工程陶瓷－典型金屬摩擦副的摩擦學(xué)性能及組合優(yōu)化

田欣利，王 龍，王朋曉，吳志遠(yuǎn)，張保國，王健全

（裝甲兵工程學(xué)院 裝備再制造技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100072）

工程陶瓷材料具有高硬度，高強(qiáng)度，低密度，高剛度，良好的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)異性能，其中Si3N4，SiC，ZrO2等在摩擦學(xué)領(lǐng)域得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用［1，2］，但在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常會(huì)遇到陶瓷－金屬的摩擦磨損問題，近年來對(duì)此進(jìn)行了大量的研究［3－6］。

45鋼，Cu，GCr15，巴氏合金等是常用的耐磨金屬類材料。由于純銅強(qiáng)度低，通常在銅中加入一些合金元素，改善其性能，如黃銅，錫青銅等，被廣泛用于制造軸承，軸套等耐磨零件和彈簧等彈性元件［7－10］。劉陽等［11］發(fā)現(xiàn)高鋁青銅除了在純水中高載滑動(dòng)下的磨損量高于普通鋁青銅以外，其他條件下的耐磨性均優(yōu)于普通鋁青銅。馮在強(qiáng)等［12］開發(fā)的新型錫青銅具有較高的耐磨性，抗拉強(qiáng)度提高了70% ～90%，極大提高了合金的力學(xué)性能。巴氏合金是一種廣泛使用的軸承材料，具有減磨特性，優(yōu)異的嵌藏性和順應(yīng)性。巴氏合金的摩擦學(xué)性能已經(jīng)得到了廣泛研究［13－15］。吳海榮等［16］發(fā)現(xiàn)錫基巴氏合金具有耐腐蝕性，在海水環(huán)境高速重載條件下的摩擦因數(shù)和磨損率依然較小，并且摩擦學(xué)行為較為穩(wěn)定。工程陶瓷與上述耐磨金屬作為摩擦副配合使用具有較高的使用價(jià)值，但是目前關(guān)于這幾種陶瓷－金屬摩擦副摩擦學(xué)性能的研究工作鮮有報(bào)道。

本工作以3種工程陶瓷材料Si3N4，SiC，ZrO2和4種典型的耐磨金屬材料45鋼，Cu，GCr15，巴氏合金為研究對(duì)象，進(jìn)行了微量潤滑條件下的工程陶瓷－金屬摩擦副的摩擦磨損正交實(shí)驗(yàn)，考察了陶瓷－金屬摩擦副在微量潤滑下的摩擦學(xué)性能。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所用3種陶瓷材料均為市售產(chǎn)品，采用熱壓燒結(jié)方法制備，其主要性能見表1。對(duì)磨金屬分別為：軸承鋼GCr15，回火后硬度為HRC58～65；錫青銅QSn4－3（本文用符號(hào)Cu來代替），其中各元素含量為Sn 3.8%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），余量Cu，硬度為HB160；45鋼，調(diào)質(zhì)后硬度為HRC40～44；采用錫基巴氏合金ZChSnSb8－4（本文中用符號(hào)SS代替），其中各元素含量為Sb 8%，Cu 3.2%，余量Sn，硬度約為HB22，錫青銅和巴氏合金屬于硬度較低的合金。4種金屬偶件摩擦面均研磨至粗糙度低于0.8μm。

表1 陶瓷材料的性能Table1 Properties of ceramics

正交實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛎黠@減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，并利用統(tǒng)計(jì)的方法分析結(jié)果，得到最優(yōu)的組合方案。實(shí)驗(yàn)考慮陶瓷材料種類，金屬材料種類，載荷，摩擦副相對(duì)滑動(dòng)速率4個(gè)因素。每個(gè)因素考慮4個(gè)水平，利用正交表L16（45）安排實(shí)驗(yàn)。其中陶瓷材料種類因素包括Si3N4，SiC，ZrO23種常用工程陶瓷和GCr15 4個(gè)水平。金屬材料因素包括Cu，45鋼，GCr15，巴氏合金4個(gè)水平。實(shí)驗(yàn)共產(chǎn)生16對(duì)陶瓷－金屬摩擦副組合，其中GCr15－金屬摩擦副在此作為和陶瓷－金屬摩擦副的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)載荷因素的4個(gè)水平分別為2，5，10，20N。摩擦副相對(duì)滑動(dòng)速率因素的4個(gè)水平分別為0.04，0.08，0.16，0.24m／s。

