海水環境下2507超級雙相不銹鋼微動磨損性能研究*

(1.中國科學院蘭州化學物理研究所,固體潤滑國家重點實驗室 甘肅蘭州 730000；2.中國科學院大學 北京 100049；)

近年來，隨著海洋探索、開發、利用和保護的深入，對海洋工程材料也提出了新的需求。海洋工程材料長期在苛刻的海水環境中服役，不僅受到海水介質的腐蝕作用，而且在工作載荷下易于產生應力腐蝕和腐蝕疲勞損傷。對于一些運動部件，還不可避免地存在磨損問題。因此，對于服役于海洋環境中的工程材料，腐蝕和磨損是造成其損傷、失效和破壞的主要原因。

目前，船舶、海洋石油平臺、閘門等海洋設施大量使用的金屬材料是碳鋼和低合金鋼。碳鋼和低合金鋼在海洋環境中，尤其是潮汐區和全浸區的耐蝕性能并不理想。因此，近年來在海洋用鋼中趨向提高鋼中的鉻、鉬等元素含量以獲得更高的耐蝕性。其中，2507超級雙相不銹鋼具有高鉻(～25%)、高鉬(>3.5%)的特點，在海水環境中表現出優異的耐腐蝕性能，因而在海上裝備領域都具有十分廣泛的應用[1-3]。2507超級雙相不銹鋼微觀組織由鐵素體和奧氏體兩相組成，兼有鐵素體和奧氏體的優點。目前，研究人員主要集中研究了2507超級雙相不銹鋼在氯化鈉溶液和酸性溶液中的耐腐蝕性能[4-6]，以及熱處理工藝對2507超級雙相不銹鋼的腐蝕性能和滑動腐蝕磨損性能的影響[1,7-11]。

然而在實際海洋工況中，在風、浪、流和潮汐等環境載荷的作用下，配合緊密的結構件之間也往往會產生幅度很小的相對振動，進而引起配合表面之間的微動磨損。微動磨損不僅改變零件形狀，惡化表面層質量，而且還會引起應力集中，最終導致結構件的失效。然而對2507超級雙相不銹鋼在海水介質中的微動磨損方面的研究則尚未見報道。特別地，在微動過程中，振幅是影響微動摩擦的重要參數之一，其幅值大小是微動區別于傳統滑動的主要標志。因此，本文作者著重研究了振幅對2507超級雙相不銹鋼在海水介質中微動摩擦磨損性能的影響規律，并與其在空氣、去離子水環境下的摩擦磨損規律做了對比，以期闡明振動幅度對2507超級雙相不銹鋼在海水介質中摩擦磨損性能的影響機制。

1 試驗部分

1.1 試驗材料及制備

試驗材料選用瑞典Sandvik公司生產的2507超級雙相不銹鋼，出廠前將鐵素體與奧氏體的比例調制為近似1∶1，其金相組織結構如圖1所示。通過線切割方式加工成尺寸為12 mm×12.5 mm×4 mm的小方塊作為微動摩擦磨損試驗的下試樣，硬度為HV262.59。為減少因表面狀態不一致性而引起的試驗誤差，試驗前用SiC砂紙逐級打磨雙相不銹鋼鋼表面至2 000目，表面粗糙度Ra為0.04～0.06 μm。上試樣選用φ6 mm的GCr15鋼球，表面粗糙度Ra≤0.020 μm，硬度為HRC61～66。按照國際標準ASTM D 1141-98配制試驗所需的人工海水。

圖1 2507超級雙相不銹鋼微觀組織結構Fig 1 2507 super duplex stainless steel microstructure

1.2 試驗過程

微動摩擦磨損試驗在德國Optimal公司生產的SRV-IV上進行，試驗裝置示意圖如圖2所示。摩擦副的接觸形式為球-平面接觸，在一定振幅下做往復運動，上試樣鋼球做相對運動，下試樣2507超級雙相不銹鋼保持靜止。

圖2 SRV-IV微動摩擦磨損試驗機示意圖Fig 2 Schematic diagram of SRV-IV oscillating friction and wear tester

試驗中法向載荷為50 N，頻率為20 Hz，循環次數為7.2×104，微動振幅分別選為50、70、90、120和200 μm。微動摩擦試驗分別在空氣、去離子水和人工海水中進行，試驗過程中始終保證去離子水和海水浸沒摩擦表面。每次試驗前均用丙酮對上下試樣進行超聲清洗以去除材料表面的油污。

