304不銹鋼表面離散圓形凹坑液相輔助激光制備及摩擦性能*

楊 輝 翟帥杰 胡藝坤 逄明華 馬利杰

(河南科技學院機電學院 河南新鄉(xiāng) 453003)

304不銹鋼作為一種常見的金屬材料，因其具有良好的加工性能和可焊性，被廣泛應用于生產(chǎn)、生活當中。然而該材料因強度及硬度低、耐磨性能差等問題，制約了其進一步發(fā)展與應用[1-3]。

目前，通過表面織構(gòu)技術來改善固體表面性能已被廣大學者所認同。表面織構(gòu)技術是指通過在固體表面制備出微/納織構(gòu)形貌，以達到改善固體表面性能的目的[4-6]。現(xiàn)有的織構(gòu)加工技術主要有激光、電火花及電沉積等。LI等[7]采用電刷鍍和激光加工相結(jié)合的方法，在鋁合金表面制備出均勻溝槽、微突起和微顆粒覆蓋的形貌，研究表明：該表面形貌具有良好的自清潔功能，接觸角達到156.3°。ZHANG等[8]使用皮秒激光加工技術和超精密金剛石切削加工技術在304不銹鋼表面制備出方形和正弦形表面織構(gòu)，摩擦學試驗表明：織構(gòu)可以有效地降低摩擦磨損。SUN等[9]利用電化學刻蝕的方法以中性電解液為介質(zhì)在304不銹鋼表面制備出微觀結(jié)構(gòu)，研究表明：加工后的試件表面接觸角達到了166°，實現(xiàn)了防結(jié)冰性能和自清潔性能。

激光加工具有效率好、重復性好等優(yōu)點，因此被廣泛應用于織構(gòu)加工。LI等[10]為提高金屬橡膠微絲的耐磨性和使用壽命，使用LQL-F20A激光打標機在316L不銹鋼微絲表面制備了等間距、致密排列的環(huán)形槽陣列，摩擦學試驗表明，織構(gòu)可以明顯改善微絲的磨損性能，提高微絲的耐摩性，降低其摩擦因數(shù)。毛亞洲等[11]通過摩擦試驗對以空氣為介質(zhì)激光加工制備的表面織構(gòu)動壓滑動軸承摩擦學特性進行了探究，研究發(fā)現(xiàn)織構(gòu)表面C、O 2種元素含量增大，表面出現(xiàn)硬化現(xiàn)象，摩擦學試驗表明織構(gòu)化后的動壓滑動軸承磨損性能明顯提高。劉澤宇等[12]利用光纖激光器在陶瓷刀具表面加工出不同類型的表面織構(gòu)，通過摩擦學試驗和有限元仿真驗證了織構(gòu)可降低刀具表面摩擦因數(shù)、提高耐磨性。

激光加工表面織構(gòu)可以提高固體表面的摩擦學性能，但激光加工本質(zhì)為激光光束與固體表面材料的熱耦合作用，因此容易出現(xiàn)熱梯度大、冷卻速度快、熔液飛濺過大等問題，單純的空氣加工容易出現(xiàn)氧化重鑄、毛刺等現(xiàn)象[13-14]。針對于上述問題，近些年學者們提出了液相輔助激光加工技術。液相輔助激光加工技術是指將工件置于溶液中，通過激光高能光束及固-液界面氣化的耦合效應，在固體表面制備所需的微觀形貌，調(diào)控表、界面性能，并且可以有效地降低激光加工過程中的熱影響，提高加工質(zhì)量。BYRAM等[15]采用飛秒激光加工技術，以蒸餾水為介質(zhì)在鐵基體表面制備了波紋狀納米織構(gòu)，證明了液相輔助激光加工的可行性。LI等[16]采用蔗糖溶液輔助飛秒激光的加工方法，在鎳表面制備仿魚鱗結(jié)構(gòu)三維織構(gòu)，得到超親水性、超親油性、水下超疏油性的三維表面。采用高功率長脈沖激光加工鎳基合金時會使其孔壁表面出現(xiàn)較厚的重鑄層，并產(chǎn)生大量的微裂紋，針對這一問題，ZHAI等[17]在空氣、水環(huán)境、空氣/水環(huán)境3種加工工況下進行了激光加工研究，通過分析不同工況下孔的深度、直徑及其能譜，結(jié)果表明：水環(huán)境下激光誘導會產(chǎn)生一定量的氣泡，會對工件表面及其孔徑內(nèi)壁產(chǎn)生沖擊和崩潰，提高了加工效率，而且改善了工件的加工質(zhì)量。

