激光加工網(wǎng)狀微織構(gòu)對(duì)不銹鋼 微絲摩擦磨損性能的影響

黃明吉，張瑋珺，陳平，馮少川

（1.北京科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，北京 100083； 2.北京科技大學(xué)順德研究生院，廣東 順德 528300）

金屬橡膠是一種新型的均質(zhì)彈性多孔材料，將螺旋不銹鋼微絲編織、卷繞放入到模具中，經(jīng)加熱、加壓成型[1]。它既有類(lèi)似橡膠材料的彈性和阻尼性能，又保持金屬的優(yōu)異特性，在隔振、減振、密封、降噪等方面有著廣泛應(yīng)用[2]。金屬橡膠材料的主要失效形式是不銹鋼微絲的疲勞斷裂和磨損[3]。因此，改善不銹鋼微絲在干摩擦下的摩擦磨損性能，是提高金屬橡膠材料使用壽命的有效途徑。

表面織構(gòu)化是指在零件表面加工出特定形狀和尺寸的微納米級(jí)別的凹槽或凸起的工藝[4]。研究表明，表面織構(gòu)化對(duì)金屬表面的摩擦磨損性能有積極影響。Li 等[5-6]討論了不同織構(gòu)紋理的形貌和面積占有率對(duì)樣品表面摩擦因數(shù)的影響，提出了在表面紋理面積占有率10%的情況下，半圓環(huán)網(wǎng)紋表面的摩擦因數(shù)最低。Li 等[7]利用激光表面紋理化技術(shù)制造了間距不同的格子狀凹槽，提出了紋理覆蓋率為0.679 的樣品的摩擦因數(shù)和磨損率最低。陳平等[8]從磨料的捕集和清除方面入手，解釋了干摩擦條件下平行和六邊形網(wǎng)紋樣品減摩效果最好的原因。張東亞等[9-10]討論了面密度和深度等表面織構(gòu)參數(shù)對(duì)金屬表面摩擦學(xué)性能的影響，提出了摩擦因數(shù)隨面密度和深度的增大而增大，其研究主要面向潤(rùn)滑條件下的摩擦磨損，干摩擦下織構(gòu)密度和深度對(duì)摩擦磨損性能的影響值得進(jìn)一步研究。李亞軍等[11-14]研究了激光加工表面織構(gòu)對(duì)45 鋼、316L 不銹鋼等不同材料摩擦磨損性能的影響，提出在干摩擦和潤(rùn)滑條件下，表面織構(gòu)化處理均可以提升金屬的耐磨性。由此可見(jiàn)，表面織構(gòu)化在提高不銹鋼微絲的摩擦磨損性能方面具有一定潛力。

目前，表面織構(gòu)化技術(shù)已經(jīng)十分成熟，常見(jiàn)的織構(gòu)化方法包括激光、壓印、銑削/微切、表面磨粒流噴射、數(shù)控振動(dòng)加工、反應(yīng)性離子蝕刻、MEMS 工藝等。其中，激光加工技術(shù)具有精度較高、成本低、效率高、污染小等優(yōu)勢(shì)，并可用于一次性成形溝槽等網(wǎng)狀織構(gòu)[15-16]。然而，國(guó)內(nèi)外關(guān)于金屬微絲表面織構(gòu)化的研究相對(duì)較少，因此本文使用激光加工技術(shù)在不銹鋼微絲表面制備了網(wǎng)狀微織構(gòu)。相關(guān)研究證明，載荷是影響金屬橡膠微絲磨損深度的因素之一[17]，本文在此基礎(chǔ)上研究了不同深度、不同間距的網(wǎng)狀微織構(gòu)對(duì)不銹鋼微絲摩擦磨損性能的影響，觀察分析了磨損試件的表面形貌，以期尋找提高耐磨性的方法，從而提高金屬橡膠材料的使用壽命。

1 試驗(yàn)

