織構角度對Sn-Al 2O3/STS 摩擦學性能與磨損機理的影響

張宸華，陳 陽，林海波*，楊 慷

（1.四川輕化工大學 機械工程學院，四川 自貢 643000；2.安陽工學院 機械工程學院，河南 安陽 455000）

鎢鋼（TS）由于其在高溫下的高彈性模量、低熱膨脹系數及其優異的抗彎強度和沖擊韌性[1-2]，被廣泛應用于模具、切削刀具、無屑金屬加工工具和耐磨結構零件，在建筑、礦冶、軍事、機械和航空航天等領域中作為耐磨零件發揮著重要作用[3-4]。我國鎢鋼產量占世界總產量的40%以上，但其銷售收入不足全球的20%，這主要是由于高性能鎢鋼、高精度耐磨鎢鋼、超硬鎢鋼和精密鎢鋼數控刀具等高附加值產品種類較少、科研基礎薄弱[5-6]。隨著中國制造產業的急速發展，機械零部件切削加工的工藝精度要求不斷提高，鋼鐵、交通和建筑等領域對高性能耐磨鎢鋼的需求也愈發旺盛。

近年來，利用激光表面織構化技術增強材料表面的摩擦學性能已成為摩擦學領域的研究熱點之一[7-8]。Hamilton 等[9]早在20 世紀中期就提出了不規則的表面織構來改善材料的摩擦學性能，并通過摩擦試驗證明了這些表面織構結構起到流體動壓潤滑的作用，從而使摩擦系數降低，摩擦副的抗磨能力增強。現今對固體自潤滑的關注，加速了對具有減摩抗磨作用的表面微結構的探索。在干摩擦條件下，表面織構有助于減少實際接觸面積并捕獲磨損碎屑，從而抑制磨損帶來的表面破壞，其對磨屑的存儲作用激發了研究人員的思考，填充固體潤滑劑的摩擦微結構成為摩擦學研究新的方向。迄今為止，各種形式的表面微結構與固體潤滑劑協同潤滑機制已經被大量探索，以實現運動部件所需的減摩和抗磨優化[10-12]。

本文通過ANSYS 有限元仿真模擬建立摩擦表面應力應變分析模型，根據模型數值計算結果設計表面織構角度等參數，研究織構參數對摩擦界面織構力學性能的影響；運用場發射掃描電鏡（FESEM）、3D 表面形貌儀表征磨痕表面和斷面形貌；利用能譜儀（EDS）分析在摩擦磨損過程中Sn-Al2O3/STS 表面物質成分。根據獲得的磨痕形貌和物質成分研究織構角度（30°、45°、60°、75°和90°）對Sn-Al2O3/STS 摩擦學性能的影響，并進一步分析其磨損機理。

1 試驗

1.1 試樣制備

本文利用臺式高速振動混料機（MSK-SFM-3）對高純度錫粉和三氧化二鋁混合物（質量分數比為98∶2）振動混料以制備Sn-Al2O3/STS 試樣，振動時間為30 min。采用激光打標加工設備（CT-MF30）在鎢鋼表面制備魚鱗狀微凹槽織構，其槽寬度與深度均為0.6 mm，制備角度分別為30°、45°、60°、75°和90°（參數為激光頻率30 kHz、波長1 064 nm、功率90%、速度400 mm/s、開光延時0 μs、關光延時300 μs、結束延時200 μs 和拐角延時100 μs）。

1.2 摩擦磨損試驗

在室溫條件下，利用球-盤式摩擦磨損試驗機對Sn-Al2O3/STS 摩擦磨損性能進行測試。

在不同載荷（10～30 N）和滑動頻率（2～6 Hz）下，進行往復式摩擦磨損測試，時長為60 min。對磨球為3.00 mm 的Si3N4球，用專業測試軟件實時測量并自動記錄摩擦系數。

