SLM-316L细丝脂润滑摩擦磨损性能

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering SLM-316L细丝脂润滑摩擦磨损性能 黄明吉韩建磊董秀萍 Tribological properties of the SLM-316L filament under the grease lubrication condition HUANG Ming-ji,HAN Jian-lei,DONG Xiu-ping 引用本文： 黄明吉，韩建磊，董秀萍.SLM-316L细丝脂润滑摩擦磨损性能[J].工程科学学报，2021,43(6)：835-842.doi: 10.13374j.issn2095-9389.2020.11.12.005 HUANG Ming-ji,HAN Jian-lei,DONG Xiu-ping.Tribological properties of the SLM-316L filament under the grease lubrication condition[J].Chinese Journal of Engineering,2021,43(6):835-842.doi:10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.12.005 在线阅读View online::htps:/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2020.11.12.005 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 成型工艺对树脂基摩擦材料及其摩擦学性能的影响 Effect of molding process on tribological characteristics of friction materials based on resin 工程科学学报.2017,398)：1182 https::/doi.org10.13374j.issn2095-9389.2017.08.007 压水堆一回路主管道316L不锈钢的电化学腐蚀行为 Electrochemical corrosion behaviors of 316L stainless steel used in PWR primary pipes 工程科学学报.2017,399：1355 https:/doi.org10.13374.issn2095-9389.2017.09.008 S0,2对含CI厂溶液中316L奥氏体不锈钢钝化行为及点蚀行为的影响 Effect of SOon the passive and pitting behavior of 36Laustenitestainless stee inaClconainingion 工程科学学报.2018,40(3：366 https::1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.03.013 脉冲激光亦或电子束辐照对SUS316L奥氏体不锈钢中空位扩散的影响 Effect of pulsed-laser and/or electron irradiation on vacancy diffusion in SUS316L austenitic stainless steel 工程科学学报.2017,396：903 https::/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2017.06.013 温度对40C钢温挤压成形的摩擦-磨损性能影响 Effects of temperature on the friction-wear properties of 40Cr steel by warm extrusion 工程科学学报.2017,392：259 https:1doi.org10.13374.issn2095-9389.2017.02.014 两种热作模具钢的高温摩擦磨损性能 High temperature friction and wear properties of two hot work die steels 工程科学学报.2019,41(7)：906 https:doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.07.009

SLM-316L细丝脂润滑摩擦磨损性能 黄明吉 韩建磊 董秀萍 Tribological properties of the SLM-316L filament under the grease lubrication condition HUANG Ming-ji, HAN Jian-lei, DONG Xiu-ping 引用本文: 黄明吉, 韩建磊, 董秀萍. SLM-316L细丝脂润滑摩擦磨损性能[J]. 工程科学学报, 2021, 43(6): 835-842. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.12.005 HUANG Ming-ji, HAN Jian-lei, DONG Xiu-ping. Tribological properties of the SLM-316L filament under the grease lubrication condition[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(6): 835-842. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.12.005 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.12.005 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 成型工艺对树脂基摩擦材料及其摩擦学性能的影响 Effect of molding process on tribological characteristics of friction materials based on resin 工程科学学报. 2017, 39(8): 1182 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.08.007 压水堆一回路主管道316L不锈钢的电化学腐蚀行为 Electrochemical corrosion behaviors of 316L stainless steel used in PWR primary pipes 工程科学学报. 2017, 39(9): 1355 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.09.008 SO4 2-对含Cl-溶液中316L奥氏体不锈钢钝化行为及点蚀行为的影响 Effect of SO4 2- on the passive and pitting behavior of 316L austenite stainless steel in a Cl- -containing solution 工程科学学报. 2018, 40(3): 366 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.03.013 脉冲激光亦或电子束辐照对SUS316L奥氏体不锈钢中空位扩散的影响 Effect of pulsed-laser and/or electron irradiation on vacancy diffusion in SUS316L austenitic stainless steel 工程科学学报. 2017, 39(6): 903 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.06.013 温度对40Cr钢温挤压成形的摩擦-磨损性能影响 Effects of temperature on the friction-wear properties of 40Cr steel by warm extrusion 工程科学学报. 2017, 39(2): 259 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.02.014 两种热作模具钢的高温摩擦磨损性能 High temperature friction and wear properties of two hot work die steels 工程科学学报. 2019, 41(7): 906 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.009

工程科学学报.第43卷，第6期：835-842.2021年6月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.6:835-842,June 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.12.005;http://cje.ustb.edu.cn SLM-316L细丝脂润滑摩擦磨损性能 黄明吉12)区，韩建磊)，董秀萍) 1)北京科技大学机械工程学院，北京1000832)北京科技大学顺德研究生院，顺德5283003)北京工商大学材料与机械工程学院，北京 100048 ☒通信作者.E-mail:huangmingji@ustb.edu.cn 摘要为研究金属橡胶用选择性激光熔融(SL)技术制备的316L不锈钢细丝在脂润滑条件下的摩擦磨损性能，探讨了不 同载荷、不同摩擦速度以及载荷(F和摩擦速度(~)共同作用的Fm因子对SLM-316L细丝摩擦系数和磨损率的影响规律，利 用扫描电镜观察细丝磨损表面形貌，利用能谱仪(EDS)检测磨损表面元素种类与原子分数，分析其磨损机制.结果表明：在脂 润滑条件下，摩擦系数随着载荷的增大而减小，磨损率随载荷的增大呈先降后升的趋势.摩擦系数和磨损率均随摩擦速度的 增大呈先升后降趋势.低载荷下$LM316L细丝磨损机制主要为磨粒磨损和轻微的氧化磨损.较高载荷下氧化磨损加并伴 随疲劳磨损.低摩擦速度下SLM-316L细丝磨损机制主要为疲劳磨损和氧化磨损，较高摩擦速度下氧化磨损减弱.以磨粒磨 损为主.摩擦系数随F,值的增大而减小，磨损率随Fv值的增大呈先升后降再升的变化趋势.因此用SLM316L细丝制备的 金属橡胶在脂润滑条件下最佳工作参数：Fv等于0.04Nms,即载荷10N、摩擦速度240 mm'min~ 关键词摩擦磨损：316L不锈钢丝：选择性激光熔融：脂润滑：金属橡胶 分类号TH117.1 Tribological properties of the SLM-316L filament under the grease lubrication condition HUANG Ming-j,HAN Jian-lep),DONG Xiu-ping 1)School of Mechanical Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Shunde Graduate School,University of Science and Technology Beijing,Shunde 528300,China 3)School of Materials and Mechanical Engineering.Beijing Technology and Business University,Beijing 100048.China Corresponding author,E-mail:huangmingji@ustb.edu.cn ABSTRACT To study the friction and wear properties of 316L stainless steel filaments prepared by selective laser melting (SLM)for metal rubber under the condition of grease lubrication,the friction coefficient and wear rate of SLM-316L filaments under different loads,different friction velocities,and F factors of the combined effect with load(F)and friction velocity (v)were discussed.Scanning electron microscope (SEM)was used to observe the surface morphology of filaments after wear,and energy dispersive spectrometer (EDS)was used to detect the element types and atomic percentages of the worn surface.Based on these two methods,the wear mechanism was analyzed.Results show that under the grease lubrication condition and with increased load,the friction coefficient decreases,whereas the wear rate initially decreases and then increases.With increased friction velocity,both the friction coefficient and wear rate tend to initially increase and then decrease.The wear mechanism of SLM-316L filaments under the low load condition is mainly abrasive wear and slight oxidative wear.At a high load,oxidative wear is aggravated and accompanied by fatigue wear.The wear mechanism of SLM-316L filaments at low friction velocities is mainly fatigue wear and oxidative wear.At high friction velocities, 收稿日期：2020-11-12 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51975042)：北京科技大学顺德研究生院科技创新专项资金资助项目(BK19AE007)

