張宸華，陳 陽(yáng)，林海波*，楊 慷

（1.四川輕化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 自貢 643000；2.安陽(yáng)工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，河南 安陽(yáng) 455000）

鎢鋼（TS）由于其在高溫下的高彈性模量、低熱膨脹系數(shù)及其優(yōu)異的抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性[1-2]，被廣泛應(yīng)用于模具、切削刀具、無(wú)屑金屬加工工具和耐磨結(jié)構(gòu)零件，在建筑、礦冶、軍事、機(jī)械和航空航天等領(lǐng)域中作為耐磨零件發(fā)揮著重要作用[3-4]。我國(guó)鎢鋼產(chǎn)量占世界總產(chǎn)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(shù)控刀具等高附加值產(chǎn)品種類較少、科研基礎(chǔ)薄弱[5-6]。隨著中國(guó)制造產(chǎn)業(yè)的急速發(fā)展，機(jī)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(lǐng)域?qū)Ω咝阅苣湍ユu鋼的需求也愈發(fā)旺盛。

近年來(lái)，利用激光表面織構(gòu)化技術(shù)增強(qiáng)材料表面的摩擦學(xué)性能已成為摩擦學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[7-8]。Hamilton 等[9]早在20 世紀(jì)中期就提出了不規(guī)則的表面織構(gòu)來(lái)改善材料的摩擦學(xué)性能，并通過摩擦試驗(yàn)證明了這些表面織構(gòu)結(jié)構(gòu)起到流體動(dòng)壓潤(rùn)滑的作用，從而使摩擦系數(shù)降低，摩擦副的抗磨能力增強(qiáng)?，F(xiàn)今對(duì)固體自潤(rùn)滑的關(guān)注，加速了對(duì)具有減摩抗磨作用的表面微結(jié)構(gòu)的探索。在干摩擦條件下，表面織構(gòu)有助于減少實(shí)際接觸面積并捕獲磨損碎屑，從而抑制磨損帶來(lái)的表面破壞，其對(duì)磨屑的存儲(chǔ)作用激發(fā)了研究人員的思考，填充固體潤(rùn)滑劑的摩擦微結(jié)構(gòu)成為摩擦學(xué)研究新的方向。迄今為止，各種形式的表面微結(jié)構(gòu)與固體潤(rùn)滑劑協(xié)同潤(rùn)滑機(jī)制已經(jīng)被大量探索，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)部件所需的減摩和抗磨優(yōu)化[10-12]。

本文通過ANSYS 有限元仿真模擬建立摩擦表面應(yīng)力應(yīng)變分析模型，根據(jù)模型數(shù)值計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)表面織構(gòu)角度等參數(shù)，研究織構(gòu)參數(shù)對(duì)摩擦界面織構(gòu)力學(xué)性能的影響；運(yùn)用場(chǎng)發(fā)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(zhì)成分。根據(jù)獲得的磨痕形貌和物質(zhì)成分研究織構(gòu)角度（30°、45°、60°、75°和90°）對(duì)Sn-Al2O3/STS 摩擦學(xué)性能的影響，并進(jìn)一步分析其磨損機(jī)理。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣制備

本文利用臺(tái)式高速振動(dòng)混料機(jī)（MSK-SFM-3）對(duì)高純度錫粉和三氧化二鋁混合物（質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為98∶2）振動(dòng)混料以制備Sn-Al2O3/STS 試樣，振動(dòng)時(shí)間為30 min。采用激光打標(biāo)加工設(shè)備（CT-MF30）在鎢鋼表面制備魚鱗狀微凹槽織構(gòu)，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(shù)為激光頻率30 kHz、波長(zhǎng)1 064 nm、功率90%、速度400 mm/s、開光延時(shí)0 μs、關(guān)光延時(shí)300 μs、結(jié)束延時(shí)200 μs 和拐角延時(shí)100 μs）。

1.2 摩擦磨損試驗(yàn)

在室溫條件下，利用球-盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)Sn-Al2O3/STS 摩擦磨損性能進(jìn)行測(cè)試。

在不同載荷（10～30 N）和滑動(dòng)頻率（2～6 Hz）下，進(jìn)行往復(fù)式摩擦磨損測(cè)試，時(shí)長(zhǎng)為60 min。對(duì)磨球?yàn)?.00 mm 的Si3N4球，用專業(yè)測(cè)試軟件實(shí)時(shí)測(cè)量并自動(dòng)記錄摩擦系數(shù)。

