F6NM和GH4169摩擦副動(dòng)摩擦系數(shù)研究

任一龍，于 兵，彭世廣，解國(guó)新

(1.清華大學(xué)摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

0 引言

導(dǎo)彈翼面對(duì)于導(dǎo)彈的穩(wěn)定飛行以及轉(zhuǎn)向控制具有重要作用，可展開的氣動(dòng)翼面的設(shè)計(jì)又可以縮小導(dǎo)彈尺寸，便于導(dǎo)彈貯存和運(yùn)輸。但氣動(dòng)展開翼面在展開時(shí)不能對(duì)彈體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的干擾和沖擊，能夠產(chǎn)生阻尼、降低彈翼展開速度和彈翼展開到位時(shí)產(chǎn)生的沖擊的關(guān)鍵在于鉸鏈。鉸鏈的阻尼主要來(lái)自鉸鏈中摩擦副材料在加壓狀態(tài)下相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的摩擦力，因此摩擦副材料的性能對(duì)于鉸鏈發(fā)揮作用至關(guān)重要?；谀Σ粮钡淖饔煤凸ぷ鳡顟B(tài)，摩擦副材料需要具有較好的力學(xué)性能、防腐性能，以及穩(wěn)定的摩擦性能[1]。

摩擦副在受壓狀態(tài)下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，影響摩擦力的主要因素有兩個(gè)：載荷和速度。目前有許多關(guān)于載荷和速度對(duì)于摩擦材料摩擦性能影響的研究。黃雪紅等[2]研究了不同載荷和速度下的GH4169/YG8摩擦副摩擦性能，發(fā)現(xiàn)摩擦副的摩擦因數(shù)隨著法向載荷的增大而減小，隨滑動(dòng)速度的增大而增大。曾俊菱等[3]也研究了GH4169/ Ti3SiC2-Ag摩擦副在高應(yīng)力下的摩擦性能。張配[4]研究了不同應(yīng)力下F6NM/SA-336 Type304H摩擦副的動(dòng)摩擦系數(shù)，發(fā)現(xiàn)隨著應(yīng)力增大，動(dòng)摩擦系數(shù)先增大后降低?？梢娸d荷和速度對(duì)于不同摩擦副有不同的影響。另外，楊曉偉等[5]研究載荷速度(PV)值對(duì)于摩擦副摩擦性能的影響，發(fā)現(xiàn)CrNiMo鋼/H96黃銅配副的摩擦副在氮?dú)鈿夥諚l件下,摩擦系數(shù)隨滑動(dòng)速度和載荷乘積(PV值)增加而減小。

GH4169合金具有良好的耐腐蝕性和強(qiáng)度，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。該材料是以fcc奧氏體為基，Ni3Nb為主要強(qiáng)化相，并輔以Ni3(Al、Ti和Nb)強(qiáng)化的鎳基高溫合金[6]。不銹鋼具有高的強(qiáng)度、硬度、耐磨性、耐腐蝕等特性，已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[7-8]。但是，奧氏體不銹鋼在摩擦過(guò)程中與其配偶件極易產(chǎn)生黏著、轉(zhuǎn)移并形成黏著磨損，一定程度上限制其應(yīng)用[9]。而馬氏體不銹鋼由于其硬度較高、比表面能較大和較高的剪切模量，會(huì)大大減小黏著現(xiàn)象的發(fā)生[10]，因此在航空領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用空間。

目前，關(guān)于載荷(P)、速度(V)以及PV值對(duì)于GH4169與F6NM等不銹鋼配副的摩擦副的摩擦系數(shù)影響的研究很少。因此本文選取GH4169

與兩種不銹鋼材料(F6NM馬氏體不銹鋼、A不銹鋼)分別組成摩擦副，研究不同載荷、速度以及PV值下摩擦副的摩擦系數(shù)，探究載荷、速度及PV值對(duì)所選摩擦副摩擦性能的影響。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備及原理