SLM-316L 细丝脂润滑摩擦磨损性能 黄明吉1,2) 苣，韩建磊2)，董秀萍3) 1) 北京科技大学机械工程学院，北京 100083    2) 北京科技大学顺德研究生院，顺德 528300    3) 北京工商大学材料与机械工程学院，北京 100048 苣通信作者，E-mail：huangmingji@ustb.edu.cn 摘    要    为研究金属橡胶用选择性激光熔融 (SLM) 技术制备的 316L 不锈钢细丝在脂润滑条件下的摩擦磨损性能，探讨了不 同载荷、不同摩擦速度以及载荷 (F) 和摩擦速度 (v) 共同作用的 Fv 因子对 SLM-316L 细丝摩擦系数和磨损率的影响规律，利 用扫描电镜观察细丝磨损表面形貌，利用能谱仪（EDS）检测磨损表面元素种类与原子分数，分析其磨损机制. 结果表明：在脂 润滑条件下，摩擦系数随着载荷的增大而减小，磨损率随载荷的增大呈先降后升的趋势. 摩擦系数和磨损率均随摩擦速度的 增大呈先升后降趋势. 低载荷下 SLM-316L 细丝磨损机制主要为磨粒磨损和轻微的氧化磨损，较高载荷下氧化磨损加剧并伴 随疲劳磨损. 低摩擦速度下 SLM-316L 细丝磨损机制主要为疲劳磨损和氧化磨损，较高摩擦速度下氧化磨损减弱，以磨粒磨 损为主. 摩擦系数随 Fv 值的增大而减小，磨损率随 Fv 值的增大呈先升后降再升的变化趋势. 因此用 SLM-316L 细丝制备的 金属橡胶在脂润滑条件下最佳工作参数：Fv 等于 0.04 N·m·s−1，即载荷 10 N、摩擦速度 240 mm·min−1 . 关键词    摩擦磨损；316L 不锈钢丝；选择性激光熔融；脂润滑；金属橡胶 分类号    TH117.1 Tribological  properties  of  the  SLM-316L  filament  under  the  grease  lubrication condition HUANG Ming-ji1,2) 苣 ，HAN Jian-lei2) ，DONG Xiu-ping3) 1) School of Mechanical Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Shunde Graduate School, University of Science and Technology Beijing, Shunde 528300, China 3) School of Materials and Mechanical Engineering, Beijing Technology and Business University, Beijing 100048, China 苣 Corresponding author, E-mail: huangmingji@ustb.edu.cn ABSTRACT    To study the friction and wear properties of 316L stainless steel filaments prepared by selective laser melting (SLM) for metal  rubber  under  the  condition  of  grease  lubrication,  the  friction  coefficient  and  wear  rate  of  SLM-316L  filaments  under  different loads, different friction velocities, and Fv factors of the combined effect with load (F) and friction velocity (v) were discussed. Scanning electron microscope (SEM) was used to observe the surface morphology of filaments after wear, and energy dispersive spectrometer (EDS)  was  used  to  detect  the  element  types  and  atomic  percentages  of  the  worn  surface.  Based  on  these  two  methods,  the  wear mechanism  was  analyzed.  Results  show  that  under  the  grease  lubrication  condition  and  with  increased  load,  the  friction  coefficient decreases, whereas the wear rate initially decreases and then increases. With increased friction velocity, both the friction coefficient and wear  rate  tend  to  initially  increase  and  then  decrease.  The  wear  mechanism  of  SLM-316L  filaments  under  the  low  load  condition  is mainly abrasive wear and slight oxidative wear. At a high load, oxidative wear is aggravated and accompanied by fatigue wear. The wear mechanism  of  SLM-316L  filaments  at  low  friction  velocities  is  mainly  fatigue  wear  and  oxidative  wear.  At  high  friction  velocities, 收稿日期: 2020−11−12 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（51975042）；北京科技大学顺德研究生院科技创新专项资金资助项目（BK19AE007） 工程科学学报，第 43 卷，第 6 期：835−842，2021 年 6 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 6: 835−842, June 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.12.005; http://cje.ustb.edu.cn

836 工程科学学报，第43卷，第6期 oxidative wear weakens,and abrasive wear becomes dominant.With an increased Fv value,the friction coefficient decreases and wear rate tends to initially rise,which then decreases and finally rises again.Therefore,the best working parameter of the metal rubber prepared using SLM-316L filaments under grease lubrication conditions is Fv=0.04 N'm's,which means that the load is equal to 10N and the friction velocity is 240 mm'min- KEY WORDS friction and wear;316L stainless steel;selective laser melting(SLM);grease lubrication;metal rubber 金属橡胶是由金属丝空间相互勾联而形成的 本文基于SLM技术能够制备形状复杂零件、 一种匀质多孔材料，能可靠地工作在高低温、酸腐 制件特殊的表面孔隙结构对摩擦磨损性能的改善 蚀、油污染、盐雾、强辐射等恶劣环境中.在发挥 和优于常规铸造材料的磨损性能，利用前期研究 减振、隔振功能时，其本质上是内部的金属丝相互 探索出的较为成熟的SLM-316L细丝制备工艺参 之间摩擦耗散能量.金属丝磨损到一定程度会影 数)，制备出表面质量良好的金属丝.针对金属橡 响金属橡胶整体的隔振减振性能，从而缩短其使 胶脂润滑的使用工况，研究SLM-316L细丝在脂润 用寿命-)因此研究金属丝的摩擦磨损性能对于 滑条件下的摩擦磨损性能，探索其在脂润滑条件 提高金属橡胶的使用寿命具有重要意义，目前金 下载荷(F)和摩擦速度()的改变以及载荷和摩擦 属橡胶都是经金属丝螺旋、编织、卷绕、加压成型 速度共同作用的F,因子对其摩擦系数和磨损率 制备而成，成形工艺复杂，难以成形形状复杂的金 的影响规律，并深入分析其磨损机制，为提高SLM 属橡胶) 制备的金属橡胶的使用寿命提供参考 选择性激光熔融(Selective laser melting,SLM 1试验材料与方法 技术具有成型复杂、多种材料、多功能梯度、多尺 度构件的技术优势，广泛应用于实际工程中 1.1试验材料 316L不锈钢由于其具有良好的韧性和耐蚀性成 试验采用SLM技术，通过金属3D打印机EP 为SLM技术最常用的材料之一国内外学者已 M100T对气雾化316L奥氏体不锈钢粉末进行加 经对SLM制件的摩擦性能做了相关研究.Sander 工，316L奥氏体不锈钢粉末的参数见文献]打 等对比了用SLM技术和常规铸造制备的FeCrMoVC 印机配有波长为1030nm的光纤激光器，能够形 工具钢零件的力学性能和摩擦磨损性能，实验得 成φ50um的光斑，打印环境氧气量≤1000mgL 出与传统铸造零件相比，SLM样品具有更高的硬 采用分区棋盘扫描策略，打印工艺参数最优 度和更低的磨损率m.Zhu等研究了SLM-316L不 值如表1所示.制备出直径0.8mm,致密度约为 锈钢零件在润滑接触条件下的摩擦磨损性能，研 99.40%的316L不锈钢丝 究得出SLM样品的晶粒远比传统制造样品的晶 表1SLM工艺参数 粒细小，使其拥有更强的抗磨损性能，同时由于其 Table 1 Process parameters of selective laser melting(SLM) 表面的孔隙结构引起的润滑改善，多孔SLM样品 Laser power/ Scanning Hatch space/ Energy W velocity density/ Form angle/ 的摩擦系数更低⑧对于表面孔隙结构改善润滑的 mm (J'mm) () (mm's) 现象，Huang等认为具有孔隙的表面类似于表面织 100 700 0.080 90 30 构，可以通过空化和吸力效应产生额外动力压力， 及时捕获磨损碎片等机制减少了摩擦磨损9.Lⅰ 1.2摩擦磨损试验 等研究表明表面织构能够增加承载能力，改善润 采用自制的往复式摩擦磨损试验机进行试 滑对提高材料摩擦磨损性能有积极影响0.因此， 验，如图1所示，将两根SLM-316L细丝分别固定 SLM制品表面粗糙度差的固有缺点却能作为天然 在上、下工作台，使其呈90°放置.本试验在室温 织构显著改善材料的摩擦磨损性能.有学者在工 条件下进行，润滑脂采用XY-2固体润滑脂，可以 艺参数对SLM-316L成型质量的影响方面做了充 附着在细丝表面不流失.载荷分别为5、10和15N, 分的研究.黄明吉等实验得出改变扫描间距和能 摩擦速度分别为120、180、240和300 mm'min, 量密度会直接影响成形试样的表面粗糙度、孔隙 不同试验条件下的Fv值如表2所示.试验时间为 率山Zhang等研究表明表面质量取决于激光功率 60min,得到不同条件下摩擦系数和磨损深度随时 和扫描速度2 间变化的曲线，并用磨损深度曲线30min后的斜

