固溶處理對不同環境介質中2205雙相不銹鋼摩擦磨損行為的影響

張 宇，張瑞豐，趙廣輝，李 娟

(太原科技大學 重型機械教育部工程研究中心，山西 太原 030024)

0 前言

2205雙相不銹鋼是一種含有較低碳含量的不銹鋼合金，以其出色的機械和焊接特性而聞名。它的屈服強度是304奧氏體不銹鋼的兩倍，并展示了出色的耐點蝕和縫隙腐蝕能力。因此，它在化工行業中的應用正在增加，廣泛用于造紙、石油、化工、建筑、制藥和食品等行業。其年產量相當可觀，約占雙相不銹鋼總產量的50%[1-6]。

雙相不銹鋼由鐵素體和奧氏體的等比例組成，結合了鐵素體高強度和奧氏體良好的柔性和韌性[7-9]。此外，它在水溶液中表現出優異的局部氯離子腐蝕抗性[10-12]。2205雙相鋼的固溶處理可以影響相比例和顯微組織，從而影響機械性能[13-16]。研究發現，在2205雙相鋼上進行1 100 ℃固溶處理可以防止表面產生新的點腐蝕，形成更穩定的鈍化膜，顯著提高其抗點蝕性能[17]。此外，將靜態擠壓的2205雙相鋼進行400～800 ℃之間的熱處理，逐漸改變其顯微結構。單個晶粒的位錯密度顯著降低，而奧氏體和鐵素體晶粒的直徑隨溫度增加而增加。在鐵素體-奧氏體晶界和奧氏體-奧氏體晶界處觀察到顯著的偏析現象，促進了σ相的析出和生長。拉伸試驗顯示，經過400 ℃退火處理的樣品的極限抗拉強度提高了150 MPa。在700 ℃退火后，觀察到延伸性的改善?？傮w而言，400～800 ℃之間的熱處理過程增強了2205雙相鋼的強度[18]。

關于雙相不銹鋼的耐磨性已經發表了許多研究[19-21]。Oluwasegun等人[22]進行了一項研究，探討不同固溶處理溫度對熱軋雙相2205不銹鋼顯微組織、力學性能和耐磨性的影響，結果表明，主要磨損機制為磨粒磨損和粘著磨損。楊等人[23]研究了過飽和處理溫度對雙相2205不銹鋼顯微組織、摩擦磨損性能的影響。結果表明，隨著固溶處理溫度的升高，雙相2205不銹鋼奧氏體相的形貌逐漸從纖維狀組織轉變為分布更加均勻的短棒狀和島狀組織。隨著固溶處理溫度的升高，雙相不銹鋼2205的鐵素體含量增加，在100 N載荷的干摩擦條件下，雙相不銹鋼2205的磨損機制由局部氧化磨損轉變為粘著磨損和疲勞磨損，擴大了氧氣分布面積。Luo等人[24]主要研究了鈦合金TC4、316不銹鋼和雙相2205不銹鋼在海水環境中的耐磨性，測試結果表明，雙相2205不銹鋼在海水環境中表現出優異的耐磨性，優于316不銹鋼和TC4鈦合金。觀察到的磨損機制包括疲勞磨損、腐蝕磨損和磨粒磨損。高等人[25]研究了雙相SAF 2205不銹鋼在人造海水中的摩擦和腐蝕特性，測試結果表明，隨著載荷的增加，2205雙相不銹鋼的磨損率降低。研究表明，低載荷條件下的磨損機制主要為磨粒磨損，而高載荷條件下的磨損機制則兼有磨粒磨損和塑性變形。

2205雙相不銹鋼在各種環境中的廣泛應用使磨損和腐蝕損傷不可避免。因此，有必要研究2205雙相不銹鋼在不同環境條件下的摩擦磨損特性，并考慮各種熱處理溫度的影響。關于溶液處理對2205雙相不銹鋼在不同介質環境中的摩擦磨損性能的影響，目前缺乏研究。本研究分別在3.5%NaCl溶液、脫離子水和干摩擦三種不同環境條件下對2205雙相不銹鋼進行了摩擦磨損試驗。實驗結果為改善在不同工作條件下的部件性能和產品質量提供理論依據。

