固態(tài)顆粒對TC4合金磨損行為的影響

王 繼，崔向紅，張秋陽，劉家強，黃穎斌，拱建軍，王樹奇

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固態(tài)顆粒對TC4合金磨損行為的影響

王 繼1，崔向紅1，張秋陽1，劉家強2，黃穎斌2，拱建軍2，王樹奇1

(1. 江蘇大學材料科學與工程學院，鎮(zhèn)江 212013；2. 蘇州環(huán)球集團科技股份有限公司，蘇州 215156)

在TC4合金/GCr15鋼摩擦界面分別添加MoS2、Fe2O3等固態(tài)顆粒，研究兩種顆粒對TC4合金磨損行為的影響；采用XRD、SEM、EDS等手段表征TC4合金的磨損特征，并探討磨損機制。結果表明：TC4合金具有較差的耐磨性，而兩種顆粒顯著改變其磨損性能。當MoS2或Fe2O3在磨損表面形成連續(xù)的固態(tài)顆粒層時，TC4合金的磨損質量損失顯著下降。Fe2O3顆粒層具有較強的承載能力，可以保護鈦合金避免磨損；而MoS2層在高載下容易破碎，TC4合金失去保護作用，磨損增加。無添加及MoS2層破碎時，TC4合金以磨粒和粘著等嚴重磨損機制為主，當磨損表面連續(xù)覆蓋固態(tài)顆粒層時由嚴重磨損向輕微磨損轉變。

固態(tài)顆粒層；TC4合金；磨損行為；磨損機制

鈦合金具有彈性模量小、熱導率低、強度高、中溫性能好、耐腐蝕及密度小等優(yōu)點，被廣泛應用于航空航天、石油化工、造船、汽車、醫(yī)療等領域[1?4]。但由于鈦合金較低的塑性變形抗力、較差的加工硬化能力以及形成的摩擦氧化物不具有保護作用等，而被認為具有較差的磨損性能[5?6]，從而限制了鈦合金在某些領域中的應用。近年來，針對鈦合金較差的耐磨性，國內研究人員采用表面滲氮[7]、合金化[8]、微弧氧 化[9?10]、激光熔覆[11?12]、等離子噴涂[13]、氣相沉積[14?15]等工藝，試圖在鈦合金表面形成一定厚度的硬質相而改善其摩擦磨損性能。但這些處理工藝都需要進行二次加工，大大增加了工業(yè)成本。

近年來，對鈦合金摩擦磨損的深入研究發(fā)現(xiàn)，鈦合金并不總是表現(xiàn)出較差的耐磨性[16]。在高溫條件下，鈦合金磨損表面容易形成一層致密的且具有保護作用的固態(tài)顆粒層(摩擦層)，在滑動過程中起到保護基體降低磨損的作用。但這種顆粒層似乎只在較高溫度下形成而并未在室溫下實現(xiàn)[17?20]。因此，本文作者在室溫條件下通過對TC4合金/GCr15鋼摩擦界面人工添加MoS2、Fe2O3等固態(tài)顆粒，試圖加快鈦合金磨損表面顆粒層的形成，并探究不同顆粒對TC4合金磨損行為的影響，探討了磨損機制。

1 實驗

選用TC4合金和GCr15軸承鋼作為摩擦副材料，其化學成分如表1、2所列。采用線切割將TC4合金和GCr15鋼分別加工成5 mm×23 mm的銷試樣和34 mm×10 mm的盤試樣。對TC4合金進行固溶時效處理：955 ℃加熱2 h，水冷；482 ℃保溫4 h，空冷，獲得網(wǎng)籃狀+組織(見圖1)，硬度為38HRC左右。對GCr15鋼進行840 ℃奧氏體化處理，400 ℃回火2 h后硬度達到50HRC。

