三角表面微織構(gòu)對(duì)304鋼摩擦學(xué)性能的影響

謝永，宋文濤，陳文剛，劉德春，陳龍

三角表面微織構(gòu)對(duì)304鋼摩擦學(xué)性能的影響

謝永，宋文濤，陳文剛，劉德春，陳龍

（西南林業(yè)大學(xué) 機(jī)械與交通學(xué)院，昆明 650224）

研究表面三角微織構(gòu)對(duì)304鋼減摩抗磨特性的影響，擴(kuò)寬奧氏體不銹鋼應(yīng)用范圍，為改善304鋼的耐磨損性能提供理論依據(jù)。采用激光加工技術(shù)在304鋼表面制備三角形微織構(gòu)，其底邊長(zhǎng)200 μm，高200 μm。利用有限元ANSYS軟件對(duì)油膜壓力等參數(shù)進(jìn)行仿真分析，并在MRTR-1多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上檢測(cè)表面織構(gòu)化304鋼的摩擦學(xué)性能，探究不同旋轉(zhuǎn)直徑（15、25、35 mm）及不同轉(zhuǎn)速（100、200、300 r/min）下三角微織構(gòu)的摩擦磨損情況，并采用掃描電子顯微鏡（SEM）分析工件表面的顯微結(jié)構(gòu)及形貌。有限元仿真結(jié)果表明，三角微織構(gòu)的存在使油膜內(nèi)部的壓力增大，并且轉(zhuǎn)速越大，油膜承受壓力越大，摩擦系數(shù)明顯降低。試驗(yàn)結(jié)果表明，三角織構(gòu)與無(wú)織構(gòu)化表面相比，平均摩擦系數(shù)顯著降低，最大降幅達(dá)14.89%。激光加工三角織構(gòu)的304鋼摩擦磨損性能優(yōu)異，且在旋轉(zhuǎn)直徑35 mm、轉(zhuǎn)速300 r/min的條件下，減摩抗磨性能更好。主要作用機(jī)理為，接觸表面間潤(rùn)滑液的及時(shí)有效補(bǔ)充，提供了“二次潤(rùn)滑”效應(yīng)，并建立了連續(xù)的摩擦接觸界面間的油膜，起到減摩抗磨的作用。

三角微織構(gòu)；304鋼；摩擦磨損；有限元分析；轉(zhuǎn)速；直徑

304鋼具有優(yōu)良的耐腐蝕性及韌性好的特點(diǎn)，廣泛用于制作具有良好綜合性能（耐腐蝕和成形性）的設(shè)備和機(jī)件，在食品醫(yī)療行業(yè)、工業(yè)和家具裝飾行業(yè)有著廣闊的應(yīng)用前景，可作為油田的閥門(mén)部件、化學(xué)處理設(shè)備等[1-2]。但由于本身強(qiáng)度低，硬度和摩擦性能不足，嚴(yán)重制約了其更廣泛的應(yīng)用和發(fā)展[3-5]。近年來(lái)，許多科研工作者采用激光加工的方式來(lái)提高材料表面的摩擦磨損性能。傳統(tǒng)摩擦學(xué)認(rèn)為，表面越光滑，其摩擦系數(shù)就越小[6-7]，但隨著研究深入，發(fā)現(xiàn)通過(guò)在材料表面制備出合理的紋理，能更好地改善摩擦系數(shù)且提高材料的抗磨性[7-8]。研究發(fā)現(xiàn)，微凸起的織構(gòu)能產(chǎn)生附加動(dòng)壓潤(rùn)滑效果[9]，織構(gòu)區(qū)形成一個(gè)漸擴(kuò)的空間，微凸起的一邊（無(wú)織構(gòu)區(qū)）與摩擦副的另一面形成收斂楔，進(jìn)而產(chǎn)生流體動(dòng)壓力，而發(fā)散楔（織構(gòu)區(qū)）產(chǎn)生負(fù)壓。但由于氣穴的產(chǎn)生限制了負(fù)壓，最終在相對(duì)滑動(dòng)表面產(chǎn)生了額外的承載力，使?jié)櫥湍ぞ哂幸欢ǖ膭傂裕山佑|面變成非接觸面，這樣可以減少摩擦副的摩擦力轉(zhuǎn)矩、表面溫升和磨損率[9-11]。對(duì)于微織構(gòu)深度、表面分布密度和織構(gòu)直徑，研究發(fā)現(xiàn)，在高黏度油潤(rùn)滑的條件下，微織構(gòu)在深空穴、低密度及小開(kāi)口的條件下的摩擦學(xué)性能最好[11]。

