TC4合金微動(dòng)磨損過渡區(qū)摩擦行為

(蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院 甘肅蘭州 730050)

微動(dòng)是指兩接觸面間微米級(jí)振幅的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，往復(fù)滑動(dòng)則是振幅為毫米量級(jí)及以上的兩接觸面相對(duì)運(yùn)動(dòng)[1-2]。研究發(fā)現(xiàn)，保持其他參數(shù)不變，改變位移幅值，在某一位移幅值范圍內(nèi)，磨損系數(shù)發(fā)生突變，這個(gè)磨損系數(shù)發(fā)生突變的位移幅值范圍則稱為微動(dòng)磨損過渡區(qū)。目前對(duì)微動(dòng)磨損過渡區(qū)的研究仍存在著一些問題，如微動(dòng)磨損與往復(fù)滑動(dòng)磨損之間過渡的位移幅值范圍，不同學(xué)者所得到的數(shù)據(jù)差異較大。學(xué)者們對(duì)不同金屬材料的微動(dòng)磨損過渡區(qū)進(jìn)行了研究，但以鈦合金為研究對(duì)象的報(bào)道不多，導(dǎo)致對(duì)鈦合金微動(dòng)磨損過渡區(qū)行為特點(diǎn)缺乏了解[3-7]。

鈦合金因比強(qiáng)度高，具有良好高溫?zé)岱€(wěn)定性、耐腐蝕性及低溫性能，在航空航天、石油化工等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。但鈦合金抗磨性差且對(duì)微動(dòng)損傷極為敏感，嚴(yán)重制約了其在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用[8-11]。目前減緩磨損的措施主要有表面技術(shù)[12-16]及油脂潤滑[17-20]，針對(duì)不同磨損機(jī)制需要采用不同的減磨措施。本文作者在以GCr15為配副材料并保持其他參數(shù)不變條件下，得到了TC4合金微動(dòng)磨損過渡區(qū)的范圍，分析不同狀態(tài)下摩擦因數(shù)演變及磨痕表面形貌特點(diǎn)，研究了磨損機(jī)制的變化。通過對(duì)過渡區(qū)及鈦合金本身摩擦磨損性能的研究，加深了對(duì)鈦合金微動(dòng)磨損過渡區(qū)的認(rèn)識(shí)，為合理選擇減磨措施提供一定科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試樣制備

試驗(yàn)材料為φ24 mm×8 mm的TC4(Ti-6Al-4V)合金(硬度約為HV300)，其主要化學(xué)成分如表1所示，摩擦配副材料為φ10 mm的GCr15鋼球(硬度約HV680)。TC4試樣用SiC金相水磨砂紙逐級(jí)研磨并使用SiO2精拋光液進(jìn)行機(jī)械拋光處理，使其表面粗糙度Ra=0.03 μm。試驗(yàn)前分別使用無水乙醇和丙酮對(duì)其超聲清洗，保證接觸面潔凈。用腐蝕液(氫氟酸、硝酸、蒸餾水的比例1∶3∶16)腐蝕處理大約20 s，用清水及無水乙醇清洗吹干后使用。

表1 TC4合金主要化學(xué)成分

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)過程

試驗(yàn)在SRV-Ⅳ摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用球/平面接觸方式，接觸面無潤滑。試驗(yàn)在室溫(25 ℃)條件下進(jìn)行，相對(duì)濕度20%～25%，法向載荷100 N，位移幅值25～300 μm，微動(dòng)頻率50 Hz，試驗(yàn)時(shí)間為30 min。試驗(yàn)前對(duì)上下試樣用乙醇溶液清洗，保證接觸面潔凈。試驗(yàn)完成后，用無水乙醇及丙酮超聲清洗試樣并吹干，使用三維輪廓儀測量磨損體積及磨痕表面輪廓，用QUANTA FEG 450場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)磨損后的表面形貌進(jìn)行觀察并用能譜儀(EDS)檢測磨屑成分。摩擦因數(shù)數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)自動(dòng)收集。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 體積磨損量及磨損系數(shù)分析

