網絡互穿雙金屬復合材料干滑動摩擦磨損特性研究

王梅霞劉高志張勇亭

（1.濟南博安自控科技有限公司，濟南250022；2.山東省產品質量檢驗研究院，濟南250022）

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網絡互穿雙金屬復合材料干滑動摩擦磨損特性研究

王梅霞1劉高志2張勇亭2

（1.濟南博安自控科技有限公司，濟南250022；2.山東省產品質量檢驗研究院，濟南250022）

摘要：利用高溫高速摩擦磨損試驗機分別對不同工況（加載載荷、主軸轉速、時間）下網絡互穿鋁基復合材料摩擦磨損特性進行分析。結果表明：摩擦因數(shù)和磨損量均與加載載荷和主軸轉速呈正相關關系。建立的磨損方程能夠很好的對實際磨損量進行預測，且三個實驗因素對磨損量的影響大小依次為時間、加載載荷、主軸轉速。

關鍵詞：復合材料摩擦因數(shù)磨損量多元線性回歸

金屬基復合材料具有優(yōu)于基體材料的力學性能和熱物理性能，在航空航天、汽車、運動器材、機械制造等領域具有廣泛的應用價值和科研價值［1,2］。其中，三維網絡貫穿復合材料的增強體與基體在三維空間均保持相互連續(xù)、相互貫通，該結構既保持了基體材料的韌性又大幅提高了復合材料的承載能力、抗沖擊能力、耐磨損等性能［3,4］，此結構復合材料整體表現(xiàn)出各向同性。目前以陶瓷材料作為增強相的網絡互穿復合材料應用比較廣泛，但陶瓷材料可加工性差，不易形變，具有局限性。本文采用316不銹鋼絲編織網絡骨架作為增強體，浸滲6061鋁合金材料制備出雙金屬貫穿的鋁基復合材料，對其摩擦磨損性能進行了研究，并建立了磨損模型，為該材料在耐磨件上的應用提供參考。

1 實驗

1.1 試樣制備

采用三維編織技術編織尺寸為Φ40mm×50mm的316不銹鋼絲網絡骨架試樣，利用丙酮溶液對骨架進行超聲波清洗；熔化6061鋁合金，通過無壓浸滲技術制備出316/6061雙金屬網絡互穿復合材料毛坯件，經切削加工成Φ36mm×6mm的盤類試樣。

1.2 摩擦磨損實驗

通過MMG-10型高溫、高速摩擦磨損試驗機進行端面式干滑動摩擦磨損實驗。

摩擦磨損試驗方案為：

（1）室溫條件下，工況設定為：主軸轉速100rpm，實驗時間1500s時，分別測量摩擦因數(shù)、磨損量與加載載荷（20N，30N，40N和50N）的關系；

（2）室溫條件下，工況設定為：加載載荷20N，實驗時間1500s時，分別測量摩擦因數(shù)、磨損量與主軸轉速（100rpm，200rpm，300rpm和400rpm）的關系。

2 試驗結果與分析

（1）微觀結構分析。圖1（a）為網絡互穿復合材料骨架與基體接觸基面，可以看出二者界面結合良好。通過EDS能譜分析（圖1（b），A區(qū)為網絡骨架，B區(qū)為基體合金。

圖1 網絡互穿復合材料界面及EDS能譜分析

（2）摩擦學特性。將在不同實驗條件下得到的摩擦因數(shù)值分別列入表1中。

表1 不同工況下摩擦因數(shù)值μ

圖2是摩擦因數(shù)與加載載荷的關系曲線圖，圖3是摩擦因數(shù)與主軸轉速的關系曲線圖，圖4為摩擦因數(shù)與主軸轉速、加載載荷的三維關系圖。由圖2、圖3可以看出，摩擦因數(shù)隨著加載載荷和主軸轉速的增加均呈非線性增加趨勢，且在較大加載載荷和較高主軸轉速時，摩擦因數(shù)增加趨勢更快。

圖2 摩擦因數(shù)與加載載荷的關系

圖3 摩擦因數(shù)與主軸轉速的關系

摩擦副試樣在進行摩擦磨損實驗之前通常需在金相試樣拋光機上進行拋光處理，但其表面細觀結構實際上仍是凹凸不平的，是由凸峰-凹谷組成的粗糙表面。因而，在實驗過程中摩擦副實際上只是局部的微凸峰接觸，即微凸峰接觸面積決定了摩擦阻力的大小。摩擦副之間所接觸的凸峰數(shù)量、狀態(tài)隨著加載載荷、主軸轉速和實驗時間呈動態(tài)變化。當加載載荷增加時，壓應力也相應增加，摩擦表面產生更為強烈的塑性變形［5,6］，摩擦表面微凸峰的接觸數(shù)量增加，且微凸峰的變形程度越大，接觸點的接觸半徑增大，導致真實接觸面積呈非線性顯著增加，進而使得在較大加載載荷時摩擦因數(shù)增加更為明顯。

圖4 摩擦因數(shù)與主軸轉速、加載載荷的三維關系圖

當主軸轉速較高時，單位時間內接觸面積較大，即單位時間內摩擦力所做的功更多，內能增加，摩擦副表面溫度升高，導致基體合金軟化，摩擦過程中摩擦副之間接觸點發(fā)生粘著現(xiàn)象，滑動阻力增加，導致摩擦因數(shù)增大。主軸轉速為400rpm時，磨損試樣的SEM如圖5所示，由圖可以看出由于材料發(fā)生了塑性變形，摩擦副接觸表面材料發(fā)生了明顯的體積轉移且有輾扎平滑區(qū)，粘著磨損嚴重。