鹿重陽(yáng)等[12]通過(guò)對(duì)YT15硬質(zhì)合金進(jìn)行激光加工處理，制備出不同面積占有率的表面微織構(gòu)，研究了其摩擦磨損特性。研究表明，織構(gòu)面積占有率為9.5%的硬質(zhì)合金摩擦特性?xún)?yōu)異，摩擦系數(shù)最低，約為0.02。麻凱等[13]采用激光打標(biāo)機(jī)在活塞環(huán)表面加工出方形、橢圓形、圓形凹坑織構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在中高載情況下，織構(gòu)化活塞環(huán)的摩擦系數(shù)小于未織構(gòu)處理的試樣，其中，圓形織構(gòu)的摩擦系數(shù)最小。萬(wàn)軼等[14]用脈沖激光器對(duì)活塞環(huán)表面進(jìn)行織構(gòu)化，再結(jié)合MoS2濃度進(jìn)行鍍層處理，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)織構(gòu)化+鍍層處理的活塞磨損率比未織構(gòu)化鍍層的磨損率降低約50%。王明政等[15]對(duì)TC4鈦合金進(jìn)行激光加工，在油潤(rùn)滑條件下，研究了織構(gòu)間距與形狀對(duì)合金摩擦磨損性能的影響，發(fā)現(xiàn)織構(gòu)可以起到增強(qiáng)硬度、減摩抗磨并且產(chǎn)生“二次潤(rùn)滑”的效果。

在304鋼表面制備微織構(gòu)能有效提高減摩抗磨性，改善耐磨性差的問(wèn)題。邱兆嶺等[16]采用滲氮與激光加工相結(jié)合的方式，制備了304鋼表面微織構(gòu)，在富油條件下，對(duì)比了304鋼、織構(gòu)304鋼、滲氮304鋼和滲氮織構(gòu)304鋼的摩擦學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)滲氮織構(gòu)304鋼的摩擦學(xué)性能更好，而且直徑為300 μm的滲氮織構(gòu)304鋼表面摩擦性能更為優(yōu)異。王卓越等[17]采用鹽浴滲氮與激光加工結(jié)合的方式在304鋼表面制備直徑為200 μm的點(diǎn)狀凹坑織構(gòu)，研究表明，復(fù)合改性304鋼的硬度從222HV增加到574HV，抗磨減摩性顯著增強(qiáng)。

