激光加工網狀微織構對不銹鋼 微絲摩擦磨損性能的影響

黃明吉，張瑋珺，陳平，馮少川

（1.北京科技大學 機械工程學院，北京 100083； 2.北京科技大學順德研究生院，廣東 順德 528300）

金屬橡膠是一種新型的均質彈性多孔材料，將螺旋不銹鋼微絲編織、卷繞放入到模具中，經加熱、加壓成型[1]。它既有類似橡膠材料的彈性和阻尼性能，又保持金屬的優異特性，在隔振、減振、密封、降噪等方面有著廣泛應用[2]。金屬橡膠材料的主要失效形式是不銹鋼微絲的疲勞斷裂和磨損[3]。因此，改善不銹鋼微絲在干摩擦下的摩擦磨損性能，是提高金屬橡膠材料使用壽命的有效途徑。

表面織構化是指在零件表面加工出特定形狀和尺寸的微納米級別的凹槽或凸起的工藝[4]。研究表明，表面織構化對金屬表面的摩擦磨損性能有積極影響。Li 等[5-6]討論了不同織構紋理的形貌和面積占有率對樣品表面摩擦因數的影響，提出了在表面紋理面積占有率10%的情況下，半圓環網紋表面的摩擦因數最低。Li 等[7]利用激光表面紋理化技術制造了間距不同的格子狀凹槽，提出了紋理覆蓋率為0.679 的樣品的摩擦因數和磨損率最低。陳平等[8]從磨料的捕集和清除方面入手，解釋了干摩擦條件下平行和六邊形網紋樣品減摩效果最好的原因。張東亞等[9-10]討論了面密度和深度等表面織構參數對金屬表面摩擦學性能的影響，提出了摩擦因數隨面密度和深度的增大而增大，其研究主要面向潤滑條件下的摩擦磨損，干摩擦下織構密度和深度對摩擦磨損性能的影響值得進一步研究。李亞軍等[11-14]研究了激光加工表面織構對45 鋼、316L 不銹鋼等不同材料摩擦磨損性能的影響，提出在干摩擦和潤滑條件下，表面織構化處理均可以提升金屬的耐磨性。由此可見，表面織構化在提高不銹鋼微絲的摩擦磨損性能方面具有一定潛力。

目前，表面織構化技術已經十分成熟，常見的織構化方法包括激光、壓印、銑削/微切、表面磨粒流噴射、數控振動加工、反應性離子蝕刻、MEMS 工藝等。其中，激光加工技術具有精度較高、成本低、效率高、污染小等優勢，并可用于一次性成形溝槽等網狀織構[15-16]。然而，國內外關于金屬微絲表面織構化的研究相對較少，因此本文使用激光加工技術在不銹鋼微絲表面制備了網狀微織構。相關研究證明，載荷是影響金屬橡膠微絲磨損深度的因素之一[17]，本文在此基礎上研究了不同深度、不同間距的網狀微織構對不銹鋼微絲摩擦磨損性能的影響，觀察分析了磨損試件的表面形貌，以期尋找提高耐磨性的方法，從而提高金屬橡膠材料的使用壽命。

1 試驗

1.1 材料

試件選用直徑為0.4 mm 的316L 奧氏體不銹鋼微絲，材料成分如表1 所示。用LQL-F20A 激光打標機在試件表面加工出兩條呈網狀交叉的溝槽織構，激光打標機的參數如表2 所示。織構參數以間距和深度為變量，間距分別為200、300、400 μm，深度分別為11 μm 和25 μm，寬度為常量78 μm，試件的織構參數及編號如表3 所示，其中S0 為無織構試件。圖1是用Leica-DM6A 顯微系統拍攝的織構化試件表面三維形貌圖，織構深度和溝槽寬度通過剖面線功能測量得到。圖2 是用掃描電鏡觀察的不同間距織構化試件表面形貌圖。激光加工完成后，用丙酮和酒精對試件進行超聲清洗，以消除表面雜質和邊緣凸起對試驗結果的影響。

1.2 摩擦磨損試驗

用往復式小行程微動摩擦磨損試驗機進行試驗，試驗環境為室溫23 ℃，空氣相對濕度為35%，試驗時間為60 min，每組試驗重復3 次。試驗開始前，將組成摩擦副的兩個不銹鋼微絲試件分別固定在圓柱塊和工作臺上，使上下兩根不銹鋼微絲呈60°接觸，如圖3 所示。試驗過程中，摩擦速度為240 mm/min，直線往復行程為0.8 mm，頻率為2.5 Hz，同時記錄摩擦因數與磨損深度值，數據采樣頻率為36 Hz。試驗結束后，根據采集到的離散數據繪制摩擦因數和磨損深度變化曲線，用酒精和丙酮對磨損試件進行二次超聲清洗，去除附著在磨損面上的磨屑。

