SLM-316L細(xì)絲脂潤(rùn)滑摩擦磨損性能

黃明吉，韓建磊，董秀萍

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，順德 528300 3) 北京工商大學(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)院，北京100048

金屬橡膠是由金屬絲空間相互勾聯(lián)而形成的一種勻質(zhì)多孔材料，能可靠地工作在高低溫、酸腐蝕、油污染、鹽霧、強(qiáng)輻射等惡劣環(huán)境中. 在發(fā)揮減振、隔振功能時(shí)，其本質(zhì)上是內(nèi)部的金屬絲相互之間摩擦耗散能量. 金屬絲磨損到一定程度會(huì)影響金屬橡膠整體的隔振減振性能，從而縮短其使用壽命[1-2]. 因此研究金屬絲的摩擦磨損性能對(duì)于提高金屬橡膠的使用壽命具有重要意義. 目前金屬橡膠都是經(jīng)金屬絲螺旋、編織、卷繞、加壓成型制備而成，成形工藝復(fù)雜，難以成形形狀復(fù)雜的金屬橡膠[3].

選擇性激光熔融(Selective laser melting，SLM)技術(shù)具有成型復(fù)雜、多種材料、多功能梯度、多尺度構(gòu)件的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中[4-5].316L不銹鋼由于其具有良好的韌性和耐蝕性成為SLM技術(shù)最常用的材料之一[6]. 國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)SLM制件的摩擦性能做了相關(guān)研究. Sander等對(duì)比了用SLM技術(shù)和常規(guī)鑄造制備的FeCrMoVC工具鋼零件的力學(xué)性能和摩擦磨損性能，實(shí)驗(yàn)得出與傳統(tǒng)鑄造零件相比，SLM樣品具有更高的硬度和更低的磨損率[7]. Zhu等研究了SLM-316L不銹鋼零件在潤(rùn)滑接觸條件下的摩擦磨損性能，研究得出SLM樣品的晶粒遠(yuǎn)比傳統(tǒng)制造樣品的晶粒細(xì)小，使其擁有更強(qiáng)的抗磨損性能，同時(shí)由于其表面的孔隙結(jié)構(gòu)引起的潤(rùn)滑改善，多孔SLM樣品的摩擦系數(shù)更低[8]. 對(duì)于表面孔隙結(jié)構(gòu)改善潤(rùn)滑的現(xiàn)象，Huang等認(rèn)為具有孔隙的表面類似于表面織構(gòu)，可以通過(guò)空化和吸力效應(yīng)產(chǎn)生額外動(dòng)力壓力，及時(shí)捕獲磨損碎片等機(jī)制減少了摩擦磨損[9]. Li等研究表明表面織構(gòu)能夠增加承載能力，改善潤(rùn)滑對(duì)提高材料摩擦磨損性能有積極影響[10]. 因此，SLM制品表面粗糙度差的固有缺點(diǎn)卻能作為天然織構(gòu)顯著改善材料的摩擦磨損性能. 有學(xué)者在工藝參數(shù)對(duì)SLM-316L成型質(zhì)量的影響方面做了充分的研究. 黃明吉等實(shí)驗(yàn)得出改變掃描間距和能量密度會(huì)直接影響成形試樣的表面粗糙度、孔隙率[11]. Zhang等研究表明表面質(zhì)量取決于激光功率和掃描速度[12].

本文基于SLM技術(shù)能夠制備形狀復(fù)雜零件、制件特殊的表面孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)摩擦磨損性能的改善和優(yōu)于常規(guī)鑄造材料的磨損性能，利用前期研究探索出的較為成熟的SLM-316L細(xì)絲制備工藝參數(shù)[13]，制備出表面質(zhì)量良好的金屬絲. 針對(duì)金屬橡膠脂潤(rùn)滑的使用工況，研究SLM-316L細(xì)絲在脂潤(rùn)滑條件下的摩擦磨損性能，探索其在脂潤(rùn)滑條件下載荷(F)和摩擦速度(v)的改變以及載荷和摩擦速度共同作用的Fv因子對(duì)其摩擦系數(shù)和磨損率的影響規(guī)律，并深入分析其磨損機(jī)制，為提高SLM制備的金屬橡膠的使用壽命提供參考.

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用SLM技術(shù)，通過(guò)金屬3D打印機(jī)EPM100T對(duì)氣霧化316L奧氏體不銹鋼粉末進(jìn)行加工，316L奧氏體不銹鋼粉末的參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)[13]. 打印機(jī)配有波長(zhǎng)為1030 nm的光纖激光器，能夠形成 φ50 μm 的光斑，打印環(huán)境氧氣量≤1000 mg·L-1.

