316不锈钢管摩擦磨损性能研究

不锈钢管有着良好的耐腐蚀性能，优异的加工性能，在多个领域得到了广泛的应用。奥氏体不锈钢管是不锈钢管中使用量和生产量最大的一种钢材，以其优异的耐腐蚀性能和加工成型性能成为现代工业中重要的工程材料之一。奥氏体不锈钢管是面心立方结构，无磁性，它的含铬量在17％～25％之间，含镍量在8％～25％之间。它在室温下的组织为奥氏体，有着良好的塑性以及焊接性。由于其不但具备优良的耐腐蚀性能，而且有着良好的力学性能和加工性能，从而在机械设备领域获得了广泛的应用。

316不锈钢管是典型的奥氏体不锈钢管之一，其拥有良好的韧性、塑性及耐腐蚀性能，被广泛应用于石油化工、航海、能源开发等领域。与普通碳钢相比，它具有优异的金属光泽，较强的化学稳定性，十分出色的塑性和强度。而且它的力学性能无论在高温还是低温中都非常稳定。目前的研究中，大多关注对316不锈钢管的力学性能，对于316钢之间的摩擦效应的研究却没有得到足够重视。摩擦导致大量机械能的损耗，磨损又是摩擦行为的一种必然结果，这必然引起巨大的资源浪费。由于我国处于工业现代化的高速进程中，对于能源、工业材料的需求逐年上升。据统计，国家能源30％以上是由于摩擦消耗，同时磨损在制造行业造成的材料损耗数量也相当大，因此材料摩擦磨损性能的研究是当今一个具有重大社会经济效益的问题。

本文作者以316不锈钢管为研究对象，研究了316不锈钢管的化学成分组成、高温维氏硬度、金相组织结构，并探究了常温下不同摩擦副的摩擦性能以及高温下的摩擦磨损性能。对316不锈钢管与不同摩擦副耐磨性进行的研究，为316不锈钢管在摩擦状况时摩擦副的选择及适用条件提供了一定的借鉴。

１ 实验部分

1.1 实验材料及制备

实验材料：316不锈钢管与GCr15钢、440C钢和304不锈钢管小球直径为6mm。使用Foundry-MasterPro立式直读光谱仪测得试验用316不锈钢管的主要化学成分如表1所示。

根据试验机要求加工室温摩擦磨损试样，图纸如图1所示。此外，高温维氏硬度试样为?30×4mm，高温往复摩擦磨损试样?12×3mm。

1.2 实验方法

（1）高温维氏硬度实验。用HVT-1000W高温真空硬度计测试316不锈钢管在室温（23℃）、100、200、300和400℃下真空（真空度2×10-5Pa）环境中的维氏硬度。实验载荷98N，保压时间30s。

（2）室温摩擦磨损实验。通过MMW-1A万能摩擦磨损试验机进行不锈钢管的摩擦试验，试验机原理如图2所示。在室温条件下，设定实验载荷、实验时间，采用不同硬度的钢球（GCr15钢、440C钢、316钢、304钢）对磨316不锈钢管球盘，由摩擦试验机实时读取摩擦过程中的摩擦因数，通过探针式磨痕测量仪测量摩擦前后球盘的磨损量，通过三维形貌仪观察316球盘磨损后的形貌。设定实验参数如下：实验温度为室温；摩擦速度100r／min；实验载荷20N；实验时间5min。

（3）高温摩擦磨损实验。采用MGG-02高温往复摩擦磨损试验机对316不锈钢管圆盘的高温摩擦性能进行测试。实验装置如图3所示。通过试验机实时读取摩擦过程中的摩擦因数。摩擦试验结束后，使用显微镜观察摩擦试样的磨痕形貌。设定实验参数如下：实验载荷20N，冲程2mm，频率20Hz，实验时间5min，实验温度分别为室温（23℃）、100、200、300和400℃。

２ 结果与讨论

2.1 高温硬度分析

图4为316不锈钢管在不同温度下（23，100，200，300，400℃）的硬度试样在光学显微镜下的图片，其压痕长度分别为297.417，308.197，321.790，330.572，353.859mm。将压痕长度值代入维氏硬度计算公式计算相应温度下的维氏硬度。维氏硬度的计算公式如下：HV＝0.102×FS＝0.102×2Fsinα／2d2其中：F为负荷（N）；S为压痕面积（mm2）；α为压头相对面夹角136°；d为平均压痕对角线长度（mm）。

表2为316不锈钢管在不同温度下的维氏硬度值，可以看出，随温度的不断升高，316钢的硬度值逐渐降低。当温度由室温升至200℃时硬度下降速率较快；当温度由200℃升至400℃时硬度的下降速率变缓。整体来看，316不锈钢管在升温过程中硬度值逐渐减小，表明316不锈钢管随温度的升高其结构组织逐渐变软。

2.2 金相组织分析

为了对316不锈钢管的基体组织进行分析，采用金相显微镜对其进行组织观察。图5为通过金相实验观察到的316L不锈钢管的组织形貌。图中黑色部分晶界较直，呈多规则多边形，为奥氏体成分。白色部分呈块状，晶界比较圆滑，为铁素体成分，增强奥氏体不锈钢管的抗裂和耐晶间腐蚀能力。因此，316不锈钢管试样的基体组织由奥氏体组成，并含有一定含量的铁素体。