目前，大多數(shù)研究主要集中在通過(guò)激光加工方式在材料表面制備出方形[13]、圓形[14,18-20]等表面織構(gòu)來(lái)研究其摩擦學(xué)特性，而在材料表面制備不同方向分布、兩端非對(duì)稱(chēng)表面微織構(gòu)的研究較少，即類(lèi)似三角形這類(lèi)具有一定深度的表面織構(gòu)圖案。張瑜等[21]研究了非對(duì)稱(chēng)織構(gòu)表面的承載力特性，結(jié)果表明，非對(duì)稱(chēng)表面織構(gòu)可以強(qiáng)化織構(gòu)中的局部回流作用，從而提高非對(duì)稱(chēng)表面微織構(gòu)滑塊的承載力。李俊玲等[22]研究發(fā)現(xiàn)，非規(guī)則對(duì)稱(chēng)的葫蘆形織構(gòu)具有方向性，當(dāng)潤(rùn)滑液從小端流向大端時(shí)，試樣表面的摩擦系數(shù)較小?？棙?gòu)區(qū)形成一個(gè)漸擴(kuò)的空間，相當(dāng)于發(fā)散區(qū)，非織構(gòu)區(qū)相當(dāng)于收斂區(qū)，當(dāng)滿(mǎn)足一定條件時(shí)，能形成微小的類(lèi)似楔形效應(yīng)。在收斂區(qū)產(chǎn)生正壓，發(fā)散區(qū)產(chǎn)生負(fù)壓，此負(fù)壓可引起潤(rùn)滑劑沸點(diǎn)降低，同時(shí)可以提高油膜承載力。故本研究設(shè)計(jì)了一種三角微織構(gòu)圖形，相對(duì)于傳統(tǒng)圓形、方形等微織構(gòu)，三角微織構(gòu)可以產(chǎn)生較好的楔形效應(yīng)。采用激光加工方式，在304鋼表面制備出三角微織構(gòu)，三角微織構(gòu)分布呈發(fā)散性，靠近內(nèi)圓，織構(gòu)分布密集，靠近外圓，織構(gòu)分布稀疏。在富油條件下，通過(guò)改變上下試樣旋轉(zhuǎn)直徑以及設(shè)置不同轉(zhuǎn)速，研究304鋼的減摩抗磨特性，進(jìn)一步論證三角織構(gòu)對(duì)304鋼減摩抗磨的效果，擬擴(kuò)寬奧氏體不銹鋼應(yīng)用范圍，為改善304鋼的耐磨損性能提供理論依據(jù)。

1 三角微織構(gòu)的數(shù)值模擬

為了探究三角織構(gòu)在潤(rùn)滑狀態(tài)下的減摩抗磨機(jī)理，利用ANSYS有限元軟件模擬304鋼表面微織構(gòu)與氧化鋯（ZrO2）摩擦?xí)r的流體動(dòng)壓效果。建立仿真模型，并對(duì)仿真模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，分析得出仿真結(jié)果。

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所使用的基體材料是304不銹鋼，化學(xué)成分如表1所示，線(xiàn)切割成40 mm×40 mm的正方形方塊。

表1 304鋼化學(xué)成分

Tab.1 304 stainless steel chemical composition %

1.2 表面三角微織構(gòu)的制備

采用蘇州英谷激光公司生產(chǎn)的10 W紫外激光打標(biāo)機(jī)（FLS-FB）在304鋼表面刻蝕出三角形織構(gòu)。試驗(yàn)參數(shù)為：電流1 A，頻率30 kHz，速度5000 mm/s，激光加工次數(shù)為5次。

激光填充方式為網(wǎng)格與三角環(huán)形填充如圖1所示，圖2為三角微織構(gòu)分布及單個(gè)織構(gòu)尺寸示意圖。圖2a為三角微織構(gòu)整體分布，其中內(nèi)圓的直徑是5 mm，外圓的直徑是35 mm，三角微織構(gòu)呈逆時(shí)針排列分布，行與行的間距為300 μm，總行數(shù)為54行。單個(gè)三角形織構(gòu)底邊長(zhǎng)200 μm，高200 μm，深度為20 μm。圖2b為CAD軟件中三角微織構(gòu)分布。

圖1 三角織構(gòu)填充方式

圖2 三角織構(gòu)示意圖

將激光織構(gòu)化處理的304鋼表面進(jìn)行粗磨，精拋光處理后，使用無(wú)水乙醇在KX-163T超聲波清洗機(jī)中進(jìn)行超聲波清洗。采用MRTR-1微機(jī)控制多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行摩擦學(xué)性能測(cè)試。為避免實(shí)驗(yàn)偶然性因素，每組實(shí)驗(yàn)都進(jìn)行了多次。具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：載荷是500 g（5 N），轉(zhuǎn)速是100、200、300 r/min，摩擦?xí)r間是120 min。上試樣為直徑4 mm的ZrO2陶瓷球，摩擦副間運(yùn)動(dòng)方向是回轉(zhuǎn)式運(yùn)動(dòng)。選用黏度指數(shù)為68的100號(hào)基礎(chǔ)油作為潤(rùn)滑液[23]，摩擦副表面處于油浸狀態(tài)，改變上試樣與下試樣的旋轉(zhuǎn)直徑（15、25、35 mm）和轉(zhuǎn)速（100、200、300 r/min），來(lái)研究織構(gòu)304鋼試樣的摩擦磨損特性。試驗(yàn)中，摩擦系數(shù)由MRTR-1多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)記錄，數(shù)據(jù)采集時(shí)間是10 s，不通過(guò)濾波采集。使用日立SU5000掃描電子顯微鏡觀(guān)測(cè)磨損形貌，在牛津EDS X-Max20能譜儀上完成元素含量測(cè)定。試驗(yàn)開(kāi)始前，上試樣ZrO2陶瓷球和下試樣304鋼試樣使用99%無(wú)水乙醇進(jìn)行超聲波清洗，之后吹干。