試樣磨損率按照公式（1）和公式（2）計(jì)算。

式中：ΔV 為磨損體積，mm3；A 為磨痕的橫截面積；b′為磨痕長(zhǎng)度，m；W 為磨損率，m3/Nm；F 為載荷，N；L 為時(shí)間t 內(nèi)的摩擦路程，m；b 為往復(fù)行程，m；f 為往復(fù)頻率，Hz；t 為摩擦?xí)r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(jì)算磨痕橫截面的面積；將公式（1）計(jì)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(jié)果與分析

2.1 織構(gòu)角度對(duì)材料應(yīng)力和變形的影響

在初步設(shè)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(gòu)間的夾角θ 作為變量，設(shè)定值分別為30°、45°、60°、75°與90°。通過模擬仿真得到不同織構(gòu)角度STS 的應(yīng)力應(yīng)變分布云圖，可知STS 材料摩擦表面受應(yīng)力和應(yīng)變最為集中的區(qū)域與表面織構(gòu)的角度變化無(wú)關(guān)，始終位于織構(gòu)邊緣。

為更精確了解STS 表面織構(gòu)不同部位的應(yīng)力應(yīng)變變化趨勢(shì)，計(jì)算不同織構(gòu)角度下的STS 沿X0X1和Y0Y1路徑方向的等效應(yīng)力和形變數(shù)值，如圖1 所示。圖1（a）為不同織構(gòu)角度下STS 沿X0X1的等效應(yīng)力變化。在X0X1方向上，θ=90°時(shí)，STS 在路徑X0X1路徑上的等效應(yīng)力值最大。圖1（b）展示了不同織構(gòu)角度下STS 沿Y0Y1的等效應(yīng)力變化狀態(tài)。如圖1（b）所示，θ=90°的STS 在路徑Y(jié)0Y1上呈現(xiàn)出最大的等效應(yīng)力。

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

圖1 不同織構(gòu)角度下STS 應(yīng)力和變形

基于上述模擬仿真結(jié)果，在表面織構(gòu)的寬度為0.6 mm 和深度為0.6 mm 的情況下，STS 材料的機(jī)械性能隨著織構(gòu)的角度的變化而不同，這也影響了材料的摩擦學(xué)性能。當(dāng)θ=30°和45°時(shí)，STS 在織構(gòu)邊緣呈現(xiàn)出較小的應(yīng)力和變形，隨著織構(gòu)角度的增加，STS 織構(gòu)邊緣的材料變形呈現(xiàn)出逐漸遞增的趨勢(shì)，這一變化趨勢(shì)與STS 摩擦學(xué)性能之間的聯(lián)系仍需探索。因此，為研究織構(gòu)角度參數(shù)對(duì)STS 材料摩擦磨損性能的影響，本文設(shè)計(jì)寬度和深度均設(shè)為0.6 mm 的魚鱗狀表面織構(gòu)，角度分別為30°、45°、60°、75°與90°。

2.2 織構(gòu)角度對(duì)Sn-Al2O3/STS 摩擦學(xué)性能的影響

圖2 展示了不同表面織構(gòu)Sn-Al2O3/STS 的平均摩擦系數(shù)和磨損率，以及不同表面織構(gòu)Sn-Al2O3/STS 的摩擦系數(shù)隨著時(shí)間變化的曲線。如圖2（a）所示，當(dāng)載荷為20 N、滑動(dòng)頻率為4 Hz 和對(duì)磨球?yàn)镾i3N4球時(shí)，TS的平均摩擦系數(shù)和磨損率為0.49 和8.36×10-13m3/Nm。與TS 相比，不同表面織構(gòu)的Sn-Al2O3/STS 的平均摩擦系數(shù)和磨損率均有所降低，且總體上的降幅隨著織構(gòu)角度的增大也不斷增大，而Sn-Al2O3/STS-90°表現(xiàn)出了最低的平均摩擦系數(shù)（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(gòu)Sn-Al2O3/STS的摩擦系數(shù)隨著時(shí)間變化的曲線。如圖2 所示，TS 和Sn-Al2O3/STS 的摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化的曲線都經(jīng)歷了快速上升階段（I）、快速波動(dòng)階段（II）和穩(wěn)定波動(dòng)階段（III）3 個(gè)階段。

圖2 Sn-Al2O3/STS 的平均摩擦系數(shù)和磨損率及瞬時(shí)摩擦系數(shù)

