Effect of laser melting and surface texture on tribological properties
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摘要: 讨论了饥饿润滑条件下，激光表面织构技术和激光熔凝技术在增强表面润滑性和耐磨性的作用。目的是增强激光表面织构的耐磨性，探讨表面织构增强润滑的作用。观察了基体材料Cr12MoV激光熔凝后熔化区、过渡区和基体的微观组织，检测分析了金相成分，测试了显微硬度。对比研究了不同摩擦磨损环境下激光表面织构技术、激光熔凝技术对摩擦系数的影响。激光熔化区由晶粒细小的马氏体和大量的残余奥氏体组成。激光熔凝后，硬度达到了基体硬度的1.4倍。激光表面织构在低转数时增加润滑作用明显。全熔凝处理在各种不同摩擦磨损环境下都能起到耐磨作用。Abstract: This paper discusses the effect of laser surface texture technology and laser melting technology on enhancing surface lubricity and wear resistance under starvation lubrication. The purpose is to enhance the wear resistance of laser surface texture and explore the role of surface texture in enhancing lubrication. In this paper, the microstructure of the melting zone, transition zone and matrix of the matrix material Cr12MoV after laser melting and solidification has been observed, the metallographic composition has been detected and analyzed, and the microhardness has been measured. The effects of laser surface texture technology and laser melting technology on friction coefficient under different friction and wear environments were compared and studied. The laser melting zone consists of fine grained martensite and a large amount of residual austenite. After laser melting, the hardness reaches 1.4 times of the matrix hardness. The laser surface texture can increase the lubrication effect obviously at low revolutions. The full melting treatment can play a wear-resistant role in various friction and wear environments.
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在工程应用中，相互作用两表面间的摩擦和磨损现象是人们关注的重要研究领域。在减少磨损、提高润滑以及增加耐磨的众多研究方向中，表面织构技术近些年受到了学者们的重视[1-3]。
