SLM-316L細絲脂潤滑摩擦磨損性能

黃明吉，韓建磊，董秀萍

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，順德 528300 3) 北京工商大學材料與機械工程學院，北京100048

金屬橡膠是由金屬絲空間相互勾聯而形成的一種勻質多孔材料，能可靠地工作在高低溫、酸腐蝕、油污染、鹽霧、強輻射等惡劣環境中. 在發揮減振、隔振功能時，其本質上是內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金屬絲螺旋、編織、卷繞、加壓成型制備而成，成形工藝復雜，難以成形形狀復雜的金屬橡膠[3].

選擇性激光熔融(Selective laser melting，SLM)技術具有成型復雜、多種材料、多功能梯度、多尺度構件的技術優勢，廣泛應用于實際工程中[4-5].316L不銹鋼由于其具有良好的韌性和耐蝕性成為SLM技術最常用的材料之一[6]. 國內外學者已經對SLM制件的摩擦性能做了相關研究. Sander等對比了用SLM技術和常規鑄造制備的FeCrMoVC工具鋼零件的力學性能和摩擦磨損性能，實驗得出與傳統鑄造零件相比，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不銹鋼零件在潤滑接觸條件下的摩擦磨損性能，研究得出SLM樣品的晶粒遠比傳統制造樣品的晶粒細小，使其擁有更強的抗磨損性能，同時由于其表面的孔隙結構引起的潤滑改善，多孔SLM樣品的摩擦系數更低[8]. 對于表面孔隙結構改善潤滑的現象，Huang等認為具有孔隙的表面類似于表面織構，可以通過空化和吸力效應產生額外動力壓力，及時捕獲磨損碎片等機制減少了摩擦磨損[9]. Li等研究表明表面織構能夠增加承載能力，改善潤滑對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卻能作為天然織構顯著改善材料的摩擦磨損性能. 有學者在工藝參數對SLM-316L成型質量的影響方面做了充分的研究. 黃明吉等實驗得出改變掃描間距和能量密度會直接影響成形試樣的表面粗糙度、孔隙率[11]. Zhang等研究表明表面質量取決于激光功率和掃描速度[12].

本文基于SLM技術能夠制備形狀復雜零件、制件特殊的表面孔隙結構對摩擦磨損性能的改善和優于常規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細絲制備工藝參數[13]，制備出表面質量良好的金屬絲. 針對金屬橡膠脂潤滑的使用工況，研究SLM-316L細絲在脂潤滑條件下的摩擦磨損性能，探索其在脂潤滑條件下載荷(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因子對其摩擦系數和磨損率的影響規律，并深入分析其磨損機制，為提高SLM制備的金屬橡膠的使用壽命提供參考.

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗采用SLM技術，通過金屬3D打印機EPM100T對氣霧化316L奧氏體不銹鋼粉末進行加工，316L奧氏體不銹鋼粉末的參數見文獻[13]. 打印機配有波長為1030 nm的光纖激光器，能夠形成 φ50 μm 的光斑，打印環境氧氣量≤1000 mg·L-1.

采用分區棋盤掃描策略，打印工藝參數最優值如表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Table 1 Process parameters of selective laser melting (SLM)

1.2 摩擦磨損試驗

采用自制的往復式摩擦磨損試驗機進行試驗，如圖1所示，將兩根SLM-316L細絲分別固定在上、下工作臺，使其呈90°放置. 本試驗在室溫條件下進行，潤滑脂采用XY-2固體潤滑脂，可以附著在細絲表面不流失. 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，不同試驗條件下的Fv值如表2所示. 試驗時間為60 min，得到不同條件下摩擦系數和磨損深度隨時間變化的曲線，并用磨損深度曲線30 min后的斜率表示材料的磨損率. 每組試驗重復3次. 試驗完成后為徹底去除SLM-316L細絲接觸表面因摩擦試驗所產生的磨屑，用超聲波對所有細絲清洗15 min. 采用掃描電鏡(Scanning electron microscope,SEM)對試件表面磨痕形貌進行測試，用能譜儀（Energy dispersive spectrometer, EDS）檢測摩擦表面元素種類與原子分數，以分析SLM-316L細絲的磨損機制. 圖2為SLM-316L細絲未摩擦的表面能譜數據圖，由圖可知，未摩擦的SLM-316L細絲表面氧元素的原子分數約為22.2%.