結(jié)果表明，在不同的織構(gòu)角度參數(shù)中，當(dāng)工況條件為載荷為20 N、滑動(dòng)頻率為4 Hz，與Si3N4球摩擦?xí)r，90°的Sn-Al2O3/STS 擁有最好的平均摩擦系數(shù)和磨損率。

2.3 不同表面織構(gòu)Sn-Al2O3/STS 的磨損機(jī)理分析

為分析表面織構(gòu)角度參數(shù)在減摩抗磨中的作用機(jī)理，本節(jié)通過場(chǎng)發(fā)射電鏡表征了在摩擦磨損測(cè)試后不同角度參數(shù)Sn-Al2O3/STS 的織構(gòu)表面磨痕形貌。

圖3 顯示了不同角度參數(shù)的Sn-Al2O3/STS 的織構(gòu)表面磨痕形貌。由圖3 可知，當(dāng)載荷為20 N、滑動(dòng)頻率為4 Hz、對(duì)磨球?yàn)镾i3N4球和對(duì)磨時(shí)間為60 min 時(shí)，不同角度參數(shù)導(dǎo)致Sn-Al2O3/STS 的織構(gòu)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(gòu)表面磨痕形貌。從圖3（a）和3（b）可看出，在織構(gòu)角度為30°和45°時(shí)，試樣磨痕表面均存在大面積的表面剝落，這說(shuō)明樣品30°和45°的Sn-Al2O3/STS 主要磨損機(jī)制均為疲勞磨損。

圖3 不同角度參數(shù)Sn-Al2O3/STS 的織構(gòu)表面磨痕形貌

圖3（c）為20 N 載荷下Sn-Al2O3/STS-60°的織構(gòu)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(xiàn)了凹坑?？棙?gòu)中的少量的固體潤(rùn)滑劑Sn被變形的織構(gòu)擠出溝槽為其提供了潤(rùn)滑作用，這也導(dǎo)致相比于30°和45°，Sn-Al2O3/STS-60°的摩擦系數(shù)與磨損率有所降低。

圖3（d）提供了Sn-Al2O3/STS-75°的織構(gòu)表面磨痕形貌。隨著織構(gòu)角度增加到75°，織構(gòu)邊緣的基體材料在應(yīng)力的作用下變形程度增大，導(dǎo)致更多的固體潤(rùn)滑劑從溝槽中被擠出，遷移到摩擦表面提供更好的潤(rùn)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(gòu)表面磨痕形貌。由于材料邊緣在應(yīng)力的作用下變形較為嚴(yán)重，導(dǎo)致大量固體潤(rùn)滑劑Sn-Al2O3從織構(gòu)中擠出，快速遷移到摩擦表面并發(fā)生塑性變形，鋪展形成潤(rùn)滑膜，為Sn-Al2O3/STS-90°提供出色的潤(rùn)滑作用，導(dǎo)致試樣擁有相對(duì)較低的摩擦系數(shù)和磨損率。

3 結(jié)論

本文采用寬度與深度均為0.6 mm、不同角度參數(shù)的魚鱗狀表面織構(gòu)，結(jié)合激光打標(biāo)技術(shù)和熔滲工藝制備表面織構(gòu)中填充固體潤(rùn)滑劑的Sn-Al2O3/STS 自潤(rùn)滑材料進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)與分析以研究不同織構(gòu)角度（30°、45°、60°、75°與90°）對(duì)摩擦學(xué)性能的影響，獲得以下結(jié)論。

1）當(dāng)載荷為20 N、滑動(dòng)頻率為4 Hz、對(duì)磨球?yàn)镾i3N4球時(shí)，TS 的平均摩擦系數(shù)和磨損率為0.49 和8.36×10-13m3/Nm。與TS 相比，不同表面織構(gòu)的Sn-Al2O3/STS 的平均摩擦系數(shù)和磨損率均有所降低，且總體上隨著織構(gòu)角度的增大降幅也不斷增大。

2）在荷載為20 N、滑動(dòng)頻率為4 Hz 的工況下，在應(yīng)力的作用下Sn-Al2O3/STS-90°織構(gòu)邊緣材料有較為嚴(yán)重的變形，導(dǎo)致從織構(gòu)中擠出大量固體潤(rùn)滑劑Sn-Al2O3并快速遷移到摩擦表面鋪展形成潤(rùn)滑膜，為摩擦界面提供了出色的潤(rùn)滑作用，Sn-Al2O3/STS-90°織構(gòu)邊緣材料由此獲得最佳的摩擦學(xué)性能，其平均摩擦系數(shù)（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%。