表面织构技术的应用最早可追溯到20世纪40年代，在柴油发动机活塞环-衬套表面上制备了间断表面，目的是防止活塞与衬套在高温高压的工作环境下发生严重的摩擦磨损[4]。20世纪60年代，Anno J N等[5]提出了微粗糙体润滑理论，通过引入凸起提高摩擦性能。到了90年代末，Etsion I等[6-8]报道了利用微凹坑来减少机械密封表面的摩擦，提高耐磨性。最近，Rosenkranz A[9]和Grützmacher P G[10]等总结了应用于机械部件表面织构技术的现状。目前，表面织构技术对工程材料摩擦学性能的影响已得到了广泛的实验证实和深入的理论研究。
我国在表面织构方面的研究起步较晚，但近些年已取得了显著的成果。以清华大学摩擦学国家重点实验室和吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室为代表，在表面织构的减磨和润滑机理方向进行了理论和实践研究[11-18]。众多学者在表面织构技术的推进和实践方面得到了许多成果，部分已经应用到了工程实际中[19-20]。
以上研究学者们重点关注的是表面织构对摩擦系数、润滑以及磨损量等方面的影响。表面织构的形貌及尺寸通常控制在微米量级，如果相对运动表面产生的摩擦磨损剧烈，尺寸微小的表面织构很容易被磨损掉。表面织构的存储润滑油、捕捉磨粒以及产生动压润滑等减磨效应会随之消失。因此提高表面织构的耐磨性是研究表面织构技术的重要组成部分，国内外这方面的研究成果还鲜有报道。
在工程应用中，不是所有相对运动的表面都能够得到充分持续的润滑介质，但也不会处于干摩擦情况下，多数都处于饥饿润滑状态下，即在装配或工作时一次性在表面上注入润滑介质。因此如何提高饥饿润滑状态下的润滑和耐磨性能是重要的研究方向。
本文探讨激光表面织构技术与激光熔凝技术在单独应用和复合应用中对摩擦磨损性能的影响。研究表面织构在饥饿润滑状态下对摩擦系数的影响，实验分析激光熔凝技术在强化表面织构耐磨性和对摩擦系数的影响，探讨表面织构在饥饿润滑下的动压润滑机理。
1. 实验准备
1.1 实验材料
本文以冷作模具钢Cr12MoV为实验材料，该材料的化学成分如表1所示，其显微组织照片如图1。该材料为球化退火状态，由球粒状珠光体和块状碳化物组织组成，层片型块状碳化物呈不连续网状堆积分布在粒状珠光体基体上。
表 1 Cr12MoV的化学成分% 元素 C Si Mn P S Cu Ni Cr Mo V Fe 成分含量 1.45～1.70 ≤0.40 ≤0.40 ≤0.03 ≤0.03 ≤0.30 ≤0.25 11.0～12.5 0.40～0.60 0.15～0.30 Bal. 1.2 试样的制备及检测
1.2.1 试样的制备
依据摩擦磨损试验机对试样的要求，用车床把试样加工成圆环状，其外径为54 mm，内径为38 mm，厚度为10 mm。将试样的两面磨光，用砂纸对试样的表面进行打磨平整，金相抛光，应用丙酮溶液去油，再用超声波清洗机清洗。试样的表面粗糙度在50 μm左右。这样的基础试样（foundation sample，FS）准备多个备用。
本文选择等腰三角形作为表面织构的形状。依据圆环状试样表面设计织构的尺寸及分布，如图2所示。应用型号为ZT-Y-50W半导体单模激光打标机加工制备表面织构。采用Leica DVM2500超景深测量仪测量单个织构的3D形貌，如图3所示。由图可知，织构轮廓清晰，凹坑底部相对平整，最大深度为126 μm。 表面织构试样（surface texture sample，STS）制备后与基础试样一样进行砂纸打磨平整、抛光、除油以及清洗。
应用RFL-C3000连续光纤激光器及配套系统对试样表面做全熔凝处理。激光参数为：功率3 000 W*15%，离焦量16 mm, 占空比50%，扫描速度6 mm/s，搭接率30%。表面全熔凝试样（surface fully melted sample，SMS）加工之后与基础试样一样进行打磨平整、抛光、除油以及清洗。
在处理好的熔凝试样表面进行激光打标处理。制备既有表面全熔凝强化层，又带有表面织构的复合处理试样（composite treated sample，CTS）。然后打磨平整、抛光、除油以及清洗。
1.2.2 实验的检测方法
应用JSM-7500F（SEM）扫描电子显微镜观察熔凝层断面的金相组织。采用D8ADVANCE型 X 射线衍射仪（XRD）分析涂层的物相组成（Cu靶，光管电压40 kV，电流40 mA，扫描速度5°/min，扫描范围为 30°~70°）。应用THV-2MD型号显微硬度计测量试样的表面显微硬度。应用美国Veeco公司的轮廓仪（型号：NT9100）测量表面粗糙度及摩擦磨损后试样的表面形貌。