磨損系數(shù)作為判斷微動(dòng)磨損過渡區(qū)的指標(biāo)，一般能綜合反映摩擦磨損的變化。常用的磨損系數(shù)的計(jì)算公式[3]如下：

(1)

式中：KR為磨損因數(shù);是量綱為一的量；H為TC4合金的維氏硬度(N/mm2)；V為體積磨損量(mm3)；s為總滑動(dòng)距離(mm)；F為法向載荷(N)。

試驗(yàn)得到的體積磨損量隨位移幅值的變化曲線如圖1所示。將體積磨損量數(shù)據(jù)代入式(1)，得到磨損系數(shù)隨位移幅值的變化曲線，如圖2所示。

圖1 體積磨損量與位移幅值的關(guān)系Fig 1 Relationship between wear volume and amplitude of oscillation

圖2 磨損系數(shù)與位移幅值的關(guān)系Fig 2 Relationship between wear coefficient and amplitude of oscillation

由圖1可見，位移幅值100 μm前后體積磨損量增長速度不同且差距極大，可認(rèn)為100 μm是一個(gè)關(guān)鍵的轉(zhuǎn)變位移幅值。由圖2可見，當(dāng)位移幅值小于100 μm時(shí)，磨損系數(shù)很小并且增長緩慢；當(dāng)位移幅值在100～200 μm之間時(shí)，磨損系數(shù)出現(xiàn)突變，急劇增加；當(dāng)位移幅值大于200 μm時(shí)，磨損系數(shù)變化很小并且接近常值。往復(fù)滑動(dòng)磨損的顯著特征是隨著位移幅值的增加，磨損系數(shù)近乎保持恒定且往復(fù)滑動(dòng)磨損系數(shù)遠(yuǎn)大于微動(dòng)磨損系數(shù)。結(jié)合微動(dòng)磨損過渡區(qū)的定義，在文中試驗(yàn)條件下(法向載荷100 N，頻率50 Hz，循環(huán)次數(shù)9×104次，GCr15鋼球與TC4合金平面試樣對(duì)磨)，微動(dòng)磨損過渡區(qū)位移幅值范圍是100～200 μm。

2.2 摩擦因數(shù)分析

不同位移幅值下，TC4合金與GCr15鋼球?qū)δr(shí)的摩擦因數(shù)隨時(shí)間變化曲線如圖3所示。

如圖3(a)所示，在微動(dòng)狀態(tài)下，摩擦因數(shù)在磨合階段波動(dòng)劇烈，達(dá)到穩(wěn)定磨損階段后趨于穩(wěn)定，且穩(wěn)定狀態(tài)下的摩擦因數(shù)隨著位移幅值的增加而增加。摩擦開始時(shí)，表面氧化膜被破壞，摩擦副二體接觸，表面間黏著迅速增大，摩擦因數(shù)急劇上升，達(dá)到最大值后摩擦因數(shù)突降，表明接觸表面局部區(qū)域被破壞(例如表面材料的剝落)。隨后摩擦因數(shù)保持穩(wěn)定，進(jìn)入穩(wěn)定摩擦磨損狀態(tài)。

如圖3(b)所示，當(dāng)磨損進(jìn)入過渡區(qū)時(shí)，摩擦因數(shù)的演變不一致，且隨著位移幅值的增加，摩擦因數(shù)波動(dòng)逐漸劇烈。位移幅值為100 μm時(shí)，摩擦因數(shù)曲線整體呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢，這是因?yàn)橛杀砻骛ぶ犬a(chǎn)生的磨屑在微動(dòng)過程中形成具有良好潤滑性的第三體層，減緩了黏著磨損；當(dāng)位移幅值增加到125 μm時(shí)，由于黏著磨損，磨損初期摩擦因數(shù)波動(dòng)劇烈，隨后由于第三體層形成，摩擦因數(shù)保持穩(wěn)定；位移幅值為150 μm時(shí)，由于磨粒磨損作用加劇，無法形成穩(wěn)定的第三體層，摩擦因數(shù)劇烈波動(dòng)，摩擦過程不穩(wěn)定。