表1 不銹鋼微絲化學成分 Tab.1 Chemical composition of stainless steel microwires wt%

表2 激光打標機參數 Tab.2 Parameters of laser generator

表3 試件織構參數 Tab.3 Texture parameters of specimens μm

圖1 網狀織構化試件表面三維形貌及剖面線測量結果（織構間距200 μm，深度11 μm） Fig.1 Surface 3D topography and profile measurement result of a reticulate-textured specimen (with a depth of 11 μm and a pitch of 200 μm)

圖2 不同織構間距的網狀織構化試件表面形貌（深度11 μm） Fig.2 Surface morphology of reticulate-textured specimens with pitches of a) 200 μm, b) 300 μm, c) 400 μm (depth of 11 μm)

圖3 摩擦磨損試驗機及試件接觸示意圖 Fig.3 Friction and wear testing machine and specimens contact

2 結果與討論

2.1 織構深度對摩擦因數和磨損深度的影響

圖4 為織構間距為200 μm、寬度為78 μm 的不銹鋼微絲試件，在10 N 載荷下摩擦因數和磨損深度隨織構深度的變化趨勢，其中，織構深度分別11 μm（S1 試件）、25 μm（S4 試件）和無織構（S0 試件）。從圖4 可以看出，磨損試驗初期，三種試件的表面摩擦因數急劇增長，10 min 后進入穩定階段，且在整個 摩擦過程中，三種試件的摩擦因數始終保持 S4＜ S1＜S0 的大小關系（圖4a）。穩定磨損階段，S0、S1和S4 的平均摩擦因數分別為0.88、0.71 和0.63（圖4b）。試驗初期三種試件的磨損深度均快速增長，進入穩定磨損階段后，兩種織構化試件（S1 和S4）的磨損深度逐漸趨于平穩，而無織構試件（S0）的磨損深度則持續快速上升，三種試件的磨損深度同樣保持S4＜S1＜S0 的大小關系（圖4c）。磨損60 min 后，S0、S1 和S4 的平均磨損深度分別為129、42、36 μm（圖4d）。試驗結果顯示，網狀織構化試件與無織構試件相比，摩擦因數和磨損深度均明顯降低；織構深度為25 μm 試件（S4）的摩擦因數和磨損深度比織構深度為11 μm 試件（S1）的更低。可見，對不銹鋼微絲進行表面織構化處理可以顯著提升其耐磨性，在一定范圍內隨著表面織構深度的增加，不銹鋼微絲的摩擦因數和磨損深度減小。

圖4 無織構試件與織構深度11 μm 和25 μm 試件的摩擦因數和磨損深度對比（織構間距200 μm） Fig.4 Frictional coefficient and wear depth comparison of untextured specimens and specimens with depths of 11 μm and 25 μm (and pitches of 200 μm): a) frictional coefficient; b) average frictional coefficient; c) wear depth d) average wear depth

圖5 為S0、S1 和S4 三種試件磨損60 min 后的表面掃描電鏡照片。對比磨痕長度（平行于滑動方向）和寬度（垂直于滑動方向）可以看出，無織構試件（S0）的磨損區域更大（圖5a），其磨損面上有大量不規則的凸起和凹坑，沿滑動方向的磨損痕跡十分明顯（圖5b）。有研究表明，不銹鋼微絲在摩擦磨損過程中產生的碎屑顆粒會附著在磨損面上[18]，與滑動摩擦副形成三體摩擦磨損[8]，在磨損面上留下明顯的磨損痕跡。織構深度為11 μm 試件（S1）的磨損面上沒有沿滑動方向的明顯磨痕（圖5c），取而代之的是大量密集的、不規則的坑洼、隆起和細紋（圖5d），此外還形成了少量平整凸臺，這些凸臺可能是滑動摩擦副磨損過程中的主要支承點。織構深度為25 μm 試件（S4）的磨損面大小與S1 相差不大（圖5e），但磨損面上的不規則隆起更少，細小坑洼和細紋也更少，磨損面相對平整（圖5f）。S1 試件與S4 試件在摩擦磨損性能上的不同，可歸因于織構溝槽和激光熱處理的共同作用。織構溝槽的作用在于收集摩擦磨損過程中產生的磨屑顆粒以減小磨損，同時有效地保護摩擦接觸表面以減小摩擦，由于S4 試件的織構溝槽深度更深，溝槽對接觸表面起保護作用的時間更長，收集磨屑顆粒的能力也更強[19-20]，即：S4 試件在摩擦磨損過程中可以使更多的磨粒掉入溝槽中，從而更好地保護滑動摩擦副的接觸效果，更有效地減小摩擦因數和磨損深度。而激光熱處理的作用在于使溝槽表面形成硬質層，高硬度的硬質層具有良好的耐磨性，且對微絲表面未經激光加工的區域具有一定的保護能力[13,21-22]。由于激光在S4 試件表面的掃描次數比S1 試件更多，S4 試件接受了更多的激光能量和更長時間的熱處理，試件表面形成了硬度更高的硬質層，具有更好的耐磨性，更有效地減小了磨損深度。