圖1 摩擦磨損試驗機及接觸示意圖Fig.1 Friction and wear testing machine and schematic of contact

圖2 未摩擦細絲能譜數據圖Fig.2 EDS energy spectrum data graph of an un-rubbed filament

2 試驗結果及分析

2.1 載荷對細絲摩擦磨損性能的影響

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

圖3 不同載荷下的摩擦參數圖. （a）摩擦系數；（b）磨損深度；（c）摩擦系數的穩定值和磨損率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，當載荷為10和15 N時，摩擦系數均在前5 min內快速增大，而載荷為5 N時摩擦系數增長比較平緩. 這是由于當載荷較大時（10和15 N），細絲表面的微結構發生塑性變形，使得實際接觸面積增加，從而導致摩擦系數快速增大[14]. 當載荷較小時（5 N），接觸壓力不足以使細絲表面結構發生塑性變形，只有表面微結構凸起部分點接觸，實際接觸的面積很小，因此摩擦初始階段摩擦系數增長緩慢. 隨著摩擦試驗的進行，由于摩擦生熱導致細絲摩擦副之間溫度上升，使得固體潤滑脂的黏度逐漸下降，其局部剪切應力降低，對細絲之間相對滑動的阻力減小，同時附著在細絲周圍的固體潤滑脂能夠及時進入摩擦副，使得細絲摩擦副之間充分潤滑，從而導致摩擦系數逐漸降低，直至穩定在某一數值[15]. 從3種不同載荷試驗的穩定摩擦系數對比來看（圖3（c）），摩擦系數隨載荷的增大而減小，載荷為5 N時摩擦系數最大，穩定在0.52左右，當載荷為10 N時摩擦系數下降約30%.

圖3（b）為不同載荷下磨損深度隨時間變化的曲線，可以看出，在0～5 min內，磨損深度均快速增加，隨著摩擦試驗的進行，磨損深度增長變緩且呈現線性增長趨勢，磨損率基本趨于穩定，這是因為在摩擦初期，上下細絲表面突出的顆粒磨損導致材料磨損率較大，隨著摩擦的進行，摩擦表面逐漸增大，接觸面積逐漸穩定，在界面處產生均勻摩擦，從而磨損率降低[16]. 對比3種載荷條件下穩定階段對應的磨損率，如圖3（c）所示，磨損率在載荷為10 N時最小，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絲磨損后的表面形貌圖、局部放大圖及對應的能譜數據. 由圖4（a）看出，在試件表面有與摩擦方向一致的犁溝，基本沒有磨屑，氧元素的原子分數比較未摩擦SLM-316L細絲變化不大，這是由于當載荷較小時，上下細絲摩擦表面接觸力度不夠，導致細絲之間實際接觸面積小，細絲之間間隙較大，潤滑膜較厚，同時由于摩擦引起的溫升較小，潤滑脂的黏度較高，對細絲之間相對滑動的阻力較大[17]. 摩擦產生的磨屑能夠及時被潤滑膜帶走，防止磨粒進一步磨損試件，因此磨損深度較小，無磨屑且無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，使得細絲表面發生塑性變形，表面的孔隙結構變小，摩擦副之間潤滑膜厚度逐漸減小，使得潤滑膜產生的阻力降低[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，氧元素的原子分數高于未摩擦SLM-316L細絲，其磨損機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據，試件表面有輕微的磨痕和大量的點蝕痕跡，摩擦系數的波動可能是磨粒與摩擦層局部斷裂相互作用的結果，氧元素的原子分數明顯高于未摩擦SLM-316L細絲，其磨損機制為疲勞磨損和氧化磨損，其原因是當摩擦副承受的載荷較大時，上下細絲之間相對滑動時產生的熱量能夠快速地使潤滑膜黏度減小，形成穩定的潤滑膜，從而使得潤滑脂產生的摩擦阻力大幅減小，起到減摩抗磨的作用. 同時由于摩擦生熱會加劇摩擦表面氧化，生成一層氧化膜，同樣能夠起到薄膜潤滑的作用，但會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 摩擦速度對摩擦磨損性能的影響

圖5是載荷為10 N條件下細絲的摩擦系數和磨損深度與摩擦速度的關系.