oxidative wear weakens, and abrasive wear becomes dominant. With an increased Fv value, the friction coefficient decreases and wear rate  tends  to  initially  rise,  which  then  decreases  and  finally  rises  again.  Therefore,  the  best  working  parameter  of  the  metal  rubber prepared using SLM-316L filaments under grease lubrication conditions is Fv=0.04 N·m·s−1, which means that the load is equal to 10 N and the friction velocity is 240 mm·min−1 . KEY WORDS    friction and wear；316L stainless steel；selective laser melting (SLM)；grease lubrication；metal rubber 金属橡胶是由金属丝空间相互勾联而形成的 一种匀质多孔材料，能可靠地工作在高低温、酸腐 蚀、油污染、盐雾、强辐射等恶劣环境中. 在发挥 减振、隔振功能时，其本质上是内部的金属丝相互 之间摩擦耗散能量. 金属丝磨损到一定程度会影 响金属橡胶整体的隔振减振性能，从而缩短其使 用寿命[1−2] . 因此研究金属丝的摩擦磨损性能对于 提高金属橡胶的使用寿命具有重要意义. 目前金 属橡胶都是经金属丝螺旋、编织、卷绕、加压成型 制备而成，成形工艺复杂，难以成形形状复杂的金 属橡胶[3] . 选择性激光熔融 (Selective laser melting，SLM) 技术具有成型复杂、多种材料、多功能梯度、多尺 度构件的技术优势，广泛应用于实际工程中[4−5] . 316L 不锈钢由于其具有良好的韧性和耐蚀性成 为 SLM 技术最常用的材料之一[6] . 国内外学者已 经对 SLM 制件的摩擦性能做了相关研究. Sander 等对比了用 SLM 技术和常规铸造制备的 FeCrMoVC 工具钢零件的力学性能和摩擦磨损性能，实验得 出与传统铸造零件相比，SLM 样品具有更高的硬 度和更低的磨损率[7] . Zhu 等研究了 SLM-316L 不 锈钢零件在润滑接触条件下的摩擦磨损性能，研 究得出 SLM 样品的晶粒远比传统制造样品的晶 粒细小，使其拥有更强的抗磨损性能，同时由于其 表面的孔隙结构引起的润滑改善，多孔 SLM 样品 的摩擦系数更低[8] . 对于表面孔隙结构改善润滑的 现象，Huang 等认为具有孔隙的表面类似于表面织 构，可以通过空化和吸力效应产生额外动力压力， 及时捕获磨损碎片等机制减少了摩擦磨损[9] . Li 等研究表明表面织构能够增加承载能力，改善润 滑对提高材料摩擦磨损性能有积极影响[10] . 因此， SLM 制品表面粗糙度差的固有缺点却能作为天然 织构显著改善材料的摩擦磨损性能. 有学者在工 艺参数对 SLM-316L 成型质量的影响方面做了充 分的研究. 黄明吉等实验得出改变扫描间距和能 量密度会直接影响成形试样的表面粗糙度、孔隙 率[11] . Zhang 等研究表明表面质量取决于激光功率 和扫描速度[12] . 本文基于 SLM 技术能够制备形状复杂零件、 制件特殊的表面孔隙结构对摩擦磨损性能的改善 和优于常规铸造材料的磨损性能，利用前期研究 探索出的较为成熟的 SLM-316L 细丝制备工艺参 数[13] ，制备出表面质量良好的金属丝. 针对金属橡 胶脂润滑的使用工况，研究 SLM-316L 细丝在脂润 滑条件下的摩擦磨损性能，探索其在脂润滑条件 下载荷 (F) 和摩擦速度 (v) 的改变以及载荷和摩擦 速度共同作用的 Fv 因子对其摩擦系数和磨损率 的影响规律，并深入分析其磨损机制，为提高 SLM 制备的金属橡胶的使用寿命提供参考. 1    试验材料与方法 1.1    试验材料 试验采用 SLM 技术，通过金属 3D 打印机 EP￾M100T 对气雾化 316L 奥氏体不锈钢粉末进行加 工 ，316L 奥氏体不锈钢粉末的参数见文献[13] . 打 印机配有波长为 1030 nm 的光纤激光器，能够形 成 ϕ50 μm 的光斑，打印环境氧气量≤1000 mg·L−1 . 采用分区棋盘扫描策略，打印工艺参数最优 值如表 1 所示. 制备出直径 ϕ0.8 mm，致密度约为 99.40% 的 316L 不锈钢丝. 表 1  SLM 工艺参数 Table 1   Process parameters of selective laser melting (SLM) Laser power/ W Scanning velocity/ (mm·s−1) Hatch space/ mm Energy density/ (J·mm−3) Form angle/ (°) 100 700 0.080 90 30 1.2    摩擦磨损试验 采用自制的往复式摩擦磨损试验机进行试 验，如图 1 所示，将两根 SLM-316L 细丝分别固定 在上、下工作台，使其呈 90°放置. 本试验在室温 条件下进行，润滑脂采用 XY-2 固体润滑脂，可以 附着在细丝表面不流失. 载荷分别为 5、10 和 15 N， 摩擦速度分别 为 120、 180、 240 和 300 mm·min−1 ， 不同试验条件下的 Fv 值如表 2 所示. 试验时间为 60 min，得到不同条件下摩擦系数和磨损深度随时 间变化的曲线，并用磨损深度曲线 30 min 后的斜 · 836 · 工程科学学报，第 43 卷，第 6 期

黄明吉等：SLM-316L细丝脂润滑摩擦磨损性能 837· 率表示材料的磨损率.每组试验重复3次.试验完 0.8 (a) 成后为彻底去除SLM-316L细丝接触表面因摩擦 0.7 试验所产生的磨屑，用超声波对所有细丝清洗 6 l5min.采用扫描电镜(Scanning electron microscope,. SEM)对试件表面磨痕形貌进行测试，用能谱仪 (Energy dispersive spectrometer,.EDS)检测摩擦表面 0.3 元素种类与原子分数，以分析SLM-316L细丝的磨 WWWmM 0.2 损机制.图2为SLM-316L细丝未摩擦的表面能谱 --Load 5N 0.1 +Load 10 N 数据图，由图可知，未摩擦的SLM-316L细丝表面 -Load 15 N 氧元素的原子分数约为22.2%. 0051015202530354045505560 Time/min Placing the Load Measuring the filament friction coefficient 18 (b) 16 14 90° Measuring 8 wear depth 6 图1摩擦磨损试验机及接触示意图 Fig.I Friction and wear testing machine and schematic of contact Load 5N Load 10N Load 15 N 表2不同试验条件下Fm值 0 51015202530354045505560 Table 2 Fy value under different conditions Time/min Program Load,F/N Velocity,v/(mm'min) Fv(N'm's) 0.6 0.12 1 5 240 0.02 (c) Frictional coefficient 10 240 0.04 05 Wear rate 0.10 入 3 240 0.06 0.08 10 120 0.02 5 o 号03 0.06 180 0.03 62 10 300 0.05 三0.2 0.04 0.1 0.02 25 Atomic fraction Certainly Fe ■25.1% 0.98 0 0 20 0 222% 5 10 21.4% Load/N 15 Ni■14.9% 0.96 r■8.6% 0.97 图3不同载荷下的摩擦参数图.(a)摩擦系数：(b)磨损深度：(c)摩擦 10 Na 5.0% 0.94 i1.9% 系数的稳定值和磨损率 0.95 T10.7% 0.93 Fig.3 Friction parameters for different loads:(a)frictional coefficient; 5 (b)wear depth,(c)stable value of the friction coefficient and wear rate 01234567891011121314 Energy/keV 由图3(a)可以看出，当载荷为10和15N时， 图2未摩擦细丝能谱数据图 摩擦系数均在前5min内快速增大，而载荷为5N Fig.2 EDS energy spectrum data graph of an un-rubbed filament 时摩擦系数增长比较平缓.这是由于当载荷较大 时(10和15N),细丝表面的微结构发生塑性变形， 2试验结果及分析 使得实际接触面积增加，从而导致摩擦系数快速 2.1载荷对细丝摩擦磨损性能的影响 增大当载荷较小时(5N),接触压力不足以使 图3是摩擦速度为240 mm'min条件下细丝 细丝表面结构发生塑性变形，只有表面微结构凸 的不同摩擦参数随载荷变化的曲线图 起部分点接触，实际接触的面积很小，因此摩擦初