表1 TC4合金的化學成分

表2 GCr15軸承鋼的化學成分

圖1 TC4合金固溶時效處理后顯微組織

采用MPX?2000型銷盤式摩擦磨損試驗機進行磨損實驗。為了方便添加固態(tài)顆粒，在盤試樣表面銑出寬7 mm、深2 mm的環(huán)形凹槽，如圖2所示。磨損實驗在室溫下進行，滑動速度為0.5 m/s，滑動距離850 m，實驗載荷分別為10、20、30、40和50 N。實驗前將銷和盤試樣分別用38 μm的碳化硅打磨光滑，并用酒精清洗并吹干。將銷、盤裝到磨損試驗機后，分別稱取1.3 g的MoS2(0.2~1 μm)或Fe2O3(0.25 μm)顆粒并均勻地添加到環(huán)形凹槽內，隨后施加載荷，啟動機器進行磨損實驗。磨損后再用酒精清洗松散的顆粒。采用電子分析天平E180(精度為0.01 mg)稱量銷試樣磨損前后的質量，計算差值作為鈦合金的磨損質量損失。保為證實驗結果的準確性，每個實驗參數(shù)重復3次，并取其平均值作為最終結果。

圖2 銷、盤配合狀態(tài)示意圖

采用D/Max?2500/pc型X射線衍射儀(XRD)、JSM-7001F型掃描電鏡(SEM)、Inca Energy 350型能譜儀(EDS)分別檢測鈦合金磨損后的磨損表面物相、形貌及成分。

2 結果與討論

2.1 磨損質量損失

圖3(a)所示為TC4合金在添加不同顆粒下的磨損質量損失與載荷的關系。當未添加任何顆粒時，TC4合金的磨損質量損失隨載荷增加而急劇增加。當添加MoS2時，質量損失在10~20 g范圍內，增加極為緩慢，但當載荷超過20 N后磨損質量損失快速增加。盡管如此，其磨損質量損失在整個測試范圍內仍然小于未添加顆粒時的。當添加Fe2O3時，TC4合金的磨損質量損失幾乎為零，且隨著載荷的增加產(chǎn)生略微的波動。顯然，干滑動下的鈦合金的確具有較差的耐磨性。MoS2、Fe2O3等固態(tài)細顆粒的添加顯著降低其磨損質量損失，改善了耐磨性。但在高載荷下，MoS2的減磨作用似乎并不明顯。當添加顆?；蛘邿o顆粒時，GCr15鋼的也存在磨損現(xiàn)在，但磨損質量損失變化趨勢似乎與TC4合金的相似(見圖3(b))。

圖3 添加不同顆粒時TC合金的磨損質量損失曲線

2.2 磨損表面物相

圖4所示為TC4合金在不同顆粒下的磨損表面XRD譜。未添加任何顆粒時，10~50 N范圍內磨損表面僅存在Ti峰。添加MoS2后，10 N時磨損表面除了Ti外開始出現(xiàn)大量的MoS2衍射峰，并在14.34°達到最高值。隨著載荷增加，MoS2峰值迅速降低，除了14.34°處的衍射峰外幾乎不存在其他MoS2峰。這表面滑動過程中鈦合金磨損表面出現(xiàn)大量的MoS2顆粒，但隨著載荷增加，MoS2迅速消失。當添加Fe2O3時，磨損表面在10~50 N范圍內始終存在Fe2O3峰。

圖4 TC4合金磨損表面XRD譜(坐標向內)