1.3 仿真模擬

1.3.1 仿真w模型建立

通過(guò)數(shù)值模擬分析軟件（ANSYS），建立仿真模型，如圖3所示。圖3a是上試樣與下試樣的模型示意圖，在實(shí)際摩擦試驗(yàn)中，上試樣為ZrO2，而下試樣為織構(gòu)化304鋼。在仿真軟件中，為方便計(jì)算，則進(jìn)行簡(jiǎn)化。圖3b是圖3a圓形標(biāo)注區(qū)域簡(jiǎn)化成的二維流體模型。圖4為織構(gòu)化三維流體模型示意圖。ANSYS仿真軟件模型設(shè)置為三維立方體，對(duì)應(yīng)于三角微織構(gòu)形狀。

圖3 ANSYS仿真模型

圖4 三維流體模型

1.3.2 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

為排除網(wǎng)格數(shù)量對(duì)仿真結(jié)果的影響，在轉(zhuǎn)速100 r/min的工況下，進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果如圖5所示。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量大于20萬(wàn)后，織構(gòu)上邊界壓力趨于穩(wěn)定。選用40萬(wàn)的網(wǎng)格來(lái)進(jìn)行仿真計(jì)算模擬。為保證計(jì)算精度，選擇六面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分之后，正交質(zhì)量平均值大于0.9，網(wǎng)格質(zhì)量滿(mǎn)足計(jì)算要求。

圖5 網(wǎng)格數(shù)量與油膜壓力的關(guān)系

1.3.3 邊界條件以及材料的設(shè)置

為更接近實(shí)驗(yàn)真實(shí)條件，設(shè)置定面A為運(yùn)動(dòng)壁面，并給定速度為100 r/min，入口以及出口設(shè)置為壓力進(jìn)口以及出口，等于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，其余面為固定壁面，流體區(qū)域的密度為801.3 kg/m3，動(dòng)力黏度為0.083 352 kg/(m·s)。

1.4 計(jì)算結(jié)果及分析

1.4.1 微織構(gòu)對(duì)于油膜承載力的影響

轉(zhuǎn)速為100 r/min的條件下，三角微織構(gòu)對(duì)油膜承載力的影響仿真結(jié)果如圖6所示，發(fā)現(xiàn)三角微織構(gòu)的存在使油膜內(nèi)部的壓力發(fā)生了梯度變化。在織構(gòu)內(nèi)部，沿速度方向，油膜壓力在三角形織構(gòu)左端出現(xiàn)了壓力，在織構(gòu)右端升高，兩側(cè)形成了動(dòng)壓效應(yīng)。這對(duì)于增大油膜壓力，減小摩擦副之間的摩擦系數(shù)起著積極作用。

圖6 轉(zhuǎn)速為100 r/min下油膜內(nèi)部壓力圖

為進(jìn)一步說(shuō)明油膜壓力梯度變化的成因，截取該模型的對(duì)稱(chēng)面作為分析對(duì)象，圖7為該對(duì)稱(chēng)面軸線(xiàn)上油膜壓力的變化曲線(xiàn)，圖8為該對(duì)稱(chēng)面上的潤(rùn)滑油壓力分布，圖9為該對(duì)稱(chēng)面上的速度云圖，圖10為該對(duì)稱(chēng)面上的速度矢量云圖。由圖9和圖10可知，在三角形微織構(gòu)的右端存在渦流區(qū)，渦流的強(qiáng)度大小可反映潤(rùn)滑油內(nèi)慣性效應(yīng)的強(qiáng)弱，慣性效應(yīng)的出現(xiàn)在一定程度上增大了油膜的承載力。

