三角表面微織構對304鋼摩擦學性能的影響

謝永，宋文濤，陳文剛，劉德春，陳龍

三角表面微織構對304鋼摩擦學性能的影響

謝永，宋文濤，陳文剛，劉德春，陳龍

（西南林業大學 機械與交通學院，昆明 650224）

研究表面三角微織構對304鋼減摩抗磨特性的影響，擴寬奧氏體不銹鋼應用范圍，為改善304鋼的耐磨損性能提供理論依據。采用激光加工技術在304鋼表面制備三角形微織構，其底邊長200 μm，高200 μm。利用有限元ANSYS軟件對油膜壓力等參數進行仿真分析，并在MRTR-1多功能摩擦磨損試驗機上檢測表面織構化304鋼的摩擦學性能，探究不同旋轉直徑（15、25、35 mm）及不同轉速（100、200、300 r/min）下三角微織構的摩擦磨損情況，并采用掃描電子顯微鏡（SEM）分析工件表面的顯微結構及形貌。有限元仿真結果表明，三角微織構的存在使油膜內部的壓力增大，并且轉速越大，油膜承受壓力越大，摩擦系數明顯降低。試驗結果表明，三角織構與無織構化表面相比，平均摩擦系數顯著降低，最大降幅達14.89%。激光加工三角織構的304鋼摩擦磨損性能優異，且在旋轉直徑35 mm、轉速300 r/min的條件下，減摩抗磨性能更好。主要作用機理為，接觸表面間潤滑液的及時有效補充，提供了“二次潤滑”效應，并建立了連續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；304鋼；摩擦磨損；有限元分析；轉速；直徑

304鋼具有優良的耐腐蝕性及韌性好的特點，廣泛用于制作具有良好綜合性能（耐腐蝕和成形性）的設備和機件，在食品醫療行業、工業和家具裝飾行業有著廣闊的應用前景，可作為油田的閥門部件、化學處理設備等[1-2]。但由于本身強度低，硬度和摩擦性能不足，嚴重制約了其更廣泛的應用和發展[3-5]。近年來，許多科研工作者采用激光加工的方式來提高材料表面的摩擦磨損性能。傳統摩擦學認為，表面越光滑，其摩擦系數就越小[6-7]，但隨著研究深入，發現通過在材料表面制備出合理的紋理，能更好地改善摩擦系數且提高材料的抗磨性[7-8]。研究發現，微凸起的織構能產生附加動壓潤滑效果[9]，織構區形成一個漸擴的空間，微凸起的一邊（無織構區）與摩擦副的另一面形成收斂楔，進而產生流體動壓力，而發散楔（織構區）產生負壓。但由于氣穴的產生限制了負壓，最終在相對滑動表面產生了額外的承載力，使潤滑油膜具有一定的剛性，由接觸面變成非接觸面，這樣可以減少摩擦副的摩擦力轉矩、表面溫升和磨損率[9-11]。對于微織構深度、表面分布密度和織構直徑，研究發現，在高黏度油潤滑的條件下，微織構在深空穴、低密度及小開口的條件下的摩擦學性能最好[11]。

鹿重陽等[12]通過對YT15硬質合金進行激光加工處理，制備出不同面積占有率的表面微織構，研究了其摩擦磨損特性。研究表明，織構面積占有率為9.5%的硬質合金摩擦特性優異，摩擦系數最低，約為0.02。麻凱等[13]采用激光打標機在活塞環表面加工出方形、橢圓形、圓形凹坑織構，發現在中高載情況下，織構化活塞環的摩擦系數小于未織構處理的試樣，其中，圓形織構的摩擦系數最小。萬軼等[14]用脈沖激光器對活塞環表面進行織構化，再結合MoS2濃度進行鍍層處理，發現經過織構化+鍍層處理的活塞磨損率比未織構化鍍層的磨損率降低約50%。王明政等[15]對TC4鈦合金進行激光加工，在油潤滑條件下，研究了織構間距與形狀對合金摩擦磨損性能的影響，發現織構可以起到增強硬度、減摩抗磨并且產生“二次潤滑”的效果。