然而目前關于304不銹鋼表面的液相輔助激光加工研究較少，加工得到的表面織構(gòu)形貌、潤濕性、耐腐蝕性及摩擦特性尚不清晰。因此，為進一步地拓寬304不銹鋼的應用領域，本文作者利用液相輔助激光在304不銹鋼表面制備離散型圓形凹坑織構(gòu)，探討了織構(gòu)試樣的摩擦學性能。

1 試驗部分

1.1 表面織構(gòu)的制備

研究選用的304不銹鋼其元素質(zhì)量分數(shù)如表1所示。試驗采用的試件大小為15 mm×20 mm×3 mm，由白光干涉儀(Contour GT-X3/X8三維表面輪廓儀，Bruker，Nano，Inc.)測得其初始表面粗糙度Ra為0.3 μm。

表1 304不銹鋼化學元素質(zhì)量分數(shù)

表面微/納織構(gòu)由M20光纖激光打標機(河南中航北工只能裝備有限公司生產(chǎn))制備，所用的ND：YAG激光器最大輸出功率100 W，波長1.046 μm，重復標記精度1×10-6μm，重復精度誤差小于5 ×10-6rad，掃描精度誤差小于2×10-3rad。激光加工參數(shù)如表2所示，具體加工方案及原理如圖1所示。輔助液體為含5%(體積分數(shù))雙氧水的無水乙醇混合溶液，輔助液體浸沒工件上表面2 mm。

圖1 激光打標機(a)，液相輔助激光加工(b)，激光加工路徑(a1→a2→a3→b1→…→c1→…)(c)

表2 激光加工參數(shù)

1.2 表面形貌及其潤濕性表征

采用SEM(Quanta 200掃描電子顯微鏡，美國FEI公司生產(chǎn))對試樣表面織構(gòu)的形貌進行檢測，同時使用其配套的EDS(OXFOBRD INCA250能譜儀系統(tǒng))檢測織構(gòu)表面元素含量。

接觸角是表征固體表面潤濕性的主要手段之一，文中采用接觸角測量儀(SDC-100，東莞市鼎盛精密儀器有限公司生產(chǎn))測量試樣表面接觸角。測量前使用體積比率為10∶1的無水乙醇+丙酮混合溶液進行超聲清洗20 min，室溫吹干，清除試樣表面雜質(zhì)。每個試樣采用單圓擬合法分別測量3次，每次取30 μmL溶液，取其平均值作為最終測量結(jié)果。

1.3 摩擦磨損試驗

使用MWF-500往復式摩擦磨損試驗機(MWF-500，濟南華興試驗設備有限公司生產(chǎn))進行摩擦學試驗。試驗時，將織構(gòu)化前后的304不銹鋼試樣作為下試樣并使用石蠟固定于摩擦試驗機載物槽內(nèi)，上試樣使用440不銹鋼鋼球，直徑為6.75 mm。分別在油潤滑和干摩擦2種工況進行摩擦學試驗，油潤滑使用長城L-MH46作為潤滑介質(zhì)。摩擦機往復行程為6 mm，往復回轉(zhuǎn)速度為150 r/min，正壓力設為30 N，摩擦時間10 min，每種試樣進行3次重復試驗，取其平均值作為最終測量結(jié)果。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 表面織構(gòu)形貌特性

圖2所示為304不銹鋼激光加工前后表面形貌?？梢钥闯觯荚嚇颖砻娲植诙葹?.3 μm，空氣介質(zhì)激光加工制備的離散型圓形凹坑織構(gòu)粗糙度為21.157 μm，液相輔助激光加工制備的離散型圓形凹坑織構(gòu)粗糙度為0.821 μm。另外，空氣介質(zhì)激光加工制備的離散型圓形凹坑織構(gòu)表面形貌較差、微凸峰較高且有較深的微溝壑形貌，整體呈現(xiàn)為陣列狀微乳頭形貌(見圖2(b))；液相輔助激光加工制備的離散型圓形凹坑織構(gòu)表面形貌較為均勻、無較大的微凸峰，整體表現(xiàn)為類浪花狀形貌(見圖2(c))。