2.3 磨損表面形貌及成分

圖5所示為TC4合金在不同條件下的磨損表面形貌。當未添加顆粒時，磨損表面主要呈現(xiàn)較寬的犁溝、明顯的塑形撕裂和粘著痕跡，而且分布較多的金屬碎顆粒(見圖5(a))。添加MoS2時，低載下的磨損表面覆蓋著大面積的黑色光滑區(qū)域和少量的淺顯犁溝，黑色區(qū)域邊緣處還存在一定的白色疏松顆粒(見圖5(b)放大區(qū)域)。EDS分析(見圖6(a))表明黑色部分僅包含Mo、S兩種元素，因此可以認為該區(qū)域為壓實的固態(tài)顆粒層。隨著載荷的增加，黑色區(qū)域幾乎全部消失，磨損表面出現(xiàn)明顯的撕裂痕跡，在撕裂邊緣處堆積著疏松的MoS2顆粒(見圖5(b)放大區(qū)域)。當添加Fe2O3時，幾乎觀察不到任何鈦合金基體，整個磨損表面均被致密的層狀結構所覆蓋(見圖5(d))。在磨損表面的部分區(qū)域，壓實層似乎更加光滑。結合XRD(見圖4)和EDS(見圖6(b))可知，磨損表面顆粒層結構完全是由Fe2O3顆粒壓實而成。

圖5 TC4合金磨損表面形貌

圖6 圖5中相應EDS區(qū)域分析

2.4 討論

RIGNEY[21]認為干滑動條件下金屬材料磨損的基本過程包括：表面微凸體直接接觸，表面、亞表面塑性變形，磨屑的形成和材料轉移，與環(huán)境中的元素(主要是氧)發(fā)生反應，并在載荷形作用下壓實形成固態(tài)顆粒層(摩擦層)。顯然，在與GCr15鋼干滑動磨損過程中，TC4合金磨損表面幾乎沒有摩擦氧化物生成。同時，之前的研究發(fā)現(xiàn)[17?20]，室溫下鈦合金的磨屑尺寸較大，容易脫離表面而不利于顆粒層的形成。因此，此時的TC4合金沒有任何保護，磨損表面呈現(xiàn)大量的犁溝、塑性撕裂以及粘著痕跡，這是典型的磨粒磨損和粘著磨損機制。ARCHARD等[22]認為這種磨損與施加的載荷和滑動距離成正比，而與材料硬度成反比，其公式表述為：，其中為磨損體積，為磨損系數(shù)，為法向載荷，為滑動距離，為金屬材料硬度。相比于GCr15鋼(50HRC)而言，TC4合金的硬度較低，僅為40HRC。在滑動過程中，較軟的TC4合金產(chǎn)生更多的磨損。同時，隨著載荷的增加，TC4合金的磨損質量損失顯著增加。由此看來，TC4合金的確具有極差的耐磨性，這與傳統(tǒng)的觀點一致[23]。

然而，人工添加固態(tài)顆粒后，鈦合金的磨損性能得到一定的改善(見圖3)。MoS2是一種鱗片狀的結晶體，每個晶體具有3層結構，上下的S原子層，中間的Mo原子層，其中，S—Mo之間原子結合力較強，而S—S結合力較弱[24]。當MoS2添加到鈦合金表面時，能夠快速吸附在較軟的金屬材料表面，形成連續(xù)的顆粒層。在低載下，S—S結合面發(fā)生斷裂而形成滑移面，原來的金屬?金屬的直接摩擦轉變?yōu)镸oS2分子層之間的相對滑移，從而顯著降低磨損，磨損由嚴重向輕微轉變。連續(xù)的MoS2顆粒層具備保護作用，但王蘭等[25]采用化學鍍的方式將MoS2顆粒添加到Ni-P鍍層中，發(fā)現(xiàn)干摩擦下的磨損質量損失反而顯著增加，鍍層硬度的下降是其磨損增加的主要原因。這似乎意味著，MoS2并非具有較強的承載能力。隨著載荷的增加(20N以上)，TC4合金磨損表面MoS2顆粒層明顯減薄、破壞，顆粒層失去其保護作用，金屬?金屬再次接觸，磨損表面產(chǎn)生大量犁溝、塑性撕裂等痕跡，此時磨損表面特征與無添加下的極為相似。磨損機制又變?yōu)槟チ：驼持p。

