萬幸芝１,劉新龍２,王夢(mèng)婕１,蔡振兵２,彭金方２,朱旻昊１,２

(西南交通大學(xué)１．材料先進(jìn)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室摩擦學(xué)研究所,

２．牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室摩擦學(xué)研究所,成都 ６１００３１)

摘 要:采用球/平面接觸方式在自制的試驗(yàn)設(shè)備上對(duì) AZ３１B鎂合金進(jìn)行切向微動(dòng)磨損試驗(yàn),研究了 AZ３１B鎂合金在２０,１００,２００,３００ ℃下的微動(dòng)磨損行為,并分析了其磨損機(jī)制和摩擦氧化作用.結(jié)果表明:在不同試驗(yàn)溫度下,鎂合金的微動(dòng)主要通過滑移來實(shí)現(xiàn);隨著試驗(yàn)溫度的升高,上升階段時(shí)的摩擦因數(shù)增大,摩擦因數(shù)到達(dá)峰值和穩(wěn)定階段所需的循環(huán)次數(shù)減小;隨著試驗(yàn)溫度的升高,AZ３１B鎂合金的磨損體積和摩擦副的總磨損體積均先減小后增大,２００ ℃時(shí),AZ３１B鎂合金的磨損體積最小;在微動(dòng)磨損過程中,AZ３１B鎂合金磨痕表面的摩擦氧化起主導(dǎo)作用;當(dāng)試驗(yàn)溫度低于２００ ℃時(shí),AZ３１B鎂合金磨痕表面形成了鐵的氧化物轉(zhuǎn)移膜,磨損體積隨試驗(yàn)溫度的升高而減小,但在３００ ℃時(shí),鐵的氧化物轉(zhuǎn)移膜被破壞,磨損體積增大.

關(guān)鍵詞:AZ３１B鎂合金;微動(dòng)磨損;摩擦氧化

中圖分類號(hào):TH１１７．３文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):１０００Ｇ３７３８(２０１８)０７Ｇ０００６Ｇ０６

０ 引 言

微動(dòng)是指在緊固配合的機(jī)械零部件中發(fā)生振幅極小的相對(duì)運(yùn)動(dòng)(位移幅值一般為微米量級(jí))[１Ｇ２].微動(dòng)會(huì)造成材料的磨損或?qū)е缕诹鸭y的萌生與擴(kuò)展,從而引起零部件的卡死、振動(dòng)、磨損或斷裂.微動(dòng)磨損 是 造 成 機(jī) 械 零 部 件 災(zāi) 難 性 事 故 的 原 因 之一[３Ｇ４],因此材料的微動(dòng)磨損機(jī)制以及如何提高抗微動(dòng)磨損性能是摩擦學(xué)研究的重點(diǎn).隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快和消費(fèi)結(jié)構(gòu)的持續(xù)升級(jí),我國(guó)能源需求呈剛性增長(zhǎng)態(tài)勢(shì),并且資源環(huán)境問題依然是制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的瓶頸之一,因此節(jié)能減排成為我國(guó)工業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)方向之一.鎂及其合金是目前已知的在工程應(yīng)用中密度最小的結(jié)構(gòu)材料[５],具有高的比強(qiáng)度、高的阻尼和降噪能力、良好的屏蔽電磁干擾性能,且易于機(jī)械加工及回收利用等,被譽(yù)為“２１世紀(jì)的綠色金屬結(jié)構(gòu)材料”[６Ｇ８],廣泛應(yīng)用于汽車和航空航天領(lǐng)域[９Ｇ１０].近年來,有關(guān)鎂合金的常規(guī)摩擦磨損性能的研究很多,但微動(dòng)磨損行為的研究較少,而緊固配合的鎂合金零部件在工作時(shí)經(jīng)常會(huì)發(fā)生微動(dòng)磨損 [１１Ｇ１３].因此,作者以目前應(yīng)用最為廣泛的 AZ３１B鎂合金為研究對(duì)象,研究了不同溫度下的微動(dòng)磨損行為,探討了其磨損機(jī)制和摩擦氧化行為,為鎂合金應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展提供指導(dǎo)[１４].

１ 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn) 材 料 為 市 售 AZ３１B 鎂 合 金 板,尺 寸 為１５０mm×２００mm×４０mm,主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/％)為３．１Al,０．８Zn,０．３２Mn,０．００３Fe,０．０１Cu,０．００１Ni,余 Mg;其熱處理工藝為３００ ℃×１h退火熱處理,抗拉強(qiáng)度為２３０MPa,屈服強(qiáng)度為１６０MPa,硬度為７６HV.