圖2 304不銹鋼激光加工前后表面形貌

究其原因為空氣介質(zhì)激光加工時，激光的高能光束直接作用于試樣表面，導致位于激光加工中心的試樣材料產(chǎn)生汽化揮發(fā)，而位于邊緣的材料雖受高能光束的作用發(fā)生熔融，但發(fā)生迅速冷卻固結(jié)與織構(gòu)邊緣形成熔融重鑄層及較多的微毛刺。液相輔助激光加工時，在激光高能光束作用下試樣表面產(chǎn)生大量的熱能，從而促使激光作用點附近的溶液產(chǎn)生汽化產(chǎn)生大量的氣泡，同時由于熱能的存在導致激光作用點附近的溶液發(fā)生受熱膨脹逐漸向外部流動。一方面，氣泡隨溶液向外分散對激光的掃描路徑產(chǎn)生一定積極影響，具體表現(xiàn)為氣泡對激光高能光束起到一定的散射效應，使加工更加均勻；另一方面，氣泡從激光作用點溢出時，受液壓強的影響氣泡逐漸變大增加了移動軌跡附近液體的流動速率，從而使激光加工時產(chǎn)生的熔融物被液流攜帶離加工區(qū)域[17-18]。

2.2 織構(gòu)表面潤濕特性

現(xiàn)有研究表明潤濕性對固體表面耐腐蝕及耐磨性能都有很大影響，為此，文中使用接觸角對3種試樣表面的潤濕性能進行表征，結(jié)果如圖3所示。可以看出，304不銹鋼原始表面接觸角為70.5°，空氣介質(zhì)激光加工制備的離散型圓形凹坑織構(gòu)表面接觸角為123.3°，液相輔助激光加工制備的離散型圓形凹坑織構(gòu)表面接觸角為29.3°。上述結(jié)果表明，空氣介質(zhì)激光下激光加工可以減小試樣表面對液體的吸附能力，而液相輔助激光加工可以增強試樣表面固-液界面的潤濕性能。

圖3 試樣加工前后表面元素含量及其潤濕性能：(a)原始表面；(b)空氣介質(zhì)激光加工表面；(c)液相輔助激光加工表面

根據(jù)Wenzel模型可知，對于親水性材料，影響固-液界面潤濕性能的主要因素是表面粗糙度因子，粗糙度因子越大，試樣表面接觸角越小，親水性能越強[19]。表面接觸角公式為

(1)

式中：θ為固-液界面本征接觸角，(°)；θe為固-液界面本征接觸角，(°)；H為單微凸峰的高度；R為單微凸峰半徑。

由圖3可以看出，304不銹鋼為親水性金屬材料，液相輔助下激光加工制備的表面織構(gòu)呈現(xiàn)類浪花形貌、表面較為均勻，表面粗糙度增大，導致表面親水性能增強。而空氣介質(zhì)下激光加工的表面織構(gòu)，表面氧元素含量增大，現(xiàn)有研究表明氧元素對固體表面潤濕性能影響較大[20]；另一方面，空氣介質(zhì)激光加工表面為陣列狀微乳頭形貌，且微乳頭出現(xiàn)較多的毛刺，對溶液有一定的托起作用，多種因素綜合作用下空氣介質(zhì)下激光加工的表面潤濕性較小，表現(xiàn)出一定的疏水特性[21]。

2.3 織構(gòu)表面摩擦磨損性能

摩擦因數(shù)是界面接觸及摩擦特性的主要衡量指標之一，文中測量了界面摩擦因數(shù)變化規(guī)律。圖4所示為干摩擦與油潤滑工況下表面摩擦因數(shù)對比?？梢钥闯觯赡Σ習r原始表面平均摩擦因數(shù)為0.258，空氣介質(zhì)下激光加工表面平均摩擦因數(shù)為0.274，液相輔助下激光加工表面平均摩擦因數(shù)為0.248；油潤滑情況下原始表面平均摩擦因數(shù)為0.113，空氣介質(zhì)下激光加工表面平均摩擦因數(shù)為0.114，液相輔助下激光加工表面平均摩擦因數(shù)為0.085。因此，空氣介質(zhì)激光加工制備的表面織構(gòu)雖有較好的疏水性能，但其摩擦學性能卻差于液相輔助激光加工制備的表面織構(gòu)。

