319型鑄造鋁合金球面接觸下的磨損行為研究

譙建春，劉 宇，李明生，于志剛

1. 成都工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，成都 610218； 2. 西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400715

鑄造鋁合金有良好的鑄造性能、加工性能和傳熱性，適合應(yīng)用在高溫、高壓和高頻復(fù)雜工況環(huán)境下，并且密度小、比強(qiáng)度高、易重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)．319型鑄造鋁合金由于其優(yōu)異的耐蝕性能和低廉的成本而廣泛應(yīng)用于汽車(chē)工業(yè)、農(nóng)業(yè)機(jī)械、船舶工業(yè)、食品工業(yè)、航空航天、金屬包裝等領(lǐng)域[1]．鑄造鋁合金可按照需求制成形狀復(fù)雜的零件，如汽車(chē)氣缸蓋、變速箱、機(jī)械部件的箱體、泵體等，其他零件與其配合，不可避免地導(dǎo)致摩擦磨損．

319型鑄造鋁合金的耐磨性能測(cè)試服務(wù)在實(shí)際工業(yè)制造中具有非常重要的工程價(jià)值和指導(dǎo)意義，如汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)進(jìn)排氣門(mén)與氣缸進(jìn)排氣門(mén)座、進(jìn)排氣凸輪軸與氣缸蓋凸輪軸孔間的磨損關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性．零件與機(jī)械部件的箱體、殼體以及增壓器的泵體之間的磨損關(guān)系到設(shè)備應(yīng)用的可靠性，是汽車(chē)、拖拉機(jī)、輪船、備用發(fā)電機(jī)等設(shè)備應(yīng)用場(chǎng)合提升經(jīng)濟(jì)性、可靠性的重要指標(biāo)之一．

同時(shí)，鋁合金通過(guò)等離子噴涂、物理氣相沉積、激光熔覆、電鍍等表面處理技術(shù)形成表面層，其表面層也存在失效的可能[2]； 其次，隨著高強(qiáng)度鋁合金材料的研制，目前有向全鋁設(shè)備發(fā)展的趨勢(shì)，例如全鋁發(fā)動(dòng)機(jī)等，這些都對(duì)鋁合金材料耐磨性能提出了更高的要求[3]，因此，對(duì)319型鋁合金的耐磨性能研究有利于其應(yīng)用領(lǐng)域的拓展．

夏天東等[4]在特定的試驗(yàn)機(jī)上研究了幾種不同的變形鋁合金干摩擦磨損性能，結(jié)果表明，變形鋁合金摩擦系數(shù)呈湍流狀波動(dòng)，磨損機(jī)制以磨粒磨損和粘著磨損為主．羅林等[5]通過(guò)對(duì)7A52鋁合金微動(dòng)磨損研究，分析其在不同載荷、循環(huán)周次、振幅等參數(shù)下，磨損量和摩擦因數(shù)的變化影響．結(jié)果顯示，隨著循環(huán)周次、載荷、振幅的增大，試樣磨損體積也逐漸增加，隨著振幅逐漸增大，磨損機(jī)制由磨粒磨損向粘著磨損過(guò)渡，隨著振幅進(jìn)一步增大，出現(xiàn)了接觸疲勞磨損現(xiàn)象．謝興源等[6]通過(guò)改變旋轉(zhuǎn)軸傾角實(shí)現(xiàn)球/平面的扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動(dòng)磨損行為分析，結(jié)果表明： 鋁合金7075的損傷行為取決于角位移幅值和傾斜角．R.D.Ott等[7]研究了319型鋁合金通過(guò)在合金表面焊接含高硅鋁材質(zhì)形成高強(qiáng)度的材料沉積覆蓋以提高耐磨性．葛靈丹等[8]在干摩擦條件下，改變環(huán)境溫度和外加載荷，對(duì)7075鋁合金的磨損行為進(jìn)行分析，結(jié)果顯示： 隨著載荷增加，7075鋁合金從開(kāi)始的輕微磨損逐漸向嚴(yán)重磨損過(guò)渡．余建平等[9]對(duì)7075鋁合金在銷(xiāo)盤(pán)式磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行干滑動(dòng)磨損試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明： 低載荷下試樣主要表現(xiàn)為氧化輕微磨損和磨粒磨損，大載荷下為粘著磨損和熱軟化磨損．劉可欣等[10]通過(guò)對(duì)AA5182鋁合金壓印連接做微動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明： 微動(dòng)磨損初期較嚴(yán)重，有明顯塑性變形，隨著循環(huán)次數(shù)增多，F(xiàn)-D曲線張開(kāi)較小，彈性協(xié)調(diào)起主導(dǎo)作用，塑性變形減弱．宋娓娓等[11]通過(guò)對(duì)6082鋁合金進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，分析了磨損轉(zhuǎn)速對(duì)摩擦系數(shù)的影響規(guī)律，結(jié)果表明： 常溫下6082鋁合金摩擦系數(shù)隨磨損轉(zhuǎn)速的增加呈先減小后增大的規(guī)律．以上研究列舉了國(guó)內(nèi)及國(guó)外學(xué)者對(duì)鋁合金磨損行為的研究[12-13]，而這些研究主要針對(duì)變形鋁合金的摩擦磨損行為進(jìn)行了分析，而國(guó)內(nèi)對(duì)鑄造鋁合金摩擦磨損行為和磨損機(jī)理的研究較少．因此，本文將對(duì)319型鑄造鋁合金的磨損性能進(jìn)行研究，分析不同法向載荷下其摩擦系數(shù)、磨損體積以及磨痕形貌的變化規(guī)律，為實(shí)際應(yīng)用提供工程技術(shù)支持，亦可為同系鑄造鋁合金提供磨損數(shù)據(jù)參考．