實(shí)驗(yàn)采用UNT－3多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，摩擦副的運(yùn)動(dòng)形式為球－盤間往返式滑動(dòng)摩擦。球試樣為陶瓷球和進(jìn)行對(duì)比分析的GCr15球，直徑為3.996mm。盤試樣為金屬長方體，尺寸為20mm×10mm×6mm。計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄實(shí)驗(yàn)過程的摩擦因數(shù)、載荷、頻率等相關(guān)參數(shù)。每個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)重復(fù)進(jìn)行3次，最終結(jié)果取3次的平均值，從而減小實(shí)驗(yàn)誤差。盤試樣用輪廓儀測量磨損斷面尺寸并經(jīng)計(jì)算得到磨損率。球試樣在精度為0.1mg的光電天平上稱量磨損前后的質(zhì)量損失，通過計(jì)算獲得體積磨損率。采用掃描電鏡（SEM）觀察對(duì)磨金屬件的磨損表面形貌。

球試樣磨損率ω1用式（1）計(jì)算：

式中：ω1是球試樣的磨損率，mm3／（N·m）；Δm 是磨損前后的質(zhì)量損失，g；ρ是試樣密度，g／mm3；P是載荷，N；S是磨程，m。

盤試樣磨損率ω2用式（2）計(jì)算：

式中：ω2是盤試樣的磨損率，mm3／（N·m）；L 是金屬磨痕的長度，mm；h為金屬磨痕的平均深度，mm；r是球試樣的半徑，mm。

試樣在丙酮中用超聲波清洗5min，干燥后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和測量，摩擦?xí)r間為2400s，室溫。采用10W－40型潤滑油。潤滑方式為滴油，使摩擦副處在微量潤滑的條件。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 摩擦因數(shù)的分析

表2為陶瓷－金屬摩擦磨損正交實(shí)驗(yàn)所得的平均摩擦因數(shù)以及金屬偶件磨損率的數(shù)據(jù)分析。如表2所示，實(shí)驗(yàn)的摩擦副組合摩擦因數(shù)整體在0.1～0.25之間?？梢?，潤滑油對(duì)于陶瓷－金屬摩擦副潤滑減磨效果良好。從球試樣材料的平均摩擦因數(shù)看，Si3N4和GCr15的平均摩擦因數(shù)相差很小，均比ZrO2，SiC小。巴氏合金的平均摩擦因數(shù)最小。分析可知，摩擦因數(shù)最優(yōu)的水平組合為A3B4C3D3，即Si3N4－SS組合，在載荷為10N，速率為0.16m／s的條件下是陶瓷－金屬摩擦副組合中摩擦因數(shù)最小的。

圖1是載荷與速率對(duì)摩擦因數(shù)影響的效應(yīng)曲線。可以看出，在摩擦過程中，摩擦因數(shù)隨載荷的增大而減小，與速率不成單調(diào)的增減關(guān)系。從極差上看，陶瓷材料和載荷這兩個(gè)因素極差較大，離散程度大，說明二者對(duì)摩擦因數(shù)的影響顯著。而速率的極差最小，離散程度最小，速率對(duì)摩擦因數(shù)的影響是4個(gè)因素中最小的。因此，選擇合適的陶瓷材料是陶瓷－金屬摩擦副的重點(diǎn)，直接關(guān)系到摩擦副的摩擦因數(shù)大小。

圖1 載荷（a）與速率（b）對(duì)摩擦因數(shù)影響的效應(yīng)曲線Fig.1 Effect of load（a）and velocity（b）on friction coefficient

2.2 磨損率的分析

測量磨損質(zhì)量的過程中發(fā)現(xiàn)，除了白色的ZrO2有黑色斑點(diǎn)外，Si3N4，SiC陶瓷球肉眼上基本看不出有磨損痕跡，在精度為0.1mg的光電天平上測量陶瓷磨損前后質(zhì)量變化極小，無法與儀器的測量誤差區(qū)分，故忽略不計(jì)陶瓷的磨損，這說明陶瓷的磨損極低。

表3為與不同金屬偶件對(duì)磨的球試樣GCr15磨損率。作為對(duì)比實(shí)驗(yàn)的GCr15球，經(jīng)測量和計(jì)算，其磨損率如表3所示?？梢?，雖然GCr15的磨損率已經(jīng)達(dá)到10－7mm3／（N·m）這個(gè)很低的數(shù)量級(jí)，但是，隨著摩擦?xí)r間的延長，陶瓷對(duì)比GCr15作為摩擦材料，在磨損失效上的優(yōu)勢會(huì)越發(fā)明顯。同時(shí)，金屬偶件的磨損率很大程度上決定了陶瓷－金屬摩擦副的可靠性，如要發(fā)揮其中陶瓷的優(yōu)異磨損性能，對(duì)金屬偶件的磨損率也提出了較高的要求。