率表示材料的磨损率. 每组试验重复 3 次. 试验完 成后为彻底去除 SLM-316L 细丝接触表面因摩擦 试验所产生的磨屑，用超声波对所有细丝清洗 15 min. 采用扫描电镜 (Scanning electron microscope, SEM) 对试件表面磨痕形貌进行测试，用能谱仪 （Energy dispersive spectrometer, EDS）检测摩擦表面 元素种类与原子分数，以分析 SLM-316L 细丝的磨 损机制. 图 2 为 SLM-316L 细丝未摩擦的表面能谱 数据图，由图可知，未摩擦的 SLM-316L 细丝表面 氧元素的原子分数约为 22.2%. 90° Load Measuring the friction coefficient Measuring wear depth Placing the filament 图 1    摩擦磨损试验机及接触示意图 Fig.1    Friction and wear testing machine and schematic of contact 表 2 不同试验条件下 Fv 值 Table 2 Fv value under different conditions Program Load, F/N Velocity, v/(mm·min−1) Fv/(N·m·s−1) 1 # 5 240 0.02 2 # 10 240 0.04 3 # 15 240 0.06 4 # 10 120 0.02 5 # 10 180 0.03 6 # 10 300 0.05 25 Fe O C C Fe O Cr Cr Cr Fe Fe Ni Ni Tl Tl Ni Na Si Si Tl Ni Cr Na Si Tl 25.1% Atomic fraction Certainly 22.2% 21.4% 14.9% 8.6% 5.0% 1.9% 0.7% 0.98 0.98 0.99 0.96 0.97 0.94 0.95 0.93 20 15 10 5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Energy/keV Intensity (counts)/10 3 9 10 11 12 13 14 图 2    未摩擦细丝能谱数据图 Fig.2    EDS energy spectrum data graph of an un-rubbed filament 2    试验结果及分析 2.1    载荷对细丝摩擦磨损性能的影响 图 3 是摩擦速度为 240 mm·min−1 条件下细丝 的不同摩擦参数随载荷变化的曲线图. 由图 3（a）可以看出，当载荷为 10 和 15 N 时 ， 摩擦系数均在前 5 min 内快速增大，而载荷为 5 N 时摩擦系数增长比较平缓. 这是由于当载荷较大 时（10 和 15 N），细丝表面的微结构发生塑性变形， 使得实际接触面积增加，从而导致摩擦系数快速 增大[14] . 当载荷较小时（5 N），接触压力不足以使 细丝表面结构发生塑性变形，只有表面微结构凸 起部分点接触，实际接触的面积很小，因此摩擦初 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 Frictional coefficient Time/min Load 5 N Load 10 N Load 15 N (a) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Wear depth/μm Time/min Load 5 N Load 10 N Load 15 N (b) 5 10 15 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 (c) Frictional coefficient Load/N Frictional coefficient Wear rate 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 Wear rate 图 3    不同载荷下的摩擦参数图. （a）摩擦系数；（b）磨损深度；（c）摩擦 系数的稳定值和磨损率 Fig.3    Friction parameters for different loads: (a) frictional coefficient; (b) wear depth; (c) stable value of the friction coefficient and wear rate 黄明吉等： SLM-316L 细丝脂润滑摩擦磨损性能 · 837 ·

838 工程科学学报，第43卷，第6期 始阶段摩擦系数增长缓慢.随着摩擦试验的进行， 渐增大，接触面积逐渐稳定，在界面处产生均匀摩 由于摩擦生热导致细丝摩擦副之间温度上升，使 擦，从而磨损率降低6对比3种载荷条件下稳定 得固体润滑脂的黏度逐渐下降，其局部剪切应力 阶段对应的磨损率，如图3(c)所示，磨损率在载荷 降低，对细丝之间相对滑动的阻力减小，同时附着 为10N时最小，为0.0575，比载荷为5和15N的 在细丝周围的固体润滑脂能够及时进人摩擦副， 磨损率分别减小约40%、31%. 使得细丝摩擦副之间充分润滑，从而导致摩擦系 图4为3种不同载荷条件下细丝磨损后的表 数逐渐降低，直至稳定在某一数值从3种不同 面形貌图、局部放大图及对应的能谱数据.由 载荷试验的稳定摩擦系数对比来看（图3（©）)，摩 图4(a)看出，在试件表面有与摩擦方向一致的犁 擦系数随载荷的增大而减小，载荷为5N时摩擦系 沟，基本没有磨屑，氧元素的原子分数比较未摩 数最大，稳定在0.52左右，当载荷为10N时摩擦 擦SLM-316L细丝变化不大，这是由于当载荷较 系数下降约30% 小时，上下细丝摩擦表面接触力度不够，导致细 图3(b)为不同载荷下磨损深度随时间变化的 丝之间实际接触面积小，细丝之间间隙较大，润 曲线，可以看出，在0~5min内，磨损深度均快速 滑膜较厚，同时由于摩擦引起的温升较小，润滑 增加，随着摩擦试验的进行，磨损深度增长变缓且 脂的黏度较高，对细丝之间相对滑动的阻力较 呈现线性增长趋势，磨损率基本趋于稳定，这是因 大叨摩擦产生的磨屑能够及时被润滑膜带走， 为在摩擦初期，上下细丝表面突出的颗粒磨损导 防止磨粒进一步磨损试件，因此磨损深度较小， 致材料磨损率较大，随着摩擦的进行，摩擦表面逐 无磨屑且无明显的磨粒磨损痕迹.载荷增大，摩 (a) 25 Atomie fraction Sliding direction 28.3% .9 20 Fe 22.3% 14.6 8 15 5i14.2% .97 c 12.9% 0 Cr7.6% 0.98 200m 0 30m 01234567891011121314 Energy/keV (b) 25 Atomic fraction Sliding direction 0 395 20 0.99 Fe ■28.5% 0.98 213% 5 C4.6% Cr■4.5% 0.96 10 Si0.8 0.92 s0.8% 0.92 200m 30m R驰是 Wear debris 01234567891011121314 Energy/keV Sliding 25 Atomic fraction Certainly direction 0 ■46.2% 0.99 20 Fe 222% 0.99 N 16.6% 0.98 15 C■7.1% 0.98 C■4.9% 0.99 10 Si3.1% 0.98 Grooves e题9 200 30m 0 01234567891011121314 Energy/keV 图4不同载荷下磨损表面的扫描电镜图及能谱图.(a)5N:(b)10N;(c)15N Fig.4 SEM and EDS spectra of the wear surface under different loads:(a)5 N;(b)10 N;(c)15 N