1.1 材料

試件選用直徑為0.4 mm 的316L 奧氏體不銹鋼微絲，材料成分如表1 所示。用LQL-F20A 激光打標(biāo)機(jī)在試件表面加工出兩條呈網(wǎng)狀交叉的溝槽織構(gòu)，激光打標(biāo)機(jī)的參數(shù)如表2 所示?？棙?gòu)參數(shù)以間距和深度為變量，間距分別為200、300、400 μm，深度分別為11 μm 和25 μm，寬度為常量78 μm，試件的織構(gòu)參數(shù)及編號(hào)如表3 所示，其中S0 為無(wú)織構(gòu)試件。圖1是用Leica-DM6A 顯微系統(tǒng)拍攝的織構(gòu)化試件表面三維形貌圖，織構(gòu)深度和溝槽寬度通過(guò)剖面線功能測(cè)量得到。圖2 是用掃描電鏡觀察的不同間距織構(gòu)化試件表面形貌圖。激光加工完成后，用丙酮和酒精對(duì)試件進(jìn)行超聲清洗，以消除表面雜質(zhì)和邊緣凸起對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

1.2 摩擦磨損試驗(yàn)

用往復(fù)式小行程微動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)環(huán)境為室溫23 ℃，空氣相對(duì)濕度為35%，試驗(yàn)時(shí)間為60 min，每組試驗(yàn)重復(fù)3 次。試驗(yàn)開(kāi)始前，將組成摩擦副的兩個(gè)不銹鋼微絲試件分別固定在圓柱塊和工作臺(tái)上，使上下兩根不銹鋼微絲呈60°接觸，如圖3 所示。試驗(yàn)過(guò)程中，摩擦速度為240 mm/min，直線往復(fù)行程為0.8 mm，頻率為2.5 Hz，同時(shí)記錄摩擦因數(shù)與磨損深度值，數(shù)據(jù)采樣頻率為36 Hz。試驗(yàn)結(jié)束后，根據(jù)采集到的離散數(shù)據(jù)繪制摩擦因數(shù)和磨損深度變化曲線，用酒精和丙酮對(duì)磨損試件進(jìn)行二次超聲清洗，去除附著在磨損面上的磨屑。

表1 不銹鋼微絲化學(xué)成分 Tab.1 Chemical composition of stainless steel microwires wt%

表2 激光打標(biāo)機(jī)參數(shù) Tab.2 Parameters of laser generator

表3 試件織構(gòu)參數(shù) Tab.3 Texture parameters of specimens μm

圖1 網(wǎng)狀織構(gòu)化試件表面三維形貌及剖面線測(cè)量結(jié)果（織構(gòu)間距200 μm，深度11 μm） Fig.1 Surface 3D topography and profile measurement result of a reticulate-textured specimen (with a depth of 11 μm and a pitch of 200 μm)

圖2 不同織構(gòu)間距的網(wǎng)狀織構(gòu)化試件表面形貌（深度11 μm） Fig.2 Surface morphology of reticulate-textured specimens with pitches of a) 200 μm, b) 300 μm, c) 400 μm (depth of 11 μm)

圖3 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)及試件接觸示意圖 Fig.3 Friction and wear testing machine and specimens contact

