(1.中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所,固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 甘肅蘭州 730000；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049；)

近年來(lái)，隨著海洋探索、開(kāi)發(fā)、利用和保護(hù)的深入，對(duì)海洋工程材料也提出了新的需求。海洋工程材料長(zhǎng)期在苛刻的海水環(huán)境中服役，不僅受到海水介質(zhì)的腐蝕作用，而且在工作載荷下易于產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞損傷。對(duì)于一些運(yùn)動(dòng)部件，還不可避免地存在磨損問(wèn)題。因此，對(duì)于服役于海洋環(huán)境中的工程材料，腐蝕和磨損是造成其損傷、失效和破壞的主要原因。

目前，船舶、海洋石油平臺(tái)、閘門(mén)等海洋設(shè)施大量使用的金屬材料是碳鋼和低合金鋼。碳鋼和低合金鋼在海洋環(huán)境中，尤其是潮汐區(qū)和全浸區(qū)的耐蝕性能并不理想。因此，近年來(lái)在海洋用鋼中趨向提高鋼中的鉻、鉬等元素含量以獲得更高的耐蝕性。其中，2507超級(jí)雙相不銹鋼具有高鉻(～25%)、高鉬(>3.5%)的特點(diǎn)，在海水環(huán)境中表現(xiàn)出優(yōu)異的耐腐蝕性能，因而在海上裝備領(lǐng)域都具有十分廣泛的應(yīng)用[1-3]。2507超級(jí)雙相不銹鋼微觀組織由鐵素體和奧氏體兩相組成，兼有鐵素體和奧氏體的優(yōu)點(diǎn)。目前，研究人員主要集中研究了2507超級(jí)雙相不銹鋼在氯化鈉溶液和酸性溶液中的耐腐蝕性能[4-6]，以及熱處理工藝對(duì)2507超級(jí)雙相不銹鋼的腐蝕性能和滑動(dòng)腐蝕磨損性能的影響[1,7-11]。

然而在實(shí)際海洋工況中，在風(fēng)、浪、流和潮汐等環(huán)境載荷的作用下，配合緊密的結(jié)構(gòu)件之間也往往會(huì)產(chǎn)生幅度很小的相對(duì)振動(dòng)，進(jìn)而引起配合表面之間的微動(dòng)磨損。微動(dòng)磨損不僅改變零件形狀，惡化表面層質(zhì)量，而且還會(huì)引起應(yīng)力集中，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件的失效。然而對(duì)2507超級(jí)雙相不銹鋼在海水介質(zhì)中的微動(dòng)磨損方面的研究則尚未見(jiàn)報(bào)道。特別地，在微動(dòng)過(guò)程中，振幅是影響微動(dòng)摩擦的重要參數(shù)之一，其幅值大小是微動(dòng)區(qū)別于傳統(tǒng)滑動(dòng)的主要標(biāo)志。因此，本文作者著重研究了振幅對(duì)2507超級(jí)雙相不銹鋼在海水介質(zhì)中微動(dòng)摩擦磨損性能的影響規(guī)律，并與其在空氣、去離子水環(huán)境下的摩擦磨損規(guī)律做了對(duì)比，以期闡明振動(dòng)幅度對(duì)2507超級(jí)雙相不銹鋼在海水介質(zhì)中摩擦磨損性能的影響機(jī)制。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料及制備

試驗(yàn)材料選用瑞典Sandvik公司生產(chǎn)的2507超級(jí)雙相不銹鋼，出廠前將鐵素體與奧氏體的比例調(diào)制為近似1∶1，其金相組織結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過(guò)線切割方式加工成尺寸為12 mm×12.5 mm×4 mm的小方塊作為微動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)的下試樣，硬度為HV262.59。為減少因表面狀態(tài)不一致性而引起的試驗(yàn)誤差，試驗(yàn)前用SiC砂紙逐級(jí)打磨雙相不銹鋼鋼表面至2 000目，表面粗糙度Ra為0.04～0.06 μm。上試樣選用φ6 mm的GCr15鋼球，表面粗糙度Ra≤0.020 μm，硬度為HRC61～66。按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ASTM D 1141-98配制試驗(yàn)所需的人工海水。

圖1 2507超級(jí)雙相不銹鋼微觀組織結(jié)構(gòu)Fig 1 2507 super duplex stainless steel microstructure