始阶段摩擦系数增长缓慢. 随着摩擦试验的进行， 由于摩擦生热导致细丝摩擦副之间温度上升，使 得固体润滑脂的黏度逐渐下降，其局部剪切应力 降低，对细丝之间相对滑动的阻力减小，同时附着 在细丝周围的固体润滑脂能够及时进入摩擦副， 使得细丝摩擦副之间充分润滑，从而导致摩擦系 数逐渐降低，直至稳定在某一数值[15] . 从 3 种不同 载荷试验的稳定摩擦系数对比来看（图 3（c）），摩 擦系数随载荷的增大而减小，载荷为 5 N 时摩擦系 数最大，稳定在 0.52 左右，当载荷为 10 N 时摩擦 系数下降约 30%. 图 3（b）为不同载荷下磨损深度随时间变化的 曲线，可以看出，在 0～5 min 内，磨损深度均快速 增加，随着摩擦试验的进行，磨损深度增长变缓且 呈现线性增长趋势，磨损率基本趋于稳定，这是因 为在摩擦初期，上下细丝表面突出的颗粒磨损导 致材料磨损率较大，随着摩擦的进行，摩擦表面逐 渐增大，接触面积逐渐稳定，在界面处产生均匀摩 擦，从而磨损率降低[16] . 对比 3 种载荷条件下稳定 阶段对应的磨损率，如图 3（c）所示，磨损率在载荷 为 10 N 时最小，为 0.0575，比载荷为 5 和 15 N 的 磨损率分别减小约 40%、31%. 图 4 为 3 种不同载荷条件下细丝磨损后的表 面形貌图、局部放大图及对应的能谱数据. 由 图 4（a）看出，在试件表面有与摩擦方向一致的犁 沟，基本没有磨屑，氧元素的原子分数比较未摩 擦 SLM-316L 细丝变化不大，这是由于当载荷较 小时，上下细丝摩擦表面接触力度不够，导致细 丝之间实际接触面积小，细丝之间间隙较大，润 滑膜较厚，同时由于摩擦引起的温升较小，润滑 脂的黏度较高，对细丝之间相对滑动的阻力较 大[17] . 摩擦产生的磨屑能够及时被润滑膜带走， 防止磨粒进一步磨损试件，因此磨损深度较小， 无磨屑且无明显的磨粒磨损痕迹. 载荷增大，摩 200 μm Sliding direction Grooves 30 μm (a) 200 μm 30 μm Sliding direction Wear debris Grooves (b) 200 μm 30 μm Sliding direction Cracks Grooves (c) 25 O Fe B C Fe O Cr Cr Cr Cr Fe Fe Ni Ni B Ni Ni C Cr 28.3% Atomic fraction Certainly 22.3% 14.6% 14.2% 12.9% 7.6% 0.99 0.98 0.97 0.97 0.99 0.98 20 15 10 5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Energy/keV Intensity (counts)/10 3 9 10 11 12 13 14 25 O Fe Ni C Fe C Cr Cr Cr Cr Fe Fe Ni Ni Ni Si S C Cr Si S 39.5% Atomic fraction Certainly 28.5% 21.3% 4.6% 4.5% 0.8% 0.8% 0.99 0.98 0.98 0.98 0.96 0.92 0.92 20 15 10 5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Energy/keV Intensity (counts)/10 3 9 10 11 12 13 14 25 O Fe Ni O Fe Fe Cr C Cr Cr Cr Fe Fe Ni Ni Tl Tl Ni Si Si Cr C Si 46.2% Atomic fraction Certainly 22.2% 16.6% 7.1% 4.9% 3.1% 0.99 0.99 0.98 0.98 0.99 0.98 20 15 10 5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Energy/keV Intensity (counts)/10 3 9 10 11 12 13 14 图 4    不同载荷下磨损表面的扫描电镜图及能谱图. （a）5 N；（b）10 N；（c）15 N Fig.4    SEM and EDS spectra of the wear surface under different loads: (a) 5 N; (b) 10 N; (c) 15 N · 838 · 工程科学学报，第 43 卷，第 6 期

黄明吉等：SLM-316L细丝脂润滑摩擦磨损性能 839. 擦副之间的接触压力也在逐渐增大，使得细丝表 制为疲劳磨损和氧化磨损，其原因是当摩擦副承 面发生塑性变形，表面的孔隙结构变小，摩擦副 受的载荷较大时，上下细丝之间相对滑动时产生 之间润滑膜厚度逐渐减小，使得润滑膜产生的阻 的热量能够快速地使润滑膜黏度减小，形成稳定 力降低-1分析图4(b)可以看出，试件表面有 的润滑膜，从而使得润滑脂产生的摩擦阻力大幅 较浅的犁沟和少量的磨屑，氧元素的原子分数高 减小，起到减摩抗磨的作用.同时由于摩擦生热 于未摩擦SLM-316L细丝，其磨损机制为磨粒磨 会加剧摩擦表面氧化，生成一层氧化膜，同样能 损和轻微的氧化磨损.图4(c)为载荷15N的扫 够起到薄膜润滑的作用，但会使得试件表面软化 描电镜图和能谱数据，试件表面有轻微的磨痕和 而加快磨损o1 大量的点蚀痕迹，摩擦系数的波动可能是磨粒与 2.2摩擦速度对摩擦磨损性能的影响 摩擦层局部断裂相互作用的结果，氧元素的原子 图5是载荷为10N条件下细丝的摩擦系数和 分数明显高于未摩擦SLM-316L细丝，其磨损机 磨损深度与摩擦速度的关系 0.55 24 (a) -Velocity 120 mm'min 22 (b) 0.50 -Velocity 180 mm.min- 0g5 Velocity 240 mm:min" Velocity 300 mm'min- 16 1 0.35 12 10 0.30 Velocity 120 mm'min- -Velocity 180 mm'min- 0.20 Velocity 240 mm'min- 2 -+Velocity 300 mm'min- 0.15 0 051015202530354045505560 051015202530354045505560 Time/min Time/min 图5不同速度下的摩擦参数图.(a)摩擦系数：(b)磨损深度 Fig.5 Friction parameters for different velocities:(a)friction coefficient;(b)wear depth 由图5(a)可以看出，不同摩擦速度下摩擦系 约为0.1316.其磨损率远远超过其它3种速度.当 数随时间变化的曲线均是先快速增大到最大值， 摩擦速度为240和300 mm'min时，细丝磨损率最 然后逐渐减小，直至达到稳定的摩擦系数.在试验 小并且基本相同，较最大磨损率下降超过56%，但摩 开始0~20min内，摩擦系数曲线震荡剧烈.随着 擦速度为240mm'min时摩擦系数比300 mm'min 试验时间增加，摩擦系数曲线逐渐趋于稳定，在稳 时提高了33%，仅比180 mm'min时的最大摩擦 定值附近上下波动.磨损深度曲线在0~5min内 系数降低9%.因此，SLM-316L细丝在摩擦速度 均急剧增加，随着试验时间增加，磨损深度增长逐 渐变缓，试验进行30min后磨损深度基本呈现线 0.50 0.16 性增长趋势，磨损率基本趋于稳定（图5(b).摩擦 0.45 Frictional coefficient ☒Wear rate 0.14 速度对摩擦系数、磨损深度和磨损率的影响没有 0.40 0.35 0.12 明显规律，图6为摩擦系数的稳定值和不同摩擦 0.10 速度对应的磨损率柱状图.可以看出，摩擦系数和 0.08 磨损率均随速度的增大呈先升后降的趋势.当摩 0.06 擦速度为120和180 mm'min时，摩擦系数曲线随 0.04 时间振荡幅度较大，这是因为此时摩擦速度太低 0.10 0.05 0.02 无法形成流体动力膜提供额外的流体动力升力， 0 60 导致承载能力降低，在一定程度上增大了摩擦阻 120 180 240 300 360 Velocity/(mm-min) 力，因此较低摩擦速度下摩擦系数处于较高水 图6不同速度下摩擦系数稳定值和磨损率柱状图 平.当摩擦速度为l80 mm'min时摩擦系数和磨 Fig.6 Histogram of the stable value of the friction coefficient and wea 损率均最大，摩擦系数最大约为0.39，磨损率最大 rate at different velocities