為了最大程度模擬鉸鏈工作的實(shí)際工況，本試驗(yàn)選擇在多功能摩擦磨損Plint TE-92試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，Plint TE-92試驗(yàn)機(jī)可以模擬不同的摩擦形式，可在各種溫度(油浴溫度)、速度及壓力下進(jìn)行試驗(yàn)，可以得到載荷、轉(zhuǎn)速、扭矩、摩擦系數(shù)等測(cè)量數(shù)據(jù)。采用盤-盤接觸的摩擦接觸方式，摩擦試樣及摩擦副接觸示意圖如圖1所示，其中上試樣的摩擦面為整個(gè)圓環(huán)面，下試樣并非全部表面參與摩擦，僅中間部分和上試樣接觸。

圖1 盤-盤式接觸試驗(yàn)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the disk-disk contact test

1.2 試驗(yàn)件狀態(tài)及數(shù)量

摩擦副試樣的尺寸如圖2所示。試驗(yàn)?zāi)Σ粮苯M合如表1所示。

圖2 摩擦副試樣尺寸示意圖Fig.2 Schematic diagram of the size of friction pairs

組合上試樣下試樣1GH4169F6NM2GH4169A不銹鋼3F6NMF6NM4F6NMA不銹鋼

1.3 試驗(yàn)方法及條件

本試驗(yàn)采用單一變量的方法，分別研究不同載荷和轉(zhuǎn)速下的4組摩擦副的摩擦系數(shù)。試驗(yàn)前，樣品在無(wú)水乙醇中進(jìn)行超聲清洗，安裝一組樣品，在固定載荷(轉(zhuǎn)速)的情況下變化轉(zhuǎn)速(載荷)，得到摩擦系數(shù)曲線，對(duì)摩擦系數(shù)曲線進(jìn)行處理得到不同條件下的摩擦系數(shù)。每種摩擦副組合有3組試驗(yàn)件。

1.3.1 載荷影響的試驗(yàn)過(guò)程

1)在試驗(yàn)機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下，60s內(nèi)將載荷加至590N;

2)加載完成后，試驗(yàn)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行摩擦試驗(yàn)，轉(zhuǎn)速為177r/min，試驗(yàn)時(shí)間為12s；12s試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，試驗(yàn)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，但不卸載；

3)同樣的步驟測(cè)得720N、890N、1000N這3個(gè)載荷下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，完成1000N載荷下的試驗(yàn)后，卸載；

4)更換試驗(yàn)件，重復(fù)步驟1～步驟3。

1.3.2 轉(zhuǎn)速影響的試驗(yàn)過(guò)程

1)在試驗(yàn)機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下，60s內(nèi)將載荷加至590N；

2)加載完成后，試驗(yàn)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行摩擦試驗(yàn)，轉(zhuǎn)速為177r/min，試驗(yàn)時(shí)間為12s;

3)保持載荷不變，在177r/min基礎(chǔ)上繼續(xù)增加轉(zhuǎn)速，在217r/min的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行摩擦試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間為12s;利用同樣的步驟測(cè)得在262r/min、304r/min、343r/min這3個(gè)轉(zhuǎn)速下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，完成343r/min轉(zhuǎn)速下的試驗(yàn)后，卸載；

4)更換試驗(yàn)件，重復(fù)步驟1～步驟3。

試驗(yàn)溫度為室溫，試驗(yàn)介質(zhì)為空氣。為了最大程度地接近彈翼展開工作時(shí)的實(shí)際狀況，每次試驗(yàn)時(shí)間盡可能短，又要保證摩擦數(shù)據(jù)的可靠性，因此確定試驗(yàn)時(shí)間為12s。具體試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

表2 載荷、轉(zhuǎn)速對(duì)摩擦系數(shù)影響試驗(yàn)參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 載荷對(duì)摩擦系數(shù)的影響

選取不同摩擦副組合各自的一組試驗(yàn)件的試驗(yàn)結(jié)果，如圖3所示。其中黑色曲線是整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化的曲線，淺藍(lán)色虛線之間的是試驗(yàn)機(jī)在相應(yīng)載荷下以指定轉(zhuǎn)速(177r/min)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的摩擦系數(shù)曲線，剩余部分是加載過(guò)程中的摩擦系數(shù)曲線。深藍(lán)色曲線是整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程的載荷隨時(shí)間變化曲線。