圖5 不同速度下的摩擦參數圖. （a）摩擦系數；（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隨時間變化的曲線均是先快速增大到最大值，然后逐漸減小，直至達到穩定的摩擦系數. 在試驗開始0～20 min內，摩擦系數曲線震蕩劇烈，隨著試驗時間增加，摩擦系數曲線逐漸趨于穩定，在穩定值附近上下波動. 磨損深度曲線在0～5 min內均急劇增加，隨著試驗時間增加，磨損深度增長逐漸變緩. 試驗進行30 min后磨損深度基本呈現線性增長趨勢，磨損率基本趨于穩定（圖5（b））. 摩擦速度對摩擦系數、磨損深度和磨損率的影響沒有明顯規律，圖6為摩擦系數的穩定值和不同摩擦速度對應的磨損率柱狀圖，可以看出，摩擦系數和磨損率均隨速度的增大呈先升后降的趨勢. 當摩擦速度為120和180 mm·min-1時，摩擦系數曲線隨時間振蕩幅度較大，這是因為此時摩擦速度太低無法形成流體動力膜提供額外的流體動力升力，導致承載能力降低，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處于較高水平. 當摩擦速度為180 mm·min-1時摩擦系數和磨損率均最大，摩擦系數最大約為0.39，磨損率最大約為0.1316，其磨損率遠遠超過其它3種速度. 當摩擦速度為240和300 mm·min-1時，細絲磨損率最小并且基本相同，較最大磨損率下降超過56%，但摩擦速度為240 mm·min-1時摩擦系數比300 mm·min-1時提高了33%，僅比180 mm·min-1時的最大摩擦系數降低9%. 因此，SLM-316L細絲在摩擦速度240 mm·min-1條件下能夠保證磨損率較小的同時保持較高的摩擦系數，使摩擦磨損性能最優.

圖6 不同速度下摩擦系數穩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絲磨損后的表面形貌圖、局部放大圖及對應的EDS能譜數據. 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蝕痕跡，其氧元素的原子百分比明顯高于未摩擦SLM-316L細絲，主要磨損機制為疲勞磨損、氧化磨損和輕微的磨粒磨損，當摩擦速度處于低速時，脂膜厚度隨著摩擦速度的增加逐漸減小[22]，潤滑膜受到的剪切力逐漸增大，此時需要不斷有潤滑脂的供應，但由于這一階段摩擦生熱較少，潤滑膜的溫度較低，使得潤滑脂的粘性較大，流動性較差，潤滑脂供應不足，潤滑膜破裂，導致上下細絲直接接觸，無法起到隔離上下試件摩擦的作用，發生氧化磨損[23]，同時由于低速摩擦，潤滑膜無法及時將磨粒帶走，導致磨粒繼續磨損試件表面，因此出現少量磨粒磨損痕跡，這兩種摩擦速度下細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細絲，因此主要磨損機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，潤滑膜溫度升高，黏性降低，同時潤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滑膜能夠及時供應，從而形成穩定的潤滑膜，帶走摩擦產生的磨粒防止進一步磨損試件表面[24-25]. 同時，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滑的作用，從而減小摩擦系數，Zhu等的研究中也觀察到了類似的現象，他們認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細絲變化不大，這是因為該條件下周圍的潤滑脂循環更快，能夠及時將磨粒帶走，避免磨粒進一步磨損試件，同時帶走大量摩擦產生的熱量，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因子對摩擦系數和磨損率的影響

圖8是摩擦系數、磨損率隨Fv變化的柱狀圖. 由圖可以看出，隨著Fv值的增大，摩擦系數呈下降趨勢，在Fv值為0.02 N·m·s-1時摩擦系數最大為0.4232. 而磨損率呈先升后降再升的變化趨勢.當 Fv值為 0.02 N·m·s-1時磨損率較小，為 0.0831.當Fv值為0.04 N·m·s-1時磨損率第二次達到極小值，為 0.0575，與 Fv值為 0.05 N·m·s-1時的磨損率0.0579幾乎相等. 綜合摩擦系數和磨損率對比分析，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 數比 Fv值為 0.02 N·m·s-1的摩擦系數減小約16%，而磨損率減小約31%，因此，該SLM-316L細絲最理想的使用工況為Fv等于 0.04 N·m·s-1時，即載荷 10 N，摩擦速度240 mm·min-1.

圖8 不同Fv下摩擦系數穩定值和磨損率變化趨勢圖Fig.8 Stable value of the friction coefficient and wear rate at different Fv values

3 結論

（1）脂潤滑條件下，SLM-316L細絲的摩擦系數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，當載荷為10 N時，磨損率最小為0.0575.

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

（3）SLM-316L細絲在低載荷下磨損機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. SLM-316L細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.