干燥條件下多向熱鍛304L不銹鋼摩擦性能研究

王曉震，顧彩云，李建生，2，周新宇，孟德忠，朱冬冬，王 剛

(1.安徽工程大學(xué) 高性能有色金屬材料安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 蕪湖 241000；

2.安徽鑫科新材料股份有限公司，安徽 蕪湖 241006;3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)數(shù)理學(xué)院，北京 100083;4.衢州學(xué)院，浙江 衢州 324000)

1 引言

在現(xiàn)代工業(yè)中，金屬零部件的摩擦磨損性能是決定相關(guān)設(shè)備長(zhǎng)久安全服役的關(guān)鍵指標(biāo)之一。眾所周知，提高金屬材料的耐磨性能，可以減少金屬零部件的磨損，有利于節(jié)約資源和提高使用能效。不銹鋼因其優(yōu)異的機(jī)械性能和良好的可成型性在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。然而，其耐磨性較差，大大縮短在摩擦過(guò)程中的使用壽命，并限制了其作為耐磨機(jī)械零部件在相關(guān)領(lǐng)域中的使用，如何獲得具有優(yōu)異抗磨損性能的不銹鋼材料迫在眉睫。

文獻(xiàn)報(bào)道指出，不銹鋼材料的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以在很大程度上提高其抗磨損性能。Qin等指出經(jīng)冷軋后得到的超細(xì)晶和納米晶不銹鋼材料，無(wú)論在干燥和潤(rùn)滑條件下都具有優(yōu)于粗晶態(tài)組織的抗磨損性能，這是由于納米晶和超細(xì)晶結(jié)構(gòu)具有較高的硬度，在摩擦過(guò)程中可以有效的抑制對(duì)磨副材料之間的黏著效應(yīng)，進(jìn)而減少了材料的黏著撕裂損失。Wang等采用異構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)獲得具有良好強(qiáng)-塑性匹配的不銹鋼材料，同樣實(shí)現(xiàn)了抗磨損性能的顯著提高。他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果指出良好的強(qiáng)-塑性匹配有利于減少摩擦過(guò)程中材料的去除，進(jìn)而增強(qiáng)了不銹鋼的抗磨損性能。機(jī)械零部件在實(shí)際服役過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)面臨缺少潤(rùn)滑的條件(干燥條件)，如何通過(guò)微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)獲得干摩擦條件下機(jī)械零部件抗磨損性能提升，這對(duì)于設(shè)備的長(zhǎng)久安全服役至關(guān)重要。

本研究是通過(guò)多向熱鍛技術(shù)制備具有新穎的超細(xì)晶層狀結(jié)構(gòu)304L不銹鋼，試圖通過(guò)層狀微結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑提高不銹鋼材料在干燥條件下的耐磨性。通過(guò)對(duì)顯微組織、摩擦性能、磨痕形貌進(jìn)行系統(tǒng)地檢測(cè)和分析，揭示其耐磨損機(jī)制。

2 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中使用的304L奧氏體不銹鋼，其化學(xué)成分為(質(zhì)量百分比%)C-0.02，P-0.026，S-0.005，Si-0.36，Mn-1.23，Ni-8.1，Cr-18.21，其余為Fe。原始樣品為粗晶態(tài)304L奧氏體不銹鋼，平均晶粒直徑為～70 μm。采用多向熱鍛工藝制備具有超細(xì)晶層狀304L不銹鋼，其具體操作步驟為：首先，將原始尺寸為20 mm×20 mm×20 mm的粗晶樣品在700 ℃恒溫加熱5 min，取出加熱的樣品，立即沿一個(gè)方向鍛打，使其厚度從20 mm降至15 mm；然后把樣品旋轉(zhuǎn)90°，沿另一個(gè)方向鍛打，使其形成一個(gè)接近正方形的長(zhǎng)條；最后，沿正方形長(zhǎng)條軸向鍛打樣品，使其鐓粗成原始的正方體形狀，進(jìn)而完成第一個(gè)循環(huán)多向熱鍛過(guò)程。重復(fù)上述步驟熱鍛8道次后，樣品晶粒尺寸一般會(huì)獲得充分細(xì)化，為了得到層狀結(jié)構(gòu)，最后還需要把正方形樣品沿任意一個(gè)方向鍛造成5 mm厚的薄片，具體相關(guān)介紹可參照本課題組先前文獻(xiàn)。將不銹鋼樣品切成20 mm×20 mm×2 mm的薄板用于旋轉(zhuǎn)摩擦實(shí)驗(yàn)，其中超細(xì)晶層狀樣品的摩擦表面與制備薄片樣品的表面一致，在摩擦實(shí)驗(yàn)之前，將304L不銹鋼樣品的測(cè)試表面用1200#的砂紙進(jìn)行研磨，以獲得理想的光滑表面，避免表面粗糙對(duì)摩擦實(shí)驗(yàn)的影響。對(duì)摩副采用直徑為6 mm的GCr15鋼球。