圖7 對(duì)稱(chēng)面軸線(xiàn)上油膜壓力變化曲線(xiàn)圖

圖8 對(duì)稱(chēng)面上油膜壓力分布圖

圖9 對(duì)稱(chēng)面上油膜內(nèi)部速度云圖

圖10 對(duì)稱(chēng)面上油膜內(nèi)部速度矢量云圖

1.4.2 轉(zhuǎn)速對(duì)于油膜承載力的影響

三種轉(zhuǎn)速下（100、200、300 r/min）油膜壓力的變化曲線(xiàn)如圖11所示，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速對(duì)油膜承載力有著明顯的影響。在轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，出現(xiàn)兩個(gè)峰值，一個(gè)正壓及一個(gè)負(fù)壓。主要是由于潤(rùn)滑油在摩擦副表面的三角形織構(gòu)流動(dòng)時(shí)，易形成微小的收斂楔和發(fā)散楔。收斂楔因摩擦副的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生正壓，而發(fā)散楔產(chǎn)生負(fù)壓，但是由于氣穴現(xiàn)象的產(chǎn)生，使負(fù)壓得到抑制，在收斂楔作用下，形成具有一定剛性的潤(rùn)滑油膜，提高了承載能力[10]。隨著轉(zhuǎn)速的提升，織構(gòu)對(duì)應(yīng)位置的油膜壓力均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，轉(zhuǎn)速越快對(duì)應(yīng)油膜壓力也越大。不同轉(zhuǎn)速下，渦流效應(yīng)有所不同，影響了慣性效應(yīng)的強(qiáng)弱。

圖11 三種轉(zhuǎn)速下油膜壓力變化曲線(xiàn)示意圖

2 摩擦磨損特性

2.1 三角微織構(gòu)形貌

圖12是試驗(yàn)前激光加工處理的304鋼表面形貌?？煽闯?，在304鋼表面進(jìn)行激光織構(gòu)處理后，形成了大小一致的三角形微織構(gòu)，織構(gòu)深度為20 μm。圖12a是未拋光之前整個(gè)織構(gòu)的局部放大圖以及未拋光單個(gè)織構(gòu)的放大圖。兩者邊緣存在凸起的基體組織，這是在激光加工過(guò)程中，火花飛濺，造成的飛邊毛刺現(xiàn)象。圖12b是經(jīng)精拋光處理后得到的三角微織構(gòu)形貌。

圖12 織構(gòu)的SEM形貌

2.2 表面三角微織構(gòu)對(duì)304鋼摩擦系數(shù)的影響

本次試驗(yàn)是在一定載荷（加載為500 g）下，改變不同轉(zhuǎn)速（100、200、300 r/min）以及上下試樣的旋轉(zhuǎn)直徑（15、25、35 mm）來(lái)研究三角微織構(gòu)對(duì)304鋼摩擦特性的影響。試驗(yàn)在富油潤(rùn)滑狀態(tài)下進(jìn)行，與此同時(shí)，將無(wú)織構(gòu)304鋼作為對(duì)照試樣，共設(shè)計(jì)了9組實(shí)驗(yàn)。在500 g加載、三種不同轉(zhuǎn)速（100、200、300 r/min）條件下，不同旋轉(zhuǎn)直徑時(shí)織構(gòu)化與未織構(gòu)304鋼的摩擦系數(shù)如圖13、14、15所示。