圖5 試件S0、S1 和S4 的磨損表面形貌 Fig.5 Surface morphology of specimens S0, S1 and S4 after wear: a) low magnification; b) high magnification of S0; c) low magnification; d) high magnification of S1 e) low magnification; f) high magnification of S4

2.2 織構間距對摩擦因數和磨損深度的影響

圖6 為織構寬度為78 μm 的不銹鋼微絲，在10 N載荷下摩擦因數和磨損深度隨織構間距的變化趨勢，其中，織構間距-織構深度分別為200 μm-11 μm（S1試件）、300 μm-11 μm（S2 試件）、400 μm-11 μm（S3試件）、200 μm-25 μm（S4 試件）、300 μm-25 μm（S5試件）和400 μm-25 μm（S6 試件）。由圖6 可知，試驗過程中試件摩擦因數的變化趨勢基本相同，即在試驗初始階段增長較快，試驗10 min 進入穩定磨損階段后逐漸趨于平緩（圖6a、6b）。進入穩定磨損階段后，織構深度為11 μm 的試件S1、S2 和S3 的平均摩擦因數數值相近，分別為0.72、0.70 和0.71；織構深度為25 μm 的試件S4、S5 和S6 的平均摩擦因數數值也相近，數值分別為0.63、0.62 和0.62（圖6c），但均低于織構深度為11 μm 的試件。試驗過程中，六種試件的磨損深度也有著相似的變化，進入穩定磨損階段后，磨損深度的增長速度較試驗初期明顯降低（圖6d、6e）。摩擦磨損60 min 后，織構深度為11 μm的試件S1、S2 和S3 的平均磨損深度分別為41.6、42.9、42.2 μm，織構深度為25 μm 的試件S4、S5 和S6 的平均磨損深度分別為36.2、36.4、37.9 μm，均低于織構深度為11 μm 的試件（圖6f）。進一步說明，在一定范圍內隨著表面織構深度的增加，不銹鋼微絲的摩擦因數和磨損深度減小。

對比圖6c 和圖6f 可知，在11 μm 和25 μm 織構深度單一水平下，200～400 μm 范圍內織構間距的變化對不銹鋼微絲表面的摩擦因數和磨損深度影響不大，但織構深度與織構間距兩因素之間存在協同作用，對不銹鋼微絲的摩擦磨損性能存在細微影響。如圖6f 所示，織構深度由11 μm 增加到25 μm 時，織構間距為200 μm 的試件S1 比S4 的平均磨損深度減小了5.4 μm，織構間距為300 μm 的試件S2 比S5 減小了6.5 μm，而織構間距為400 μm 的試件S3 比S6只減小了4.3 μm，可見織構間距與織構深度對磨損深度存在協同作用。而在平均摩擦因數的變化上，織構深度由11 μm 增加到25 μm 時，間距為200 μm 的試件S1 比S4 減小了0.09，間距為300 μm 的試件S2比S5 減小了0.08，間距為400 μm 的試件S3 比S6減小了0.09，三種間距的試件在平均摩擦因數的減小量上相差不大（圖6c），可見織構間距與織構深度對微絲摩擦因數的協同影響比較細微。不同的織構間距與織構深度會在不銹鋼微絲表面形成不同的空間結構，空間結構的改變對摩擦磨損行為產生影響，從而得到不同的摩擦因數和磨損深度，以上結果的產生原因需要對織構間距與織構深度的協同影響機理做進一步的研究與分析。

圖6 織構間距200、300、400 μm，織構深度11、25 μm 的網狀織構化試件摩擦因數和磨損深度對比 Fig.6 Frictional coefficient and wear depth comparison of reticulate-textured specimens with texture pitches of 200 μm, 300 μm, 400 μm and texture depths of 11 μm, 25 μm: a) frictional coefficient of 11 μm specimen; b) frictional coefficient of 25 μm specimen; c) average frictional coefficient; d) wear depth of 11 μm specimen; e) wear depth of 25 μm specimen; f) average wear depth.