在室溫干燥環(huán)境下(相對(duì)濕度7.5%)，利用MS-T3000多功能摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)粗晶和超細(xì)晶層狀304L不銹鋼樣品進(jìn)行球-盤干摩擦實(shí)驗(yàn)。在400 r/min的恒定轉(zhuǎn)速下，所施載荷為5 N，旋轉(zhuǎn)半徑為5 mm，滑動(dòng)試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為60 min。在滑動(dòng)過(guò)程中利用摩擦計(jì)上的應(yīng)變表傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量試樣的橫向力，計(jì)算機(jī)根據(jù)Amonton定律自動(dòng)計(jì)算摩擦因數(shù)。通過(guò)每分鐘的平均數(shù)據(jù)得到摩擦因數(shù)曲線。在每次摩擦學(xué)測(cè)試之前，將304L不銹鋼樣品和GCr15球用酒精清洗30 min。旨在去除表面污染物的吸附，確保樣品制備步驟中的清潔性。

為了準(zhǔn)確估算304L不銹鋼在摩擦學(xué)試驗(yàn)后的磨損率。鋼的磨損率可根據(jù)公式計(jì)算：

=(×)

式中：為磨損率，為不銹鋼樣品的磨損體積，為所施載荷，為摩擦滑動(dòng)的總距離。

為了分析304L不銹鋼在多向熱鍛工藝后可能發(fā)生的相變，進(jìn)行X射線衍射測(cè)試(XRD，Bruker-AXS D8，Cu靶Kα射線)，掃描角度范圍40°～100°，掃描速度6 (°)/min。TEM(TECNAI G2 20 LaB6，美國(guó))被用以分析原始粗晶和熱鍛組織的結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中利用掃描電子顯微鏡(SEM，SIGMA-500，ZEISS，德國(guó))和能譜儀(EDS)分析磨痕的微觀結(jié)構(gòu)和形貌，用三維形貌輪廓儀測(cè)量不銹鋼的磨痕形貌和磨損體積。

3 結(jié)果與討論

3.1 微觀組織和硬度分析

圖1表示原始和多向熱鍛處理后304L不銹鋼樣品的基本特征。從圖1(a)可以看出，原始304L不銹鋼是由粗大的單相奧氏體組成，平均晶粒直徑為～70 μm。經(jīng)過(guò)多向熱鍛后，獲得平均厚度為400納米的超細(xì)晶層狀304L不銹鋼(圖1(b))，這是由于在700 ℃多向熱鍛過(guò)程中，原始粗晶304L不銹鋼不斷地進(jìn)行變形再結(jié)晶，進(jìn)而達(dá)到晶粒細(xì)化的效果。圖1(c)和(d)指出：超細(xì)晶層狀304L不銹鋼幾乎由單一的奧氏體構(gòu)成，并包含有高密度的位錯(cuò)。晶粒的細(xì)化和位錯(cuò)密度的增加將使超細(xì)晶層狀304L不銹鋼的強(qiáng)度顯著增加，如圖2所示，超細(xì)晶層狀304L不銹鋼的顯微硬度為～312 HV，大約為粗晶樣品的2倍(～157 HV)。本實(shí)驗(yàn)組先前的工作已經(jīng)證實(shí)了該超細(xì)晶層狀結(jié)構(gòu)組織不僅具有更高的硬度，同時(shí)其也具有優(yōu)異的強(qiáng)度和塑性(屈服強(qiáng)度為～750 MPa、均勻延伸率為～39%)。