在轉(zhuǎn)速為200 r/min、直徑5 mm條件下，織構(gòu)化304鋼的平均摩擦系數(shù)大于無(wú)織構(gòu)化的平均摩擦系數(shù)，增幅達(dá)到24.47%（圖13a），這是試驗(yàn)速度較低而且織構(gòu)分布密集造成的?？棙?gòu)化試樣摩擦副表面難以建立有效的潤(rùn)滑油膜，接觸面處于邊界潤(rùn)滑狀態(tài)，沒(méi)有形成流體動(dòng)壓油膜，故摩擦系數(shù)高。而直徑為25、35 mm時(shí)，織構(gòu)化摩擦系數(shù)比無(wú)織構(gòu)化摩擦系數(shù)低（圖13b、c）。隨著直徑增加，織構(gòu)與織構(gòu)之間的間距增大，織構(gòu)儲(chǔ)存潤(rùn)滑油的作用逐漸體現(xiàn)出來(lái)，油膜壓力增大，使織構(gòu)試樣表面產(chǎn)生了局部流體動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)，并逐漸處于流體潤(rùn)滑狀態(tài)，在接觸面間形成了一層潤(rùn)滑油膜，提高了摩擦副的承載能力[24-25]。同時(shí)，織構(gòu)的存在一定程度上減小了接觸面積，削弱了直接接觸產(chǎn)生的表面粘附作用，從而減小了摩擦力。如圖14所示，在轉(zhuǎn)速200 r/min的條件下，直徑為15 mm時(shí)，織構(gòu)摩擦系數(shù)也大于無(wú)織構(gòu)的摩擦系數(shù)，增幅為9.9%，主要是由于隨著轉(zhuǎn)速增加，油膜承載力增強(qiáng)；直徑為25 mm時(shí)，織構(gòu)化與無(wú)織構(gòu)化的摩擦系數(shù)穩(wěn)定，織構(gòu)化的平均摩擦系數(shù)低于無(wú)織構(gòu)化的平均摩擦系數(shù)，摩擦系數(shù)降幅為5.6%；織構(gòu)直徑為35 mm時(shí)，平均摩擦系數(shù)比無(wú)織構(gòu)摩擦系數(shù)降低了2.4%。如圖15所示，在轉(zhuǎn)速為300 r/min的條件下，直徑為15 mm時(shí)，織構(gòu)摩擦系數(shù)大于無(wú)織構(gòu)的摩擦系數(shù)，增幅為5.56%，說(shuō)明此時(shí)油膜承載力進(jìn)一步增強(qiáng)；直徑為25 mm時(shí)，織構(gòu)化平均摩擦系數(shù)比無(wú)織構(gòu)化平均摩擦系數(shù)降低了11.73%；直徑為35 mm時(shí)，織構(gòu)化平均摩擦系數(shù)相比于無(wú)織構(gòu)化摩擦系數(shù)，降幅達(dá)到14.89%。

圖13 500 g、100 r/min、不同直徑下織構(gòu)化與未織構(gòu)摩擦系數(shù)對(duì)比

圖14 500 g、200 r/min、不同直徑下織構(gòu)化與未織構(gòu)摩擦系數(shù)對(duì)比

圖15 500 g、300 r/min、不同直徑下織構(gòu)化與未織構(gòu)摩擦系數(shù)對(duì)比

由圖13、14、15可知，在載荷為500 g、三種不同轉(zhuǎn)速及旋轉(zhuǎn)直徑條件下，低轉(zhuǎn)速（100 r/min）、直徑（15 mm）較小時(shí)，織構(gòu)化表面摩擦系數(shù)大于無(wú)織構(gòu)化表面摩擦系數(shù)，而當(dāng)轉(zhuǎn)速逐漸升高（200 r/min、300 r/min）、直徑逐漸增大（25 mm、35 mm）過(guò)程中，織構(gòu)化表面摩擦系數(shù)小于無(wú)織構(gòu)化表面摩擦系數(shù)。說(shuō)明三角織構(gòu)在低轉(zhuǎn)速且織構(gòu)分布密集時(shí)，難以建立穩(wěn)定的潤(rùn)滑油膜，其減摩抗磨特性差；當(dāng)轉(zhuǎn)速升高且織構(gòu)與織構(gòu)之間的間距增大時(shí)，織構(gòu)表面形成一定連續(xù)流體動(dòng)壓潤(rùn)滑油膜，易于形成流體動(dòng)壓且油膜承載力增大，表現(xiàn)出良好減摩抗磨特性。特別在轉(zhuǎn)速為300 r/min、直徑為35 mm條件下，減摩抗磨特性顯著。說(shuō)明了三角微織構(gòu)可以產(chǎn)生較好的楔形效應(yīng)，提高了油膜承載力，同時(shí)在摩擦磨損過(guò)程中能起到磨屑的及時(shí)收集和排出，有效避免了二次磨粒磨損，并且織構(gòu)儲(chǔ)藏的潤(rùn)滑油被擠壓出來(lái)，起到了補(bǔ)給潤(rùn)滑液的作用，即“二次潤(rùn)滑”效應(yīng)，有效降低了摩擦曲線(xiàn)的波動(dòng)[16]。