(a)GH4169/F6NM

(b)GH4169/A不銹鋼

(c)F6NM/F6NM

(d)F6NM/A不銹鋼圖3 不同摩擦副試驗(yàn)載荷、摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化曲線Fig.3 Curve of test load and friction coefficient with time of different friction pairs

從4組摩擦副的摩擦曲線可以看出,摩擦系數(shù)均為0.40～0.50。開始試驗(yàn)時(shí),載荷較低，上下摩擦副的表面均為機(jī)械加工后的平整表面，在摩擦初期跑合階段，上下表面受壓轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在剪切力作用下被破壞，表面磨損比較嚴(yán)重，表面狀態(tài)變化較大，因此在低載荷下的摩擦系數(shù)曲線波動(dòng)較大；隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，接觸區(qū)表面磨損變小，表面質(zhì)量變得穩(wěn)定，摩擦系數(shù)波動(dòng)減小。由圖3試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到一組試驗(yàn)件在各個(gè)載荷下的摩擦系數(shù)；然后分別計(jì)算不同摩擦副組合3組試驗(yàn)件摩擦系數(shù)的平均值及其標(biāo)準(zhǔn)差，繪制不同摩擦副組合摩擦系數(shù)隨載荷變化折線圖，如圖4所示。

(a)GH4169/F6NM

(b)GH4169/A不銹鋼

(c)F6NM/F6NM

(d)F6NM/A不銹鋼圖4 不同摩擦副組合摩擦系數(shù)隨載荷變化曲線Fig.4 Curve of friction coefficient of different friction pairs combined with load

從折線圖可以看出，4種摩擦副組合摩擦系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差均較小，表示同一摩擦副3組試驗(yàn)件試驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性較好，因此采用摩擦系數(shù)的平均值隨載荷的變化來(lái)研究載荷的影響規(guī)律準(zhǔn)確可信。4組摩擦副摩擦系數(shù)的變化在±0.06范圍內(nèi)，相對(duì)變化最大達(dá)到12%；試驗(yàn)機(jī)采集的摩擦系數(shù)數(shù)據(jù)精確到10-5，試驗(yàn)結(jié)果較為精確，不是試驗(yàn)誤差導(dǎo)致的摩擦系數(shù)變化；另外，陳躍等[11]研究了鑄鐵-鋼摩擦副隨載荷的變化范圍也在0.05～0.08，與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果摩擦系數(shù)變化范圍相近。因此本試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以較為準(zhǔn)確地反映出載荷對(duì)摩擦系數(shù)的影響。在本試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，低載荷時(shí)，GH4169/A不銹鋼摩擦副摩擦系數(shù)最高，F(xiàn)6NM/F6NM摩擦副摩擦系數(shù)最低。隨著載荷的增加，兩組全部由不銹鋼組成的摩擦副摩擦系數(shù)呈逐漸減小的趨勢(shì)，F(xiàn)6NM/A不銹鋼的摩擦系數(shù)略高于F6NM/F6NM。摩擦系數(shù)的減小可能是由于壓力增大，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的剪切力增大，剪切力導(dǎo)致材料產(chǎn)生磨屑增多，磨屑起到了一定的潤(rùn)滑作用。鎳基高溫合金和不銹鋼組成的兩組摩擦副隨載荷的變化存在差異，GH4169/A不銹鋼在590N～850N載荷下略有升高，在最后1000N載荷下出現(xiàn)下降，而GH4169/F6NM在590N～850N略有下降，在1000N載荷下升高，而且此現(xiàn)象在3組重復(fù)試驗(yàn)中均存在。鎳基高溫合金和不銹鋼的性能不同，鎳基高溫合金在摩擦過(guò)程中容易出現(xiàn)黏著現(xiàn)象[12]，會(huì)發(fā)生一定程度的黏著磨損，還可能存在氧化磨損[2]，摩擦過(guò)程更加復(fù)雜，在高載荷下的摩擦情況需要進(jìn)一步的研究。

2.2 轉(zhuǎn)速對(duì)摩擦系數(shù)的影響

選取不同摩擦副組合各自的一組試驗(yàn)件的試驗(yàn)結(jié)果，如圖5所示。其中黑色曲線是整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程的摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化的曲線，淺藍(lán)色虛線之間的黑色曲線是試驗(yàn)機(jī)在相應(yīng)轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的摩擦系數(shù)曲線。深藍(lán)色曲線是整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程的轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化的曲線。