如圖3(c)所示，在往復(fù)滑動(dòng)狀態(tài)下，摩擦因數(shù)波動(dòng)更加劇烈，這是因?yàn)槟チＤp作用增強(qiáng)，磨屑溢出速度加快，對(duì)磨件處于二體接觸，在磨痕表面無法形成覆蓋整個(gè)磨斑的第三體層。比較位移幅值200 μm和300 μm摩擦因數(shù)曲線，可以看到兩條曲線波動(dòng)劇烈并且變化趨勢相似，近乎重合，可見在往復(fù)滑動(dòng)狀態(tài)下，位移幅值雖然改變較大但是在相對(duì)較長時(shí)間內(nèi)摩擦因數(shù)基本保持不變。

圖3 不同位移幅值下摩擦因數(shù)曲線Fig 3 Friction coefficient curves of different amplitude of oscillation

2.3 磨痕表面輪廓

TC4合金在不同位移幅值下，磨痕的表面輪廓如圖4所示。隨著位移幅值的增加，磨痕深度及寬度增大，磨損損傷加劇。由2.1小節(jié)可知，在文中試驗(yàn)條件下，微動(dòng)磨損轉(zhuǎn)變的過渡區(qū)位移幅值范圍是100～200 μm，從磨痕表面輪廓來看，磨痕深度及寬度在過渡區(qū)內(nèi)突增，體積磨損量劇增，這說明磨損機(jī)制在微動(dòng)磨損過渡區(qū)出現(xiàn)變化，加劇損傷程度，表現(xiàn)明顯的材料流失。

不同狀態(tài)下，磨痕表面輪廓呈現(xiàn)不同的形貌。在微動(dòng)狀態(tài)下，磨痕深度極淺，磨痕寬度很小，黏著區(qū)及滑移區(qū)分區(qū)明顯，黏著區(qū)外突然下凹的輪廓可能是由于疲勞磨損導(dǎo)致的淺層剝落造成的，邊緣凸起的輪廓是由于反復(fù)滑動(dòng)造成的材料塑性變形及磨屑堆積，如圖4(a)所示。當(dāng)磨損處于微動(dòng)向往復(fù)滑動(dòng)轉(zhuǎn)變的過渡區(qū)時(shí)，磨痕的深度及寬度劇增，輪廓線漸趨于平滑，磨痕中心的黏著區(qū)消失，損傷程度加劇，如圖4(b)所示。在往復(fù)滑動(dòng)狀態(tài)下，磨痕的深度和寬度進(jìn)一步增加，輪廓線變得平滑，損傷面積增加，磨痕中心因?yàn)槟バ级逊e形成凸起輪廓，如圖4(c)所示。

圖4 不同位移幅值下磨痕表面輪廓Fig 4 Profile of wear scar section in different amplitude of oscillation

2.4 磨損表面形貌及機(jī)制分析

圖5所示為位移幅值為45 μm時(shí)的磨痕表面形貌。磨損此時(shí)處于微動(dòng)狀態(tài)，磨痕表面的環(huán)狀形貌表明微動(dòng)此時(shí)處在部分滑移區(qū)，中心區(qū)域黏著，邊緣區(qū)域微滑，如圖5(a)所示。由圖5(b)所示的磨痕中心形貌可知，磨損表面覆蓋大量剝落坑，表現(xiàn)出黏著磨損的典型特征。黏著區(qū)邊緣可觀察到相對(duì)較深的凹坑，這可能是由于在微動(dòng)磨損過程中往復(fù)運(yùn)動(dòng)和交變的切向力共同作用，導(dǎo)致TC4合金表面因疲勞損傷出現(xiàn)了材料淺層剝落,剝落坑中存在少量磨屑。由圖5(c)、(d)可以看到磨屑堆積于磨痕邊緣，滑移區(qū)邊緣可觀察到由微滑導(dǎo)致的材料塑性變形積累產(chǎn)生的條狀凸起，同時(shí)反復(fù)的微滑使得表面因塑性變形積累而變脆，進(jìn)一步產(chǎn)生平行及垂直的裂紋，最終使材料以層片狀剝離。綜上所述，微動(dòng)狀態(tài)下，磨損機(jī)制主要是黏著磨損及疲勞剝層。