試樣磨損率按照公式（1）和公式（2）計算。

式中：ΔV 為磨損體積，mm3；A 為磨痕的橫截面積；b′為磨痕長度，m；W 為磨損率，m3/Nm；F 為載荷，N；L 為時間t 內的摩擦路程，m；b 為往復行程，m；f 為往復頻率，Hz；t 為摩擦時間，s。試樣磨痕的橫截面形狀近似于三角形，因此通過三角形法則近似計算磨痕橫截面的面積；將公式（1）計算出的磨損體積ΔV 帶入公式（2），即可得出試樣磨損率W。

2 結果與分析

2.1 織構角度對材料應力和變形的影響

在初步設定槽寬為0.6 mm，槽深為0.6 mm 的前提下，以TS 基體魚鱗狀表面織構間的夾角θ 作為變量，設定值分別為30°、45°、60°、75°與90°。通過模擬仿真得到不同織構角度STS 的應力應變分布云圖，可知STS 材料摩擦表面受應力和應變最為集中的區域與表面織構的角度變化無關，始終位于織構邊緣。

為更精確了解STS 表面織構不同部位的應力應變變化趨勢，計算不同織構角度下的STS 沿X0X1和Y0Y1路徑方向的等效應力和形變數值，如圖1 所示。圖1（a）為不同織構角度下STS 沿X0X1的等效應力變化。在X0X1方向上，θ=90°時，STS 在路徑X0X1路徑上的等效應力值最大。圖1（b）展示了不同織構角度下STS 沿Y0Y1的等效應力變化狀態。如圖1（b）所示，θ=90°的STS 在路徑Y0Y1上呈現出最大的等效應力。

圖1（c）為不同織構角度下STS 沿Y0Y1方向的變形量。圖1（c）表明，在不同織構角度下，隨著離摩擦表面距離的不斷增大，材料形變均呈現出沿著Y0Y1方向逐漸減小的趨勢，且隨著角度的增加，STS 沿Y0Y1的方向變形呈現出不斷上升的趨勢。分析表明，在10 N 的載荷下，當表面織構的角度為90°時，STS 應力和變形值均為最大。

圖1 不同織構角度下STS 應力和變形

基于上述模擬仿真結果，在表面織構的寬度為0.6 mm 和深度為0.6 mm 的情況下，STS 材料的機械性能隨著織構的角度的變化而不同，這也影響了材料的摩擦學性能。當θ=30°和45°時，STS 在織構邊緣呈現出較小的應力和變形，隨著織構角度的增加，STS 織構邊緣的材料變形呈現出逐漸遞增的趨勢，這一變化趨勢與STS 摩擦學性能之間的聯系仍需探索。因此，為研究織構角度參數對STS 材料摩擦磨損性能的影響，本文設計寬度和深度均設為0.6 mm 的魚鱗狀表面織構，角度分別為30°、45°、60°、75°與90°。

2.2 織構角度對Sn-Al2O3/STS 摩擦學性能的影響

圖2 展示了不同表面織構Sn-Al2O3/STS 的平均摩擦系數和磨損率，以及不同表面織構Sn-Al2O3/STS 的摩擦系數隨著時間變化的曲線。如圖2（a）所示，當載荷為20 N、滑動頻率為4 Hz 和對磨球為Si3N4球時，TS的平均摩擦系數和磨損率為0.49 和8.36×10-13m3/Nm。與TS 相比，不同表面織構的Sn-Al2O3/STS 的平均摩擦系數和磨損率均有所降低，且總體上的降幅隨著織構角度的增大也不斷增大，而Sn-Al2O3/STS-90°表現出了最低的平均摩擦系數（0.13）和磨損率（1.21×10-13m3/Nm），分別降低了約73.5%和85.5%。

圖2（b）提供了TS 和不同表面織構Sn-Al2O3/STS的摩擦系數隨著時間變化的曲線。如圖2 所示，TS 和Sn-Al2O3/STS 的摩擦系數隨時間變化的曲線都經歷了快速上升階段（I）、快速波動階段（II）和穩定波動階段（III）3 個階段。

圖2 Sn-Al2O3/STS 的平均摩擦系數和磨損率及瞬時摩擦系數

結果表明，在不同的織構角度參數中，當工況條件為載荷為20 N、滑動頻率為4 Hz，與Si3N4球摩擦時，90°的Sn-Al2O3/STS 擁有最好的平均摩擦系數和磨損率。