采用球/平面接觸方式在自制的試驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行切向微動(dòng)磨損試驗(yàn),設(shè)備裝置如圖１所示.磨球選用 GCr１５ 鋼 球,直 徑 為 １０ mm,表 面 粗 糙 度 為０．０２μm,硬度為６３ HRC;AZ３１B 鎂合金試樣尺寸為１０mm×２０mm×４ mm,接觸表面經(jīng)粗磨和用直徑為０．２５μm 的金剛石顆粒拋光至表面粗糙度約為０．０２μm.試驗(yàn)溫度為２０,１００,２００,３００℃,載荷為８N,位移幅值為４５μm,頻率為２．５Hz,循環(huán)次數(shù)為１００００周次.試驗(yàn)前,磨球和鎂合金試樣均經(jīng)酒精

超聲波清洗并吹干.試驗(yàn)結(jié)束后,采 用 OlympusＧBX６０M 型光學(xué)顯微鏡(OM)和JSMＧ６０００LV 型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察 磨 痕 形 貌;采 用 BrukerContourGT 型白光干涉儀(３D)觀察磨痕的形貌并計(jì)算磨 損 體 積;采 用 OXFORD XＧMAX５０INCAＧ２５０型能譜儀(EDS)測(cè) AZ３１B 鎂合金和 GCr１５鋼球接觸面的化學(xué)成分及其分布.

２ 試驗(yàn)結(jié)果與討論

２．１ 微動(dòng)磨損特性

由圖２可知:不同溫度下,AZ３１B 鎂合金在不同循環(huán)次數(shù)下的摩擦力Ｇ位移曲線均呈平行四邊形,這說明 AZ３１B鎂合金與 GCr１５鋼球均處于完全滑移的接觸狀態(tài),微動(dòng)主要通過滑移來實(shí)現(xiàn),且位移隨著循環(huán)次數(shù)的增加而均略微減小;在２０,２００,３００℃下,當(dāng)循環(huán)次數(shù)大于１０００周次時(shí),試驗(yàn)過程中的最大摩擦力均趨于穩(wěn)定,而在１００℃下,試驗(yàn)過程中的最大摩擦力不斷增大;在相同循環(huán)次數(shù)下,２０ ℃時(shí)的摩擦力均最小.由圖３可知:切向微動(dòng)摩擦因數(shù)隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線可以分為跑合、上升、峰值、下降和穩(wěn)定等５個(gè)階段,溫度對(duì)上升階段、峰值階段和穩(wěn)定階段摩擦因數(shù)的影響程度較大;在上升階段,隨著試驗(yàn)溫度的升高,摩擦因數(shù)增大,這主要是由于隨著溫度的升高,AZ３１B鎂合金的軟化、黏著作用增強(qiáng),且試驗(yàn)溫度升高使表面吸附水膜蒸發(fā),從而導(dǎo)致摩擦因數(shù)增大[１５];在２０ ℃時(shí),約經(jīng)過２５００次循環(huán)后摩擦因

數(shù)達(dá)到峰值,而在２００,３００ ℃時(shí),僅需約６００次循環(huán),可見達(dá)到摩擦因數(shù)峰值所需的循環(huán)次數(shù)隨試驗(yàn)溫度的升高呈減小的趨勢(shì),且試驗(yàn)溫度越高,摩擦因數(shù)峰值越高,這進(jìn)一步說明溫度對(duì)黏著作用的影響較大;在２０ ℃時(shí),摩擦因數(shù)達(dá)到峰值后呈鋸齒狀下降,這說明此時(shí)二體作用向三體作用轉(zhuǎn)變,參與承載的第三體層表面有裂紋萌生,發(fā)生脆裂,磨屑不斷被排出,導(dǎo)致摩擦力下降[４],摩擦因數(shù)在１００００次循環(huán)時(shí)并未進(jìn)入穩(wěn)定階段,這說明磨屑的產(chǎn)生速率與排出速率未達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡;在１００℃時(shí),摩擦因數(shù)達(dá)到峰值后緩慢上升,這說明磨屑排出量減少且主要堆積在磨痕邊緣處;在２００,３００℃時(shí),摩擦因數(shù)達(dá)到峰值后的下降階段較短,之后快速進(jìn)入穩(wěn)定階段,此時(shí)磨屑的產(chǎn)生速率與排出速率達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡.對(duì)于較軟的材料,其微動(dòng)磨損行為主要取決于磨屑從接觸表面排出的速率[１６].由圖４可知,在２０ ℃時(shí),鎂合金磨痕周圍堆積的磨屑較多,在１００℃時(shí),鎂合金磨痕周圍堆積的磨屑變少,且主要堆積在磨痕邊緣處,而在２００,３００ ℃時(shí)鎂合金磨痕周圍未出現(xiàn)大量磨屑.這可能是由于試驗(yàn)溫度的升高使接觸表面的化學(xué)狀態(tài)發(fā)生改變,磨屑不易排出并快速被氧化堆

積于接觸表面,形成第三體層,從而降低了磨屑排出速率,這使得摩擦因數(shù)快速進(jìn)入穩(wěn)定階段.