微動摩擦磨損試驗后，用JSM-5600LV掃描電子顯微鏡(SEM)對磨痕形貌進行觀察，用附帶的能譜儀(EDS)對磨損表面的氧元素分布進行分析。由MicroXAM-800納米三維輪廓儀測量2507超級雙相不銹鋼試樣磨痕中心處的磨痕深度和磨損體積。

2 結果與討論

2.1 振幅和摩擦環境對微動摩擦因數的影響

摩擦因數大小是描述摩擦材料的重要參數之一。圖3所示為2507超級雙相不銹鋼在不同介質、不同振幅下的摩擦因數隨循環次數的變化關系。可知，振幅和摩擦介質環境對摩擦因數具有顯著的影響。

圖3 2507超級雙相不銹鋼在不同介質中的實時動態摩擦因數曲線Fig 3 The friction coefficient curve of 2507 super duplex stainless steel in different media(a) dry friction;(b) deionized water; (c) artificial seawater

圖3(a)示出的是2507超級雙相不銹鋼在干摩擦條件下的摩擦因數曲線，可見，當振幅為50 μm時，穩定狀態下的摩擦因數最低，其數值接近0.7；隨振幅增大，穩定狀態下的摩擦因數逐漸增大；當振幅增至200 μm時，摩擦因數已接近1.0。圖3(b)、(c)分別示出的是2507超級雙相不銹鋼在去離子水和海水介質中的摩擦因數曲線。與干摩擦相比，在水溶液介質中的摩擦因數則顯著降低，且在海水介質中的摩擦因數比去離子水介質下的小。這可能是由于水溶液比熱容較大，具有一定的冷卻作用，同時在水溶液中硬質磨屑易于脫離摩擦接觸表面，從而能夠有效降低摩擦因數。人工海水介質中，由于存在較多Ca2+和Mg2+，在堿性條件下易于在摩擦副表面形成低剪切的CaCO3和Mg(OH)2[12]。且海水中的S、P、Cl等活性元素也會與GCr15中的Fe元素反應生成一層易剪切摩擦膜，進而阻止了摩擦副之間的直接接觸，二體磨損變三體磨損，從而進一步降低摩擦因數，因而海水介質中的摩擦因數更低，相應的摩擦機制如圖4所示[13-14]。

圖4 摩擦機制示意圖Fig 4 Schematic diagram of friction mechanism

從摩擦因數變化曲線的形狀可以看出摩擦因數的變化具有階段性變化的特征。在干摩擦下摩擦因數隨循環次數的變化經歷了初始跑合期、 二體接觸期和穩定期3個階段。在初始跑合階段由于上下摩擦配副間接觸表面膜的存在對摩擦接觸表面起到保護作用，因而摩擦因數均較低；隨著微動摩擦試驗的進行，摩擦因數隨循環次數的變化進入到二體接觸階段。試驗中上試樣對偶鋼球GCr15的硬度為HRC61～66，而下試樣2507超級雙相不銹鋼的硬度只有HV262.59，因此2507超級雙相不銹鋼表面的表面膜易被破壞，摩擦副發生直接接觸，實際接觸面積增大，接觸表面發生黏著和塑性變形，摩擦因數迅速增加；隨著微動摩擦試驗的繼續進行，磨屑的產生和溢出達到動態平衡，此時摩擦因數進入到穩定期。在穩定期，隨著振幅的增加摩擦因數發生輕微的上下波動。這是因為當振幅較大(120 和 200 μm)時，接觸表面間的膜層和磨屑易被研磨成粒狀而起到類似“滾珠”的作用從而降低摩擦因數；另一方面，振幅的增加使微動過程中接觸面的重疊區域增大，微動過程中產生的磨屑易被排出磨痕區使摩擦配副發生直接接觸，摩擦因數升高，兩過程不斷重復交替因而導致摩擦因數發生上下波動[13,15]。與干摩擦下相比，水溶液介質下的摩擦因數隨振幅的增加呈先升高后降低的趨勢。當振幅較小時(<90 μm)，由于兩接觸重疊區域較小，溶液介質不易進入到磨痕區，溶液介質的潤滑效果不顯著，隨著振幅的增加摩擦因數增加。而隨著振幅的繼續增加，兩接觸重疊區域增大，此時水溶液介質容易進入到磨痕區，這時水溶液介質發揮潤滑效果，表現出低且穩定的摩擦因數[16]。