圖4 2種潤滑工況下試樣表面摩擦因數(shù)對比

圖5和圖6所示分別是干摩擦和油潤滑2種工況下的試樣表面磨損形貌?？梢钥闯觯赡Σ習r，空氣介質(zhì)激光加工制備的表面織構(gòu)劃痕最深，液相輔助下制備的表面織構(gòu)劃痕最淺、較為均勻；油潤滑時，空氣介質(zhì)與液相輔助制備的表面織構(gòu)劃痕深度相差不大，原始表面劃痕深度最深。

圖6 油潤滑下試樣表面磨損形貌

圖7所示為2種潤滑工況下試樣表面磨損率。干摩擦時，原始表面磨損率為1.78×105μm3/s，空氣介質(zhì)激光加工制備的織構(gòu)表面磨損率為3.77×105μm3/s，液相輔助激光加工制備的織構(gòu)表面磨損率為1.62×105μm3/s；油潤滑時，原始表面磨損率為4.79×104μm3/s，空氣介質(zhì)激光加工制備的織構(gòu)表面磨損率為6.28×104μm3/s，液相輔助激光加工制備的織構(gòu)表面磨損率為4.38×104μm3/s。表明干摩擦時，空氣介質(zhì)激光加工制備的表面織構(gòu)并沒達到減摩耐磨作用；油潤滑時，潤滑油在摩擦界面起到了潤滑作用，但潤滑效果各有不同。

圖7 2種潤滑工況下試樣表面磨損率對比

空氣介質(zhì)激光加工制備的表面織構(gòu)雖在一定程度上提高了固-液界面疏水性能、減小了界面接觸面積，在一定程度上提高了試樣表面的減摩性能。但因激光加工時熔融物重鑄形成的較大的微乳頭織構(gòu)卻增大了摩擦界面刮擦現(xiàn)象；且表面織構(gòu)微凸峰尺度較大，因此摩擦脫落的磨粒尺度也較大，離散在摩擦界面的磨粒形成了較為嚴重的三體摩擦；另外油潤滑工況下，較高的微凸峰刺穿了潤滑油形成的動壓油膜，影響了潤滑效果，因此其摩擦學性能并不理想。液相輔助激光加工時，試樣表面材料在液相溶液的保護下經(jīng)過激光高能光束的作用，試樣表層形貌較為均勻、無較大的微凸峰，此時溶液一方面起到了冷卻作用，另一方面在激光加工時隔離了空氣，減小了試樣加工區(qū)域的氧化現(xiàn)象。同時，激光的高能光束使輔助溶液快速汽化，氣泡脫離時攜帶出熔融物，在一定程度上減小了熔融物重鑄。因此，液相輔助激光加工制備的表面織構(gòu)界面刮擦現(xiàn)象較輕。另外，較好的潤濕性能加快了潤滑油在織構(gòu)間的流動，較為均勻的表面織構(gòu)使?jié)櫥瑑Υ娣植几雍侠韀22-23]。因此，液相輔助激光加工制備的離散型圓形凹坑織構(gòu)在潤滑油存儲及流體動壓潤滑方面優(yōu)勢更加明顯。

3 結(jié)論

為改善304不銹鋼耐磨性及潤濕性，在空氣介質(zhì)、液相輔助2種介質(zhì)下在304不銹鋼表面激光加工了離散型圓形凹坑織構(gòu)，得到了疏水與親水2種表面織構(gòu)，并對2種表面織構(gòu)進行摩擦學試驗，主要結(jié)論如下：

(1)空氣介質(zhì)激光加工表面織構(gòu)呈現(xiàn)陣列微乳頭形貌，且微乳頭表層出現(xiàn)較多的毛刺，對溶液產(chǎn)生一定的托舉作用，增強了304不銹鋼表面的疏水性能；液相輔助激光加工表面呈現(xiàn)類浪花形貌、表面較為均勻，表面粗糙度增大，增強了其親水性能。

(2)空氣介質(zhì)激光加工表面氧化嚴重，熔融物凝結(jié)于加工區(qū)域，形成熔融重鑄層及毛刺，增加了摩擦界面的刮擦現(xiàn)象，致使表面織構(gòu)對界面摩擦行為的調(diào)控效果變差。

(3)液相輔助激光加工表面形貌較為均勻、無較大的微凸峰，較好的潤濕性能有利于潤滑油的存儲及鋪展，進而改善了界面摩擦行為。