表面织构化不锈钢在干摩擦和脂润滑条件下的摩擦学行为

表面织构化不锈钢在干摩擦和脂润滑条件下的摩擦学行为

0复合改性对材料表面织构的影响良好的综合力学性和技术性，显示出氧化和还原介质中的良好耐腐蚀性。除了在材料表面制备改性层能够改善其耐磨性外,恰当的表面形貌设计,即形成表面织构亦会对其摩擦学行为产生积极影响文中采用“两步法”对较为常见的316奥氏体不锈钢进行复合处理。利用奥氏体不锈钢对Cl1复合处理试样的制备和表面形貌材料取自316不锈钢棒材,加工成Φ28mm×3mm的试样,经SiC砂纸逐级打磨至1000号,丙酮中超声清洗,蒸馏水洗,冷风干燥后备用。316不锈钢的化学成分见表1。“表面织构-离子氮化”复合处理采用两步法。第一步:利用CS350电化学工作站对316不锈钢分别进行开路电位和极化曲线测试形成表面织构。采用常见的三电极体系,饱和甘汞电极为参比电极,铂片为辅助电极,316不锈钢为工作电极;选用的电解质溶液为质量分数15%的氯化钠溶液。在极化曲线测试时,316不锈钢经历了钝化———破钝化———点蚀形成———点蚀扩展的过程。由于所使用的电解质溶液中Cl采用TescanVEGAIILMH扫描电子显微镜观察复合处理试样的表面形貌和测试对象的磨痕形貌。借助DX-2700型X射线分析仪分析复合处理层的相结构。使用HVS-1000A显微硬度计测定316不锈钢和复合处理试样的表面硬度,载荷100g,加载时间10s,保载时间20s。摩擦学测试在HT-4001型高温销盘磨损试验机上进行,分别采用Φ5mm的GCr15钢球和Si2结果与讨论2.1复合表面的表征图1为复合处理后试样的表面和截面形貌,从图1(a)中可以看到不锈钢表面有尺寸和形状不一的凹坑和由凹坑连接在一起而成的具有一定方向性的沟槽,这些凹坑和沟槽均是由于奥氏体不锈钢在高浓度氯化钠溶液中发生点腐蚀而形成的。Cl图1(b)中可以看出,316不锈钢表面形成的沟槽深度约为100μm,宽度超过了200μm。在干摩擦或脂润滑条件下,试样表面的腐蚀沟槽或凹坑便可在摩擦过程中捕捉磨屑或贮存润滑脂,从而降低磨损损伤。此外,还可以看出离子氮化过程中的离子轰击、溅射作用对表面织构特征影响轻微,织构化316不锈钢表面形成了连续、致密的氮化层,厚度约为35μm。图2为复合处理后试样表面的XRD图谱,从图中可以看出复合层主要由ε相、γ′相和CrN相组成。在离子渗氮时,炉体内的气体被电离成离子,这些离子在电场作用下轰击工件表面,表面的Fe原子很容易被溅射出来并与附近的N原子结合形成FeN,然后FeN沉积在工件表面,并按FeN→Fe显微硬度测试结果表明,复合处理显著提高了316不锈钢的表面硬度,硬度值由257HV2.2复合方式试样的摩擦学行为图3为复合处理试样和未处理的基体在干摩擦条件下的摩擦因数和磨损失重。由图3(a)可以看到,所有试样的摩擦因数在初期都经历了短暂的跑合过程,随后进入相对稳定状态,摩擦曲线都有不同程度波动。与Si摩擦配副的不同使得测试试样在磨损机理上存在一定差异,从图3(b)中可以发现,复合处理试样与两种摩擦副配副后,失重量均明显低于未处理试样。由此可见,在摩擦过程中复合处理对316不锈钢具有良好的保护作用。