在304鋼表面制備微織構能有效提高減摩抗磨性，改善耐磨性差的問題。邱兆嶺等[16]采用滲氮與激光加工相結合的方式，制備了304鋼表面微織構，在富油條件下，對比了304鋼、織構304鋼、滲氮304鋼和滲氮織構304鋼的摩擦學特性，發現滲氮織構304鋼的摩擦學性能更好，而且直徑為300 μm的滲氮織構304鋼表面摩擦性能更為優異。王卓越等[17]采用鹽浴滲氮與激光加工結合的方式在304鋼表面制備直徑為200 μm的點狀凹坑織構，研究表明，復合改性304鋼的硬度從222HV增加到574HV，抗磨減摩性顯著增強。

目前，大多數研究主要集中在通過激光加工方式在材料表面制備出方形[13]、圓形[14,18-20]等表面織構來研究其摩擦學特性，而在材料表面制備不同方向分布、兩端非對稱表面微織構的研究較少，即類似三角形這類具有一定深度的表面織構圖案。張瑜等[21]研究了非對稱織構表面的承載力特性，結果表明，非對稱表面織構可以強化織構中的局部回流作用，從而提高非對稱表面微織構滑塊的承載力。李俊玲等[22]研究發現，非規則對稱的葫蘆形織構具有方向性，當潤滑液從小端流向大端時，試樣表面的摩擦系數較小。織構區形成一個漸擴的空間，相當于發散區，非織構區相當于收斂區，當滿足一定條件時，能形成微小的類似楔形效應。在收斂區產生正壓，發散區產生負壓，此負壓可引起潤滑劑沸點降低，同時可以提高油膜承載力。故本研究設計了一種三角微織構圖形，相對于傳統圓形、方形等微織構，三角微織構可以產生較好的楔形效應。采用激光加工方式，在304鋼表面制備出三角微織構，三角微織構分布呈發散性，靠近內圓，織構分布密集，靠近外圓，織構分布稀疏。在富油條件下，通過改變上下試樣旋轉直徑以及設置不同轉速，研究304鋼的減摩抗磨特性，進一步論證三角織構對304鋼減摩抗磨的效果，擬擴寬奧氏體不銹鋼應用范圍，為改善304鋼的耐磨損性能提供理論依據。

1 三角微織構的數值模擬

為了探究三角織構在潤滑狀態下的減摩抗磨機理，利用ANSYS有限元軟件模擬304鋼表面微織構與氧化鋯（ZrO2）摩擦時的流體動壓效果。建立仿真模型，并對仿真模型進行參數設定，分析得出仿真結果。

1.1 試驗材料

試驗所使用的基體材料是304不銹鋼，化學成分如表1所示，線切割成40 mm×40 mm的正方形方塊。

表1 304鋼化學成分

Tab.1 304 stainless steel chemical composition %

1.2 表面三角微織構的制備

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

激光填充方式為網格與三角環形填充如圖1所示，圖2為三角微織構分布及單個織構尺寸示意圖。圖2a為三角微織構整體分布，其中內圓的直徑是5 mm，外圓的直徑是35 mm，三角微織構呈逆時針排列分布，行與行的間距為300 μm，總行數為54行。單個三角形織構底邊長200 μm，高200 μm，深度為20 μm。圖2b為CAD軟件中三角微織構分布。