(a)GH4169/F6NM

(b)GH4169/A不銹鋼

(c)F6NM/F6NM

(d)F6NM/A不銹鋼圖5 不同摩擦副試驗(yàn)轉(zhuǎn)速、摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化曲線Fig.5 Curve of rotationalspeed and friction coefficient with time of different friction pairs

從摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化曲線可以看出，GH4169作為配副的摩擦副組合摩擦系數(shù)曲線比較平緩，轉(zhuǎn)速對(duì)摩擦系數(shù)的影響不大；而兩組全部由不銹鋼組成的摩擦副相對(duì)于存在GH4169的摩擦副變化比較明顯。由圖5試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到一組試驗(yàn)件在各個(gè)轉(zhuǎn)速下的摩擦系數(shù)；然后分別計(jì)算不同摩擦副組合3組試驗(yàn)件摩擦系數(shù)的平均值及其標(biāo)準(zhǔn)差，繪制不同摩擦副組合摩擦系數(shù)隨轉(zhuǎn)速變化折線圖，如圖6所示。

(a)GH4169/F6NM

(b)GH4169/A不銹鋼

(c)F6NM/F6NM

從折線圖可以更清晰地看出，在本試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)速的增加，GH4169/F6NM摩擦副摩擦系數(shù)略有增大，GH4169/A不銹鋼摩擦副摩擦系數(shù)略有減小，但這兩組摩擦副摩擦系數(shù)均變化較?。浑S著轉(zhuǎn)速的增加，F(xiàn)6NM/F6NM摩擦副摩擦系數(shù)先減小后增大， F6NM/A不銹鋼摩擦副摩擦系數(shù)在177r/min～304r/min轉(zhuǎn)速下逐漸減小，但減小不是線性的，而是隨著轉(zhuǎn)速升高，減小幅度越來(lái)越小，在347r/min轉(zhuǎn)速下還有微小的增大。轉(zhuǎn)速對(duì)摩擦材料的影響除了類似于壓力增大帶來(lái)的剪切力的變化，主要是會(huì)導(dǎo)致摩擦界面溫度的升高，摩擦界面溫度升高會(huì)進(jìn)一步影響材料表面層的成分、組織和性能，因而材料的摩擦性能會(huì)發(fā)生變化[11]。根據(jù)摩擦面溫度對(duì)鐵基摩擦材料摩擦磨損性能影響機(jī)理[13]的研究結(jié)果，認(rèn)為F6NM/F6NM摩擦副摩擦系數(shù)變化原因可能為轉(zhuǎn)速導(dǎo)致摩擦界面溫度升高，F(xiàn)6NM表面生成氧化膜，由于氧化膜的潤(rùn)滑作用，摩擦系數(shù)減??；隨著轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步增加，摩擦副之間的氧化膜開始剝落，摩擦系數(shù)開始增大。由于均為不銹鋼材料，推測(cè)F6NM/A不銹鋼摩擦副變化原因與F6NM/F6NM摩擦副有相似之處，但因成分、組織和性能的不同而存在一定差別。而GH4169為鎳基高溫合金，在650℃以下均能保持良好的強(qiáng)度等性能，因此轉(zhuǎn)速增加帶來(lái)的溫度升高對(duì)GH4169/F6NM和GH4169/A不銹鋼摩擦副的影響較小。

2.3 PV值對(duì)摩擦系數(shù)的影響

試驗(yàn)測(cè)試了4組摩擦副組合在不同載荷和不同轉(zhuǎn)速下的動(dòng)摩擦系數(shù)，將不同摩擦副在不同PV值下的測(cè)試結(jié)果，繪制如圖7所示的摩擦系數(shù)和PV值的散點(diǎn)圖，研究PV值對(duì)試驗(yàn)?zāi)Σ粮蹦Σ料禂?shù)的影響。