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

微動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)在德國(guó)Optimal公司生產(chǎn)的SRV-IV上進(jìn)行，試驗(yàn)裝置示意圖如圖2所示。摩擦副的接觸形式為球-平面接觸，在一定振幅下做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，上試樣鋼球做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，下試樣2507超級(jí)雙相不銹鋼保持靜止。

圖2 SRV-IV微動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)示意圖Fig 2 Schematic diagram of SRV-IV oscillating friction and wear tester

試驗(yàn)中法向載荷為50 N，頻率為20 Hz，循環(huán)次數(shù)為7.2×104，微動(dòng)振幅分別選為50、70、90、120和200 μm。微動(dòng)摩擦試驗(yàn)分別在空氣、去離子水和人工海水中進(jìn)行，試驗(yàn)過(guò)程中始終保證去離子水和海水浸沒(méi)摩擦表面。每次試驗(yàn)前均用丙酮對(duì)上下試樣進(jìn)行超聲清洗以去除材料表面的油污。

微動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)后，用JSM-5600LV掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)磨痕形貌進(jìn)行觀察，用附帶的能譜儀(EDS)對(duì)磨損表面的氧元素分布進(jìn)行分析。由MicroXAM-800納米三維輪廓儀測(cè)量2507超級(jí)雙相不銹鋼試樣磨痕中心處的磨痕深度和磨損體積。

2 結(jié)果與討論

2.1 振幅和摩擦環(huán)境對(duì)微動(dòng)摩擦因數(shù)的影響

摩擦因數(shù)大小是描述摩擦材料的重要參數(shù)之一。圖3所示為2507超級(jí)雙相不銹鋼在不同介質(zhì)、不同振幅下的摩擦因數(shù)隨循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系。可知，振幅和摩擦介質(zhì)環(huán)境對(duì)摩擦因數(shù)具有顯著的影響。

圖3 2507超級(jí)雙相不銹鋼在不同介質(zhì)中的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)摩擦因數(shù)曲線Fig 3 The friction coefficient curve of 2507 super duplex stainless steel in different media(a) dry friction;(b) deionized water; (c) artificial seawater

圖3(a)示出的是2507超級(jí)雙相不銹鋼在干摩擦條件下的摩擦因數(shù)曲線，可見(jiàn)，當(dāng)振幅為50 μm時(shí)，穩(wěn)定狀態(tài)下的摩擦因數(shù)最低，其數(shù)值接近0.7；隨振幅增大，穩(wěn)定狀態(tài)下的摩擦因數(shù)逐漸增大；當(dāng)振幅增至200 μm時(shí)，摩擦因數(shù)已接近1.0。圖3(b)、(c)分別示出的是2507超級(jí)雙相不銹鋼在去離子水和海水介質(zhì)中的摩擦因數(shù)曲線。與干摩擦相比，在水溶液介質(zhì)中的摩擦因數(shù)則顯著降低，且在海水介質(zhì)中的摩擦因數(shù)比去離子水介質(zhì)下的小。這可能是由于水溶液比熱容較大，具有一定的冷卻作用，同時(shí)在水溶液中硬質(zhì)磨屑易于脫離摩擦接觸表面，從而能夠有效降低摩擦因數(shù)。人工海水介質(zhì)中，由于存在較多Ca2+和Mg2+，在堿性條件下易于在摩擦副表面形成低剪切的CaCO3和Mg(OH)2[12]。且海水中的S、P、Cl等活性元素也會(huì)與GCr15中的Fe元素反應(yīng)生成一層易剪切摩擦膜，進(jìn)而阻止了摩擦副之間的直接接觸，二體磨損變?nèi)w磨損，從而進(jìn)一步降低摩擦因數(shù)，因而海水介質(zhì)中的摩擦因數(shù)更低，相應(yīng)的摩擦機(jī)制如圖4所示[13-14]。