擦副之间的接触压力也在逐渐增大，使得细丝表 面发生塑性变形，表面的孔隙结构变小，摩擦副 之间润滑膜厚度逐渐减小，使得润滑膜产生的阻 力降低[18−19] . 分析图 4（b）可以看出，试件表面有 较浅的犁沟和少量的磨屑，氧元素的原子分数高 于未摩擦 SLM-316L 细丝，其磨损机制为磨粒磨 损和轻微的氧化磨损. 图 4（c）为载荷 15 N 的扫 描电镜图和能谱数据，试件表面有轻微的磨痕和 大量的点蚀痕迹，摩擦系数的波动可能是磨粒与 摩擦层局部断裂相互作用的结果，氧元素的原子 分数明显高于未摩擦 SLM-316L 细丝，其磨损机 制为疲劳磨损和氧化磨损，其原因是当摩擦副承 受的载荷较大时，上下细丝之间相对滑动时产生 的热量能够快速地使润滑膜黏度减小，形成稳定 的润滑膜，从而使得润滑脂产生的摩擦阻力大幅 减小，起到减摩抗磨的作用. 同时由于摩擦生热 会加剧摩擦表面氧化，生成一层氧化膜，同样能 够起到薄膜润滑的作用，但会使得试件表面软化 而加快磨损[20] . 2.2    摩擦速度对摩擦磨损性能的影响 图 5 是载荷为 10 N 条件下细丝的摩擦系数和 磨损深度与摩擦速度的关系. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 Frictional coefficient Time/min Velocity 120 mm·min−1 Velocity 180 mm·min−1 Velocity 240 mm·min−1 Velocity 300 mm·min−1 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 (a) (b) Wear depth/μm Time/min Velocity 120 mm·min−1 Velocity 180 mm·min−1 Velocity 240 mm·min−1 Velocity 300 mm·min−1 图 5    不同速度下的摩擦参数图. （a）摩擦系数；（b）磨损深度 Fig.5    Friction parameters for different velocities: (a) friction coefficient; (b) wear depth 由图 5（a）可以看出，不同摩擦速度下摩擦系 数随时间变化的曲线均是先快速增大到最大值， 然后逐渐减小，直至达到稳定的摩擦系数. 在试验 开始 0～20 min 内，摩擦系数曲线震荡剧烈，随着 试验时间增加，摩擦系数曲线逐渐趋于稳定，在稳 定值附近上下波动. 磨损深度曲线在 0～5 min 内 均急剧增加，随着试验时间增加，磨损深度增长逐 渐变缓. 试验进行 30 min 后磨损深度基本呈现线 性增长趋势，磨损率基本趋于稳定（图 5（b））. 摩擦 速度对摩擦系数、磨损深度和磨损率的影响没有 明显规律，图 6 为摩擦系数的稳定值和不同摩擦 速度对应的磨损率柱状图，可以看出，摩擦系数和 磨损率均随速度的增大呈先升后降的趋势. 当摩 擦速度为 120 和 180 mm·min−1 时，摩擦系数曲线随 时间振荡幅度较大，这是因为此时摩擦速度太低 无法形成流体动力膜提供额外的流体动力升力， 导致承载能力降低，在一定程度上增大了摩擦阻 力[21] ，因此较低摩擦速度下摩擦系数处于较高水 平. 当摩擦速度为 180 mm·min−1 时摩擦系数和磨 损率均最大，摩擦系数最大约为 0.39，磨损率最大 约为 0.1316，其磨损率远远超过其它 3 种速度. 当 摩擦速度为 240 和 300 mm·min−1 时，细丝磨损率最 小并且基本相同，较最大磨损率下降超过 56%，但摩 擦速度为 240 mm·min−1 时摩擦系数比 300 mm·min−1 时提高了 33%，仅比 180 mm·min−1 时的最大摩擦 系数降低 9%. 因此，SLM-316L 细丝在摩擦速度 60 120 180 240 300 360 0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 Frictional coefficient Velocity/(mm·min−1) Frictional coefficient 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 Wear rate Wear rate 图 6    不同速度下摩擦系数稳定值和磨损率柱状图 Fig.6    Histogram of the stable value of the friction coefficient and wear rate at different velocities 黄明吉等： SLM-316L 细丝脂润滑摩擦磨损性能 · 839 ·

840 工程科学学报，第43卷，第6期 240 mm'min条件下能够保证磨损率较小的同时 磨粒磨损，当摩擦速度处于低速时，脂膜厚度随着 保持较高的摩擦系数，使摩擦磨损性能最优 摩擦速度的增加逐渐减小22，润滑膜受到的剪切 图7为4种不同摩擦速度条件下细丝磨损后 力逐渐增大，此时需要不断有润滑脂的供应，但由 的表面形貌图、局部放大图及对应的EDS能谱数 于这一阶段摩擦生热较少，润滑膜的温度较低，使 据.图7(a)和图7(b)分别为速度120 mm'min和 得润滑脂的粘性较大，流动性较差，润滑脂供应不 180 mm'min的SEM图和EDS图，试件表面均有 足，润滑膜破裂，导致上下细丝直接接触，无法起 较深的犁沟、少量的磨粒和大量的点蚀痕迹，其氧 到隔离上下试件摩擦的作用，发生氧化磨损)同 元素的原子百分比明显高于未摩擦SLM-316L细 时由于低速摩擦，润滑膜无法及时将磨粒带走，导 丝，主要磨损机制为疲劳磨损、氧化磨损和轻微的 致磨粒继续磨损试件表面，因此出现少量磨粒磨 a) 25 Atomie fraction Certainly 453% 0.99 20 Fe 26.3% 0.98 9.7% 15 Cr ■8.6% ■5.5% 0.98 10 N 2.8% |1.1% 5 s0.8% 0.92 5 细型 200m 234 5 67891011121314 Energy/keV (b) Sliding din Atomic fraction Certainly 0 56.4% 0.99 20 Ni 140 0.98 Fe 14.3% 098 ■7.1% 0. 5.7% 10 Si 8% 五02% 0.62 0 OOROR Ce里 200m 30m 01234567891011121314 Energy/keV Sliding direction Atomic fraction Certainly 39.3% 285% 少 213% 0.98 15 Cr Si0.8% 0.92 S0.8% 0.92 200m 30 um 0 9es色 01234567891011121314 Energy/keV Sliding direction Atomic fraction Certainly 0 28.3% 0.9 20 Fe 25.1% 0.99 urooves 0.97 15 B ■12.0% 097 98% 0.99 8.5% 0.98 Si2.2% 0.97 0 200 01234567891011121314 Energy/keV 图7不同速度下的磨损表面的扫描电镜图及能谱图.(a)120 mm'min;(b)180 mm'min:(c)240mm'min:(d)300 mm'min1 Fig.7 SEM and EDS spectra of the wear surface under different velocities:(a)120 mm'min;(b)180 mm'min;(c)240 mm'min;(d)300 mm'min

240 mm·min−1 条件下能够保证磨损率较小的同时 保持较高的摩擦系数，使摩擦磨损性能最优. 图 7 为 4 种不同摩擦速度条件下细丝磨损后 的表面形貌图、局部放大图及对应的 EDS 能谱数 据. 图 7（a）和图 7（b）分别为速度 120 mm·min−1 和 180 mm·min−1 的 SEM 图和 EDS 图，试件表面均有 较深的犁沟、少量的磨粒和大量的点蚀痕迹，其氧 元素的原子百分比明显高于未摩擦 SLM-316L 细 丝，主要磨损机制为疲劳磨损、氧化磨损和轻微的 磨粒磨损，当摩擦速度处于低速时，脂膜厚度随着 摩擦速度的增加逐渐减小[22] ，润滑膜受到的剪切 力逐渐增大，此时需要不断有润滑脂的供应，但由 于这一阶段摩擦生热较少，润滑膜的温度较低，使 得润滑脂的粘性较大，流动性较差，润滑脂供应不 足，润滑膜破裂，导致上下细丝直接接触，无法起 到隔离上下试件摩擦的作用，发生氧化磨损[23] ，同 时由于低速摩擦，润滑膜无法及时将磨粒带走，导 致磨粒继续磨损试件表面，因此出现少量磨粒磨 200 μm 30 μm Sliding direction Cracks Wear debris Grooves (a) 200 μm 30 μm Sliding direction Cracks Grooves (b) 200 μm 30 μm Sliding direction Grooves Wear debris (c) 200 μm 30 μm Sliding direction Grooves (d) 25 O Fe Ni C Fe O Cr Cr Cr Cr Fe Fe Ni Ni B Ni Si Si S S N Cr C N 45.3% Atomic fraction Certainly 26.3% 9.7% 8.6% 5.5% 2.8% 0.99 0.98 0.96 0.97 0.98 0.95 Si S 1.1% 0.8% 0.94 0.92 20 15 10 5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Energy/keV Intensity (counts)/10 3 9 10 11 12 13 14 25 O Ni Fe O Fe Fe C Cr Cr Cr Cr Fe Fe Ni Ni Ti Ti Ti Ti Ni SSi Si Cr C Si 56.4% Atomic fraction Certainly 14.9% 14.3% 7.1% 5.7% 1.5% 0.99 0.98 0.98 0.98 0.99 0.96 Ti 0.2% 0.62 20 15 10 5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Energy/keV Intensity (counts)/10 3 9 10 11 12 13 14 25 O Fe Ni O Fe Cr Cr C Cr Cr Fe Fe Ni Ni Tl Tl Ni Si S C Cr Si 39.5% Atomic fraction Certainly 28.5% 21.3% 4.6% 4.5% 0.8% 0.99 0.98 0.98 0.98 0.96 0.92 S 0.8% 0.92 20 15 10 5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Energy/keV Intensity (counts)/10 3 9 10 11 12 13 14 25 O Fe Ni O C Fe B Cr Cr Cr Cr Fe Fe Ni Ni Ni Si Si B C Cr 28.3% Atomic fraction Certainly 25.1% 14.2% 12.0% 9.8% 8.5% 0.99 0.99 0.97 0.97 0.99 0.98 Si 2.2% 0.97 20 15 10 5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Energy/keV Intensity (counts)/10 3 9 10 11 12 13 14 图 7    不同速度下的磨损表面的扫描电镜图及能谱图. （a）120 mm·min−1；（b）180 mm·min−1；（c）240 mm·min−1；（d）300 mm·min−1 Fig.7    SEM and EDS spectra of the wear surface under different velocities: (a) 120 mm·min−1; (b) 180 mm·min−1; (c) 240 mm·min−1; (d) 300 mm·min−1 · 840 · 工程科学学报，第 43 卷，第 6 期