表3 球試樣GCr15的磨損率Table3 Wear rate of GCr15sample

從表2分析可知，金屬偶件磨損率最小的水平組合為A4B2C1D2，即SiC與45鋼，在載荷為2N，速率為0.08m／s的條件下，偶件45鋼的磨損率最小。整體而言，與陶瓷對(duì)磨的金屬磨損率只有10－7mm3／（N·m）這個(gè)數(shù)量級(jí)，已經(jīng)算是很小的磨損量。這就表明硬度較高的陶瓷與硬度相對(duì)低的金屬對(duì)磨，金屬并不會(huì)產(chǎn)生比與GCr15對(duì)磨時(shí)更大的磨損率，其中SiC－金屬摩擦副具有比GCr15－金屬摩擦副更優(yōu)的磨損率。從平均磨損率看，與SiC對(duì)磨的金屬偶件的平均磨損率明顯小于與其他3種球試樣材料對(duì)磨的金屬的，前者約為后面的1／2。也就是說，在3種工程陶瓷中，這4種金屬與SiC配對(duì)摩擦?xí)r，摩擦副的磨損性能最好。偶件45鋼與巴氏合金的平均磨損率基本相當(dāng)，低于GCr15和Cu。但是，巴氏合金的平均摩擦因數(shù)低于45鋼，磨損率與45鋼相差很小，綜合考慮，巴氏合金的綜合性能優(yōu)于45鋼，更適合作為陶瓷的對(duì)磨材料。

如表2所示，從各因素對(duì)磨損率影響的極差上分析，載荷因素的極差最大，離散程度最大，對(duì)于金屬偶件的磨損率影響也是最大的。陶瓷材料的種類這一因素的影響次之。因此，選擇合適的陶瓷材料可以在一定程度上減小金屬偶件的磨損率，提高摩擦副整體的磨損性能。圖2為載荷與速率對(duì)金屬偶件磨損率影響的效應(yīng)曲線，由圖2可知，隨著載荷的增加，金屬偶件的磨損率會(huì)增大。金屬偶件的磨損率與速率并不是單調(diào)的增減關(guān)系。

2.3 金屬磨損表面分析

圖3（a）是GCr15自身對(duì)磨后的磨損表面的電子顯微照片?？梢钥闯觯谳d荷為10N，速率為0.16m／s的條件下，局部放大后，GCr15表面有微量的黏著磨損，產(chǎn)生了裂紋，微觀形貌變化較為明顯。圖3（b）是與ZrO2對(duì)磨的巴氏合金的磨損表面，可以看出，在載荷為10N，速率為0.08m／s條件下，巴氏合金磨損表面出現(xiàn)了一些細(xì)微裂紋。圖3（c）顯示，在載荷為20N，速率為0.08m／s的條件下，與SiC對(duì)磨的Cu磨損表面有輕微的犁溝。圖3（d）是與Si3N4對(duì)磨的巴氏合金磨損表面，在載荷為10N，速率為0.08m／s條件下，巴氏合金的磨損表面基本沒有出現(xiàn)裂紋，表面極為平滑。

圖2 載荷（a）與速率（b）對(duì)金屬偶件磨損率影響的效應(yīng)曲線Fig.2 Effect of load（a）and velocity（b）on wear rate of the pairs

如圖3所示，大多數(shù)金屬偶件摩擦表面都有細(xì)微的裂紋產(chǎn)生。實(shí)驗(yàn)為球－盤滑動(dòng)摩擦磨損，陶瓷的高強(qiáng)度高硬度特性，在載荷作用下會(huì)造成陶瓷球壓入硬度相對(duì)較低的金屬材料的摩擦表面，使金屬表面產(chǎn)生犁削現(xiàn)象和裂紋，對(duì)金屬摩擦磨損產(chǎn)生影響。

同時(shí)，在陶瓷球與金屬的摩擦表面，不同移動(dòng)位置對(duì)盤試樣的瞬時(shí)壓力也不同，其受到的是具有周期性、瞬時(shí)性特點(diǎn)的陶瓷球作用力的擠壓，金屬表面處于反復(fù)快速變化的受力狀態(tài)［17］。在陶瓷球的正下方，金屬所受的瞬時(shí)正壓力達(dá)到最大值，金屬的變形瞬時(shí)達(dá)到最大，但此時(shí)可以認(rèn)為沒有相對(duì)位移。在摩擦力的作用下，處于陶瓷球相對(duì)移動(dòng)前方的金屬向磨痕兩邊變形移動(dòng)，陶瓷球相對(duì)移動(dòng)末端的金屬表面的位移最大，如此，金屬磨屑在磨痕的邊緣和末端漸漸形成堆積成膜的表面形貌。磨痕內(nèi)的金屬表面受力狀態(tài)變化反復(fù)又迅速，瞬時(shí)產(chǎn)生的潤滑膜難以堆積，不易形成致密的潤滑膜。在反復(fù)的磨損接觸中，壓力對(duì)潤滑膜造成破壞，同時(shí)又產(chǎn)生新的潤滑膜。因此，磨痕內(nèi)金屬表面很難形成大塊、完整致密的潤滑膜。