在 AZ３１B鎂合金/GCr１５鋼球的切向微動(dòng)磨損過程中,摩擦氧化和材料力學(xué)性能的變化是影響磨損體積的主要因素.由圖６可知:在２０ ℃時(shí),摩擦副間材料的轉(zhuǎn)移。

并不明顯,這是由于該溫度下 AZ３１B鎂合金表面微凸體黏著點(diǎn)的結(jié)合強(qiáng)度低于摩擦副間的剪切強(qiáng)度,因此 AZ３１B鎂合金僅發(fā)生輕微黏著磨損;在２００ ℃時(shí),摩擦副間材料的轉(zhuǎn)移較顯著,黏著磨損加劇,這是由于隨著溫度的升高,AZ３１B鎂合金出現(xiàn)軟化現(xiàn)象,即剪切強(qiáng)度降低,從而促使鎂合金轉(zhuǎn)移至GCr１５鋼球接觸表面;在２００℃時(shí),AZ３１B鎂合金的損傷最輕微,而GCr１５鋼球表面出現(xiàn)明顯劃痕,其損傷較嚴(yán)重,由此推測(cè)此時(shí)鎂合金磨痕表面所形成的第三體層起到了固體潤(rùn)滑作用,從而減輕了 AZ３１B鎂合金的磨損程度;在３００℃時(shí),AZ３１B鎂合金的軟化現(xiàn)象最為嚴(yán)重,因此 GCr１５鋼球表面附著大量轉(zhuǎn)移材料.

２．３ 摩擦氧化作用

由圖７和表１可知:在２０℃時(shí),AZ３１B鎂合金未磨損的基體表面中氧元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為１．２２％,而磨痕表面中氧元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)６０．１８％,這說明在切向微動(dòng)磨損過程中磨痕表面發(fā)生了氧化反應(yīng);隨著試驗(yàn)溫度的升高,磨痕表面的氧元素含量下降,這說明磨痕表面的氧化程度減弱.磨痕表面的氧化主要為摩擦氧化和一般熱氧化,溫度升高促進(jìn)一般熱氧化的發(fā)生,但是摩擦氧化與環(huán)境的濕度有關(guān);隨著溫度的升高,濕度降低,摩擦氧化程度減弱[１８]:因此,在切向微動(dòng)磨損過程中,摩擦氧化起主導(dǎo)作用.隨著試驗(yàn)溫度的升高,磨痕表面中鐵元素含量先增大后減小,在３００℃時(shí),鐵元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為０．５８％.由氧元素和鐵元素的含量變化可見:當(dāng)試驗(yàn)溫度低于２００ ℃時(shí),AZ３１B鎂合金磨痕表面形成了鐵的氧化物轉(zhuǎn)移膜,該轉(zhuǎn)移膜起到固體潤(rùn)滑作用,從而導(dǎo)致磨損體積隨著試驗(yàn)溫度的升高而減小;但在３００ ℃時(shí),鐵的氧化物轉(zhuǎn)移膜被破壞,導(dǎo)致磨損體積增大.

由圖８可知:在２００ ℃時(shí),氧元素、鐵元素均勻分布于磨痕表面,說明在 AZ３１B鎂合金磨痕表面形成了均勻的鐵的氧化物轉(zhuǎn)移膜;在３００℃時(shí),磨痕表面主要含有氧元素和鎂元素,鐵元素僅分布于磨痕邊緣區(qū)域,說明此時(shí) AZ３１B鎂合金磨痕表面主要存在鎂的氧化物,此時(shí)磨痕表面鐵的氧化物的排出和材料塑性的增強(qiáng)是造成磨損體積增大的原因.

３ 結(jié) 論

(１)在２０,１００,２００,３００ ℃時(shí),AZ３１B 鎂合金的微動(dòng)主要通過滑移來實(shí)現(xiàn);切向微動(dòng)摩擦因數(shù)隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線可以分為跑合、上升、峰值、下降和穩(wěn)定等５個(gè)階段,隨著試驗(yàn)溫度的升高,上升階段時(shí)的摩擦因數(shù)增大,摩擦因數(shù)到達(dá)峰值和穩(wěn)定階段所需的循環(huán)次數(shù)減小.

(２)隨著試驗(yàn)溫度的升高,AZ３１B鎂合金的磨損體積和 摩 擦 副 的 總 磨 損 體 積 均 先 減 小 后 增 大,２００ ℃時(shí),AZ３１B鎂合金的磨損體積最小.

(３)在切向微動(dòng)磨損過程中,AZ３１B 鎂合金表面的摩擦氧化起主導(dǎo)作用,隨著試驗(yàn)溫度的升高,磨痕表面的氧化程度減弱;當(dāng)試驗(yàn)溫度低于２００℃時(shí),AZ３１B鎂合金磨痕表面形成了鐵的氧化物轉(zhuǎn)移膜,該轉(zhuǎn)移膜起到固體潤(rùn)滑作用,導(dǎo)致磨損體積隨著試驗(yàn)溫度的升高而減小,但在３００℃時(shí),鐵的氧化物轉(zhuǎn)移膜被破壞,磨損體積增大.

來源：材料與測(cè)試網(wǎng)