圖4 摩擦機(jī)制示意圖Fig 4 Schematic diagram of friction mechanism

從摩擦因數(shù)變化曲線的形狀可以看出摩擦因數(shù)的變化具有階段性變化的特征。在干摩擦下摩擦因數(shù)隨循環(huán)次數(shù)的變化經(jīng)歷了初始跑合期、 二體接觸期和穩(wěn)定期3個(gè)階段。在初始跑合階段由于上下摩擦配副間接觸表面膜的存在對(duì)摩擦接觸表面起到保護(hù)作用，因而摩擦因數(shù)均較低；隨著微動(dòng)摩擦試驗(yàn)的進(jìn)行，摩擦因數(shù)隨循環(huán)次數(shù)的變化進(jìn)入到二體接觸階段。試驗(yàn)中上試樣對(duì)偶鋼球GCr15的硬度為HRC61～66，而下試樣2507超級(jí)雙相不銹鋼的硬度只有HV262.59，因此2507超級(jí)雙相不銹鋼表面的表面膜易被破壞，摩擦副發(fā)生直接接觸，實(shí)際接觸面積增大，接觸表面發(fā)生黏著和塑性變形，摩擦因數(shù)迅速增加；隨著微動(dòng)摩擦試驗(yàn)的繼續(xù)進(jìn)行，磨屑的產(chǎn)生和溢出達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)摩擦因數(shù)進(jìn)入到穩(wěn)定期。在穩(wěn)定期，隨著振幅的增加摩擦因數(shù)發(fā)生輕微的上下波動(dòng)。這是因?yàn)楫?dāng)振幅較大(120 和 200 μm)時(shí)，接觸表面間的膜層和磨屑易被研磨成粒狀而起到類(lèi)似“滾珠”的作用從而降低摩擦因數(shù)；另一方面，振幅的增加使微動(dòng)過(guò)程中接觸面的重疊區(qū)域增大，微動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的磨屑易被排出磨痕區(qū)使摩擦配副發(fā)生直接接觸，摩擦因數(shù)升高，兩過(guò)程不斷重復(fù)交替因而導(dǎo)致摩擦因數(shù)發(fā)生上下波動(dòng)[13,15]。與干摩擦下相比，水溶液介質(zhì)下的摩擦因數(shù)隨振幅的增加呈先升高后降低的趨勢(shì)。當(dāng)振幅較小時(shí)(<90 μm)，由于兩接觸重疊區(qū)域較小，溶液介質(zhì)不易進(jìn)入到磨痕區(qū)，溶液介質(zhì)的潤(rùn)滑效果不顯著，隨著振幅的增加摩擦因數(shù)增加。而隨著振幅的繼續(xù)增加，兩接觸重疊區(qū)域增大，此時(shí)水溶液介質(zhì)容易進(jìn)入到磨痕區(qū)，這時(shí)水溶液介質(zhì)發(fā)揮潤(rùn)滑效果，表現(xiàn)出低且穩(wěn)定的摩擦因數(shù)[16]。

2.2 振幅和摩擦環(huán)境對(duì)磨痕深度的影響

圖5所示是2507超級(jí)雙相不銹鋼磨痕中心的二維剖面曲線圖?？芍穹湍Σ镰h(huán)境對(duì)試樣的磨痕深度具有顯著的影響。不論在干摩擦還是水溶液介質(zhì)中，隨著振幅的增加磨痕深度都增大，特別是在干摩擦下振幅對(duì)磨痕深度的影響則更為顯著。當(dāng)振幅小于90 μm時(shí)，干摩擦下由于試樣磨損表面處于部分滑移區(qū)和混合區(qū)，磨損較輕，因而磨痕的深度和寬度較水溶液介質(zhì)下的略小，隨著振幅的增加，干摩擦下磨損表面黏著、塑性變形和材料剝落等程度增加，此時(shí)磨痕深度和寬度則較水溶液介質(zhì)下的大。此外，隨振幅的增加干摩擦下磨痕中心的二維剖面曲線由“U”形轉(zhuǎn)變成“W”形，而在水溶液介質(zhì)中磨痕中心的二維剖面曲線則主要呈“U”形，這也說(shuō)明較大振幅時(shí)干摩擦下磨痕表面粗糙度明顯高于水溶液介質(zhì)下的磨痕表面粗糙度。

圖5 2507超級(jí)雙相不銹鋼在不同介質(zhì)中垂直微動(dòng)方向磨痕中心的二維剖面曲線Fig 5 Two-dimensional profile passing through the center of 2507 super duplex stainless steel under different media(a) dry friction; (b) deionized water;(c) artificial seawater

圖6 所示為2507超級(jí)雙相不銹鋼在干摩擦和水溶液介質(zhì)中磨損體積隨振幅的變化曲線。如圖所示，當(dāng)振幅小于90 μm時(shí)，振幅對(duì)干摩擦下試樣的磨損體積影響較小，且其磨損體積始終比在水溶液介質(zhì)中的小。隨著振幅的繼續(xù)增加，干摩擦下試樣的磨損體積呈線性增加，其磨損體積大于在水溶液介質(zhì)中的磨損體積，這表明只有當(dāng)振幅達(dá)到一定值時(shí)溶液作為潤(rùn)滑介質(zhì)才能起到減磨作用。此外，不論在何種振幅下，試樣在海水介質(zhì)中的磨損體積始終比在去離子水下的磨損體積大，并隨著振幅的增加2種潤(rùn)滑介質(zhì)下的磨損體積差值逐漸增大，推斷這是由于海水的腐蝕作用加速了2507超級(jí)雙相不銹鋼的微動(dòng)磨損。