圖1 304L不銹鋼樣品原始粗晶的顯微組織(EBSD-IPF圖像)(a)、經(jīng)多向熱鍛后的顯微組織(EBSD-IPF圖像)(b)、粗晶和超細(xì)晶層狀的XRD曲線(c)和經(jīng)熱鍛后的TEM形貌(d)Fig.1 The basic characteristic of samples (a)is the EBSD-IPF map of coarse-grained 304 L sample；(b)is the the EBSD-IPF map of ultrafine-lamella 304L sample;(c)XRD curves of as-received and ultrafine-lamella 304L samples;(d)TEM image of the ultrafine-lamella 304L sample

圖2 粗晶樣品和超細(xì)晶層狀結(jié)構(gòu)樣品的顯微硬度直方圖Fig.2 The comparison on the microhardness coarse-grained and ultrafine-lamella 304L samples

3.2 摩擦磨損性能分析

圖3(a)為粗晶304L不銹鋼和超細(xì)晶層狀304L不銹鋼分別與GCr15球組成摩擦副在干摩擦條件下的摩擦因數(shù)曲線。在開始階段，超細(xì)晶層狀304L不銹鋼的摩擦因數(shù)略低于粗晶304L不銹鋼，在15 min之前(跑合階段)，粗晶304L不銹鋼和超細(xì)晶層狀304L不銹鋼的摩擦因數(shù)都逐漸增大，然后產(chǎn)生短暫的波動(dòng)，最后趨于穩(wěn)定?？梢娫即志?04L不銹鋼和超細(xì)晶層狀304L不銹鋼的摩擦因數(shù)在0.4～0.9之間波動(dòng)。在15 min之后，摩擦因數(shù)趨于穩(wěn)定，粗晶和超細(xì)晶樣品的平均摩擦因數(shù)見圖3(b)所示。從圖3可知，無(wú)論是粗晶樣品還是超細(xì)晶樣品，它們的摩擦因數(shù)都很相近。這主要是因?yàn)榻饘俨牧显诟赡Σ翖l件下，缺乏潤(rùn)滑機(jī)制，摩擦熱使得金屬對(duì)磨副之間的黏性增大，摩擦因數(shù)增大，無(wú)論是細(xì)晶還是粗晶狀態(tài)的摩擦因數(shù)都很高，且大致相近，后文中將對(duì)摩擦表面進(jìn)行觀察，進(jìn)一步分析其摩擦機(jī)理。

圖3 粗晶和超細(xì)晶層狀304L不銹鋼樣品分別與GCr15球組成摩擦副在干摩擦條件下的摩擦因數(shù)曲線(a)和穩(wěn)定階段粗晶和超細(xì)晶樣品的平均摩擦因數(shù)直方圖(b)Fig.3 (a)The friction coefficients of coarse-grained and ultrafine-lamella 304L samples;(b)The average friction coefficients of coarse-grained and ultrafine-lamella 304L samples

圖4為粗晶304L不銹鋼和超細(xì)晶層狀304L不銹鋼的三維磨痕形貌、磨痕截面曲線和磨損率相關(guān)結(jié)果。圖4(a)指出粗晶樣品磨痕的寬度和深度分別為～1 800 μm和～50 μm，圖4(b)指出超細(xì)晶樣品磨痕寬度和深度分別為～1150 μm和～40 μm?？梢?，粗晶磨痕寬度大約為超細(xì)晶磨痕的1.5倍。通過(guò)對(duì)粗晶和超細(xì)晶樣品磨痕截面曲線進(jìn)行對(duì)比(圖4(c))，同樣可以獲得上述結(jié)果。值得指出的是，磨痕兩邊的物料堆積明顯不同，粗晶樣品兩端的物料堆積更加顯著，這說(shuō)明粗晶樣品磨痕兩端發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形，這是由于粗晶樣品本身較軟的緣故所致。為了準(zhǔn)確評(píng)估材料的耐磨性能，對(duì)2種結(jié)構(gòu)的樣品磨損率進(jìn)行了計(jì)算，如圖4(d)所示，通過(guò)多向熱鍛獲得的超細(xì)晶層狀304L不銹鋼的磨損率為2.76×10mm，該數(shù)值約為粗晶樣品的63.7%(4.33×10mm)。這表明采用多向熱鍛工藝獲得的超細(xì)晶層狀結(jié)構(gòu)顯著提高了304L不銹鋼的耐磨性能。先前的文獻(xiàn)曾報(bào)道，較硬材料在摩擦過(guò)程能有效降低磨損率，而較軟材料在摩擦過(guò)程中更易于產(chǎn)生磨損去除現(xiàn)象。磨損剝落對(duì)于金屬材料的抗磨損性能極其不利，大塊的黏著撕裂會(huì)造成金屬材料的迅速缺失，進(jìn)而造成工件表面的磨損失效。因此，超細(xì)晶樣品比粗晶樣品具有更好的耐磨性。