2. 实验设计
本文应用型号为MMX-3G多功能摩擦磨损试验机, 测试饥饿润滑条件下表面织构及激光熔凝技术对摩擦磨损性能的影响。该试验机的原理如图4所示。采用的润滑油的型号为：5W-40机油。
实验设计了4种不同的试样在摩擦磨损环境下进行对比摩擦性能。4种试样分别为：基础试样（FS）、表面织构试样（STS）、表面全熔凝试样（SMS）和表面全熔凝之后又带有表面织构的复合处理试样（CTS）。
为了对比不同磨损环境下表面织构及激光熔凝技术对摩擦磨损性能的影响。设计了不同的摩擦磨损环境参数，参数包括载荷和转速。载荷设定4个参数分别为：60 N、80 N、100 N和120 N。转速设定4个参数分别为：100 r/min、200 r/min、300 r/min和400 r/min。
3. 实验结果及分析
3.1 熔凝区域微观组织及硬度
3.1.1 熔凝区域的微观组织
图5显示了单道激光熔凝轨迹的断面金相。图5a中月牙形状区域为熔化区，熔化区与基体区的中间部分为热影响区。高能量的激光束照射到基体的表面，使月牙形区域的材料全部熔化，随后以较高的冷却速度凝固形成熔化区，与基体区明显的区别是块状的碳化物消失。图5b中部为过渡区，图片的左侧为熔化区，右侧为基体区。在左侧区域内可见块状碳化物已经溶解，但没有完全熔化，边缘聚集着难熔碳化物。图片中间区域与右侧区域对比可见，块状碳化物边缘已经模糊，片层状形貌消失，说明该区域虽然受到了高温影响，温度已经达到了相变温度，但是没有达到熔化温度，由于迅速冷却，该区域形成了粒状碳化物，与基体的片层块状碳化物区别明显。
图6显示了熔化区的金相组织形貌。由图中可见，存在针状晶粒组织，且晶粒细小，晶界边缘不清晰。依据该材料的热处理知识可推断，金相组织为大量的残余奥氏体和针状马氏体组成。
3.1.2 硬度
应用显微硬度计分别测试了不同类型试件的表面硬度，如表2所示。由表中数值可见，FS试件与STS试件的表面硬度基本相同。同样，SMS试样与CTS试样的表面硬度也基本相同，可以说明表面织构的制备对表面硬度无影响。表面熔凝之后硬度有很大提高，相对于表面未处理试样提高约1.4倍左右。
表 2 试样表面硬度值 ( HV0.05)试样类型 第一组 第二组 第三组 第四组 FS 128.9 134.8 123.5 115.7 STS 130.2 125.3 128.1 120.0 SMS 417.2 440.3 427.9 431.8 CTS 433.5 420.8 421.1 429.3 3.2 摩擦系数
查询常用钢-钢滑动摩擦系数，无润滑为0.15，有润滑为 0.05~0.1。
对4种试样（FS、SMS、STS、CTS）在饥饿润滑条件下，做时长为10 min的摩擦实验。摩擦系数在前1 min内有波动，之后时段摩擦系数曲线相对平稳，因此摩擦系数平均值取1~10 min时间段的数据。图7显示了不同试样在不同磨损环境下的摩擦系数平均值曲线。观察图7可知，在300 r/min时，所有的摩擦系数误差范围都相对较大。磨损试验机在工作时也会出现误差，因此偶尔出现不符合规律的现象。SMS与未处理的FS相比，在同样的磨损环境下摩擦系数都变小，这说明激光熔凝能够提高表面的耐磨性。
图7c为STS在饥饿润滑条件下，不同摩擦环境下的摩擦系数。与FS和SMS相比，出现了明显不同。虽然摩擦系数随着转速的增加而增加，但是载荷相对加大时，同样的转速是反而摩擦系数变小。100 N和120 N的摩擦系数非常接近。观察摩擦系数的数值发现，出现了小于0.05的数值。这些现象都表明织构对润滑起到了增强作用，在本文研究的范围内，载荷大织构的润滑增强作用更加明显。在低转速时摩擦系数都小于常用的钢-钢润滑状态下的滑动摩擦系数范围的最小值（0.05）。
图7d为CTS试件在同样润滑条件下，不同摩擦环境下的摩擦系数平均值。图中摩擦系数依然遵循随着转速的升高而增大。但是不同载荷对摩擦系数的影响较前3种试样明显减弱，即同转速情况下，不同载荷的摩擦系数相差不大。在转速为100 r/min时，不同载荷的摩擦系数都集中在0.035~0.04。其他转速时，摩擦系数的数值也相对集中。仔细观察摩擦系数数值，发现除了个别点，还是表现为较大载荷摩擦系数较小。