2 結(jié)果與討論

2.1 織構(gòu)深度對(duì)摩擦因數(shù)和磨損深度的影響

圖4 為織構(gòu)間距為200 μm、寬度為78 μm 的不銹鋼微絲試件，在10 N 載荷下摩擦因數(shù)和磨損深度隨織構(gòu)深度的變化趨勢(shì)，其中，織構(gòu)深度分別11 μm（S1 試件）、25 μm（S4 試件）和無(wú)織構(gòu)（S0 試件）。從圖4 可以看出，磨損試驗(yàn)初期，三種試件的表面摩擦因數(shù)急劇增長(zhǎng)，10 min 后進(jìn)入穩(wěn)定階段，且在整個(gè) 摩擦過(guò)程中，三種試件的摩擦因數(shù)始終保持 S4＜ S1＜S0 的大小關(guān)系（圖4a）。穩(wěn)定磨損階段，S0、S1和S4 的平均摩擦因數(shù)分別為0.88、0.71 和0.63（圖4b）。試驗(yàn)初期三種試件的磨損深度均快速增長(zhǎng)，進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段后，兩種織構(gòu)化試件（S1 和S4）的磨損深度逐漸趨于平穩(wěn)，而無(wú)織構(gòu)試件（S0）的磨損深度則持續(xù)快速上升，三種試件的磨損深度同樣保持S4＜S1＜S0 的大小關(guān)系（圖4c）。磨損60 min 后，S0、S1 和S4 的平均磨損深度分別為129、42、36 μm（圖4d）。試驗(yàn)結(jié)果顯示，網(wǎng)狀織構(gòu)化試件與無(wú)織構(gòu)試件相比，摩擦因數(shù)和磨損深度均明顯降低；織構(gòu)深度為25 μm 試件（S4）的摩擦因數(shù)和磨損深度比織構(gòu)深度為11 μm 試件（S1）的更低?？梢?jiàn)，對(duì)不銹鋼微絲進(jìn)行表面織構(gòu)化處理可以顯著提升其耐磨性，在一定范圍內(nèi)隨著表面織構(gòu)深度的增加，不銹鋼微絲的摩擦因數(shù)和磨損深度減小。

圖4 無(wú)織構(gòu)試件與織構(gòu)深度11 μm 和25 μm 試件的摩擦因數(shù)和磨損深度對(duì)比（織構(gòu)間距200 μm） Fig.4 Frictional coefficient and wear depth comparison of untextured specimens and specimens with depths of 11 μm and 25 μm (and pitches of 200 μm): a) frictional coefficient; b) average frictional coefficient; c) wear depth d) average wear depth

圖5 為S0、S1 和S4 三種試件磨損60 min 后的表面掃描電鏡照片。對(duì)比磨痕長(zhǎng)度（平行于滑動(dòng)方向）和寬度（垂直于滑動(dòng)方向）可以看出，無(wú)織構(gòu)試件（S0）的磨損區(qū)域更大（圖5a），其磨損面上有大量不規(guī)則的凸起和凹坑，沿滑動(dòng)方向的磨損痕跡十分明顯（圖5b）。有研究表明，不銹鋼微絲在摩擦磨損過(guò)程中產(chǎn)生的碎屑顆粒會(huì)附著在磨損面上[18]，與滑動(dòng)摩擦副形成三體摩擦磨損[8]，在磨損面上留下明顯的磨損痕跡。織構(gòu)深度為11 μm 試件（S1）的磨損面上沒(méi)有沿滑動(dòng)方向的明顯磨痕（圖5c），取而代之的是大量密集的、不規(guī)則的坑洼、隆起和細(xì)紋（圖5d），此外還形成了少量平整凸臺(tái)，這些凸臺(tái)可能是滑動(dòng)摩擦副磨損過(guò)程中的主要支承點(diǎn)?？棙?gòu)深度為25 μm 試件（S4）的磨損面大小與S1 相差不大（圖5e），但磨損面上的不規(guī)則隆起更少，細(xì)小坑洼和細(xì)紋也更少，磨損面相對(duì)平整（圖5f）。S1 試件與S4 試件在摩擦磨損性能上的不同，可歸因于織構(gòu)溝槽和激光熱處理的共同作用。織構(gòu)溝槽的作用在于收集摩擦磨損過(guò)程中產(chǎn)生的磨屑顆粒以減小磨損，同時(shí)有效地保護(hù)摩擦接觸表面以減小摩擦，由于S4 試件的織構(gòu)溝槽深度更深，溝槽對(duì)接觸表面起保護(hù)作用的時(shí)間更長(zhǎng)，收集磨屑顆粒的能力也更強(qiáng)[19-20]，即：S4 試件在摩擦磨損過(guò)程中可以使更多的磨粒掉入溝槽中，從而更好地保護(hù)滑動(dòng)摩擦副的接觸效果，更有效地減小摩擦因數(shù)和磨損深度。而激光熱處理的作用在于使溝槽表面形成硬質(zhì)層，高硬度的硬質(zhì)層具有良好的耐磨性，且對(duì)微絲表面未經(jīng)激光加工的區(qū)域具有一定的保護(hù)能力[13,21-22]。由于激光在S4 試件表面的掃描次數(shù)比S1 試件更多，S4 試件接受了更多的激光能量和更長(zhǎng)時(shí)間的熱處理，試件表面形成了硬度更高的硬質(zhì)層，具有更好的耐磨性，更有效地減小了磨損深度。

