>SyedQ A,Rizvi.Lubricant additives and their functions.98～112.
<7>杨德华,张绪寿.金属材料的激光表面改性及其在摩擦学中的应用.固体润滑,1990,1 0(3)153～159.国家自然科学基金项目(29901006)。从元素面面分布可以看 到凸处有较多的活性化学元素，在凹处，则没有或有很少的活性元素，相比较而言，承载能力高的 添加剂，表面元素分布均匀而且多，如MoDTP和ZDDP，而承载能力低的添加剂，表面元素 分布少且不均匀，如SO。另外人为激光微精处理的表面形貌可以产生理想的润滑状态。表面激光 微精处理后，激光淬火硬化区表面是由极细的马氏体和未转变的残余奥氏体等组成，有可能表面获 得非晶态，由于马氏体相变的发生使硬化层内出现残余应力，有利于提高工件的疲劳寿命和耐磨性 <7>。润滑油添加剂大大提高了激光微精处理表面的抗磨和承载能力，但其抗磨减摩机理有待进一步深入研究。3 结
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