圖6 2507超級(jí)雙相不銹鋼在不同介質(zhì)中的磨損體積Fig 6 The wear volume of 2507 super stainless steel under different media

2.3 磨痕形貌和成分分析

圖7所示是干摩擦下2507超級(jí)雙相不銹鋼在不同振幅下磨痕表面形貌和相應(yīng)氧元素的EDS面分布圖?？梢钥闯觯涸诟赡Σ翖l件下，振幅對(duì)2507超級(jí)雙相不銹鋼微動(dòng)磨痕形貌具有顯著的影響，隨著振幅的增加，磨損面積也隨之增大；同時(shí)磨損程度增加，磨痕形狀也由橢圓形變成了圓形。微動(dòng)運(yùn)行區(qū)域發(fā)生了由部分滑移區(qū)向滑移區(qū)的轉(zhuǎn)變。

圖7 干摩擦下2507超級(jí)雙相不銹鋼在不同振幅下磨痕表面形貌和相應(yīng)氧元素的EDS面分布圖Fig 7 Wear surface morphology and distributions of oxygen in EDS dimensional analysis of 2507 super duplex stainless steel under different amplitude in dry sliding

當(dāng)微動(dòng)振幅為50 μm時(shí)，試樣表面損傷較輕，摩擦接觸區(qū)域呈現(xiàn)典型部分滑移區(qū)的特征，即由中心的黏著區(qū)和接觸邊緣的微滑區(qū)組成。微動(dòng)摩擦過(guò)程中只在接觸區(qū)域的邊緣發(fā)生了微滑，在接觸區(qū)的中心只發(fā)生了變形而無(wú)相對(duì)滑動(dòng)。從氧元素的EDS能譜分析可知：中心黏著區(qū)的氧分布密度與基體的氧分布密度幾乎相同，而在微滑區(qū)氧分布密度則明顯較周?chē)w高，這表明氧化反應(yīng)主要發(fā)生在微滑區(qū)，即微動(dòng)摩擦過(guò)程中在微滑區(qū)發(fā)生了氧化磨損。從磨痕形貌的局部放大圖中可以發(fā)現(xiàn)：在高載荷的反復(fù)擠壓作用下磨痕的接觸邊緣有許多微裂紋產(chǎn)生，因而部分滑移區(qū)的磨損機(jī)制主要由邊緣微滑區(qū)的局部氧化磨損和局部疲勞磨損組成。當(dāng)微動(dòng)振幅為70和90 μm時(shí)，磨損區(qū)域呈現(xiàn)混合區(qū)的微動(dòng)損傷形貌，磨痕中心發(fā)生了塑性變形和剝落，邊緣發(fā)生了微滑，氧化程度增加；當(dāng)微動(dòng)振幅為120和200 μm時(shí)，磨損表面則為典型的滑移區(qū)形貌，在整個(gè)磨痕區(qū)域都發(fā)生了相對(duì)滑動(dòng),磨痕區(qū)域內(nèi)的氧分布密度顯著比周?chē)w氧分布密度高，表明在摩擦過(guò)程中整個(gè)磨痕區(qū)域都發(fā)生了劇烈的氧化。從磨痕的局部放大圖中可以發(fā)現(xiàn)：磨痕表面主要發(fā)生了黏著和材料的疲勞剝落，因而當(dāng)振幅較大時(shí)，滑移區(qū)的磨損機(jī)理主要包括氧化磨損、黏著磨損和剝落磨損,在三者共同相互作用下磨損程度增加[17]。

