7075鋁合金在VG46油潤滑工況下的扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動(dòng)磨損特性

沈明學(xué)，華彩虹，蔡振兵，彭旭東，朱旻昊

(1. 浙江工業(yè)大學(xué) 過程裝備及其再制造教育部工程研究中心，杭州 310032；2. 西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031)

微動(dòng)現(xiàn)象十分復(fù)雜，影響微動(dòng)的因素很多，除受微動(dòng)的運(yùn)行參數(shù)影響外還與環(huán)境、應(yīng)用要求等密切相關(guān)[1]。但可以利用不同措施減緩微動(dòng)損傷，如合理匹配摩擦副材料、降低振動(dòng)幅度、改變腐蝕性環(huán)境、使用潤滑劑或應(yīng)用表面工程技術(shù)等[2?4]。潤滑油可以有效減輕氧化、降低摩擦因數(shù)，它作為減緩微動(dòng)磨損的重要手段之一已在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用[5]。在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，潤滑介質(zhì)環(huán)境中的微動(dòng)磨損試驗(yàn)?zāi)壳爸饕杏趩我坏那邢蛭?dòng)[5?7]，而在復(fù)雜微動(dòng)條件下，潤滑油對微動(dòng)損傷的作用機(jī)理、破壞或減緩機(jī)制并不十分清楚。

鋁合金是航空航天和現(xiàn)代交通運(yùn)輸向輕量化、高速化方向發(fā)展的關(guān)鍵材料，也常作為高應(yīng)力結(jié)構(gòu)部件應(yīng)用于許多領(lǐng)域。扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動(dòng)是指在交變載荷作用下接觸界面發(fā)生微幅扭轉(zhuǎn)的相對運(yùn)動(dòng)，它是扭動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)微動(dòng)耦合的復(fù)雜微動(dòng)[8?9]，廣泛存在于球閥、滾珠軸承、杵臼關(guān)節(jié)、球窩接頭及其他旋轉(zhuǎn)緊固件中，常常是導(dǎo)致該類零部件失效的元兇。然而針對扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動(dòng)，目前僅見英國學(xué)者 BRISCOE等[10?12]和沈明學(xué)所在課題組[8?9]在干態(tài)工況下開展過少量研究。本文作者對油潤滑條件下扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動(dòng)在不同角位移幅值和傾斜角度下的摩擦學(xué)特性、磨痕表面形貌等進(jìn)行詳細(xì)分析，并對其磨損機(jī)制進(jìn)行了探討。

1 實(shí)驗(yàn)

本試驗(yàn)所用材料為 7075鋁合金平面試樣和GCr15鋼球，其主要化學(xué)成分和力學(xué)性能見表 1。平面試樣用線切割的方法切割成尺寸為 10 mm×10 mm×25 mm 的方塊，樣品表面逐級打磨至 1500號SiC金相砂紙，并經(jīng)金剛石研磨膏拋光至表面粗糙度Ra為0.04 μm，選用7075鋁合金目的在于凸顯微動(dòng)損傷、便于揭示損傷機(jī)理。對摩副選用直徑為40 mm的GCr15鋼球。試驗(yàn)前所有試樣依次用丙酮和酒精進(jìn)行超聲清洗5 min，干燥備用。潤滑介質(zhì)選用殼牌VG46潤滑油，其性能指標(biāo)為黏度在40 ℃時(shí)為46 mm2/s，閃點(diǎn)為180 ℃，流點(diǎn)為?39 ℃。

微動(dòng)磨損試驗(yàn)在新型扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動(dòng)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用球/平面接觸方式，圖1所示為試驗(yàn)機(jī)工作原理圖。試驗(yàn)時(shí)，上試樣固定不動(dòng)，下試樣作微幅扭轉(zhuǎn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)參數(shù)為：回轉(zhuǎn)角速度ω為0.2 (°)/s；角位移幅值θ為0.25°～10°；法向載荷Fn為50 N；循環(huán)次數(shù)N為10～1 000次。試驗(yàn)環(huán)境溫度為(20±3) ℃。試驗(yàn)結(jié)束后，為便于磨痕表面形貌觀察，將樣品在丙酮溶液中超聲波清洗 5 min，去除表面附著的松散磨屑，經(jīng)干燥處理后用光學(xué)顯微鏡(OM)和Quanta200型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察磨痕形貌；用EDAX?7760/68ME型電子能譜儀(EDX)分析磨損表面主要元素成分；采用 NanoMap-D雙模式輪廓儀測定磨痕的磨損體積。