圖1 三角織構填充方式

圖2 三角織構示意圖

將激光織構化處理的304鋼表面進行粗磨，精拋光處理后，使用無水乙醇在KX-163T超聲波清洗機中進行超聲波清洗。采用MRTR-1微機控制多功能摩擦磨損試驗機對試樣進行摩擦學性能測試。為避免實驗偶然性因素，每組實驗都進行了多次。具體實驗參數如下：載荷是500 g（5 N），轉速是100、200、300 r/min，摩擦時間是120 min。上試樣為直徑4 mm的ZrO2陶瓷球，摩擦副間運動方向是回轉式運動。選用黏度指數為68的100號基礎油作為潤滑液[23]，摩擦副表面處于油浸狀態，改變上試樣與下試樣的旋轉直徑（15、25、35 mm）和轉速（100、200、300 r/min），來研究織構304鋼試樣的摩擦磨損特性。試驗中，摩擦系數由MRTR-1多功能摩擦磨損試驗機自動記錄，數據采集時間是10 s，不通過濾波采集。使用日立SU5000掃描電子顯微鏡觀測磨損形貌，在牛津EDS X-Max20能譜儀上完成元素含量測定。試驗開始前，上試樣ZrO2陶瓷球和下試樣304鋼試樣使用99%無水乙醇進行超聲波清洗，之后吹干。

1.3 仿真模擬

1.3.1 仿真w模型建立

通過數值模擬分析軟件（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，在實際摩擦試驗中，上試樣為ZrO2，而下試樣為織構化304鋼。在仿真軟件中，為方便計算，則進行簡化。圖3b是圖3a圓形標注區域簡化成的二維流體模型。圖4為織構化三維流體模型示意圖。ANSYS仿真軟件模型設置為三維立方體，對應于三角微織構形狀。

圖3 ANSYS仿真模型

圖4 三維流體模型

1.3.2 網格獨立性驗證

為排除網格數量對仿真結果的影響，在轉速100 r/min的工況下，進行網格獨立性驗證，驗證結果如圖5所示。當網格數量大于20萬后，織構上邊界壓力趨于穩定。選用40萬的網格來進行仿真計算模擬。為保證計算精度，選擇六面體網格進行網格劃分，網格劃分之后，正交質量平均值大于0.9，網格質量滿足計算要求。

圖5 網格數量與油膜壓力的關系

1.3.3 邊界條件以及材料的設置

為更接近實驗真實條件，設置定面A為運動壁面，并給定速度為100 r/min，入口以及出口設置為壓力進口以及出口，等于標準大氣壓，其余面為固定壁面，流體區域的密度為801.3 kg/m3，動力黏度為0.083 352 kg/(m·s)。

1.4 計算結果及分析

1.4.1 微織構對于油膜承載力的影響

轉速為100 r/min的條件下，三角微織構對油膜承載力的影響仿真結果如圖6所示，發現三角微織構的存在使油膜內部的壓力發生了梯度變化。在織構內部，沿速度方向，油膜壓力在三角形織構左端出現了壓力，在織構右端升高，兩側形成了動壓效應。這對于增大油膜壓力，減小摩擦副之間的摩擦系數起著積極作用。

圖6 轉速為100 r/min下油膜內部壓力圖

為進一步說明油膜壓力梯度變化的成因，截取該模型的對稱面作為分析對象，圖7為該對稱面軸線上油膜壓力的變化曲線，圖8為該對稱面上的潤滑油壓力分布，圖9為該對稱面上的速度云圖，圖10為該對稱面上的速度矢量云圖。由圖9和圖10可知，在三角形微織構的右端存在渦流區，渦流的強度大小可反映潤滑油內慣性效應的強弱，慣性效應的出現在一定程度上增大了油膜的承載力。

圖7 對稱面軸線上油膜壓力變化曲線圖

圖8 對稱面上油膜壓力分布圖

圖9 對稱面上油膜內部速度云圖

圖10 對稱面上油膜內部速度矢量云圖

1.4.2 轉速對于油膜承載力的影響

三種轉速下（100、200、300 r/min）油膜壓力的變化曲線如圖11所示，發現轉速對油膜承載力有著明顯的影響。在轉速范圍內，出現兩個峰值，一個正壓及一個負壓。主要是由于潤滑油在摩擦副表面的三角形織構流動時，易形成微小的收斂楔和發散楔。收斂楔因摩擦副的相對運動而產生正壓，而發散楔產生負壓，但是由于氣穴現象的產生，使負壓得到抑制，在收斂楔作用下，形成具有一定剛性的潤滑油膜，提高了承載能力[10]。隨著轉速的提升，織構對應位置的油膜壓力均呈現增加的趨勢，轉速越快對應油膜壓力也越大。不同轉速下，渦流效應有所不同，影響了慣性效應的強弱。