圖5 試件S0、S1 和S4 的磨損表面形貌 Fig.5 Surface morphology of specimens S0, S1 and S4 after wear: a) low magnification; b) high magnification of S0; c) low magnification; d) high magnification of S1 e) low magnification; f) high magnification of S4

2.2 織構(gòu)間距對(duì)摩擦因數(shù)和磨損深度的影響

圖6 為織構(gòu)寬度為78 μm 的不銹鋼微絲，在10 N載荷下摩擦因數(shù)和磨損深度隨織構(gòu)間距的變化趨勢(shì)，其中，織構(gòu)間距-織構(gòu)深度分別為200 μm-11 μm（S1試件）、300 μm-11 μm（S2 試件）、400 μm-11 μm（S3試件）、200 μm-25 μm（S4 試件）、300 μm-25 μm（S5試件）和400 μm-25 μm（S6 試件）。由圖6 可知，試驗(yàn)過(guò)程中試件摩擦因數(shù)的變化趨勢(shì)基本相同，即在試驗(yàn)初始階段增長(zhǎng)較快，試驗(yàn)10 min 進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段后逐漸趨于平緩（圖6a、6b）。進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段后，織構(gòu)深度為11 μm 的試件S1、S2 和S3 的平均摩擦因數(shù)數(shù)值相近，分別為0.72、0.70 和0.71；織構(gòu)深度為25 μm 的試件S4、S5 和S6 的平均摩擦因數(shù)數(shù)值也相近，數(shù)值分別為0.63、0.62 和0.62（圖6c），但均低于織構(gòu)深度為11 μm 的試件。試驗(yàn)過(guò)程中，六種試件的磨損深度也有著相似的變化，進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段后，磨損深度的增長(zhǎng)速度較試驗(yàn)初期明顯降低（圖6d、6e）。摩擦磨損60 min 后，織構(gòu)深度為11 μm的試件S1、S2 和S3 的平均磨損深度分別為41.6、42.9、42.2 μm，織構(gòu)深度為25 μm 的試件S4、S5 和S6 的平均磨損深度分別為36.2、36.4、37.9 μm，均低于織構(gòu)深度為11 μm 的試件（圖6f）。進(jìn)一步說(shuō)明，在一定范圍內(nèi)隨著表面織構(gòu)深度的增加，不銹鋼微絲的摩擦因數(shù)和磨損深度減小。