圖5 位移幅值45 μm時(shí)的磨痕表面形貌Fig 5 Wear scar surface morphology at 45 μm (a)full view of wear mark;(b)wear mark center;(c)wear mark edge; (d)wear mark edge

圖6所示為位移幅值為100 μm及150 μm時(shí)磨痕表面形貌,磨損此時(shí)處于微動(dòng)磨損過渡區(qū)。位移幅值為100 μm時(shí)，磨痕表面被第三體層覆蓋，邊緣則呈現(xiàn)松散的層狀磨屑堆積，如圖6(a)所示。在100 μm位移幅值下，因接觸面間黏著導(dǎo)致顆粒剝落，剝落顆粒在反復(fù)碾壓及摩擦熱作用下，逐漸氧化、細(xì)化并燒結(jié)成塊形成第三體層，一定程度上緩解了黏著磨損，如圖6(b)所示。從邊緣裸露區(qū)域可以看見因磨粒磨損造成的犁溝及犁皺，如圖6(c)所示。位移幅值為150 μm時(shí)，從磨痕表面可觀察到由磨粒磨損造成的犁溝，磨痕中心出現(xiàn)垂直于摩擦方向的凸起，如圖6(d)所示。這些凸起可能是因?yàn)椴牧纤苄宰冃渭澳バ级逊e形成的，在對(duì)磨球的反復(fù)擠壓下會(huì)使接觸點(diǎn)的材料向上凸起，這些凸起會(huì)阻礙部分磨屑的排出，使得一部分磨屑堆積起來，在對(duì)磨球的反復(fù)碾壓及磨粒磨損的作用下，最終形成如圖6(e)所示的凸起。TC4合金塑性較高，在較高的壓力下易發(fā)生塑性延展，磨痕中的亮白條帶是鈦合金在較高接觸應(yīng)力下產(chǎn)生塑性延展時(shí)的邊界[21]，如圖6(f)所示。對(duì)比100 μm及150 μm磨損形貌可以看出，隨著位移幅值的增加，磨粒磨損作用增強(qiáng)，穩(wěn)定的第三體層被破壞，損傷逐漸加劇，主要磨損機(jī)制由黏著磨損逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槟チＤp及塑性變形。

圖6 位移幅值為100 μm及150 μm時(shí)磨痕表面形貌Fig 6 Wear scar surface morphology at 100 μm and 150 μm (a)full view of wear mark(100 μm);(b)wear mark center (100 μm);(c)wear mark edge(100 μm);(d)full view of wear mark(150 μm);(e)wear mark center (150 μm);(f)wear mark edge(150 μm)

圖7所示為位移幅值為200 μm及300 μm時(shí)磨痕表面形貌，磨損此時(shí)處于往復(fù)滑動(dòng)狀態(tài)。位移幅值為200 μm時(shí)，磨痕表面布滿由磨粒磨損所導(dǎo)致的犁溝，磨痕中心出現(xiàn)磨屑堆積，如圖7(a)所示。圖7(b)所示為磨痕中心形貌，磨屑堆積的形成可能是磨痕中心磨屑不易排出，在上試樣球的反復(fù)碾壓下被壓實(shí)，最終形成較為致密的磨屑層。磨痕邊緣呈現(xiàn)明顯的犁溝及犁皺，同時(shí)存在由塑性延伸形成的亮白條帶，如圖7(c)所示，磨損機(jī)制主要是磨粒磨損及塑性變形。位移幅值為300 μm時(shí)，在磨痕表面可以觀察到犁溝，磨痕表面出現(xiàn)垂直于滑動(dòng)方向的凸起，如圖7(d)所示。圖7(e)所示是磨痕中心形貌，可以看到垂直于摩擦方向的凸起及剝層特征，這些凸起可能是材料塑性變形及磨屑堆積造成的，在對(duì)磨球反復(fù)的滑動(dòng)及磨粒磨損作用下，這些凸起又被破壞，最終消失。磨痕邊緣呈現(xiàn)犁溝形貌，同時(shí)也可以觀察到片狀及細(xì)碎磨屑，如圖7(f)所示。綜上，當(dāng)磨損處于往復(fù)滑動(dòng)磨損時(shí)，主要的磨損機(jī)制應(yīng)為磨粒磨損及塑性變形，同時(shí)可以看到磨粒剝落與碾壓和磨屑轉(zhuǎn)移與聚集的過程與特征。