圖3 典型金屬偶件摩擦表面的SEM照片（a）軸承鋼－軸承鋼，P＝10N，V＝0.16m／s；（b）氧化鋯－錫基巴氏合金，P＝10N，V＝0.08m／s；（c）碳化硅－錫青銅，P＝20N，V＝0.08m／s；（d）氮化硅－錫基巴氏合金，P＝10N，V＝0.08m／s Fig.3 SEM micrographs of the worn surfaces of the representative pairs（a）GCr15－GCr15，P＝10N，V＝0.16m／s；（b）ZrO2－SS，P＝10N，V＝0.08m／s；（c）SiC－Cu，P＝20N，V＝0.08m／s；（d）Si3N4－SS，P＝10N，V＝0.08m／s

圖4 金屬試樣摩擦表面的EDS分析結(jié)果（a）Si3N4－SS摩擦副的錫基巴氏合金；（b）SiC－Cu摩擦副的錫青銅Fig.4 Results of EDS analysis of the worn surfaces of the pair sample（a）SS of Si3N4－SS pairs；（b）Cu of SiC－Cu pairs

巴氏合金與Si3N4對(duì)磨后，其磨損表面比其他金屬磨損表面平滑，微觀磨損效果較好，這存在很多方面的原因。對(duì)巴氏合金表面進(jìn)行EDS分析（圖4），其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為O 20.75%，C 13.80%，As 0.03%，Sb 14.74%，Pb50.68%。其中氧元素含量較高，這是因?yàn)镾i3N4具有自潤滑作用，其在摩擦表面可以反應(yīng)形成一層氧化產(chǎn)物是SiO2。它同時(shí)與油分子形成潤滑性能良好的油膜保護(hù)摩擦面，避免發(fā)生黏附磨損現(xiàn)象，使金屬偶件的磨損率大幅降低。同時(shí)，這也使得摩擦過程中需克服的摩擦力不再是摩擦表面的剪切強(qiáng)度，而是潤滑膜的黏度。因此，Si3N4－金屬的摩擦因數(shù)顯著降低。Si3N4比SiC具有更好的自潤滑效果，更適合與金屬組合成摩擦副。

此外，錫基軸承合金含有銅、錫、銻等延性金屬材料，且銅和錫在摩擦熱的條件下具有自擴(kuò)散的能力［17］。巴氏合金所含的金屬間化合物受到陶瓷這種極硬材料的擠壓和剪切，易脫離基體成為細(xì)小的顆粒留在摩擦表面，形成潤滑膜，減小摩擦因數(shù)和磨損［18，19］。因此，錫基巴氏合金比其他3種金屬更適合與陶瓷組合成摩擦副。隨著載荷的增大，硬度高的陶瓷易使硬度相對(duì)較小的金屬表面物質(zhì)擠壓變形成為微小顆粒脫落，這是金屬磨損的一種形式，也是載荷對(duì)磨損率影響較大的原因。同時(shí)，剪切應(yīng)力會(huì)隨著載荷增大而提高，可能會(huì)高于其屈服應(yīng)力，從而導(dǎo)致金屬表面產(chǎn)生犁溝和塑性變形。因此，Si3N4－SS與其他陶瓷－金屬摩擦副長時(shí)間摩擦有很大的優(yōu)勢，具有更高的可靠性和壽命。

3 結(jié)論

（1）在微量潤滑的條件下，Si3N4，SiC，ZrO2工程陶瓷和Cu，45鋼，GCr15，巴氏合金組合的摩擦副整體摩擦因數(shù)在0.1～0.25之間，陶瓷和金屬偶件的磨損率較低，為10－7mm3／（N·m）數(shù)量級(jí)，陶瓷－金屬摩擦副整體摩擦學(xué)性能良好。

（2）在微量潤滑的條件下，Si3N4－巴氏合金的摩擦因數(shù)最低，SiC－巴氏合金的磨損率最小。陶瓷材料對(duì)摩擦副的摩擦因數(shù)和磨損率影響較大，Si3N4陶瓷具有自潤滑效果，能形成氧化膜減少摩擦，使摩擦因數(shù)減小，Si3N4比SiC更有優(yōu)勢。

（3）錫基巴氏合金作為與陶瓷的對(duì)磨件，可以形成金屬間化合物潤滑膜，減小摩擦磨損，其摩擦性能優(yōu)于其他3種金屬。Si3N4－錫基巴氏合金作為摩擦副摩擦性能最為優(yōu)異，具有很大的應(yīng)用前景。

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