三角微织构对304钢摩擦学性能的影响

三角微织构对304钢摩擦学性能的影响

304钢具有良好的耐腐蚀性和耐腐蚀性特点。它被广泛应用于制作能够良好的完整性（耐腐蚀性和成本性）的设备和机器。它在食品、工业、家具和装饰行业有着广阔的应用前景。石油、天然气处理设备等。鹿重阳等在304钢表面制备微织构能有效提高减摩抗磨性，改善耐磨性差的问题。邱兆岭等目前，大多数研究主要集中在通过激光加工方式在材料表面制备出方形1三角微纺结构的数值模拟为了探究三角织构在润滑状态下的减摩抗磨机理，利用ANSYS有限元软件模拟304钢表面微织构与氧化锆（ZrO1.1试验材料试验所使用的基体材料是304不锈钢，化学成分如表1所示，线切割成40mm×40mm的正方形方块。1.2角微织构分布采用苏州英谷激光公司生产的10W紫外激光打标机（FLS-FB）在304钢表面刻蚀出三角形织构。试验参数为：电流1A，频率30kHz，速度5000mm/s，激光加工次数为5次。激光填充方式为网格与三角环形填充如图1所示，图2为三角微织构分布及单个织构尺寸示意图。图2a为三角微织构整体分布，其中内圆的直径是5mm，外圆的直径是35mm，三角微织构呈逆时针排列分布，行与行的间距为300μm，总行数为54行。单个三角形织构底边长200μm，高200μm，深度为20μm。图2b为CAD软件中三角微织构分布。将激光织构化处理的304钢表面进行粗磨，精抛光处理后，使用无水乙醇在KX-163T超声波清洗机中进行超声波清洗。采用MRTR-1微机控制多功能摩擦磨损试验机对试样进行摩擦学性能测试。为避免实验偶然性因素，每组实验都进行了多次。具体实验参数如下：载荷是500g(5N），转速是100、200、300r/min，摩擦时间是120min。上试样为直径4mm的ZrO1.3模拟测试1.3.1织构化三维流体模型通过数值模拟分析软件（ANSYS），建立仿真模型，如图3所示。图3a是上试样与下试样的模型示意图，在实际摩擦试验中，上试样为ZrO2，而下试样为织构化304钢。在仿真软件中，为方便计算，则进行简化。图3b是图3a圆形标注区域简化成的二维流体模型。图4为织构化三维流体模型示意图。ANSYS仿真软件模型设置为三维立方体，对应于三角微织构形状。1.3.2织构材料边界压力稳定性验证为排除网格数量对仿真结果的影响，在转速100r/min的工况下，进行网格独立性验证，验证结果如图5所示。当网格数量大于20万后，织构上边界压力趋于稳定。选用40万的网格来进行仿真计算模拟。为保证计算精度，选择六面体网格进行网格划分，网格划分之后，正交质量平均值大于0.9，网格质量满足计算要求。1.3.3入口压力贸易为更接近实验真实条件，设置定面A为运动壁面，并给定速度为100r/min，入口以及出口设置为压力进口以及出口，等于标准大气压，其余面为固定壁面，流体区域的密度为801.3kg/m1.4计算结果和分析1.4.1对称面面分析转速为100r/min的条件下，三角微织构对油膜承载力的影响仿真结果如图6所示，发现三角微织构的存在使油膜内部的压力发生了梯度变化。在织构内部，沿速度方向，油膜压力在三角形织构左端出现了压力，在织构右端升高，两侧形成了动压效应。这对于增大油膜压力，减小摩擦副之间的摩擦系数起着积极作用。为进一步说明油膜压力梯度变化的成因，截取该模型的对称面作为分析对象，图7为该对称面轴线上油膜压力的变化曲线，图8为该对称面上的润滑油压力分布，图9为该对称面上的速度云图，图10为该对称面上的速度矢量云图。由图9和图10可知，在三角形微织构的右端存在涡流区，涡流的强度大小可反映润滑油内惯性效应的强弱，惯性效应的出现在一定程度上增大了油膜的承载力。1.4.2旋转温度对织构织构的影响三种转速下（100、200、300r/min）油膜压力的变化曲线如图11所示，发现转速对油膜承载力有着明显的影响。在转速范围内，出现两个峰值，一个正压及一个负压。主要是由于润滑油在摩擦副表面的三角形织构流动时，易形成微小的收敛楔和发散楔。收敛楔因摩擦副的相对运动而产生正压，而发散楔产生负压，但是由于气穴现象的产生，使负压得到抑制，在收敛楔作用下，形成具有一定刚性的润滑油膜，提高了承载能力2摩擦磨损性能2.1角形微织构图12是试验前激光加工处理的304钢表面形貌。