圖7 位移幅值為200 μm及300 μm時(shí)磨痕表面形貌

Fig 7 Wear scar surface morphology at 200 μm and 300 μm (a)full view of wear mark(200 μm);(b)wear mark center(200 μm);(c)wear mark edge(200 μm);(d)full view of wear mark(300 μm);(e)wear mark center(300 μm);(f)wear mark edge(300 μm)

圖8所示為不同位移幅值下，磨痕表面磨屑層EDS圖譜。

圖8 不同位移幅值下磨屑層EDS圖譜Fig 8 EDS patterns of wear debris in different displacement amplitudes

由圖8可以看到，在不同的位移幅值下均出現(xiàn)O、Fe元素。Fe元素為摩擦配副材料成分；45 μm位移幅值下還出現(xiàn)Si峰，這說明在磨損過程中出現(xiàn)材料的轉(zhuǎn)移，發(fā)生黏著磨損；O峰的存在，說明在不同的位移幅值下磨損過程中發(fā)生了摩擦氧化?？梢姡诓煌奈灰品迪?，均出現(xiàn)黏著磨損及摩擦氧化。

微動(dòng)磨損是多種不同磨損形式的組合。結(jié)合EDS圖譜及磨痕表面形貌進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)在微動(dòng)狀態(tài)、微動(dòng)磨損過渡區(qū)及往復(fù)滑動(dòng)狀態(tài)下，黏著磨損及摩擦氧化始終存在。微動(dòng)狀態(tài)下黏著磨損及疲勞剝層為主要磨損機(jī)制；隨著位移幅值的增加，磨粒磨損出現(xiàn)并且逐漸占據(jù)主導(dǎo)作用，主要的磨損機(jī)制逐漸由黏著磨損轉(zhuǎn)變?yōu)槟チＤp，這一轉(zhuǎn)變發(fā)生在微動(dòng)磨損過渡區(qū)；往復(fù)滑動(dòng)狀態(tài)下磨粒磨損為主要的磨損機(jī)制，但黏著磨損仍然存在，并沒有完全消失。

3 結(jié)論

(1)在文中試驗(yàn)條件下(法向載荷100 N，頻率50 Hz，GCr15鋼球/合金TC4平面配副)，微動(dòng)磨損過渡區(qū)的范圍是100～200 μm。

(2)微動(dòng)狀態(tài)與往復(fù)滑動(dòng)狀態(tài)摩擦因數(shù)變化具有不同的規(guī)律。微動(dòng)狀態(tài)下，摩擦因數(shù)呈階段性變化且隨位移幅值的增加而增加；往復(fù)滑動(dòng)狀態(tài)下，摩擦因數(shù)波動(dòng)劇烈，不同位移幅值摩擦因數(shù)曲線近乎重合；微動(dòng)磨損過渡區(qū)的摩擦因數(shù)變化處于2種狀態(tài)的轉(zhuǎn)變階段。

(3)從磨痕表面輪廓可以看到，在相同條件下，往復(fù)滑動(dòng)比微動(dòng)損傷更嚴(yán)重，磨痕更深且損傷面積更大。微動(dòng)狀態(tài)下，輪廓線粗糙；往復(fù)滑動(dòng)狀態(tài)下輪廓線更加光滑;磨痕深度及寬度在微動(dòng)磨損過渡區(qū)突然增加。

(4)微動(dòng)磨損和往復(fù)滑動(dòng)磨損在磨損機(jī)制上有很大的差異。微動(dòng)磨損的磨損機(jī)制主要為黏著磨損和疲勞剝層；微動(dòng)磨損過渡區(qū)主要磨損機(jī)制由黏著磨損逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槟チＤp；往復(fù)滑動(dòng)磨損的磨損機(jī)制主要為磨粒磨損和塑性變形；摩擦氧化作用在不同狀態(tài)下均存在。