對(duì)比圖6c 和圖6f 可知，在11 μm 和25 μm 織構(gòu)深度單一水平下，200～400 μm 范圍內(nèi)織構(gòu)間距的變化對(duì)不銹鋼微絲表面的摩擦因數(shù)和磨損深度影響不大，但織構(gòu)深度與織構(gòu)間距兩因素之間存在協(xié)同作用，對(duì)不銹鋼微絲的摩擦磨損性能存在細(xì)微影響。如圖6f 所示，織構(gòu)深度由11 μm 增加到25 μm 時(shí)，織構(gòu)間距為200 μm 的試件S1 比S4 的平均磨損深度減小了5.4 μm，織構(gòu)間距為300 μm 的試件S2 比S5 減小了6.5 μm，而織構(gòu)間距為400 μm 的試件S3 比S6只減小了4.3 μm，可見(jiàn)織構(gòu)間距與織構(gòu)深度對(duì)磨損深度存在協(xié)同作用。而在平均摩擦因數(shù)的變化上，織構(gòu)深度由11 μm 增加到25 μm 時(shí)，間距為200 μm 的試件S1 比S4 減小了0.09，間距為300 μm 的試件S2比S5 減小了0.08，間距為400 μm 的試件S3 比S6減小了0.09，三種間距的試件在平均摩擦因數(shù)的減小量上相差不大（圖6c），可見(jiàn)織構(gòu)間距與織構(gòu)深度對(duì)微絲摩擦因數(shù)的協(xié)同影響比較細(xì)微。不同的織構(gòu)間距與織構(gòu)深度會(huì)在不銹鋼微絲表面形成不同的空間結(jié)構(gòu)，空間結(jié)構(gòu)的改變對(duì)摩擦磨損行為產(chǎn)生影響，從而得到不同的摩擦因數(shù)和磨損深度，以上結(jié)果的產(chǎn)生原因需要對(duì)織構(gòu)間距與織構(gòu)深度的協(xié)同影響機(jī)理做進(jìn)一步的研究與分析。

圖6 織構(gòu)間距200、300、400 μm，織構(gòu)深度11、25 μm 的網(wǎng)狀織構(gòu)化試件摩擦因數(shù)和磨損深度對(duì)比 Fig.6 Frictional coefficient and wear depth comparison of reticulate-textured specimens with texture pitches of 200 μm, 300 μm, 400 μm and texture depths of 11 μm, 25 μm: a) frictional coefficient of 11 μm specimen; b) frictional coefficient of 25 μm specimen; c) average frictional coefficient; d) wear depth of 11 μm specimen; e) wear depth of 25 μm specimen; f) average wear depth.

圖7 是S2 和S3 試件磨損60 min 后的表面掃描電鏡照片?？梢钥闯?，S2 試件磨損面沒(méi)有明顯的沿滑動(dòng)方向的磨痕（圖7a），但磨損面上的不規(guī)則坑洼和隆起非常明顯，同時(shí)伴有少量細(xì)紋（圖7b），這與S1（圖5c）十分相似。與S1 和S2 不同，在S3 試件的磨損面上可以清楚地觀察到沿滑動(dòng)方向的磨損痕跡（圖7c），這些磨痕是由磨料對(duì)試件表面的犁削作用導(dǎo)致的，這類(lèi)磨料磨損對(duì)摩擦因數(shù)的影響不大，但往往會(huì)加劇磨損。然而從試驗(yàn)結(jié)果看，S3 試件的磨損深度與S1 和S2 相差不大，這是由于磨料磨損區(qū)域占整個(gè)磨損面的面積比較小，摩擦接觸點(diǎn)的離散性[11]減小了磨料磨損區(qū)域?qū)φw磨損面的影響。此外，S3試件的磨損面上同樣分布著不規(guī)則的坑洼、隆起和細(xì)紋，磨損面凹凸不平（圖7d）。有研究表明，粘著磨損會(huì)導(dǎo)致試件表面發(fā)生材料遷移，從而形成凹凸不平、不規(guī)則的磨損形貌，這種情況在干摩擦下的鋼-鋼對(duì)磨過(guò)程中十分常見(jiàn)[11]。

圖7 試件S2、S3 的磨損表面形貌 Fig.7 Wear surface morphology of S2 and S3: a) low magnification of S2; b) high magnification of S2; c) low magnification of S3; d) high magnification of S3