圖1 扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動(dòng)試驗(yàn)裝置示意圖Fig. 1 Schematic diagram of dual-rotary fretting test rig: 1—Base platform; 2—Sleeve of motor system; 3—Rotation axis;4—Lower holder; 5—Ball specimen; 6—6-D sensor; 7—Vertical positioning system; 8—Lateral positioning system; 9—Upper holder; 10—Flat specimen; 11—Lubricant; 12—Container; 13—Low-speed reciprocating rotary motor system;14—Locating screw

2 結(jié)果與討論

2.1 Ft—θ 曲線

研究表明Ft—θ曲線(即摩擦力—角位移幅值曲線)的演變特性能有效表征微動(dòng)的運(yùn)行區(qū)域[9]。圖 2所示為7075鋁合金在油潤滑條件下傾斜角度α=40°時(shí)不同循環(huán)次數(shù)和角位移幅值的Ft—θ曲線。

表1 試驗(yàn)材料的主要化學(xué)成分和力學(xué)性能[8]Table 1 Chemical compositions and mechanical properties of test materials[8]

從圖2可以看出，當(dāng)θ=0.375°時(shí)，不同循環(huán)次數(shù)下的Ft—θ曲線均呈近似閉合的橢圓型，此時(shí)接觸界面的相對運(yùn)動(dòng)主要由彈塑性變形協(xié)調(diào)完成，微動(dòng)運(yùn)行于部分滑移區(qū)(Partial slip regime，PSR)。當(dāng)θ=0.75°時(shí)，在約100次微動(dòng)循環(huán)前后Ft—θ曲線由平行四邊形向橢圓型轉(zhuǎn)變，根據(jù)微動(dòng)圖理論[13?14]，此時(shí)微動(dòng)運(yùn)行于混合區(qū)(Mixed fretting regime，MFR)。

隨著角位移幅值增加至θ=1.0°后，所有Ft—θ曲線均呈平行四邊形型，接觸界面處于完全滑移狀態(tài)，此時(shí)微動(dòng)運(yùn)行于滑移區(qū)(Slip regime，SR)。但在干態(tài)下[8]，相同試驗(yàn)參數(shù)下的微動(dòng)仍運(yùn)行于混合區(qū)，這表明潤滑油能明顯地改變微動(dòng)的運(yùn)行區(qū)域。

圖2 不同循環(huán)次數(shù)(N)和角位移幅值下的Ft—θ曲線(α=20°)Fig. 2 Ft—θ curves under different cycle numbers (N) and angular displacement amplitudes at α=20°: (a), (b), (c), (d) θ=0.375°; (e),(f), (g), (h) θ=0.75°; (i), (j), (k), (l) θ=1.0°

2.2 微動(dòng)運(yùn)行工況圖

根據(jù)上述分析可以得到油潤滑狀態(tài)下扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動(dòng)運(yùn)行工況微動(dòng)圖(見圖3)。如圖3所示，與干態(tài)相比油潤滑工況顯著縮小了微動(dòng)的混合區(qū)；在較小的傾斜角度下，PSR/MFR和MFR/SR的邊界均向MFR側(cè)移動(dòng)；在較大的傾斜角度下，PSR/MFR和MFR/SR的邊界均向小角位移幅值方向移動(dòng)。這主要是由于在較小的傾斜角度和角位移幅值下，微動(dòng)主要受扭動(dòng)分量控制，潤滑油難以侵入接觸區(qū)內(nèi)且在接觸區(qū)周圍形成油罩[5]，進(jìn)一步減少了空氣與摩擦面的接觸，從而增強(qiáng)了金屬間的黏著、加劇了接觸表面間的冷焊作用，因此摩擦力比干態(tài)時(shí)的更大。而在較大的傾斜角度或角位移幅值下，微動(dòng)主要受轉(zhuǎn)動(dòng)分量控制，一旦潤滑油進(jìn)入接觸界面就容易形成穩(wěn)定的潤滑油膜，從而有效降低了表面剪應(yīng)力，相對運(yùn)動(dòng)更加容易進(jìn)入完全滑移狀態(tài)。值得指出的是，當(dāng)微動(dòng)主要受轉(zhuǎn)動(dòng)分量控制時(shí)，混合區(qū)顯著減小，甚至當(dāng)傾斜角度在α=60°以上時(shí)在油潤滑條件下混合區(qū)完全消失。

圖3 扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動(dòng)運(yùn)行工況微動(dòng)圖Fig. 3 Running condition fretting map under dual-rotary fretting

2.3 等效摩擦因數(shù)

扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動(dòng)中的等效摩擦因數(shù)(Ft/Fn)相當(dāng)于切向微動(dòng)中的摩擦因數(shù)[9]。圖 4所示為傾斜角度α=20°時(shí)不同角位移幅值下等效摩擦因數(shù)的演變曲線。在部分滑移區(qū)(θ=0.375°)，微動(dòng)主要由彈塑性變形協(xié)調(diào)完成，摩擦因數(shù)始終保持較低的穩(wěn)定值。與干態(tài)相比，潤滑油的黏附和油罩作用[5]增強(qiáng)了接觸表面的黏著和實(shí)際接觸面積[14]，導(dǎo)致摩擦因數(shù)略微高于干態(tài)；在混合區(qū)(θ=0.750°)，F(xiàn)t—θ曲線由平行四邊形逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闄E圓型，塑性變形加劇，摩擦因數(shù)在數(shù)百次微動(dòng)循環(huán)前始終保持爬升趨勢；在滑移區(qū)(θ≥1.000°)，摩擦因數(shù)可大致分為3個(gè)階段：爬升、迅速下降、趨于穩(wěn)定階段。不同于干態(tài)[8]，在約10次微動(dòng)循環(huán)前后，潤滑油開始進(jìn)入接觸表面，有效降低了接觸表面摩擦力，摩擦因數(shù)迅速下降。此外，對比θ=1.000°和θ=2.000°時(shí)的情況可以發(fā)現(xiàn)，后者先進(jìn)入下滑階段，表明角位移幅值越大潤滑油更易被快速地帶入接觸表面；隨著微動(dòng)循環(huán)的進(jìn)行，穩(wěn)定的潤滑油膜形成，摩擦因數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定。

圖4 不同角位移幅值下等效摩擦因數(shù)隨循環(huán)次數(shù)的演變曲線Fig. 4 Evolution curves of Ft/Fn as function of cycle number under varied angular displacement amplitudes

2.4 磨損形貌分析

在部分滑移區(qū)，磨痕呈中心黏著、四周微滑的特征(見圖5)，其損傷形貌與干態(tài)時(shí)的大致相似，表明在部分滑移區(qū)潤滑介質(zhì)很難進(jìn)入接觸表面內(nèi)，潤滑油對微動(dòng)損傷的影響甚微。

在混合區(qū)，當(dāng)微動(dòng)主要受扭動(dòng)分量控制時(shí)，潤滑油很難進(jìn)入整個(gè)接觸區(qū)；而接觸區(qū)外的潤滑油阻礙了氧氣進(jìn)入接觸區(qū)，減緩了接觸區(qū)新鮮金屬表面和磨屑的氧化。這樣，干態(tài)下沒有充當(dāng)固體潤滑層的氧化磨屑，在潤滑油中不能及時(shí)形成，所以表面切向力仍維持較高值(見圖4)，而潤滑油易進(jìn)入表面微裂紋，使得該狀態(tài)下疲勞裂紋更易形成。圖 6所示為α=10°、θ=0.5°、N=100 000時(shí)的磨痕表面及剖面SEM像。從圖6可以看出，磨損表面的剝層現(xiàn)象明顯，剖面分析顯示磨痕兩側(cè)的疲勞裂紋呈不對稱分布、最長的裂紋長度近200 μm。初始裂紋擴(kuò)展角約為30°，并且若干條裂紋向基體內(nèi)擴(kuò)展后相交后又繼續(xù)沿兩個(gè)不同方向擴(kuò)展。一旦構(gòu)件承受外界疲勞載荷作用，疲勞裂紋可能迅速向基體內(nèi)擴(kuò)展，從而進(jìn)一步導(dǎo)致構(gòu)件的過早失效。此時(shí)，材料的失效形式主要表現(xiàn)為疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展，并伴隨著因疲勞磨損所致的片狀剝落。當(dāng)微動(dòng)主要受轉(zhuǎn)動(dòng)分量控制時(shí)，隨著微動(dòng)的進(jìn)行潤滑油相對容易進(jìn)入接觸區(qū)內(nèi)并能有效降低表面切應(yīng)力、縮小混合區(qū)范圍，材料的磨損占主導(dǎo)地位。以α=40°為例，此時(shí)混合區(qū)僅出現(xiàn)在角位移幅值θ為0.4°～0.5°附近，磨損機(jī)制主要以輕微的磨粒磨損為主(見圖7(a))，剖面分析未發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋存在。

圖5 部分滑移區(qū)磨痕形貌的OM照片F(xiàn)ig. 5 Optical micrographs of wear scar in PSR at α=20°,θ=0.5° and N=1 000