2.3 不同表面織構Sn-Al2O3/STS 的磨損機理分析

為分析表面織構角度參數在減摩抗磨中的作用機理，本節通過場發射電鏡表征了在摩擦磨損測試后不同角度參數Sn-Al2O3/STS 的織構表面磨痕形貌。

圖3 顯示了不同角度參數的Sn-Al2O3/STS 的織構表面磨痕形貌。由圖3 可知，當載荷為20 N、滑動頻率為4 Hz、對磨球為Si3N4球和對磨時間為60 min 時，不同角度參數導致Sn-Al2O3/STS 的織構表面磨痕形貌具有顯著的差異。

圖3（a）和3（b）為Sn-Al2O3/STS-30°和Sn-Al2O3/STS-45°的織構表面磨痕形貌。從圖3（a）和3（b）可看出，在織構角度為30°和45°時，試樣磨痕表面均存在大面積的表面剝落，這說明樣品30°和45°的Sn-Al2O3/STS 主要磨損機制均為疲勞磨損。

圖3 不同角度參數Sn-Al2O3/STS 的織構表面磨痕形貌

圖3（c）為20 N 載荷下Sn-Al2O3/STS-60°的織構表面磨痕形貌。從圖3（c）可以看出，相比于圖3（a）和3（b），Sn-Al2O3/STS-60°的磨痕表面不僅存在表面剝落，而且出現了凹坑?？棙嬛械纳倭康墓腆w潤滑劑Sn被變形的織構擠出溝槽為其提供了潤滑作用，這也導致相比于30°和45°，Sn-Al2O3/STS-60°的摩擦系數與磨損率有所降低。

圖3（d）提供了Sn-Al2O3/STS-75°的織構表面磨痕形貌。隨著織構角度增加到75°，織構邊緣的基體材料在應力的作用下變形程度增大，導致更多的固體潤滑劑從溝槽中被擠出，遷移到摩擦表面提供更好的潤滑作用，因此Sn-Al2O3/STS-75°的磨損率相比于Sn-Al2O3/STS-60°略有上升，如圖2（a）所示。

圖3（e）為Sn-Al2O3/STS-90°的織構表面磨痕形貌。由于材料邊緣在應力的作用下變形較為嚴重，導致大量固體潤滑劑Sn-Al2O3從織構中擠出，快速遷移到摩擦表面并發生塑性變形，鋪展形成潤滑膜，為Sn-Al2O3/STS-90°提供出色的潤滑作用，導致試樣擁有相對較低的摩擦系數和磨損率。

3 結論

本文采用寬度與深度均為0.6 mm、不同角度參數的魚鱗狀表面織構，結合激光打標技術和熔滲工藝制備表面織構中填充固體潤滑劑的Sn-Al2O3/STS 自潤滑材料進行摩擦磨損試驗與分析以研究不同織構角度（30°、45°、60°、75°與90°）對摩擦學性能的影響，獲得以下結論。

1）當載荷為20 N、滑動頻率為4 Hz、對磨球為Si3N4球時，TS 的平均摩擦系數和磨損率為0.49 和8.36×10-13m3/Nm。與TS 相比，不同表面織構的Sn-Al2O3/STS 的平均摩擦系數和磨損率均有所降低，且總體上隨著織構角度的增大降幅也不斷增大。

2）在荷載為20 N、滑動頻率為4 Hz 的工況下，在應力的作用下Sn-Al2O3/STS-90°織構邊緣材料有較為嚴重的變形，導致從織構中擠出大量固體潤滑劑Sn-Al2O3并快速遷移到摩擦表面鋪展形成潤滑膜，為摩擦界面提供了出色的潤滑作用，Sn-Al2O3/STS-90°織構邊緣材料由此獲得最佳的摩擦學性能，其平均摩擦系數（0.13）和磨損率（1.21×10-13m3N-1m-1）比TS 分別降低了約73.5%和85.5%。