采用分區(qū)棋盤掃描策略，打印工藝參數(shù)最優(yōu)值如表1所示. 制備出直徑φ0.8 mm，致密度約為99.40%的316L不銹鋼絲.

表1 SLM工藝參數(shù)Table 1 Process parameters of selective laser melting (SLM)

1.2 摩擦磨損試驗(yàn)

采用自制的往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，如圖1所示，將兩根SLM-316L細(xì)絲分別固定在上、下工作臺(tái)，使其呈90°放置. 本試驗(yàn)在室溫條件下進(jìn)行，潤(rùn)滑脂采用XY-2固體潤(rùn)滑脂，可以附著在細(xì)絲表面不流失. 載荷分別為5、10和15 N，摩擦速度分別為 120、180、240和 300 mm·min-1，不同試驗(yàn)條件下的Fv值如表2所示. 試驗(yàn)時(shí)間為60 min，得到不同條件下摩擦系數(shù)和磨損深度隨時(shí)間變化的曲線，并用磨損深度曲線30 min后的斜率表示材料的磨損率. 每組試驗(yàn)重復(fù)3次. 試驗(yàn)完成后為徹底去除SLM-316L細(xì)絲接觸表面因摩擦試驗(yàn)所產(chǎn)生的磨屑，用超聲波對(duì)所有細(xì)絲清洗15 min. 采用掃描電鏡(Scanning electron microscope,SEM)對(duì)試件表面磨痕形貌進(jìn)行測(cè)試，用能譜儀（Energy dispersive spectrometer, EDS）檢測(cè)摩擦表面元素種類與原子分?jǐn)?shù)，以分析SLM-316L細(xì)絲的磨損機(jī)制. 圖2為SLM-316L細(xì)絲未摩擦的表面能譜數(shù)據(jù)圖，由圖可知，未摩擦的SLM-316L細(xì)絲表面氧元素的原子分?jǐn)?shù)約為22.2%.

圖1 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)及接觸示意圖Fig.1 Friction and wear testing machine and schematic of contact

圖2 未摩擦細(xì)絲能譜數(shù)據(jù)圖Fig.2 EDS energy spectrum data graph of an un-rubbed filament

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 載荷對(duì)細(xì)絲摩擦磨損性能的影響

圖3是摩擦速度為240 mm·min-1條件下細(xì)絲的不同摩擦參數(shù)隨載荷變化的曲線圖.

圖3 不同載荷下的摩擦參數(shù)圖. （a）摩擦系數(shù)；（b）磨損深度；（c）摩擦系數(shù)的穩(wěn)定值和磨損率Fig.3 Friction parameters for different loads: (a) frictional coefficient;(b) wear depth; (c) stable value of the friction coefficient and wear rate

由圖3（a）可以看出，當(dāng)載荷為10和15 N時(shí)，摩擦系數(shù)均在前5 min內(nèi)快速增大，而載荷為5 N時(shí)摩擦系數(shù)增長(zhǎng)比較平緩. 這是由于當(dāng)載荷較大時(shí)（10和15 N），細(xì)絲表面的微結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性變形，使得實(shí)際接觸面積增加，從而導(dǎo)致摩擦系數(shù)快速增大[14]. 當(dāng)載荷較小時(shí)（5 N），接觸壓力不足以使細(xì)絲表面結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性變形，只有表面微結(jié)構(gòu)凸起部分點(diǎn)接觸，實(shí)際接觸的面積很小，因此摩擦初始階段摩擦系數(shù)增長(zhǎng)緩慢. 隨著摩擦試驗(yàn)的進(jìn)行，由于摩擦生熱導(dǎo)致細(xì)絲摩擦副之間溫度上升，使得固體潤(rùn)滑脂的黏度逐漸下降，其局部剪切應(yīng)力降低，對(duì)細(xì)絲之間相對(duì)滑動(dòng)的阻力減小，同時(shí)附著在細(xì)絲周圍的固體潤(rùn)滑脂能夠及時(shí)進(jìn)入摩擦副，使得細(xì)絲摩擦副之間充分潤(rùn)滑，從而導(dǎo)致摩擦系數(shù)逐漸降低，直至穩(wěn)定在某一數(shù)值[15]. 從3種不同載荷試驗(yàn)的穩(wěn)定摩擦系數(shù)對(duì)比來(lái)看（圖3（c）），摩擦系數(shù)隨載荷的增大而減小，載荷為5 N時(shí)摩擦系數(shù)最大，穩(wěn)定在0.52左右，當(dāng)載荷為10 N時(shí)摩擦系數(shù)下降約30%.