2.2 振幅和摩擦環境對磨痕深度的影響

圖5所示是2507超級雙相不銹鋼磨痕中心的二維剖面曲線圖。可知，振幅和摩擦環境對試樣的磨痕深度具有顯著的影響。不論在干摩擦還是水溶液介質中，隨著振幅的增加磨痕深度都增大，特別是在干摩擦下振幅對磨痕深度的影響則更為顯著。當振幅小于90 μm時，干摩擦下由于試樣磨損表面處于部分滑移區和混合區，磨損較輕，因而磨痕的深度和寬度較水溶液介質下的略小，隨著振幅的增加，干摩擦下磨損表面黏著、塑性變形和材料剝落等程度增加，此時磨痕深度和寬度則較水溶液介質下的大。此外，隨振幅的增加干摩擦下磨痕中心的二維剖面曲線由“U”形轉變成“W”形，而在水溶液介質中磨痕中心的二維剖面曲線則主要呈“U”形，這也說明較大振幅時干摩擦下磨痕表面粗糙度明顯高于水溶液介質下的磨痕表面粗糙度。

圖5 2507超級雙相不銹鋼在不同介質中垂直微動方向磨痕中心的二維剖面曲線Fig 5 Two-dimensional profile passing through the center of 2507 super duplex stainless steel under different media(a) dry friction; (b) deionized water;(c) artificial seawater

圖6 所示為2507超級雙相不銹鋼在干摩擦和水溶液介質中磨損體積隨振幅的變化曲線。如圖所示，當振幅小于90 μm時，振幅對干摩擦下試樣的磨損體積影響較小，且其磨損體積始終比在水溶液介質中的小。隨著振幅的繼續增加，干摩擦下試樣的磨損體積呈線性增加，其磨損體積大于在水溶液介質中的磨損體積，這表明只有當振幅達到一定值時溶液作為潤滑介質才能起到減磨作用。此外，不論在何種振幅下，試樣在海水介質中的磨損體積始終比在去離子水下的磨損體積大，并隨著振幅的增加2種潤滑介質下的磨損體積差值逐漸增大，推斷這是由于海水的腐蝕作用加速了2507超級雙相不銹鋼的微動磨損。

圖6 2507超級雙相不銹鋼在不同介質中的磨損體積Fig 6 The wear volume of 2507 super stainless steel under different media

2.3 磨痕形貌和成分分析

圖7所示是干摩擦下2507超級雙相不銹鋼在不同振幅下磨痕表面形貌和相應氧元素的EDS面分布圖。可以看出：在干摩擦條件下，振幅對2507超級雙相不銹鋼微動磨痕形貌具有顯著的影響，隨著振幅的增加，磨損面積也隨之增大；同時磨損程度增加，磨痕形狀也由橢圓形變成了圓形。微動運行區域發生了由部分滑移區向滑移區的轉變。

圖7 干摩擦下2507超級雙相不銹鋼在不同振幅下磨痕表面形貌和相應氧元素的EDS面分布圖Fig 7 Wear surface morphology and distributions of oxygen in EDS dimensional analysis of 2507 super duplex stainless steel under different amplitude in dry sliding

當微動振幅為50 μm時，試樣表面損傷較輕，摩擦接觸區域呈現典型部分滑移區的特征，即由中心的黏著區和接觸邊緣的微滑區組成。微動摩擦過程中只在接觸區域的邊緣發生了微滑，在接觸區的中心只發生了變形而無相對滑動。從氧元素的EDS能譜分析可知：中心黏著區的氧分布密度與基體的氧分布密度幾乎相同，而在微滑區氧分布密度則明顯較周圍基體高，這表明氧化反應主要發生在微滑區，即微動摩擦過程中在微滑區發生了氧化磨損。從磨痕形貌的局部放大圖中可以發現：在高載荷的反復擠壓作用下磨痕的接觸邊緣有許多微裂紋產生，因而部分滑移區的磨損機制主要由邊緣微滑區的局部氧化磨損和局部疲勞磨損組成。當微動振幅為70和90 μm時，磨損區域呈現混合區的微動損傷形貌，磨痕中心發生了塑性變形和剝落，邊緣發生了微滑，氧化程度增加；當微動振幅為120和200 μm時，磨損表面則為典型的滑移區形貌，在整個磨痕區域都發生了相對滑動,磨痕區域內的氧分布密度顯著比周圍基體氧分布密度高，表明在摩擦過程中整個磨痕區域都發生了劇烈的氧化。從磨痕的局部放大圖中可以發現：磨痕表面主要發生了黏著和材料的疲勞剝落，因而當振幅較大時，滑移區的磨損機理主要包括氧化磨損、黏著磨損和剝落磨損,在三者共同相互作用下磨損程度增加[17]。