圖7 是S2 和S3 試件磨損60 min 后的表面掃描電鏡照片。可以看出，S2 試件磨損面沒有明顯的沿滑動方向的磨痕（圖7a），但磨損面上的不規則坑洼和隆起非常明顯，同時伴有少量細紋（圖7b），這與S1（圖5c）十分相似。與S1 和S2 不同，在S3 試件的磨損面上可以清楚地觀察到沿滑動方向的磨損痕跡（圖7c），這些磨痕是由磨料對試件表面的犁削作用導致的，這類磨料磨損對摩擦因數的影響不大，但往往會加劇磨損。然而從試驗結果看，S3 試件的磨損深度與S1 和S2 相差不大，這是由于磨料磨損區域占整個磨損面的面積比較小，摩擦接觸點的離散性[11]減小了磨料磨損區域對整體磨損面的影響。此外，S3試件的磨損面上同樣分布著不規則的坑洼、隆起和細紋，磨損面凹凸不平（圖7d）。有研究表明，粘著磨損會導致試件表面發生材料遷移，從而形成凹凸不平、不規則的磨損形貌，這種情況在干摩擦下的鋼-鋼對磨過程中十分常見[11]。

圖7 試件S2、S3 的磨損表面形貌 Fig.7 Wear surface morphology of S2 and S3: a) low magnification of S2; b) high magnification of S2; c) low magnification of S3; d) high magnification of S3

2.3 載荷對網狀織構摩擦因數及磨損深度的影響

圖8 為織構深度、寬度和間距分別為11、78、200 μm 的不銹鋼微絲試件（S1）的摩擦因數和磨損深度隨載荷的變化趨勢，其中載荷為10、15、20 N。可以看出，整體而言，S1 試件在10、15、20 N 載荷下的摩擦因數變化趨勢相差不大；10 N 載荷下的試件的表面摩擦因數在試驗開始階段較小，但上升速度更快；進入穩定磨階段后，試件在三種載荷下的摩擦因數均趨于平穩（圖8a）。磨損60 min 后，三種載荷下試件表面的平均摩擦因數都穩定在0.70～0.72 之間（圖8b）。由此可見，一定范圍內載荷的變化對不銹鋼微絲表面的摩擦因數無顯著影響。磨損過程中，試件的磨損深度先快速增加后趨于平穩，增長速度逐漸變慢（圖8c）。磨損60 min 后，10、15、20 N 載荷下試件的磨損深度分別為 41.4、55.1、76.3 μm （圖8d），可見不銹鋼微絲的磨損深度會隨著接觸載荷的增大而增大。

圖9 是掃描電鏡下觀察的15 N 和20 N 載荷下的試件磨損后表面形貌。由試件表面的磨痕長度（平行于滑動方向）和寬度（垂直于滑動方向）可以計算得出，試件在20 N 載荷下（圖9c）的磨痕面積（6.81× 104μm2）比15 N 載荷下（圖9a）的（5.66×104μm2）更大，磨損面積大小與磨損深度大小相對應。對比10 N 載荷下的試件磨損面（圖5d），15 N 載荷下的試件磨損面上出現了明顯的沿滑動方向的磨損凹痕（圖9b），20 N 載荷下的試件磨損面上的凹坑和細紋增多（圖9d）。這是因為接觸載荷的增大更易導致粘著磨損，使磨損表面出現明顯的材料遷移，從而加劇磨損。

圖8 10、15、20 N 載荷下的織構化試件摩擦因數與磨損深度對比 Fig.8 Frictional coefficient and wear depth comparison of textured specimens under loads of 10 N, 15 N and 20 N: frictional coefficient; b) average frictional coefficient; c) wear depth; d) average wear depth

圖9 15 N 和20 N 載荷下試件的磨損表面形貌 Fig.9 Wear surface morphology of specimens under loads of 15 N and 20 N: a) low magnification of 15 N specimen; b) high magnification of 15 N specimen; c) low magnification of 20 N specimen; d) high magnification of 20 N specimen

3 結論

1）網狀織構化試件的表面摩擦因數和磨損深度較無織構試件更小，對不銹鋼微絲表面進行網狀織構化處理可以顯著改善其摩擦磨損性能。

2）試件表面的織構深度越深，摩擦因數和磨損深度越小，在一定范圍內增加織構深度可以提高不銹鋼微絲表面的耐磨性。

3）隨著試件表面織構間距的減小，摩擦因數和磨損深度變化不大，一定范圍內織構間距的變化對不銹鋼微絲的摩擦磨損性能無顯著影響。

4）織構間距與織構深度對不銹鋼微絲的摩擦磨損性能具有細微的協同影響。

5）不銹鋼微絲的磨損深度與外載荷呈正相關，載荷大小對微絲摩擦因數的影響不大。