PDF《表面改性对医用奥氏体不锈钢微动磨损性能的影响1》

MN430 与MNC430 的弹性模量基本相等.可见,本实验所采用的表面改性工艺可 使材料的硬度提高 4~5 倍,弹性模量提高 20%~30%. 表1四种样品的纳米压痕硬度及弹性模量 样品 改性工艺 改性层厚度 (?m) 硬度 H (GPa) 弹性模量 E (GPa) MU - - 2.7±0.2 170.5±9.8 MC500 500°C 渗碳

38 10.5±0.7 223.0±12.8 MNC430 430°C 碳氮共渗

25 13.3±0.9 210.7±12.1 MN430 430°C 渗氮

10 13.2±0.9 206.9±11.8 为了进一步了解改性层的综合承载能力, 采用0~80 mN线性加载, 用纳米划痕仪在1 mm 的长度范围内对四种样品做划痕实验.图1示出了摩擦力随载荷的变化曲线以及高载部分的 划痕形貌.从图中可以看到随着法向载荷的增加,MU的摩擦力曲线波动最大,在40 mN时 摩擦力突然增大,

80 mN时增加到100 mN. 其它三种样品的摩擦力都随法向载荷的增加成线 性增大,最终仅增加到12 mN左右.此外,在相同的载荷(约77.5~80 mN)下,MU的划痕深且 粗,在划痕边缘出现剥落现象,而改性后的三种样品的划痕浅且细,损伤轻微.表明改性后 样品的摩擦和磨损性能均有很大改善. (a) MU (b) MC500 (c) MNC430 (d) MN430 图1摩擦力C法向载荷曲线和对应划痕的扫描电镜图 微动磨损试验在液压伺服微动试验机(Del Talab-N Enelab,法国)上进行.法向载荷为

100 N,微动频率是

5 Hz,循环次数分别为

10000 次,微动位移幅值为

100 ?m.试验浸泡在 模拟体液(Ringer'

s Solution,配比为

1 kg 水中含 9g NaCl、0.42g KCl、0.48g CaCl2 和0.2g NaHCO3)中进行.试验结束后,分别用金相显微镜(BX60M,日本)对磨斑进行光学分析;

用台阶仪(XP-2,Ambios Technology,美国)测量了磨斑的深度;

用EDX 能谱仪(Quanta 2000,美国)检测磨斑中心能谱. 3. 结果与讨论

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40 60

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80 100 Fn (mN) Fn (mN) Fn (mN) F t (mN) Fn (mN) http://www.paper.edu.cn -

3 - 3.1 三维微动图(Ft-d-N 曲线) (a) MU (b) MC500 (c) MNC430 (d) MN430 图2316LVM 不锈钢表面改性前后的三维微动图(Ft-d-N 曲线) 图2示出了 316LVM 不锈钢表面改性前后的摩擦力-位移-循环次数的变化曲线(Ft-d-N 曲线) .可见,所有的摩擦力-位移曲线(Ft-d 曲线)均为稳定的平行四边形,表明微动运行 于完全滑移区[8] . 摩擦力是微动运行行为一个重要参数.图3示出了 316LVM 不锈钢表面改性前后的摩 擦系数随循环次数的变化曲线.可见,在最初的几十次微动循环中,所有样品的摩擦系数都 迅速增加,其原因在于表面污染层的去除和真实接触面积的增大[9] .随后,样品的磨损逐步 从两体磨损转变到三体磨损,摩擦系数逐渐趋于稳定[8] .经过

10000 次微动循环后,未经表 面改性的样品摩擦系数最高,接近 0.8.相对于未改性样品,改性后样品的摩擦系数均有所 降低.其中,摩擦系数最低的是 MC500,约为 0.45.而MN430 和MNC430 的摩擦系数从 峰值急剧下降后又缓慢上升,循环到

10000 次之后与基体接近.综上可知,在三种表面改性 样品中, 500°C 渗碳样品的摩擦系数比 430°C 渗氮和碳氮共渗的低, 表现出优异的摩擦性能. http://www.paper.edu.cn -

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1 10

100 1000

10000 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 Friction coefficient Number of cycles MU MN430 MC500 MNC430 图3316LVM 不锈钢表面改性前后的摩擦系数随循环次数的变化曲线 3.2 磨斑形貌图 图4316LVM 不锈钢表面改性前后样品与其对磨件的磨斑形貌图 图4示出了 316LVM 不锈钢表面改性前后样品的磨斑形貌图,其对磨件不锈钢球上的 磨斑也放在一起作对比.可见,经一万次微动磨损后,316LVM 不锈钢改性前样品 MU 的磨 斑出现严重的磨粒磨损和粘着磨损特征.改性后样品的损伤较轻,磨损性能得到明显改善. 其中,MNC430 和MN430 的磨斑出现轻微的粘着磨损,而MC500 的磨斑面积虽较大但无 明显的磨粒磨损和粘着磨损. 为了定量地分析样品的损伤程度, 采用台阶仪沿垂直于磨损方向测量了磨斑中心横截面 的轮廓曲线,结果如图