圖8所示為去離子水下2507超級(jí)雙相不銹鋼不同振幅時(shí)的磨痕表面形貌和相應(yīng)氧元素的EDS面分布圖。與干摩擦下的磨痕形貌相比較可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)摩擦在去離子水介質(zhì)中進(jìn)行時(shí)，不論在何種振幅下，微動(dòng)摩擦接觸區(qū)域都處于完全滑移區(qū)。當(dāng)振幅較小(50 和90 μm)時(shí)，試樣磨痕表面較干摩擦下磨損嚴(yán)重，從局部放大圖中可以看出在磨痕表面發(fā)生了嚴(yán)重的材料剝落，并且布滿了沿微動(dòng)方向的犁溝以及平行和垂直微動(dòng)方向的微裂紋。當(dāng)振幅較大(200 μm)時(shí)，去離子水更易進(jìn)入到摩擦接觸區(qū)域中，因而在水溶液的冷卻和潤(rùn)滑作用下，材料表面的黏著和剝落被有效地抑制，磨損表面主要是布滿了沿微動(dòng)方向的犁溝以及微裂紋。去離子水的存在對(duì)空氣中的氧氣起到了一定的阻隔作用，故大振幅下磨損表面氧化程度被有效抑制，因而隨著振幅的增加在去離子水下的磨損機(jī)制主要由氧化磨損、剝落磨損、磨粒磨損和疲勞磨損轉(zhuǎn)變?yōu)檩p微氧化磨損、磨粒磨損和疲勞磨損。

圖8 去離子水下2507超級(jí)雙相不銹鋼在不同振幅下磨痕表面形貌和相應(yīng)氧元素的EDS面分布圖Fig 8 Wear surface morphology and distributions of oxygen in EDS dimensional analysis of 2507 super duplex stainless steel under different amplitude in deionized water

圖9所示是海水下2507超級(jí)雙相不銹鋼在不同振幅下磨痕表面形貌和相應(yīng)氧元素的EDS面分布圖。與在去離子水中相似，在海水介質(zhì)中的微動(dòng)摩擦接觸區(qū)域也都處于完全滑移區(qū)，磨痕面積也隨振幅的增加逐漸增大。與干摩擦下相比，滑移區(qū)內(nèi)氧分布密度也相對(duì)較低，這是因?yàn)楹Ｋ韪袅丝諝庵械难跖c試樣的直接接觸，阻止了氧化反應(yīng)的發(fā)生[18]。與在去離子水中的磨痕表面相比，可以發(fā)現(xiàn)海水介質(zhì)下的磨損表面幾乎無(wú)黏著和材料剝落現(xiàn)象，磨損表面主要由犁溝和微裂紋組成，因而在海水介質(zhì)中的磨損機(jī)制主要是輕微氧化磨損、磨粒磨損伴隨疲勞磨損。

圖9 海水下2507超級(jí)雙相不銹鋼在不同振幅下磨痕表面形貌和相應(yīng)氧元素的EDS面分布圖Fig 9 Wear surface morphology and distributions of oxygen in EDS dimensional analysis of 2507 super duplex stainless steel under different amplitude in artificial seawater

3 結(jié)論

(1)在干摩擦條件下，振幅對(duì)微動(dòng)磨損行為具有顯著的影響。隨振幅的增大，穩(wěn)定階段的摩擦因數(shù)先增大后逐漸趨于穩(wěn)定，微動(dòng)運(yùn)行區(qū)域也發(fā)生了由部分滑移區(qū)向混合區(qū)和滑移區(qū)的轉(zhuǎn)變，材料表面磨損程度增加，磨損機(jī)制由局部氧化磨損、局部疲勞磨損轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸p、黏著磨損和剝落磨損。

(2)在去離子水介質(zhì)中，由于摩擦過(guò)程中形成的水膜具有一定的潤(rùn)滑作用，同時(shí)水溶液具有一定的冷卻作用，因而摩擦因數(shù)顯著減少，與干摩擦下相比材料表面黏著也被顯著抑制。磨損機(jī)制為隨振幅的增加由氧化磨損、剝落磨損、磨粒磨損和疲勞磨損轉(zhuǎn)變?yōu)檩p微氧化磨損、磨粒磨損和疲勞磨損。

(3)在海水介質(zhì)中，海水中溶解的各種溶質(zhì)在摩擦過(guò)程中形成的摩擦膜使其具有比純水更優(yōu)異的潤(rùn)滑性能，因而摩擦因數(shù)較去離子水中的小。但在腐蝕與磨損的交互作用下，磨痕深度和磨損體積較去離子水中的略大，磨損機(jī)制主要是輕微氧化磨損、磨粒磨損伴隨疲勞磨損。

(4)水溶液作為潤(rùn)滑介質(zhì)只有當(dāng)振幅達(dá)到一定值時(shí)才表現(xiàn)出減磨效果。