黄明吉等：SLM-316L细丝脂润滑摩擦磨损性能 841 损痕迹，这两种摩擦速度下细丝的磨损深度也较大 值为0.02Nms1和Fv值为0.04Nms.Fv值为 由图7（©）可以看出，试件表面较其它速度较为光 0.04Nms的摩擦系数比Fv值为0.02Nms 滑，但有少量磨屑，氧元素的原子百分比略高于未 的摩擦系数减小约16%，而磨损率减小约31%， 摩擦SLM-316L细丝，因此主要磨损机制为磨粒磨 因此，该SLM-316L细丝最理想的使用工况为 损和轻微的氧化磨损.由于摩擦生热，使得上下试 F等于0.04Nms时，即载荷10N,摩擦速度 件表面温度升高，润滑膜温度升高，黏性降低，同 240 mm:min 时润滑膜所受的剪切力也随速度的升高而增大，两 3结论 者共同作用使得润滑膜能够及时供应，从而形成 稳定的润滑膜，带走摩擦产生的磨粒防止进一步 (1)脂润滑条件下，SLM-316L细丝的摩擦系 磨损试件表面24-同时，由于试件温度的升高， 数随载荷的增大而减小，磨损率随载荷的增大呈 加速了表面氧化物的生成，表面氧化物同样能够 先降后升的趋势，当载荷为10N时，磨损率最小 起到薄膜润滑的作用，从而减小摩擦系数，Zu等 为0.0575 的研究中也观察到了类似的现象，他们认为表面 (2)脂润滑条件下，SLM-316L细丝的摩擦系 形成的氧化物可以避免金属和金属直接接触，从 数和磨损率均随速度的增加呈先升后降趋势.当 而减少摩擦磨损2.图7(d)为速度300 mm'min 摩擦速度为240和300 mm'min1时，细丝磨损率基 的SEM图和EDS图.与图7(c)对比，该试件表面 本相同.摩擦速度240 mm'min能够在保证磨损 的磨粒更少，氧元素的原子百分比较未摩擦SLM 率较小的同时保持较高的摩擦系数，使摩擦磨损 316L细丝变化不大，这是因为该条件下周围的润 性能最优 滑脂循环更快，能够及时将磨粒带走，避免磨粒进 (3)SLM-316L细丝在低载荷下磨损机制主要 一步磨损试件，同时带走大量摩擦产生的热量，防 为磨粒磨损和轻微的氧化磨损，较高载荷下氧化 止试件表面软化，因此磨损深度最小) 磨损加剧并伴随疲劳磨损；低速度下磨损机制主 2.3Fv因子对摩擦系数和磨损率的影响 要为疲劳磨损和氧化磨损，较高速度下，氧化磨损 图8是摩擦系数、磨损率随Fv变化的柱状 作用减弱，以磨粒磨损为主 图.由图可以看出，随着Fv值的增大，摩擦系数呈 (4)摩擦系数随Fv值的增大而减小，磨损率 下降趋势，在Fv值为0.02Nms时摩擦系数最大 随Fv值的增大呈先升后降再升的变化趋势.SLM- 为0.4232.而磨损率呈先升后降再升的变化趋势 316L细丝最理想的使用工况为Fv等于0.04Nms, 当Fv值为0.02Nms1时磨损率较小，为0.0831 即载荷10N、摩擦速度240mm'min. 当Fv值为0.04Nms时磨损率第二次达到极 奋 考文献 小值，为0.0575，与Fv值为0.05Nms1时的磨损 [1]Lu C Z,Li J Y,Zhou B Y,et al.Effect of metallic wire materials 率0.0579几乎相等.综合摩擦系数和磨损率对 characteristics on the fatigue properties of metal rubber.J Vib 比分析，可以得出2种比较理想的使用工况：Fv Sh0ck,2018,37(24:137 0.50 0.16 (卢成壮，李静媛，周邦阳，等.金属丝特性对金属橡胶疲劳性能 0.45 Frictional coefficient 的影响.振动与冲击，2018,37(24)：137) ☒Wear rate 0.14 0.40 [2] Dong X P,Liu G Q,Niu L,et al.Fretting wear of stainless steel 0.12 0.35 wires in metal rubber damping components.Tribology,2008. 0.30 00 28(3):248 0.25 0.08 (董秀萍，刘国权，牛犁，等.金属橡胶隔振构件中不锈钢丝的微 0.20 0.06 动摩擦磨损性能研究.摩擦学学报，2008,28(3)：248) 0.15 [3] 0.04 Bai H B,Zhan Z Q,Ren Z Y.Progress and prospect of acoustic 0.10 properties of metal rubber.J Vib Shock,2020.39(23):242 0.05 0.02 (白鸿柏，詹智强，任志英.金属橡胶声学性能研究进展与展望 0 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 振动与冲击，2020,39(23)：242) Fv/(N-m's) [4]Liu B Q,Fang G,Lei L P.An analytical model for rapid predicting 图8不同F,下摩擦系数稳定值和磨损率变化趋势图 molten pool geometry of selective laser melting (SLM).Appl Math Fig.8 Stable value of the friction coefficient and wear rate at different Model.2021.92:505 Fy values [5]Hsu T H.Huang P C.Lee M Y.et al.Effect of processing