1 實驗方法

本實驗采用的2205雙相不銹鋼的化學成分如表1所示。采用高溫隔熱爐進行固溶處理，加熱速率為6 ℃/min。樣品分別加熱到1 000 ℃、1 040 ℃、1 080 ℃、1 120 ℃和1 160 ℃，并在每個溫度下保溫40 min。然后，樣品迅速冷卻至室溫。

摩擦磨損試驗采用RETC(Research Engineering &Manufacturing，Inc.，美國)的MFT-5000磨損試驗儀進行，圖1為其工作示意圖。

圖1 摩擦磨損試驗示意圖

固溶處理后的樣品被切割成20 mm×15 mm×4 mm的矩形塊。樣品進行2 000目砂紙打磨，然后用金相拋光機進行拋光。摩擦磨損試驗在室溫下進行，涵蓋三種不同環境：3.5%的NaCl溶液、去離子水和干摩擦。每個條件下的試驗均以100 N的負荷、6 mm的滑動距離、30 min的磨損時間、1 Hz的頻率和氮化硅陶瓷球對試樣進行，并重復三次以減小誤差。表2給出了摩擦試驗中采用的參數。試驗結束后，采用白光干涉3D表面測量儀和Zeiss Sigma 300場發射掃描電子顯微鏡(SEM)對磨損表面進行觀察。

表2 摩擦磨損試驗參數

2 實驗結果與討論

2.1 磨損截面輪廓和3D形貌分析

圖2為不同環境介質和熱處理條件試樣的磨損截面輪廓和3D形貌。由圖可知，干摩擦條件下，磨痕的寬度最大，深度也最大，并且在原始和1 040 ℃，磨痕中呈現出明顯的凸凹不平。磨痕兩邊的塑性堆積，不同環境介質中，干摩擦的塑性堆積最多。NaCl溶液中的和去離子水中的磨痕寬度和深度差別不大，比干摩擦的都小得多。

圖2 試樣磨損截面輪廊和3D形貌

同時，在相同的介質環境下，隨著熱處理溫度的增加，磨痕的輪廓加深。在干摩擦下，磨痕的輪廓更加扭曲。在NaCl和去離子水環境中，磨損痕跡的輪廓是平滑的。在不同熱處理溫度的作用下，在干摩擦環境中，試樣表面至磨痕底部的深度隨著熱處理溫度的增加，呈現變大的趨勢，如圖2所示。隨著熱處理溫度的增加，1 160 ℃的磨損深度相對更加深刻，磨損加劇。比較三種介質環境，干摩擦的磨痕深度和寬度最大，從樣品表面到磨痕底部的深度差依次為143 μm、146 μm、149 μm、153 μm、157 μm、155 μm；在去離子水環境中，樣品表面到磨痕底部的深度差依次為88 μm、92 μm、92 μm、81 μm、82 μm、88 μm；在3.5%NaCl溶液環境中，樣品表面到磨痕底部的深度差依次為53 μm、86 μm、71 μm、89 μm、87 μm、89 μm：可以明顯看到干摩擦環境中，磨痕深度都為最大。對于去離子水和3.5%NaCl溶液環境，由于潤滑作用，磨損深度較小，磨損輪廓接近。在不同的法向載荷下，試樣表面到磨痕底部的深度呈現逐漸增加的趨勢。

2.2 磨損形貌觀察與分析

圖3為干摩擦條件下試樣的磨損宏觀形貌。在干摩擦中，摩擦表面的主要特征是存在大量的磨損顆粒和劃痕。氧化物中出現裂紋，表明循環接觸壓力和剪切應力促進了氧化物的摩擦分層，這會產生磨損碎片。同時，摩擦熱還促進碎片與空氣中的氧氣發生氧化反應。摩擦面頭端輕微突出，摩擦磨損機制主要有疲勞磨損和粘著磨損。