可看出，在304钢表面进行激光织构处理后，形成了大小一致的三角形微织构，织构深度为20μm。图12a是未抛光之前整个织构的局部放大图以及未抛光单个织构的放大图。两者边缘存在凸起的基体组织，这是在激光加工过程中，火花飞溅，造成的飞边毛刺现象。图12b是经精抛光处理后得到的三角微织构形貌。2.2表面织构化为油膜摩擦学性能测试本次试验是在一定载荷（加载为500g）下，改变不同转速（100、200、300r/min）以及上下试样的旋转直径（15、25、35mm）来研究三角微织构对304钢摩擦特性的影响。试验在富油润滑状态下进行，与此同时，将无织构304钢作为对照试样，共设计了9组实验。在500g加载、三种不同转速（100、200、300r/min）条件下，不同旋转直径时织构化与未织构304钢的摩擦系数如图13、14、15所示。在转速为200r/min、直径5mm条件下，织构化304钢的平均摩擦系数大于无织构化的平均摩擦系数，增幅达到24.47%（图13a），这是试验速度较低而且织构分布密集造成的。织构化试样摩擦副表面难以建立有效的润滑油膜，接触面处于边界润滑状态，没有形成流体动压油膜，故摩擦系数高。而直径为25、35mm时，织构化摩擦系数比无织构化摩擦系数低（图13b、c）。随着直径增加，织构与织构之间的间距增大，织构储存润滑油的作用逐渐体现出来，油膜压力增大，使织构试样表面产生了局部流体动压润滑效应，并逐渐处于流体润滑状态，在接触面间形成了一层润滑油膜，提高了摩擦副的承载能力由图13、14、15可知，在载荷为500g、三种不同转速及旋转直径条件下，低转速（100r/min）、直径（15mm）较小时，织构化表面摩擦系数大于无织构化表面摩擦系数，而当转速逐渐升高（200r/min、300r/min）、直径逐渐增大（25mm、35mm）过程中，织构化表面摩擦系数小于无织构化表面摩擦系数。说明三角织构在低转速且织构分布密集时，难以建立稳定的润滑油膜，其减摩抗磨特性差；当转速升高且织构与织构之间的间距增大时，织构表面形成一定连续流体动压润滑油膜，易于形成流体动压且油膜承载力增大，表现出良好减摩抗磨特性。特别在转速为300r/min、直径为35mm条件下，减摩抗磨特性显著。说明了三角微织构可以产生较好的楔形效应，提高了油膜承载力，同时在摩擦磨损过程中能起到磨屑的及时收集和排出，有效避免了二次磨粒磨损，并且织构储藏的润滑油被挤压出来，起到了补给润滑液的作用，即“二次润滑”效应，有效降低了摩擦曲线的波动2.3角微织构的表征图16为无织构表面在试验后的磨痕形貌。如图16a所示，无织构表面形貌未发生粘着磨损、磨粒磨损。Ⅰ、Ⅱ是两条磨痕，选取Ⅰ部分进行EDS点扫描，扫描点如图16b所示。在磨痕表面依次标记6个点，其中，谱图1、2、3、4是对磨痕的检测，谱图5、6是对304钢基体的组织扫描，图17为扫描结果。在磨痕区域内，检测到了Fe、Cr、Ni、Mn等元素，这些是奥氏体304不锈钢的主要元素。研究发现，磨痕形貌中氧元素的含量较低，只有0.2～0.3%，表明在摩擦过程中未发生氧化反应。图18为试验后三角微织构的摩擦磨损形貌。图18a为摩擦磨损试验后304钢三角微织构形貌，图18b为单个三角微织构形貌。发现磨痕表面出现了粘着磨损，还出现了犁沟，在摩擦的同时，基体材料表面组织脱落，形成了片状磨屑。但在磨痕处依旧可以清晰地观察到织构形貌轮廓，表明织构尚未被完全破坏，进一步说明三角形微织构耐磨性优异。此外，对单个三角微织构中的黄色区域进行EDS面扫描，得出的元素含量如图19所示。可以看出，氧元素含量增加，质量分数达到10.25%，相对于基体中的氧元素含量（3.30%）增加了6.95%。表明在相对摩擦过程中，发生了氧化反应并产生了氧化磨损，这与剡珍等3转速对于油膜抗磨性能的影响1）三角织构可以产生较好的楔形效应，使油膜内部的压力发生梯度变化。在织构内部，沿速度方向，油膜内压力在三角形织构左端出现了发散，而在织构右端升高，形成了动压效应。此外，转速对于油膜承载力有着明显的影响，在试验组转速范围内，随着转速的提升，织构对应位置的油膜压力呈现增长趋