圖3（b）為不同載荷下磨損深度隨時(shí)間變化的曲線，可以看出，在0～5 min內(nèi)，磨損深度均快速增加，隨著摩擦試驗(yàn)的進(jìn)行，磨損深度增長(zhǎng)變緩且呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，磨損率基本趨于穩(wěn)定，這是因?yàn)樵谀Σ脸跗?，上下?xì)絲表面突出的顆粒磨損導(dǎo)致材料磨損率較大，隨著摩擦的進(jìn)行，摩擦表面逐漸增大，接觸面積逐漸穩(wěn)定，在界面處產(chǎn)生均勻摩擦，從而磨損率降低[16]. 對(duì)比3種載荷條件下穩(wěn)定階段對(duì)應(yīng)的磨損率，如圖3（c）所示，磨損率在載荷為10 N時(shí)最小，為0.0575，比載荷為5和15 N的磨損率分別減小約40%、31%.

圖4 為3種不同載荷條件下細(xì)絲磨損后的表面形貌圖、局部放大圖及對(duì)應(yīng)的能譜數(shù)據(jù). 由圖4（a）看出，在試件表面有與摩擦方向一致的犁溝，基本沒(méi)有磨屑，氧元素的原子分?jǐn)?shù)比較未摩擦SLM-316L細(xì)絲變化不大，這是由于當(dāng)載荷較小時(shí)，上下細(xì)絲摩擦表面接觸力度不夠，導(dǎo)致細(xì)絲之間實(shí)際接觸面積小，細(xì)絲之間間隙較大，潤(rùn)滑膜較厚，同時(shí)由于摩擦引起的溫升較小，潤(rùn)滑脂的黏度較高，對(duì)細(xì)絲之間相對(duì)滑動(dòng)的阻力較大[17]. 摩擦產(chǎn)生的磨屑能夠及時(shí)被潤(rùn)滑膜帶走，防止磨粒進(jìn)一步磨損試件，因此磨損深度較小，無(wú)磨屑且無(wú)明顯的磨粒磨損痕跡. 載荷增大，摩擦副之間的接觸壓力也在逐漸增大，使得細(xì)絲表面發(fā)生塑性變形，表面的孔隙結(jié)構(gòu)變小，摩擦副之間潤(rùn)滑膜厚度逐漸減小，使得潤(rùn)滑膜產(chǎn)生的阻力降低[18-19]. 分析圖4（b）可以看出，試件表面有較淺的犁溝和少量的磨屑，氧元素的原子分?jǐn)?shù)高于未摩擦SLM-316L細(xì)絲，其磨損機(jī)制為磨粒磨損和輕微的氧化磨損. 圖4（c）為載荷15 N的掃描電鏡圖和能譜數(shù)據(jù)，試件表面有輕微的磨痕和大量的點(diǎn)蝕痕跡，摩擦系數(shù)的波動(dòng)可能是磨粒與摩擦層局部斷裂相互作用的結(jié)果，氧元素的原子分?jǐn)?shù)明顯高于未摩擦SLM-316L細(xì)絲，其磨損機(jī)制為疲勞磨損和氧化磨損，其原因是當(dāng)摩擦副承受的載荷較大時(shí)，上下細(xì)絲之間相對(duì)滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的熱量能夠快速地使?jié)櫥ゐざ葴p小，形成穩(wěn)定的潤(rùn)滑膜，從而使得潤(rùn)滑脂產(chǎn)生的摩擦阻力大幅減小，起到減摩抗磨的作用. 同時(shí)由于摩擦生熱會(huì)加劇摩擦表面氧化，生成一層氧化膜，同樣能夠起到薄膜潤(rùn)滑的作用，但會(huì)使得試件表面軟化而加快磨損[20].

圖4 不同載荷下磨損表面的掃描電鏡圖及能譜圖. （a）5 N；（b）10 N；（c）15 NFig.4 SEM and EDS spectra of the wear surface under different loads: (a) 5 N; (b) 10 N; (c) 15 N

2.2 摩擦速度對(duì)摩擦磨損性能的影響

圖5是載荷為10 N條件下細(xì)絲的摩擦系數(shù)和磨損深度與摩擦速度的關(guān)系.