损痕迹，这两种摩擦速度下细丝的磨损深度也较大. 由图 7（c）可以看出，试件表面较其它速度较为光 滑，但有少量磨屑，氧元素的原子百分比略高于未 摩擦 SLM-316L 细丝，因此主要磨损机制为磨粒磨 损和轻微的氧化磨损. 由于摩擦生热，使得上下试 件表面温度升高，润滑膜温度升高，黏性降低，同 时润滑膜所受的剪切力也随速度的升高而增大，两 者共同作用使得润滑膜能够及时供应，从而形成 稳定的润滑膜，带走摩擦产生的磨粒防止进一步 磨损试件表面[24−25] . 同时，由于试件温度的升高， 加速了表面氧化物的生成，表面氧化物同样能够 起到薄膜润滑的作用，从而减小摩擦系数，Zhu 等 的研究中也观察到了类似的现象，他们认为表面 形成的氧化物可以避免金属和金属直接接触，从 而减少摩擦磨损[26] . 图 7（d）为速度 300 mm·min−1 的 SEM 图和 EDS 图，与图 7（c）对比，该试件表面 的磨粒更少，氧元素的原子百分比较未摩擦 SLM- 316L 细丝变化不大，这是因为该条件下周围的润 滑脂循环更快，能够及时将磨粒带走，避免磨粒进 一步磨损试件，同时带走大量摩擦产生的热量，防 止试件表面软化，因此磨损深度最小[27] . 2.3    Fv 因子对摩擦系数和磨损率的影响 图 8 是摩擦系数、磨损率随 Fv 变化的柱状 图. 由图可以看出，随着 Fv 值的增大，摩擦系数呈 下降趋势，在 Fv 值为 0.02 N·m·s−1 时摩擦系数最大 为 0.4232. 而磨损率呈先升后降再升的变化趋势. 当 Fv 值为 0.02 N·m·s−1 时磨损率较小，为 0.0831. 当 Fv 值为 0.04 N·m·s−1 时磨损率第二次达到极 小值，为 0.0575，与 Fv 值为 0.05 N·m·s−1 时的磨损 率 0.0579 几乎相等. 综合摩擦系数和磨损率对 比分析，可以得出 2 种比较理想的使用工况：Fv 值为 0.02 N·m·s−1 和 Fv 值为 0.04 N·m·s−1 . Fv 值为 0.04  N·m·s−1 的 摩 擦 系 数 比 Fv 值 为 0.02  N·m·s−1 的摩擦系数减小约 16%，而磨损率减小约 31%， 因此 ， 该 SLM-316L 细丝最理想的使用工况 为 Fv 等 于 0.04  N·m·s−1 时 ，即载 荷 10  N，摩擦速 度 240 mm·min−1 . 3    结论 （1）脂润滑条件下，SLM-316L 细丝的摩擦系 数随载荷的增大而减小，磨损率随载荷的增大呈 先降后升的趋势，当载荷为 10 N 时，磨损率最小 为 0.0575. （2）脂润滑条件下，SLM-316L 细丝的摩擦系 数和磨损率均随速度的增加呈先升后降趋势. 当 摩擦速度为 240 和 300 mm·min−1 时，细丝磨损率基 本相同. 摩擦速度 240 mm·min−1 能够在保证磨损 率较小的同时保持较高的摩擦系数，使摩擦磨损 性能最优. （3）SLM-316L 细丝在低载荷下磨损机制主要 为磨粒磨损和轻微的氧化磨损，较高载荷下氧化 磨损加剧并伴随疲劳磨损；低速度下磨损机制主 要为疲劳磨损和氧化磨损，较高速度下，氧化磨损 作用减弱，以磨粒磨损为主. （4）摩擦系数随 Fv 值的增大而减小，磨损率 随 Fv 值的增大呈先升后降再升的变化趋势. SLM- 316L 细丝最理想的使用工况为 Fv 等于 0.04 N·m·s−1 ， 即载荷 10 N、摩擦速度 240 mm·min−1 . 参    考    文    献 Lu C Z, Li J Y, Zhou B Y, et al. Effect of metallic wire materials characteristics  on  the  fatigue  properties  of  metal  rubber. J Vib Shock, 2018, 37（24）: 137 （卢成壮, 李静媛, 周邦阳, 等. 金属丝特性对金属橡胶疲劳性能 的影响. 振动与冲击, 2018, 37（24）：137） [1] Dong X P, Liu G Q, Niu L, et al. Fretting wear of stainless steel wires  in  metal  rubber  damping  components. Tribology,  2008, 28（3）: 248 （董秀萍, 刘国权, 牛犁, 等. 金属橡胶隔振构件中不锈钢丝的微 动摩擦磨损性能研究. 摩擦学学报, 2008, 28（3）：248） [2] Bai H B, Zhan Z Q, Ren Z Y. Progress and prospect of acoustic properties of metal rubber. J Vib Shock, 2020, 39（23）: 242 （白鸿柏, 詹智强, 任志英. 金属橡胶声学性能研究进展与展望. 振动与冲击, 2020, 39（23）：242） [3] Liu B Q, Fang G, Lei L P. An analytical model for rapid predicting molten pool geometry of selective laser melting (SLM). Appl Math Model, 2021, 92: 505 [4] [5] Hsu  T  H,  Huang  P  C,  Lee  M  Y,  et  al.  Effect  of  processing 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 Frictional coefficient Fv/(N·m·s−1) Frictional coefficient 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 Wear rate Wear rate 图 8    不同 Fv 下摩擦系数稳定值和磨损率变化趋势图 Fig.8    Stable value of the friction coefficient and wear rate at different Fv values 黄明吉等： SLM-316L 细丝脂润滑摩擦磨损性能 · 841 ·

842 工程科学学报，第43卷.第6期 parameters on the fractions of martensite in 17-4 PH stainless steel Fe-C phase on the friction and wear behavior and Mechanism of fabricated by selective laser melting.JAlloys Compd,2021,859: Cu-(Fe-C)alloys.Chin J Eng,2020,42(9):1190 157758 (任浩岩，解国良，刘新华.Cu-Fe-C)合金中Fe-C相的固态转变 [6]Zhou Y,Ning F D.Build orientation effect on geometric 对其摩擦磨损行为及机理的影响.工程科学学报，2020,42(9)： performance of curved-surface 316L stainless steel parts fabricated 1190) by selective laser melting.J Manuf Sci Eng,2020,142(12) [17]Yan X C,Gao S H,Chang C,et al.Microstructure and tribological 121002 property of selective laser melted Fe-Mn-Al-C alloy.Mater Lett, [7]Sander J,Hufenbach J,Giebeler L,et al.Microstructure, 2020,270:127699 mechanical behavior,and wear properties of FeCrMoVC steel [18]Sun Y,Bailey R,Moroz A.Surface finish and properties prepared by selective laser melting and casting.Scr Mater,2017, enhancement of selective laser melted 316L stainless steel by 126:41 surface mechanical attrition treatment.Surf Coat Technol,2019, [8]Zhu Y,Lin GL,Khonsari MM,et al.Material characterization 378:124993 and lubricating behaviors of porous stainless steel fabricated by [19]Ren X Y,Zhang G W,Xu H,et al.Wear resistance of ZCuPb2oSns selective laser melting.J Mater Process Technol,2018,262:41 alloy.Tribology,2020,40(4):467 [9]Huang W,Jiang L,Zhou C X,et al.The lubricant retaining effect (任晓燕，张国伟，徐宏，等.ZCuPb2oSn合金耐磨性能研究.摩擦 of micro-dimples on the sliding surface of PDMS.Tribol Int,2012. 学学报，2020,40(4)：467) 52:87 [20]Li H,Ramezani M,Li M,et al.Tribological performance of [10]Li CC,Yang X F,Wang S R,et al.Study on friction and selective laser melted 316L stainless steel.Tribol Int,2018,128: lubrication characteristics of surface with unidirectional 121 convergence texture.Coatings,2019,9(12):780 [21]Lin L Y,Ecke N,Kamerling S,et al.Study on the impact of [11]Huang M J,Yang Y C,Feng S C.Effect of 316L SLM forming graphene and cellulose nanocrystal on the friction and wear process on sliding wear characteristics and hardness.Surf Technol, properties of SBR/NR composites under dry sliding conditions. 2020,49(1):221 Wear,2018,414-415:43 (黄明吉，杨颖超，冯少川.SLM成形316L工艺对滑动磨损特性 [22]Lates M T,Velicu R,Gavrila C C.Temperature,pressure,and 及硬度的影响.表面技术，2020,49(1)：221) velocity influence on the tribological properties of PA66 and PA46 [12]Zhang B C,Coddet C.Selective laser melting of iron powder polyamides.Materials,2019,12(20):3452 Observation of melting mechanism and densification behavior via [23]Li H,Ramezani M,Li M,et al.Effect of process parameters on point-track-surface-part research.JManf SciEng,201,138(5): tribological performance of 316L stainless steel parts fabricated by 051001 selective laser melting.Manf Lett,2018,16:36 [13]Huang M J,Zhang Z X,Chen P.Effect of selective laser melting [24]Chen X B,Ge X,Zhu Y,et al.A study on microstructure and process parameters on microstructure and mechanical properties of tribology performance of samples processed by selective laser 316L stainless steel helical micro-diameter spring.Int/Ady Manuf melting (SLM).J Mech Eng,2018,54(3):63 Technol,2019,104(5-8):2117 (陈旭斌，葛翔，祝毅，等.选择性激光熔化零件微观结构及摩擦 [14]Grutzmacher P G,Rammacher S,Rathmann D,et al.Interplay 学性能研究.机械工程学报，2018,54(3)：63) between microstructural evolution and tribo-chemistry during dry [25]Liu Y S,Zhai X M,Deng Y P,et al.Tribological property of sliding of metals.Friction,2019,7(6):637 selective laser melting-processed 316L stainless steel against filled [15]Wan Y,Li J L,Xiong D S.Influence of sliding velocity on PEEK under water lubrication.Tribol Trans,2019,62(6):962 lubrication state of surface texturing.J Central South Univ Sci [26]Zhu Y,Zou J,Chen X,et al.Tribology of selective laser melting Tech,2015,46(12):4442 processed parts:Stainless steel 316 L under lubricated conditions. (万铁，李建亮，熊党生.滑动速度对织构化表面润滑状态的影 Wear,2016.350-351:46 响.中南大学学报（自然科学版），2015,46(12)：4442) [27]Yang Y,Zhu Y,Khonsari MM,et al.Wear anisotropy of selective [16]Ren H Y,Xie G L,Liu X H.Effect of the solid-state transition of laser melted 316L stainless steel.Wear,2019,428-429:376

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