与GCr15钢球配副,复合处理试样的磨损失重远低于316基体,高硬度的复合处理试样在摩擦过程中对GCr15钢球产生磨损,部分磨屑被带入复合处理试样表面的沟槽,并被压实,对复合处理试样的绝对磨损失重产生一定影响。316基体比GCr15钢球的硬度低,且它们组成的摩擦副为金属-金属接触,易发生粘着磨损,因此316基体的磨损失重远高于复合处理试样。316基体和复合处理试样与Si图4为316基体与GCr15钢球摩擦后的磨痕形貌和EDS能谱。从图4(a)中可以发现,沿着滑动方向有深色片状粘着物和局部撕裂特征,可知发生了粘着磨损。在图3(b)中可以看到许多白色的磨损碎屑和平行于滑动方向的细小沟槽磨痕,表现出磨粒磨损特征。在磨损开始的时候,316基体和GCr15钢球表面的微凸体相互接触产生摩擦。由于GCr15钢球硬度高,其表面的微凸体嵌入到基体中,并在滑动中推挤基体表层下的金属,使之塑性流动并犁出许多沟槽,产生碎屑。在滑动摩擦时,由于两种金属的接触点会产生瞬时高温,使摩擦界面发生粘着,且粘着力很强。随后在切应力作用下粘着点被剪切,先是发生塑性变形,当塑性变形积累到极限时发生撕裂和剥落而产生滑动图5是316基体与Si图6(a)是复合处理试样与GCr15钢球摩擦后整体磨痕形貌,可见复合处理试样的磨痕明显窄于316基体的磨痕(如虚线标示)。虚线标示区域为复合处理试样表面的磨痕,可见磨痕处较为平整;磨痕以外区域可观察到电化学处理形成的沟槽和凹坑。由于复合处理具有较高的硬度,GCr15钢球表面的微凸体难以对其表面产生切削,反而是复合处理表面对GCr15钢球产生了破坏,使其发生严重的磨损,并产生大量磨屑。随着GCr15钢球磨损的不断加剧,摩擦界面产生的磨屑不断填充到复合处理表面的沟槽和凹坑内,即表现出表面织构捕捉并储存磨屑作用在图6(b)中发现白色颗粒,并对其进行EDS成分分析如图6(c)所示。结果表明其氧含量很高,且除了氧和铁外其它元素很少,说明这是铁的氧化物颗粒。在大气环境下的干滑动摩擦,由于摩擦热的介入,摩擦界面处于非常高的温度,摩擦界面不可避免地发生氧化,表面的能谱分析结果亦验证了氧化磨损的存在图7是复合处理试样与Si2.3复合方法对摩擦磨损性能的影响图8(a)为在脂润滑条件下复合处理前后试样的摩擦因数曲线,从图中可以看到未处理过的基体在脂润滑条件下与钢球配副时摩擦因数在前200s内由低到高逐渐增大,增大到一定程度后开始逐渐平稳,平稳时的摩擦因数和基体在干摩擦条件下大体一致,而且最终的磨损失重量如图8(b)所示。与干摩擦条件下相比,摩擦因数和磨损失重在脂润滑条件下的变化不大,由此可以看出基体在脂润滑条件下并没有减小摩擦因数和磨损失重。在与Si图10为复合处理试样与GCr15钢球配副后整体磨痕形貌和配副痕内区域成分分析。在图10(a)中可以看到复合处理试样表面只有很浅的磨痕。在磨痕局部放大图10(b)中发现磨痕内没有犁沟或粘着现象,表面织构没有被破坏,只是在凹坑边缘有轻微的塌陷和开裂。图10(c)可见磨痕内的氮含量略有降低并且有少量氧,说明复合处理试样在脂润滑条件下发生了轻微的塑性变形和轻微的氧化。图11为复合处理试样与Si3表面织构(1)对316不锈钢进行表面织构-离子氮化复合处理,复合处理试样表面含有ε相、γ′相和CrN相,表面硬度为1048HV(2)干摩擦条件下,表面织构发挥储存磨屑、减小磨损的作用,磨损失重量与基体相