圖4 粗晶和超細(xì)晶層狀304L不銹鋼磨痕的三維形貌(a)、(b)，粗晶和超細(xì)晶層狀304L不銹鋼的磨痕截面曲線(c)，粗晶和超細(xì)晶層狀304L不銹鋼的磨損率直方圖(d)Fig.4 (a)and (b)are the wear track topographies of the coarse-grained 304L and ultrafine-lamella 304 L samples，respectively;(c)Surface profiles across the wear tracks of the coarse-grained 304L and ultrafine-lamella 304L samples;(d)Wear volumes of the coarse-grained 304L and ultrafine-lamella 304L samples

3.3 磨損機(jī)制分析

圖5為粗晶和超細(xì)晶層狀304L不銹鋼磨損表面的顯微形貌和化學(xué)成分分析，通過(guò)SEM和EDS觀察，有助于闡明摩擦表面材料的去除過(guò)程和理解干摩擦過(guò)程中磨損機(jī)制的演變。干摩擦條件下，由于粗晶態(tài)材料本身較為柔軟，抗剪切能力較差，摩擦熱效應(yīng)使得對(duì)磨副金屬材料之間黏性增大，相互擠壓的金屬在摩擦切應(yīng)力的作用下很容易產(chǎn)生微裂紋、發(fā)生撕裂、造成黏著現(xiàn)象，最終導(dǎo)致嚴(yán)重黏著磨損失效(圖5(a)和5(c))。對(duì)于超細(xì)晶層狀結(jié)構(gòu)304L不銹鋼而言，其具有較高的硬度(～312 HV)，粗晶樣品的2倍，較高的硬度使得材料的撕裂效應(yīng)減弱，磨痕表面表現(xiàn)出微弱的黏著現(xiàn)象，撕裂的微黏著金屬材料在對(duì)磨副界面不斷被研磨，進(jìn)而與空氣中的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，形成氧化物顆粒，如圖5(b)，5(d)和5(e)所示，微氧化磨損是一種弱于黏著磨損的材料磨損行為，這是超細(xì)晶層狀結(jié)構(gòu)304L不銹鋼在干燥環(huán)境下具有較高耐磨性的主要原因。

圖5 不同放大倍數(shù)下粗晶304L不銹鋼(a)、(c)和超細(xì)晶層狀304L不銹鋼(b)、(d)磨痕形貌的SEM照片和相關(guān)化學(xué)成分分析(e)Fig.5 Analysis of SEM images and related chemical composition of wear tracks (a)and (c)are SEM images of the wear tracks of coarse-grained 304L sample;(b)and (d)are SEM images of the wear tracks of ultrafine-lamella 304L sample;(e)is the corresponding EDS mapping image of (d)

4 結(jié)論

1)多向熱鍛獲得超細(xì)晶層狀304L不銹鋼，其片層平均厚度約為～400 nm，顯微硬度為～312 HV，大約為粗晶樣品的2倍(～157 HV)。

2)原始粗晶304L不銹鋼的磨損率為4.33×10mm，超細(xì)晶層狀304L不銹鋼磨損率為2.76×10mm，超細(xì)晶層狀304L不銹鋼在干燥條件下優(yōu)于粗晶態(tài)不銹鋼的抗摩擦抵抗性。

3)超細(xì)晶層狀304L不銹鋼具有更好的耐磨性，主要?dú)w因于超細(xì)晶結(jié)構(gòu)具有更高的硬度，磨損機(jī)制為較為緩和的微黏著磨損和微氧化磨損機(jī)制。