圖4顯示了去離子水條件下原始樣品的磨損宏觀形貌。去離子條件下摩擦表面的主要特征是相對摩擦運動方向上的凹槽。摩擦表面是否有裂紋和分層幾乎看不見，只有摩擦頭和摩擦尖輕微突出并出現疲勞裂紋。去離子處理降低了氮化硅球在摩擦表面的剪切應力，從而防止裂紋的形成和擴展。摩擦表面的主要磨損機制是粘著磨損和磨粒磨損，也可能發生中度疲勞磨損。

圖4 在去離子水環境下原始試樣的磨損宏觀形貌

圖5顯示了在3.5%NaCl溶液下不同載荷下樣品的磨損宏觀形貌。在3.5%NaCl溶液條件下，磨損形貌的主要特征是腐蝕坑和細裂紋。由于3.5%NaCl溶液滲透到微裂紋和缺陷中，摩擦過程中反復剪切和壓縮應力下的裂紋增長加快[26-27]。同時，裂紋的延伸導致腐蝕坑中的磨損碎屑和腐蝕化合物分散在磨損表面，減少了氮化硅球和金屬之間的接觸，這間接造成潤滑作用，也導致了圖中的輕微摩擦痕跡。因此，3.5%NaCl溶液中的磨損過程主要包括粘著磨損、腐蝕磨損、磨粒磨損和疲勞磨損。

圖5 在3.5%NaCl溶液環境下原始試樣的磨損宏觀形貌

2.3 磨痕的磨損體積

圖6不同條件下雙相不銹鋼的磨損量。

圖6 不同溫度條件下的磨損量

從圖6可以看出，在相同的環境條件下，隨著熱處理溫度的增加，磨損量相應增加。載荷的大小決定了摩擦副的宏觀應力，直接影響疲勞裂紋的萌生和擴展以及磨損的耐久性[28]。磨損量與載荷的增加成比例地增加，并且隨著熱處理而增加，磨損明顯增加，這也說明隨著熱處理溫度的增加，雙相鋼的耐磨度在逐漸降低。在干摩擦中，雙相2205不銹鋼的磨損大于液體中的磨損。這是因為干摩擦時，液體介質沒有潤滑和冷卻，表面磨損嚴重。特別是在干摩擦條件下，正常載荷100 N時，受雙相不銹鋼表面溫度和沿深度方向的溫度梯度的影響，磨損表面將微觀軟化，粘著磨損將上升，因此磨損量急劇增加。

3.5%NaCl溶液中的磨損體積與去離子水中的磨損體積沒有太大差異。從圖6中可以看出，兩者的磨損輪廓幾乎重疊。這是因為3.5%NaCl溶液的腐蝕性不是很大，而抗菌不銹鋼則耐腐蝕。因為磨損時形成的化學腐蝕有一定的潤滑作用，3.5%NaCl溶液中的摩擦系數低于去離子水中的摩擦系數。由于 3.5%NaCl 溶液中腐蝕和材料磨損的綜合影響，3.5%NaCl溶液的磨損量與去離子水中的磨損量相似。磨損增加了材料表面的位移速度和表面缺陷?；瘜W活性和腐蝕作用增強，被腐蝕的表面疏松，易于拋光或清洗，加劇磨損[29]。隨著熱處理溫度的升高，材料的耐腐蝕性和耐磨性下降，腐蝕磨損加速，導致3.5%NaCl溶液中的磨損體積略大于去離子水。