圖8所示為去離子水下2507超級雙相不銹鋼不同振幅時的磨痕表面形貌和相應氧元素的EDS面分布圖。與干摩擦下的磨痕形貌相比較可以發現：當摩擦在去離子水介質中進行時，不論在何種振幅下，微動摩擦接觸區域都處于完全滑移區。當振幅較小(50 和90 μm)時，試樣磨痕表面較干摩擦下磨損嚴重，從局部放大圖中可以看出在磨痕表面發生了嚴重的材料剝落，并且布滿了沿微動方向的犁溝以及平行和垂直微動方向的微裂紋。當振幅較大(200 μm)時，去離子水更易進入到摩擦接觸區域中，因而在水溶液的冷卻和潤滑作用下，材料表面的黏著和剝落被有效地抑制，磨損表面主要是布滿了沿微動方向的犁溝以及微裂紋。去離子水的存在對空氣中的氧氣起到了一定的阻隔作用，故大振幅下磨損表面氧化程度被有效抑制，因而隨著振幅的增加在去離子水下的磨損機制主要由氧化磨損、剝落磨損、磨粒磨損和疲勞磨損轉變為輕微氧化磨損、磨粒磨損和疲勞磨損。

圖8 去離子水下2507超級雙相不銹鋼在不同振幅下磨痕表面形貌和相應氧元素的EDS面分布圖Fig 8 Wear surface morphology and distributions of oxygen in EDS dimensional analysis of 2507 super duplex stainless steel under different amplitude in deionized water

圖9所示是海水下2507超級雙相不銹鋼在不同振幅下磨痕表面形貌和相應氧元素的EDS面分布圖。與在去離子水中相似，在海水介質中的微動摩擦接觸區域也都處于完全滑移區，磨痕面積也隨振幅的增加逐漸增大。與干摩擦下相比，滑移區內氧分布密度也相對較低，這是因為海水阻隔了空氣中的氧與試樣的直接接觸，阻止了氧化反應的發生[18]。與在去離子水中的磨痕表面相比，可以發現海水介質下的磨損表面幾乎無黏著和材料剝落現象，磨損表面主要由犁溝和微裂紋組成，因而在海水介質中的磨損機制主要是輕微氧化磨損、磨粒磨損伴隨疲勞磨損。

圖9 海水下2507超級雙相不銹鋼在不同振幅下磨痕表面形貌和相應氧元素的EDS面分布圖Fig 9 Wear surface morphology and distributions of oxygen in EDS dimensional analysis of 2507 super duplex stainless steel under different amplitude in artificial seawater

3 結論

(1)在干摩擦條件下，振幅對微動磨損行為具有顯著的影響。隨振幅的增大，穩定階段的摩擦因數先增大后逐漸趨于穩定，微動運行區域也發生了由部分滑移區向混合區和滑移區的轉變，材料表面磨損程度增加，磨損機制由局部氧化磨損、局部疲勞磨損轉變為氧化磨損、黏著磨損和剝落磨損。

(2)在去離子水介質中，由于摩擦過程中形成的水膜具有一定的潤滑作用，同時水溶液具有一定的冷卻作用，因而摩擦因數顯著減少，與干摩擦下相比材料表面黏著也被顯著抑制。磨損機制為隨振幅的增加由氧化磨損、剝落磨損、磨粒磨損和疲勞磨損轉變為輕微氧化磨損、磨粒磨損和疲勞磨損。

(3)在海水介質中，海水中溶解的各種溶質在摩擦過程中形成的摩擦膜使其具有比純水更優異的潤滑性能，因而摩擦因數較去離子水中的小。但在腐蝕與磨損的交互作用下，磨痕深度和磨損體積較去離子水中的略大，磨損機制主要是輕微氧化磨損、磨粒磨損伴隨疲勞磨損。

(4)水溶液作為潤滑介質只有當振幅達到一定值時才表現出減磨效果。