相比較MoS2而言，F(xiàn)e2O3形成的顆粒層具有更強的承載能力。ZHANG等[26]研究了45號鋼、4Cr5MoSiV1和3Cr3MoV2V 3種鋼在不同溫度下的磨損行為及機制，發(fā)現(xiàn)碳鋼在200℃形成的摩擦層致密、均勻、且含大量鐵氧化物，顯著提高鋼材的耐磨性，其承載能力達到200~300 N以上。KATO[27]在碳鋼摩擦界面加入一定量的Fe2O3細顆粒，在摩擦過程中快速形成壓實顆粒層，顯著降低碳鋼的磨損質量損失。GODET[28]通過實驗并分析證實了這種“第三體”氧化物顆粒層具備足夠承載能力。在TC4合金摩擦界面人工添加Fe2O3顆粒時，摩擦熱使得Fe2O3細顆粒快速燒結并壓實形成顆粒層(見圖5)。這種顆粒層連續(xù)致密，隔離鈦合金和對磨件，避免金屬直接接觸。同時這種顆粒層具有很強的承載能力，在較大的載荷作用下破壞程度仍然很小。相比于添加MoS2而言，磨損率顯著降低。因此，F(xiàn)e2O3較強的承載能力是較好保護作用的主要原因。此時，磨損機制為氧化物壓實顆粒層保護的輕微磨損為主。

3 結論

1) 室溫下TC4合金具有較差的耐磨性，MoS2或Fe2O3顆粒的添加顯著改變了鈦合金的磨損性能。

2) 低載荷下MoS2顆粒層連續(xù)致密，但當載荷超過20 N時容易破碎，失去保護作用；而Fe2O3固態(tài)顆粒層具有較強的承載能力，在10~50 N范圍內顯著降低了TC4合金的磨損質量損失。

3) 無添加及MoS2顆粒層破碎時TC4合金以磨粒和粘著等嚴重磨損機制為主，當磨損表面連續(xù)覆蓋固態(tài)顆粒層時發(fā)生嚴重磨損向輕微磨損的轉變。

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Effect of solid particles on wear behavior of TC4 alloy

WANG Ji1, CUI Xiang-hong1, ZHANG Qiu-yang1, LIU Jia-qiang2, HUANG Ying-bin2, GONG Jiang-jun2, WANG Shu-qi1

(1. School of Material Science and Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China;2. Suzhou Universal Group Technology Co., Ltd., Suzhou 215156, China)

The effect of MoS2, Fe2O3particles on wear behavior of TC4 alloy was studied by being artificially supplied onto the interface between TC4 alloy/GCr15 steel. The wear characteristics of TC4 alloy were examined by XRD, SEM and EDS; the wear mechanism was also discussed. The results show that TC4 alloy has a poor wear resistance, but two particles significantly change its wear performance. As the continuous solid particle layers of MoS2or Fe2O3form, the wear loss of TC4 alloy significantly decreases. Fe2O3particles layer has a strong load-carrying capacity, and protects titanium alloy against wear. However, MoS2particles layer is readily broken under high load, resulting in an increase of wear loss of TC4 alloy. As there is no additive, or MoS2layer is broken, abrasive and adhesion wear prevail during sliding of TC4 alloy. On the contrary, as the continuous particle layer covers worn surface, severe-to-mild wear transition occurs.

solid particles layer; TC4 alloy; wear behavior; wear mechanism

Project(51071078) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (KYLX-1031) supported by the Research Innovation Program for College Graduates of Jiangsu Province, China

2015-09-28; Accepted date:2016-01-20

CUI Xiang-hong; Tel: +86-511-88797618; E-mail: miracle8980@126.com

1004-0609(2016)-09-1893-06

中圖分類法：TH 117.1A

國家自然科學基金資助項目(51071078)；江蘇省普通高校研究生科技創(chuàng)新項目(KYLX-1031)

2015-09-28；

2016-01-20

崔向紅，副教授；電話：0511-88797618；E-mail：miracle8980@126.com

(編輯 王 超)