2.3 摩擦磨損形貌分析

圖16為無(wú)織構(gòu)表面在試驗(yàn)后的磨痕形貌。如圖16a所示，無(wú)織構(gòu)表面形貌未發(fā)生粘著磨損、磨粒磨損。Ⅰ、Ⅱ是兩條磨痕，選?、癫糠诌M(jìn)行EDS點(diǎn)掃描，掃描點(diǎn)如圖16b所示。在磨痕表面依次標(biāo)記6個(gè)點(diǎn)，其中，譜圖1、2、3、4是對(duì)磨痕的檢測(cè)，譜圖5、6是對(duì)304鋼基體的組織掃描，圖17為掃描結(jié)果。在磨痕區(qū)域內(nèi)，檢測(cè)到了Fe、Cr、Ni、Mn等元素，這些是奧氏體304不銹鋼的主要元素。研究發(fā)現(xiàn)，磨痕形貌中氧元素的含量較低，只有0.2~0.3%，表明在摩擦過(guò)程中未發(fā)生氧化反應(yīng)。

圖16 無(wú)織構(gòu)磨痕形貌

圖17 無(wú)織構(gòu)表面磨痕EDS能譜圖

圖18為試驗(yàn)后三角微織構(gòu)的摩擦磨損形貌。圖18a為摩擦磨損試驗(yàn)后304鋼三角微織構(gòu)形貌，圖18b為單個(gè)三角微織構(gòu)形貌。發(fā)現(xiàn)磨痕表面出現(xiàn)了粘著磨損，還出現(xiàn)了犁溝，在摩擦的同時(shí)，基體材料表面組織脫落，形成了片狀磨屑。但在磨痕處依舊可以清晰地觀(guān)察到織構(gòu)形貌輪廓，表明織構(gòu)尚未被完全破壞，進(jìn)一步說(shuō)明三角形微織構(gòu)耐磨性?xún)?yōu)異。此外，對(duì)單個(gè)三角微織構(gòu)中的黃色區(qū)域進(jìn)行EDS面掃描，得出的元素含量如圖19所示?？梢钥闯?，氧元素含量增加，質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到10.25%，相對(duì)于基體中的氧元素含量（3.30%）增加了6.95%。表明在相對(duì)摩擦過(guò)程中，發(fā)生了氧化反應(yīng)并產(chǎn)生了氧化磨損，這與剡珍等[26]的研究結(jié)果一致。由于激光加工過(guò)程產(chǎn)生的高溫，在高溫作用下，金屬表面剝離，形成新鮮的金屬表面，而新鮮的金屬表面形成一些不飽和“懸掛鍵”[27-28]。在“懸掛鍵”上只有一個(gè)電子，既可以得到電子，也可以放出電子，成為帶電的表面狀態(tài)，易與外來(lái)或自身的“懸掛鍵”成鍵。這使得織構(gòu)化表面化學(xué)活性增強(qiáng)，容易與空氣中的氧發(fā)生反應(yīng)。