2.3 常温摩擦磨损

2.3.1 摩擦因数

图6为304钢球-316钢试样盘、GCr15钢球-316钢试样盘、440C钢球-316钢试样盘、316钢-316钢试样盘4种不同摩擦副在相同条件下与试样盘相互对磨得到的摩擦因数随时间的变化曲线。从图中可以看出，相同的条件下摩擦副316钢球-316钢试样盘的摩擦因数明显大于其他3种材料的摩擦因数。这是由于同种钢材料，硬度相同，更容易产生黏着磨损，说明了316钢在该情况下黏着磨损严重。此外，GCr15钢球-316钢试样盘与440C钢球-316钢试样盘的摩擦因数随摩擦时间的增长而不断增大，呈现出类似的增长趋势。304钢球-316钢试样盘的摩擦因数大小随摩擦时间的增长而变化不大，说明304钢球-316钢试样盘摩擦副呈现出良好的稳定性。通过计算可知，摩擦副304钢球-316钢试样盘、GCr15钢球-316钢试样盘、440C钢球-316钢试样盘、316钢-316钢试样盘的摩擦因数平均值分别为0.4606、0.2773、0.3463、0.6088。因此可以说明GCr15钢与其他材料相比，其减磨性能最好。其次是440C钢、304钢，而316钢与316钢之间易发生黏着磨损，其减磨性能最差。

2.3.2 三维形貌

图7为GCr15钢球-316钢试样盘、304钢球-316钢试样盘、440C钢球-316钢试样盘、316钢球-316钢试样盘4种不同摩擦副在相同条件下对磨后，应用三维形貌仪扫描316试样盘后得到的磨痕立体图。由图可以看出，GCr15钢球-316钢试样盘磨损程度最小，440C钢球-316钢试样盘摩擦副磨损程度次之，而316钢球-316钢试样盘的磨损程度最严重。因此，说明了在以316钢为基本摩擦副情况下，GCr15钢球的耐磨性能强于440C、304和316钢球。通过软件计算得知，4种摩擦副下316试样的磨痕平均高度分别为35.061，47.551，42.332，51.291μm，这与摩擦副的磨损形貌和磨损程度结果相吻合。

2.3.3 磨损量

表3为GCr15钢球-316钢试样盘、304钢球-316钢试样盘、440C钢球-316钢试样盘、316钢球-316钢试样盘4种不同摩擦副在相同条件下对磨后，应用探针式磨痕测量仪测试316试样的磨痕及磨损量结果。从图中可以看出GCr15钢球的磨痕宽度、磨痕深度及磨损量均最小，所以GCr15钢球-316钢试样盘对磨时的减磨性能最好，而摩擦副440C及304钢下的316试样的磨痕宽度、磨痕深度及磨损量大于摩擦副316钢球，进而316钢球的减磨性能最差。因此在这4种摩擦副中GCr15钢-316钢试样的减磨性能最好，而316钢-316钢试样盘的减磨性能最差。

2.4 高温摩擦磨损

2.4.1 摩擦因数因摩擦副GCr15-316钢试样盘在常温摩擦条件下表现的良好摩擦性能，选用GCr15为对磨材料，对316钢试样盘进行高温条件下的摩擦性能探究。图8为摩擦副GCr15钢球-316钢试样盘在不同温度下（23、100、200、300、400℃）进行对磨，其摩擦因数随摩擦时间的变化曲线。

从图中可以看出，摩擦因数的大小随对磨温度的升高总体呈现出增大的趋势，这是由于温度的升高导致钢的结构组织变软所致。室温条件下，摩擦因数随摩擦时间的增大而增大，这是由于随摩擦的不断进行，钢磨屑的出现增大了试样表面的粗糙程度，导致阻碍摩擦的力增大，进而摩擦因数增大。而在摩擦副的对磨温度大于100℃时，随摩擦时间的增长摩擦因数呈现出逐渐减小的趋势，这是由于温度升高，钢磨屑组织变软并在摩擦表面形成一种自润滑薄膜，致使摩擦因数的不断减小并趋于平衡。综上所述，316不锈钢管的高温耐磨性较差，适用于温度较低的，一般低于200℃高温摩擦工作场合。

2.4.2 磨痕

通过光学显微镜对高温摩擦后的316钢试样盘磨损形貌进行观察分析，如图9所示。由图可知，316钢试样盘的磨痕宽度随实验温度的变化而发生变化。在摩擦温度分别为23、100、200、300、400℃时，316不锈钢管试样的磨痕随着温度的升高逐渐变宽，分别是0.85、1.00、1.10、1.21和1.39mm，具有明显变宽的趋势。说明随着温度的增加316不锈钢管的表面塑性变形增加。这是由于提高温度导致316钢组织变软，以致在摩擦实验中加剧了摩擦副与试样间的黏着，而在随后的磨损过程中，摩擦副与试样间发生了不同程度的物质转移，导致不锈钢管试样磨痕增大。