对比4种不同试样在400 r/min时的摩擦系数，发现SMS的摩擦系数相对较小，而不是CTS，这说明在高转速的环境下，表面织构不一定能够降低摩擦系数。对比100 r/min时不同试样的摩擦系数，发现表面织构能够明显地降低摩擦系数。综合分析以上结果可知，表面织构在低转数时能够降低摩擦系数。在本文研究的范围内，带有表面织构的试件在大载荷情况下反而摩擦系数更小。表面全熔凝处理比未处理在各种不同环境下都能起到耐磨的作用。
3.3 表面形貌
把STS、CTS两种试样做饥饿润滑磨损试验。试验之后对试样表面用丙酮清洗除油，然后用超声波清洗。应用表面轮廓仪对试样进行表面形貌检测。图8a为STS磨损后的表面形貌图样及垂直磨损犁沟的断面轮廓曲线。图8b为CTS经过同样磨损后的表面形貌。对比形貌图样，8a图样的颜色差异较8b图样大，说明8a图样的表面粗糙度比8b图样大。对比左侧蓝色曲线（划痕断面轮廓曲线），能够发现8a图样相邻两峰之间的距离比8b图样的宽，说明8a图样的犁沟宽度明显比8b图样的犁沟宽。对比曲线的波动范围发现，8a图样表面轮廓线的波动范围约在正负1 000 nm之间，8b图样轮廓线的波动范围约在400 nm之间。这说明了8a图样比8b图样的表面粗糙度大，磨损形成的犁沟深度比8b图样深。由以上分析可知，在同样的磨损环境下，STS的犁沟较CTS的犁沟宽且深，即STS不如CTS耐磨。结合前文微观组织形貌、金相成分、硬度的测量及分析，可认为表面熔凝能够增强耐磨性。表面织构是由规则排列的凹坑组成，织构的耐磨性即试样表面的耐磨性。
3.4 机理探讨
实验表明，激光熔凝技术能够细化晶粒，增加硬度，在各种不同环境下都能提高表面耐磨性。激光表面织构技术能够增加润滑、存储磨粒和产生动压润滑效应，在同样磨损环境下能够降低摩擦系数。
观察表面织构三维形貌可知，织构凹坑最深处为126 μm。如果织构表面长时间受到剧烈磨损，这样浅的织构必然会被破坏，表面织构的减磨效应将会消失，导致更加严重的磨损。发挥激光熔凝技术与织构技术的协同作用，可以提高表面的耐磨性，即提高表面织构的耐磨性，织构的减磨效应又可以降低表面的摩擦磨损，这两种技术的协同作用使得硬化表面与织构相互保护，从而起到明显提高工件表面耐磨性的效果。
4. 结语
研究了激光熔凝和表面织构技术对摩擦磨损性能的影响，分析了熔凝层的微观组织、金相成分和硬度，探讨了表面织构在饥饿润滑条件下对摩擦系数的影响，研究了两种技术对耐磨性的不同作用。
（1）试样表面激光熔凝后，熔化区晶粒细小，成分均匀，由马氏体和大量的残余奥氏体组成。
（2）激光熔凝后，硬度增加，达到了基体硬度的1.4倍。
（3）带有激光表面织构的试件在载荷大时摩擦系数反而小，在低转数时增加润滑作用明显。表面全熔凝处理比未处理试样在各种不同摩擦磨损环境下都能起到耐磨作用。
（4）观察STS和CTS磨损后的表面形貌，发现STS表面产生的犁沟相比CTS的宽且深。
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表 1 Cr12MoV的化学成分
% 元素 C Si Mn P S Cu Ni Cr Mo V Fe 成分含量 1.45～1.70 ≤0.40 ≤0.40 ≤0.03 ≤0.03 ≤0.30 ≤0.25 11.0～12.5 0.40～0.60 0.15～0.30 Bal. 
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表 2 试样表面硬度值 ( HV0.05)
试样类型 第一组 第二组 第三组 第四组 FS 128.9 134.8 123.5 115.7 STS 130.2 125.3 128.1 120.0 SMS 417.2 440.3 427.9 431.8 CTS 433.5 420.8 421.1 429.3
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