圖5 不同速度下的摩擦參數(shù)圖. （a）摩擦系數(shù)；（b）磨損深度Fig.5 Friction parameters for different velocities: (a) friction coefficient; (b) wear depth

由圖5（a）可以看出，不同摩擦速度下摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化的曲線均是先快速增大到最大值，然后逐漸減小，直至達(dá)到穩(wěn)定的摩擦系數(shù). 在試驗(yàn)開(kāi)始0～20 min內(nèi)，摩擦系數(shù)曲線震蕩劇烈，隨著試驗(yàn)時(shí)間增加，摩擦系數(shù)曲線逐漸趨于穩(wěn)定，在穩(wěn)定值附近上下波動(dòng). 磨損深度曲線在0～5 min內(nèi)均急劇增加，隨著試驗(yàn)時(shí)間增加，磨損深度增長(zhǎng)逐漸變緩. 試驗(yàn)進(jìn)行30 min后磨損深度基本呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，磨損率基本趨于穩(wěn)定（圖5（b））. 摩擦速度對(duì)摩擦系數(shù)、磨損深度和磨損率的影響沒(méi)有明顯規(guī)律，圖6為摩擦系數(shù)的穩(wěn)定值和不同摩擦速度對(duì)應(yīng)的磨損率柱狀圖，可以看出，摩擦系數(shù)和磨損率均隨速度的增大呈先升后降的趨勢(shì). 當(dāng)摩擦速度為120和180 mm·min-1時(shí)，摩擦系數(shù)曲線隨時(shí)間振蕩幅度較大，這是因?yàn)榇藭r(shí)摩擦速度太低無(wú)法形成流體動(dòng)力膜提供額外的流體動(dòng)力升力，導(dǎo)致承載能力降低，在一定程度上增大了摩擦阻力[21]，因此較低摩擦速度下摩擦系數(shù)處于較高水平. 當(dāng)摩擦速度為180 mm·min-1時(shí)摩擦系數(shù)和磨損率均最大，摩擦系數(shù)最大約為0.39，磨損率最大約為0.1316，其磨損率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其它3種速度. 當(dāng)摩擦速度為240和300 mm·min-1時(shí)，細(xì)絲磨損率最小并且基本相同，較最大磨損率下降超過(guò)56%，但摩擦速度為240 mm·min-1時(shí)摩擦系數(shù)比300 mm·min-1時(shí)提高了33%，僅比180 mm·min-1時(shí)的最大摩擦系數(shù)降低9%. 因此，SLM-316L細(xì)絲在摩擦速度240 mm·min-1條件下能夠保證磨損率較小的同時(shí)保持較高的摩擦系數(shù)，使摩擦磨損性能最優(yōu).

圖6 不同速度下摩擦系數(shù)穩(wěn)定值和磨損率柱狀圖Fig.6 Histogram of the stable value of the friction coefficient and wear rate at different velocities

圖7 為4種不同摩擦速度條件下細(xì)絲磨損后的表面形貌圖、局部放大圖及對(duì)應(yīng)的EDS能譜數(shù)據(jù). 圖 7（a）和圖 7（b）分別為速度 120 mm·min-1和180 mm·min-1的SEM圖和EDS圖，試件表面均有較深的犁溝、少量的磨粒和大量的點(diǎn)蝕痕跡，其氧元素的原子百分比明顯高于未摩擦SLM-316L細(xì)絲，主要磨損機(jī)制為疲勞磨損、氧化磨損和輕微的磨粒磨損，當(dāng)摩擦速度處于低速時(shí)，脂膜厚度隨著摩擦速度的增加逐漸減小[22]，潤(rùn)滑膜受到的剪切力逐漸增大，此時(shí)需要不斷有潤(rùn)滑脂的供應(yīng)，但由于這一階段摩擦生熱較少，潤(rùn)滑膜的溫度較低，使得潤(rùn)滑脂的粘性較大，流動(dòng)性較差，潤(rùn)滑脂供應(yīng)不足，潤(rùn)滑膜破裂，導(dǎo)致上下細(xì)絲直接接觸，無(wú)法起到隔離上下試件摩擦的作用，發(fā)生氧化磨損[23]，同時(shí)由于低速摩擦，潤(rùn)滑膜無(wú)法及時(shí)將磨粒帶走，導(dǎo)致磨粒繼續(xù)磨損試件表面，因此出現(xiàn)少量磨粒磨損痕跡，這兩種摩擦速度下細(xì)絲的磨損深度也較大.由圖7（c）可以看出，試件表面較其它速度較為光滑，但有少量磨屑，氧元素的原子百分比略高于未摩擦SLM-316L細(xì)絲，因此主要磨損機(jī)制為磨粒磨損和輕微的氧化磨損. 由于摩擦生熱，使得上下試件表面溫度升高，潤(rùn)滑膜溫度升高，黏性降低，同時(shí)潤(rùn)滑膜所受的剪切力也隨速度的升高而增大，兩者共同作用使得潤(rùn)滑膜能夠及時(shí)供應(yīng)，從而形成穩(wěn)定的潤(rùn)滑膜，帶走摩擦產(chǎn)生的磨粒防止進(jìn)一步磨損試件表面[24-25]. 同時(shí)，由于試件溫度的升高，加速了表面氧化物的生成，表面氧化物同樣能夠起到薄膜潤(rùn)滑的作用，從而減小摩擦系數(shù)，Zhu等的研究中也觀察到了類似的現(xiàn)象，他們認(rèn)為表面形成的氧化物可以避免金屬和金屬直接接觸，從而減少摩擦磨損[26]. 圖 7（d）為速度 300 mm·min-1的SEM圖和EDS圖，與圖7（c）對(duì)比，該試件表面的磨粒更少，氧元素的原子百分比較未摩擦SLM-316L細(xì)絲變化不大，這是因?yàn)樵摋l件下周圍的潤(rùn)滑脂循環(huán)更快，能夠及時(shí)將磨粒帶走，避免磨粒進(jìn)一步磨損試件，同時(shí)帶走大量摩擦產(chǎn)生的熱量，防止試件表面軟化，因此磨損深度最小[27].