圖18 磨損形貌

圖19 元素含量變化

3 結(jié)論

1）三角織構(gòu)可以產(chǎn)生較好的楔形效應(yīng)，使油膜內(nèi)部的壓力發(fā)生梯度變化。在織構(gòu)內(nèi)部，沿速度方向，油膜內(nèi)壓力在三角形織構(gòu)左端出現(xiàn)了發(fā)散，而在織構(gòu)右端升高，形成了動(dòng)壓效應(yīng)。此外，轉(zhuǎn)速對(duì)于油膜承載力有著明顯的影響，在試驗(yàn)組轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)速的提升，織構(gòu)對(duì)應(yīng)位置的油膜壓力呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。轉(zhuǎn)速越快，油膜壓力越大，減摩抗磨的作用效果越好。

2）通過(guò)對(duì)比無(wú)織構(gòu)304鋼與織構(gòu)化304鋼，從試樣的摩擦系數(shù)曲線(xiàn)發(fā)現(xiàn)，激光處理后的三角微織構(gòu)304鋼摩擦磨損性能優(yōu)異，且在直徑35 mm、轉(zhuǎn)速300 r/min的條件下，更能體現(xiàn)其減摩抗磨性能。

3）觀(guān)察織構(gòu)化304鋼磨損形貌，發(fā)現(xiàn)三角織構(gòu)未被完全破壞，說(shuō)明三角微結(jié)構(gòu)使整個(gè)304鋼表面具有一定的承壓、供油和容納磨屑的作用。

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Effect of Triangular Surface Micro-texture on Tribological Properties of 304 Steel

,,,,

(School of Mechanical and Transportation, Southwest Forestry University, Kunming 650224, China)

In order to study the anti-friction and anti-wear properties of 304 steel with surface triangular micro-texture, broaden the application range of austenitic stainless steel, and a theoretical basis is provided for improving the wear resistance of 304 steel. Laser processing technology is used to prepare triangular micro-texture on the surface of 304 steel. The length of the bottom is 200 μm and the height is 200 μm. The finite element ANSYS software is used to simulate and analyze the oil film pressure and other parameters. MRTR-1 multifunctional friction and wear tester is used to test the friction properties of surface textured 304 steel, and the friction and wear of the triangular micro-texture at different diameters (15, 25, 35 mm) and different speeds (100, 200, 300 r/min) is investigated. Scanning electron microscope (SEM) is used to analyze the microstructure and morphology of the working surface. The existence of triangular micro-texture increases the pressure inside the oil film, the rotation speed can get greater, the pressure of oil film can get greater too, and the friction coefficient decreases significantly. The experimental results show that compared with the untextured surface, the average friction coefficient of the triangular texture is significantly reduced, with a maximum decrease of 14.89%. The friction and wear performance of 304 steel with a triangular texture on the laser-machined surface is excellent, and its anti-friction and wear resistance can be better demonstrated under the conditions of 35 mm diameter and 300 r/min rotation speed. Its main function mechanism is to supplement the lubricating liquid between the contact surfaces timely and effectively, provide a “secondary lubrication” effect, and establish a continuous oil film between the frictional contact interfaces to reduce friction and wear.

Triangular micro-texture; 304 steel; friction and wear; finite element analysis; rotation; diameter

2020-03-07；

2020-06-01

XIE Yong (1995—), Male, Master, Research focus: material surface modification.

陳文剛（1973—），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)椴牧媳砻娓男?。郵箱：chenwengang999@163.com

Corresponding author：CHEN Wen-gang (1973—), Male, Doctor, Professor, Research focus: material surface modification. E-mail: chenwengang999@ 163.com

謝永, 宋文濤, 陳文剛, 等. 三角表面微織構(gòu)對(duì)304鋼摩擦學(xué)性能的影響[J]. 表面技術(shù), 2021, 50(4): 225-234.

TH117.1

A

1001-3660(2021)04-0225-10

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.04.022

2020-03-07；

2020-06-01

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（51865053）

Fund：Supported by the National Natural Science Foundation of China (51865053)

謝永（1995—），男，碩士，主要研究方向?yàn)椴牧媳砻娓男浴?/p>

XIE Yong, SONG Wen-tao, CHEN Wen-gang, et al. Effect of triangular surface micro-texture on tribological properties of 304 steel[J]. Surface technology, 2021, 50(4): 225-234.