（3）摩擦磨損性能分析。將在不同實驗條件下得到的磨損量分別列入表2中。

圖5 磨損試樣的SEM

表2 不同實驗條件下磨損量△

圖6是磨損量與加載載荷的關系曲線圖，圖7是磨損量與主軸轉速的關系曲線圖，圖8為磨損量與主軸轉速、加載載荷的三維關系圖。由圖7、圖8可以看出，磨損量隨著加載載荷和主軸轉速的增加均呈非線性增加趨勢，且磨損量在較大加載載荷和較高主軸轉速時增加更為明顯。

圖6 載荷與磨損量的關系曲線

圖7 轉速與磨損量的關系曲線

由于在摩擦過程中摩擦副之間主要是凸峰接觸，摩擦滑動會導致凸出接觸點不斷被剪切、撕落，當加載載荷和主軸轉速增加時，接觸點撕裂更為嚴重，導致磨損量的增加；另外，在較大加載載荷和較高主軸轉速時，會有更多數(shù)量的不銹鋼絲增強體被撕裂而脫離本體，所剝落的硬度相對較高的增強體會參與到磨削過程中，加劇了基體材料的磨損，進而導致磨損量增加。

圖8 磨損量與主軸轉速、載荷的三維關系圖

（4）復合材料摩擦磨損回歸統(tǒng)計模型建立。基于實驗所得到的大量磨損數(shù)據，結合R統(tǒng)計分析軟件建立網絡互穿雙金屬復合材料的磨損量計算模型。

模型參考西安交通大學的陳躍［6,7］建立的磨損量計算模型，即

式中W是復合材料磨損量，p是加載載荷，v是主軸轉速，t是實驗時間，k、a、b、c為待定系數(shù)。

方程（1）做如下轉換：

令y=lnW，x1=lnp，x2=lnv，x3=lnt，并設β0= lnk，β1=a，β2=b，β3=c，則式（2）為：

將表3中每個工況條件下加載載荷、主軸轉速、實驗時間和對應的磨損量分別求對數(shù)，然后帶入R軟件中求解［8］，輸出結果如圖9所示，因此回歸方程可寫為：

變量x1，x2，x3對應的p值都遠小于顯著性水平0.05，F(xiàn)統(tǒng)計量的估計值為828.4，由對應的p值為3.054e-8，說明回歸方程是顯著的；可決系數(shù)R2=0.9976，說明方程的擬合效果良好。

圖9 R軟件分析結果

將所得數(shù)據變量代換，得到如下復合材料的磨損量方程：

其中：

W磨損量，單位：mg；p加載載荷，單位：N；v主軸轉速，單位：rpm；t實驗時間，單位：min。

由圖9輸出結果得p、v、t的冪分別為0.131、0.103、1.095，因此在本實驗研究的范圍內不同實驗因素對磨損量W的影響順序依次為：實驗時間t＞加載載荷p＞主軸轉速v。

由磨損方程式（5）所求得的復合材料磨損量預測值與實際狀況的實測值數(shù)據列入表3中，預測值與實測值的對比曲線圖如圖10所示，由曲線圖同樣可以看出磨損量預測值能夠很好的對實驗實測值進行擬合。

圖10 磨損量實測值與預測值對比

3 結論

（1）網絡互穿鋁基復合材料摩擦因數(shù)、磨損量均隨加載載荷和主軸轉速的增加而增加，且在較高載荷或較高主軸轉速時增加趨勢更為明顯。

（2）得到主軸轉速為100 r·min-1，實驗時間為1500s時，不同載荷下的摩擦因數(shù)和磨損量；得到加載載荷為20N，實驗時間為300s時，不同主軸轉速下的摩擦因數(shù)和磨損量。

（3）由R軟件分析結果可以看出，三個實驗因素對磨損量的影響順序依次為：實驗時間＞加載載荷＞主軸轉速。

（4）本文建立的磨損模型能夠有效的對磨損量進行預測。

參考文獻

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［9］趙穎.應用數(shù)理統(tǒng)計［M］.第1版.北京:北京理工大學出版社, 2008．

Study on Friction and Wear Characteristics of Dry Sliding Friction of Bimetal Material Composites with Interpenetrating Network

WANG Meixia1, LIU Gaozhi2, ZHANG Yongting2
（1.Jinan Bo'an Automation Control Technology Co.,Ltd, Jinan 250022,China;2.Shandong Institute for Product Quality Inspection, Jinan 250022,China）

Abstract:By using high temperature and high velocity friction and abrasion tester, the dry sliding friction and wear characteristics of 316 stainless steel reinforced aluminum matrix composites with interpenetrating network under different connecting pressure and sliding speed were investigated. Based on law of curve we found that friction coefficient and abrasion amount increase with the increasing of sliding speed and connecting pressure. Theoretical values of the wear rate equation were well in accordance with experiments, the wear model which was established matched with the realistic situation of wear. From the wear rate equation of composite materials, it was found that the major impact on wear rate was wear time, load took the second place and the minor factor was sliding speed.

Key words:composites, friction coefficient, abrasion amount, multivariable linear regression