圖7 不同速度下的磨損表面的掃描電鏡圖及能譜圖. （a）120 mm·min-1；（b）180 mm·min-1；（c）240 mm·min-1；（d）300 mm·min-1Fig.7 SEM and EDS spectra of the wear surface under different velocities: (a) 120 mm·min-1; (b) 180 mm·min-1; (c) 240 mm·min-1; (d) 300 mm·min-1

2.3 Fv因子對(duì)摩擦系數(shù)和磨損率的影響

圖8是摩擦系數(shù)、磨損率隨Fv變化的柱狀圖. 由圖可以看出，隨著Fv值的增大，摩擦系數(shù)呈下降趨勢(shì)，在Fv值為0.02 N·m·s-1時(shí)摩擦系數(shù)最大為0.4232. 而磨損率呈先升后降再升的變化趨勢(shì).當(dāng) Fv值為 0.02 N·m·s-1時(shí)磨損率較小，為 0.0831.當(dāng)Fv值為0.04 N·m·s-1時(shí)磨損率第二次達(dá)到極小值，為 0.0575，與 Fv值為 0.05 N·m·s-1時(shí)的磨損率0.0579幾乎相等. 綜合摩擦系數(shù)和磨損率對(duì)比分析，可以得出2種比較理想的使用工況：Fv值為 0.02 N·m·s-1和 Fv值為 0.04 N·m·s-1. Fv值為0.04 N·m·s-1的 摩擦 系 數(shù)比 Fv值為 0.02 N·m·s-1的摩擦系數(shù)減小約16%，而磨損率減小約31%，因此，該SLM-316L細(xì)絲最理想的使用工況為Fv等于 0.04 N·m·s-1時(shí)，即載荷 10 N，摩擦速度240 mm·min-1.

圖8 不同F(xiàn)v下摩擦系數(shù)穩(wěn)定值和磨損率變化趨勢(shì)圖Fig.8 Stable value of the friction coefficient and wear rate at different Fv values

3 結(jié)論

（1）脂潤(rùn)滑條件下，SLM-316L細(xì)絲的摩擦系數(shù)隨載荷的增大而減小，磨損率隨載荷的增大呈先降后升的趨勢(shì)，當(dāng)載荷為10 N時(shí)，磨損率最小為0.0575.

（2）脂潤(rùn)滑條件下，SLM-316L細(xì)絲的摩擦系數(shù)和磨損率均隨速度的增加呈先升后降趨勢(shì). 當(dāng)摩擦速度為240和300 mm·min-1時(shí)，細(xì)絲磨損率基本相同. 摩擦速度240 mm·min-1能夠在保證磨損率較小的同時(shí)保持較高的摩擦系數(shù)，使摩擦磨損性能最優(yōu).

（3）SLM-316L細(xì)絲在低載荷下磨損機(jī)制主要為磨粒磨損和輕微的氧化磨損，較高載荷下氧化磨損加劇并伴隨疲勞磨損；低速度下磨損機(jī)制主要為疲勞磨損和氧化磨損，較高速度下，氧化磨損作用減弱，以磨粒磨損為主.

（4）摩擦系數(shù)隨Fv值的增大而減小，磨損率隨Fv值的增大呈先升后降再升的變化趨勢(shì). SLM-316L細(xì)絲最理想的使用工況為Fv等于0.04 N·m·s-1，即載荷10 N、摩擦速度240 mm·min-1.