2.4 摩擦系數曲線分析

摩擦系數的變化反映了材料[30-31]的磨損模式的差異。在圖7(a)中，當使用的數據為100 N、干摩擦和在3.5%NaCl溶液中時，未經化學處理的樣品的摩擦系數變化顯著。位錯缺陷密度高，產品晶間缺陷較多。圖7(b)～圖7(f)中，不銹鋼在3.5%NaCl溶液和去離子水中的摩擦系數曲線具有相似的性質：摩擦系數最初迅速增加，然后逐漸增加，最后趨于穩定。除了摩擦系數不同之外，這三個級別的曲線幾乎相似。不同的是，在第一階段，3.5%NaCl溶液和去離子水這兩種液體對散熱的影響都會減弱，并且接觸溫度的影響不會降低摩擦系數。整體來看，抗菌不銹鋼 3.5%NaCl 溶液和去離子水中，實際接觸面均有液體潤滑，摩擦系數曲線光滑。

圖7 不同固溶處理條件下樣品的摩擦系數與摩擦時間的關系

對比在相同法向載荷下，干摩擦環境的摩擦系數最大，其次去離子水環境的摩擦系數，3.5%NaCl溶液的摩擦系數最小。在流體環境中，接觸表面的潤滑實際上可以降低摩擦系數。相對來說，3.5%NaCl溶液的液體潤滑作用更為顯著。通常，在潤滑條件下，隨著載荷增加，摩擦系數呈下降趨勢。這是因為增加的載荷促進了摩擦表面之間的磨合過程，即表面微凸體被磨平，從而使表面粗糙度降低。當環境介質的粘度增加時，金屬微凸體之間的潤滑膜厚度增加，剪切應力集中在潤滑膜內，減少了金屬微凸體之間的接觸，從而自然降低了剪切強度。此外，粘度的增加也會導致油膜厚度方向速度梯度的下降，因此切向的剪切強度也減小了。這些因素都促使摩擦系數的降低[32]。

雙相不銹鋼材料在3.5%NaCl溶液中具有一定的耐腐蝕性。3.5%NaCl溶液粘度稍高于去離子水的粘度，造成雙相不銹鋼材料在3.5%NaCl介質摩擦系數小于去離子水中的摩擦系數。特別是在法向載荷力為20 N和60 N時，兩者的摩擦系數曲線之間的差值幾乎不變化。但在法向載荷100 N時，兩者的摩擦系數曲線之間的差值逐步縮小，這可能是因為正常載荷的增加會加速不銹鋼耐腐蝕抗菌層的破壞，引起嚴重的腐蝕磨損并增加摩擦表面的粗糙度，從而逐漸增大其摩擦系數。

3 結論

通過對不同環境條件下固溶處理的2205雙相不銹鋼樣品進行摩擦磨損實驗，對其摩擦磨損特性和表面下特征進行分析，得出以下結論：

(1)在相同環境下，磨損體積隨熱處理溫度的增加而增加。在干滑動和NaCl溶液環境下，最大磨損體積在1 120 ℃時達到，而在去離子水中為1 080 ℃。在干滑動條件下，由于沒有液體潤滑和熱量散發，磨損體積顯著增加，遠遠超過溶液環境下的磨損體積。由于NaCl溶液的腐蝕作用，NaCl溶液環境中的磨損體積略高于去離子水中的。

(2)干摩擦中的磨損過程包括粘著磨損、磨粒磨損和疲勞磨損。在去離子水中，磨損過程包括粘著磨損、輕度磨粒磨損和疲勞磨損。在NaCl溶液中，主要磨損過程是粘著磨損和腐蝕磨損，還有輕微磨損和疲勞磨損。

(3)初始階段，摩擦系數快速增加，達到峰值后迅速下降，然后逐漸上升至穩定狀態。需要注意的是，對于干摩擦，第三階段的摩擦系數隨著時間的推移緩慢而均勻地增加。三維形態分析顯示，在去離子水和NaCl溶液環境中，磨損痕跡呈現出光滑的輪廓。然而，在干摩擦區域，磨損線具有較粗糙的輪廓并且具有最大的塑性變形。