圖11 三種轉速下油膜壓力變化曲線示意圖

2 摩擦磨損特性

2.1 三角微織構形貌

圖12是試驗前激光加工處理的304鋼表面形貌。可看出，在304鋼表面進行激光織構處理后，形成了大小一致的三角形微織構，織構深度為20 μm。圖12a是未拋光之前整個織構的局部放大圖以及未拋光單個織構的放大圖。兩者邊緣存在凸起的基體組織，這是在激光加工過程中，火花飛濺，造成的飛邊毛刺現象。圖12b是經精拋光處理后得到的三角微織構形貌。

圖12 織構的SEM形貌

2.2 表面三角微織構對304鋼摩擦系數的影響

本次試驗是在一定載荷（加載為500 g）下，改變不同轉速（100、200、300 r/min）以及上下試樣的旋轉直徑（15、25、35 mm）來研究三角微織構對304鋼摩擦特性的影響。試驗在富油潤滑狀態下進行，與此同時，將無織構304鋼作為對照試樣，共設計了9組實驗。在500 g加載、三種不同轉速（100、200、300 r/min）條件下，不同旋轉直徑時織構化與未織構304鋼的摩擦系數如圖13、14、15所示。

在轉速為200 r/min、直徑5 mm條件下，織構化304鋼的平均摩擦系數大于無織構化的平均摩擦系數，增幅達到24.47%（圖13a），這是試驗速度較低而且織構分布密集造成的。織構化試樣摩擦副表面難以建立有效的潤滑油膜，接觸面處于邊界潤滑狀態，沒有形成流體動壓油膜，故摩擦系數高。而直徑為25、35 mm時，織構化摩擦系數比無織構化摩擦系數低（圖13b、c）。隨著直徑增加，織構與織構之間的間距增大，織構儲存潤滑油的作用逐漸體現出來，油膜壓力增大，使織構試樣表面產生了局部流體動壓潤滑效應，并逐漸處于流體潤滑狀態，在接觸面間形成了一層潤滑油膜，提高了摩擦副的承載能力[24-25]。同時，織構的存在一定程度上減小了接觸面積，削弱了直接接觸產生的表面粘附作用，從而減小了摩擦力。如圖14所示，在轉速200 r/min的條件下，直徑為15 mm時，織構摩擦系數也大于無織構的摩擦系數，增幅為9.9%，主要是由于隨著轉速增加，油膜承載力增強；直徑為25 mm時，織構化與無織構化的摩擦系數穩定，織構化的平均摩擦系數低于無織構化的平均摩擦系數，摩擦系數降幅為5.6%；織構直徑為35 mm時，平均摩擦系數比無織構摩擦系數降低了2.4%。如圖15所示，在轉速為300 r/min的條件下，直徑為15 mm時，織構摩擦系數大于無織構的摩擦系數，增幅為5.56%，說明此時油膜承載力進一步增強；直徑為25 mm時，織構化平均摩擦系數比無織構化平均摩擦系數降低了11.73%；直徑為35 mm時，織構化平均摩擦系數相比于無織構化摩擦系數，降幅達到14.89%。