從圖中箭頭擬合散點(diǎn)圖的走勢(shì)可以看出，在本試驗(yàn)范圍內(nèi)GH4169/F6NM和F6NM/F6NM摩擦副的摩擦系數(shù)，隨著PV值的升高，先減小后增大。而GH4169/A不銹鋼和F6NM/A不銹鋼摩擦副隨PV值的升高，摩擦系數(shù)逐漸減小，但并不是線性減小。不同摩擦副的成分、組織和性能不同，從而PV特性不相同，在不同變化區(qū)間導(dǎo)致摩擦性能發(fā)生變化的摩擦磨損機(jī)理也不同[11]。

(a)GH4169/F6NM

(b)GH4169/A不銹鋼

(c)F6NM/F6NM

(d)F6NM/A不銹鋼圖7 不同摩擦副不同PV值下摩擦系數(shù)散點(diǎn)分布Fig.7 Scattering distribution of friction coefficient under different PV values of different friction pairs

本試驗(yàn)的規(guī)律是僅對(duì)本試驗(yàn)測(cè)試范圍內(nèi)的結(jié)果進(jìn)行的總結(jié)，載荷、轉(zhuǎn)速和PV值超過(guò)本試驗(yàn)范圍的變化規(guī)律并不能通過(guò)本試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行外推，而需要采用更大型試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試。參考本試驗(yàn)的結(jié)果，含有GH4169的兩組摩擦副組合隨著PV值的增加摩擦系數(shù)較為穩(wěn)定，但是GH4169鎳基高溫合金在摩擦過(guò)程中容易發(fā)生黏著，在長(zhǎng)期存放或者測(cè)試階段的試驗(yàn)中，可能發(fā)生黏著或膠合而導(dǎo)致摩擦副在后續(xù)使用中無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)而失效，因此GH4169不太適合作為氣動(dòng)展開翼面的摩擦副材料。F6NM/F6NM摩擦副材料的摩擦系數(shù)相對(duì)于F6NM/A不銹鋼穩(wěn)定一些，而且隨著PV的繼續(xù)增大，摩擦系數(shù)還有一定程度的增加，因此在本次試驗(yàn)4組摩擦副材料中，F(xiàn)6NM/F6NM可能比較適合作為摩擦副組合。但是F6NM/F6NM的摩擦系數(shù)在中間的PV值(1.4MPa·m/s ～2.0MPa·m/s)存在減小趨勢(shì)，而且同種材料在長(zhǎng)期存放過(guò)程和較大PV值時(shí)更容易發(fā)生膠合[14]，因此需要對(duì)F6NM的表面進(jìn)行相應(yīng)的改性或者選擇其他耐熱性能好、硬度合適的摩擦副材料。

3 結(jié)論

對(duì)室溫下GH4169/F6NM、GH4169/A不銹鋼、F6NM/F6NM、F6NM/A不銹鋼4組摩擦副的摩擦試驗(yàn)分析，探究了載荷、轉(zhuǎn)速以及PV值對(duì)于4組摩擦副的摩擦系數(shù)的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論：

1)在本試驗(yàn)范圍內(nèi)，隨著載荷的增大，F(xiàn)6NM/F6NM、F6NM/A不銹鋼兩組摩擦副摩擦系數(shù)逐漸減??；GH4169/F6NM摩擦副摩擦系數(shù)先減小后增大，GH4169/A不銹鋼摩擦副先增大后減小。

2)在本試驗(yàn)范圍內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)速的增加，GH4169/F6NM摩擦副摩擦系數(shù)先減小后增大、GH4169/A不銹鋼摩擦副摩擦系數(shù)逐漸減小，但變化幅度較??；F6NM/F6NM、F6NM/A不銹鋼兩組摩擦副摩擦系數(shù)先減小后增大。

3)在本試驗(yàn)范圍內(nèi)，隨著PV值的增加，GH4169/F6NM和F6NM/F6NM兩組摩擦副摩擦系數(shù)先減小后增大；GH4169/A不銹鋼和F6NM/A不銹鋼兩組摩擦副摩擦系數(shù)逐漸減小。

根據(jù)本試驗(yàn)范圍內(nèi)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，四組摩擦副材料中F6NM/F6NM比較適合作為摩擦副材料，但同種材料組成的摩擦副在工作過(guò)程中容易發(fā)生膠合現(xiàn)象；為此，仍需要對(duì)F6NM進(jìn)行表面改性或者選擇其他耐熱性能好、硬度合適的摩擦副材料。