2.3 載荷對(duì)網(wǎng)狀織構(gòu)摩擦因數(shù)及磨損深度的影響

圖8 為織構(gòu)深度、寬度和間距分別為11、78、200 μm 的不銹鋼微絲試件（S1）的摩擦因數(shù)和磨損深度隨載荷的變化趨勢(shì)，其中載荷為10、15、20 N?？梢钥闯?，整體而言，S1 試件在10、15、20 N 載荷下的摩擦因數(shù)變化趨勢(shì)相差不大；10 N 載荷下的試件的表面摩擦因數(shù)在試驗(yàn)開(kāi)始階段較小，但上升速度更快；進(jìn)入穩(wěn)定磨階段后，試件在三種載荷下的摩擦因數(shù)均趨于平穩(wěn)（圖8a）。磨損60 min 后，三種載荷下試件表面的平均摩擦因數(shù)都穩(wěn)定在0.70～0.72 之間（圖8b）。由此可見(jiàn)，一定范圍內(nèi)載荷的變化對(duì)不銹鋼微絲表面的摩擦因數(shù)無(wú)顯著影響。磨損過(guò)程中，試件的磨損深度先快速增加后趨于平穩(wěn)，增長(zhǎng)速度逐漸變慢（圖8c）。磨損60 min 后，10、15、20 N 載荷下試件的磨損深度分別為 41.4、55.1、76.3 μm （圖8d），可見(jiàn)不銹鋼微絲的磨損深度會(huì)隨著接觸載荷的增大而增大。

圖9 是掃描電鏡下觀察的15 N 和20 N 載荷下的試件磨損后表面形貌。由試件表面的磨痕長(zhǎng)度（平行于滑動(dòng)方向）和寬度（垂直于滑動(dòng)方向）可以計(jì)算得出，試件在20 N 載荷下（圖9c）的磨痕面積（6.81× 104μm2）比15 N 載荷下（圖9a）的（5.66×104μm2）更大，磨損面積大小與磨損深度大小相對(duì)應(yīng)。對(duì)比10 N 載荷下的試件磨損面（圖5d），15 N 載荷下的試件磨損面上出現(xiàn)了明顯的沿滑動(dòng)方向的磨損凹痕（圖9b），20 N 載荷下的試件磨損面上的凹坑和細(xì)紋增多（圖9d）。這是因?yàn)榻佑|載荷的增大更易導(dǎo)致粘著磨損，使磨損表面出現(xiàn)明顯的材料遷移，從而加劇磨損。

圖8 10、15、20 N 載荷下的織構(gòu)化試件摩擦因數(shù)與磨損深度對(duì)比 Fig.8 Frictional coefficient and wear depth comparison of textured specimens under loads of 10 N, 15 N and 20 N: frictional coefficient; b) average frictional coefficient; c) wear depth; d) average wear depth

圖9 15 N 和20 N 載荷下試件的磨損表面形貌 Fig.9 Wear surface morphology of specimens under loads of 15 N and 20 N: a) low magnification of 15 N specimen; b) high magnification of 15 N specimen; c) low magnification of 20 N specimen; d) high magnification of 20 N specimen

3 結(jié)論

1）網(wǎng)狀織構(gòu)化試件的表面摩擦因數(shù)和磨損深度較無(wú)織構(gòu)試件更小，對(duì)不銹鋼微絲表面進(jìn)行網(wǎng)狀織構(gòu)化處理可以顯著改善其摩擦磨損性能。

2）試件表面的織構(gòu)深度越深，摩擦因數(shù)和磨損深度越小，在一定范圍內(nèi)增加織構(gòu)深度可以提高不銹鋼微絲表面的耐磨性。

3）隨著試件表面織構(gòu)間距的減小，摩擦因數(shù)和磨損深度變化不大，一定范圍內(nèi)織構(gòu)間距的變化對(duì)不銹鋼微絲的摩擦磨損性能無(wú)顯著影響。

4）織構(gòu)間距與織構(gòu)深度對(duì)不銹鋼微絲的摩擦磨損性能具有細(xì)微的協(xié)同影響。

5）不銹鋼微絲的磨損深度與外載荷呈正相關(guān)，載荷大小對(duì)微絲摩擦因數(shù)的影響不大。