圖13 500 g、100 r/min、不同直徑下織構化與未織構摩擦系數對比

圖14 500 g、200 r/min、不同直徑下織構化與未織構摩擦系數對比

圖15 500 g、300 r/min、不同直徑下織構化與未織構摩擦系數對比

由圖13、14、15可知，在載荷為500 g、三種不同轉速及旋轉直徑條件下，低轉速（100 r/min）、直徑（15 mm）較小時，織構化表面摩擦系數大于無織構化表面摩擦系數，而當轉速逐漸升高（200 r/min、300 r/min）、直徑逐漸增大（25 mm、35 mm）過程中，織構化表面摩擦系數小于無織構化表面摩擦系數。說明三角織構在低轉速且織構分布密集時，難以建立穩定的潤滑油膜，其減摩抗磨特性差；當轉速升高且織構與織構之間的間距增大時，織構表面形成一定連續流體動壓潤滑油膜，易于形成流體動壓且油膜承載力增大，表現出良好減摩抗磨特性。特別在轉速為300 r/min、直徑為35 mm條件下，減摩抗磨特性顯著。說明了三角微織構可以產生較好的楔形效應，提高了油膜承載力，同時在摩擦磨損過程中能起到磨屑的及時收集和排出，有效避免了二次磨粒磨損，并且織構儲藏的潤滑油被擠壓出來，起到了補給潤滑液的作用，即“二次潤滑”效應，有效降低了摩擦曲線的波動[16]。

2.3 摩擦磨損形貌分析

圖16為無織構表面在試驗后的磨痕形貌。如圖16a所示，無織構表面形貌未發生粘著磨損、磨粒磨損。Ⅰ、Ⅱ是兩條磨痕，選取Ⅰ部分進行EDS點掃描，掃描點如圖16b所示。在磨痕表面依次標記6個點，其中，譜圖1、2、3、4是對磨痕的檢測，譜圖5、6是對304鋼基體的組織掃描，圖17為掃描結果。在磨痕區域內，檢測到了Fe、Cr、Ni、Mn等元素，這些是奧氏體304不銹鋼的主要元素。研究發現，磨痕形貌中氧元素的含量較低，只有0.2~0.3%，表明在摩擦過程中未發生氧化反應。

圖16 無織構磨痕形貌

圖17 無織構表面磨痕EDS能譜圖

圖18為試驗后三角微織構的摩擦磨損形貌。圖18a為摩擦磨損試驗后304鋼三角微織構形貌，圖18b為單個三角微織構形貌。發現磨痕表面出現了粘著磨損，還出現了犁溝，在摩擦的同時，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察到織構形貌輪廓，表明織構尚未被完全破壞，進一步說明三角形微織構耐磨性優異。此外，對單個三角微織構中的黃色區域進行EDS面掃描，得出的元素含量如圖19所示。可以看出，氧元素含量增加，質量分數達到10.25%，相對于基體中的氧元素含量（3.30%）增加了6.95%。表明在相對摩擦過程中，發生了氧化反應并產生了氧化磨損，這與剡珍等[26]的研究結果一致。由于激光加工過程產生的高溫，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，易與外來或自身的“懸掛鍵”成鍵。這使得織構化表面化學活性增強，容易與空氣中的氧發生反應。

圖18 磨損形貌

圖19 元素含量變化

3 結論

1）三角織構可以產生較好的楔形效應，使油膜內部的壓力發生梯度變化。在織構內部，沿速度方向，油膜內壓力在三角形織構左端出現了發散，而在織構右端升高，形成了動壓效應。此外，轉速對于油膜承載力有著明顯的影響，在試驗組轉速范圍內，隨著轉速的提升，織構對應位置的油膜壓力呈現增長趨勢。轉速越快，油膜壓力越大，減摩抗磨的作用效果越好。

2）通過對比無織構304鋼與織構化304鋼，從試樣的摩擦系數曲線發現，激光處理后的三角微織構304鋼摩擦磨損性能優異，且在直徑35 mm、轉速300 r/min的條件下，更能體現其減摩抗磨性能。

3）觀察織構化304鋼磨損形貌，發現三角織構未被完全破壞，說明三角微結構使整個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

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(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，主要研究方向為材料表面改性。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. 三角表面微織構對304鋼摩擦學性能的影響[J]. 表面技術, 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

國家自然科學基金面上項目（51865053）

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

謝永（1995—），男，碩士，主要研究方向為材料表面改性。

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.