在滑移區(qū)，隨著微動(dòng)的進(jìn)行潤滑油極易被帶入接觸區(qū)內(nèi)并形成穩(wěn)定的潤滑油膜，大大降低了接觸表面的剪應(yīng)力(油潤滑條件下滑移區(qū)摩擦力甚至低于部分滑移狀態(tài)，見圖4)。潤滑油膜的存在可以使微動(dòng)提早進(jìn)入滑移區(qū)，并且潤滑油顯著減緩了接觸表面的微動(dòng)損傷，其損傷形貌與圖7所示相似，磨痕截面呈“U”型，在整個(gè)微動(dòng)過程中其損傷機(jī)制主要為輕微的磨粒磨損。圖8所示為θ=2.0°和N=1 000時(shí)，不同傾斜角度下潤滑油和干態(tài)工況中的磨損體積及其體積比(Voil/Vdry×100%)演變。從圖8可以看出，潤滑油有效地減緩了滑移區(qū)的微動(dòng)磨損，其磨損體積僅為干態(tài)下的0.8%～1.2%。此外，從體積比隨傾斜角度的變化可以發(fā)現(xiàn)：隨著傾斜角度的增加磨損體積先增加后逐漸趨于穩(wěn)定，這與文獻(xiàn)[8]所述的隨著傾斜角度的增加微動(dòng)損傷從受扭動(dòng)分量控制逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槭苻D(zhuǎn)動(dòng)分量控制有關(guān)，即在體積比上升階段控制微動(dòng)損傷的扭動(dòng)分量減弱轉(zhuǎn)動(dòng)分量逐漸增強(qiáng)并在最終微動(dòng)損傷主要由轉(zhuǎn)動(dòng)分量控制；而在傾斜角度達(dá)到α=40°后，微動(dòng)磨損幾乎完全受轉(zhuǎn)動(dòng)分量支配，于是磨損體積比趨于穩(wěn)定。

圖6 α=10°, θ=0.5°和N=100 000條件下混合區(qū)的磨痕表面及剖面SEM像Fig. 6 SEM images of wear scar in MFR at α=10°, θ=0.5° and N=100 000

圖7 α=40°, θ=0.5°和N=100 000條件下混合區(qū)的磨痕表面及剖面SEM像Fig. 7 SEM images of wear scar in MFR at α=40°, θ=0.5° and N=100 000

3 結(jié)論

圖8 不同傾斜角度下潤滑油和干態(tài)的磨損體積演變Fig. 8 Evolutions of wear volume as function of tilt angle at θ=2.0° and N=1 000

1) 潤滑油明顯地改變了扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動(dòng)的運(yùn)行區(qū)域，在不同傾斜角度下潤滑油均可不同程度地縮小混合區(qū)范圍。但微動(dòng)受轉(zhuǎn)動(dòng)分量控制時(shí)，潤滑油的抗微動(dòng)損傷性能更加明顯，并且隨著傾斜角度的增加混合區(qū)逐漸減小直至消失。

2) 在部分滑移區(qū)，接觸界面的相對運(yùn)動(dòng)主要由彈塑性變形協(xié)調(diào)完成，因而潤滑油不能進(jìn)入接觸區(qū)內(nèi)，而金屬黏附和油罩作用使得微動(dòng)在潤滑油中的摩擦因數(shù)反而高于干態(tài)，潤滑油對微動(dòng)的影響甚微。

3) 在混合區(qū)，當(dāng)微動(dòng)主要受扭動(dòng)分量控制時(shí)，潤滑油很難進(jìn)入整個(gè)接觸區(qū)，而潤滑油又阻礙了氧氣進(jìn)入接觸區(qū)，接觸界面間充當(dāng)固體潤滑層的氧化磨屑未能及時(shí)形成，使得表面切向力維持較高值，而潤滑油易進(jìn)入表面微裂紋，使得該狀態(tài)下疲勞裂紋更易形成，材料的失效形式主要表現(xiàn)為疲勞裂紋的產(chǎn)生并伴隨著局部的片狀剝落；當(dāng)微動(dòng)主要受轉(zhuǎn)動(dòng)分量支配時(shí)，潤滑油容易進(jìn)入接觸區(qū)，從而有效減緩了微動(dòng)損傷，此時(shí)磨損機(jī)制主要為輕微的磨粒磨損。

4) 在滑移區(qū)，隨著微動(dòng)的進(jìn)行潤滑油極易被帶入接觸區(qū)內(nèi)并在能接觸界面形成穩(wěn)定的潤滑油膜，從而大大降低了接觸表面的剪應(yīng)力，在降低摩擦因數(shù)的同時(shí)潤滑油有效減緩了微動(dòng)磨損，并且潤滑油膜的存在可以使微動(dòng)提早進(jìn)入滑移區(qū)。

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