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用球/平面接觸形式，平面試樣為鋁合金319，其材料的化學(xué)成分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)[14]如表1所示．用線切割機(jī)將樣品切割成長(zhǎng)寬高分別為10×10×8 mm，并依次用400#，800#，1 000#和2 000#的砂紙打磨，隨后分別用W2.0，W1.5，W1.0，W0.5的金剛石拋光膏對(duì)打磨后的試樣表面進(jìn)行拋光，直至鏡面，再放入無(wú)水乙醇中進(jìn)行超聲清洗10 min，最后用氣槍將其吹干．對(duì)摩試樣采用φ9.52 mm的GCr15鋼球，硬度為HV0.2760．

表1 319型鑄造鋁合金的化學(xué)組成成分

圖1 試驗(yàn)簡(jiǎn)化模型

1.2 試驗(yàn)參數(shù)和設(shè)備

本文的試驗(yàn)在特定的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)(圖1)，試驗(yàn)樣品安裝在底座下，跟隨底座做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，法向的電機(jī)提供法向載荷．初始階段，319型鋁合金試樣和對(duì)摩鋼球相貼合，球頭和試樣在10N的載荷下，試樣以設(shè)定的切向運(yùn)動(dòng)速度做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)．本試驗(yàn)可以較好地模擬各摩擦副之間的磨損狀態(tài)．通過(guò)改變電機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，可以為試驗(yàn)樣塊設(shè)置不同的運(yùn)動(dòng)速度，改變砝碼質(zhì)量可以實(shí)現(xiàn)不同法向載荷，具體的試驗(yàn)參數(shù)如表2所示．

力學(xué)傳感器用于記錄磨損過(guò)程中樣品所受切向摩擦力．試驗(yàn)完成后，用白光干涉儀測(cè)量磨損輪廓和磨損體積，采用掃描電鏡(JSM6610LV)觀察磨痕表面形貌，并分析319型鋁合金的磨損機(jī)制．

表2 試驗(yàn)編號(hào)和參數(shù)

圖2 鋁合金319不同載荷下 摩擦系數(shù)隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 摩擦系數(shù)

319型鋁合金在不同載荷及不同循環(huán)周次下的摩擦系數(shù)有所不同(圖2)．圖中曲線為319型鋁合金在不同載荷下(10，15，20，25，30N)摩擦系數(shù)隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線，由變化曲線可知，摩擦系數(shù)的變化過(guò)程可分為3個(gè)階段，分別是迅速上升階段、調(diào)整階段、穩(wěn)定階段．在一定載荷下，摩擦系數(shù)隨著磨損循環(huán)次數(shù)的增加而迅速增大，而后摩擦系數(shù)下降調(diào)整，在調(diào)整階段，載荷越小調(diào)整階段隨循環(huán)周次而提前，當(dāng)循環(huán)周次超過(guò)1 000時(shí)，摩擦系數(shù)開(kāi)始在恒定范圍內(nèi)微幅波動(dòng)．試樣在穩(wěn)定階段，法向載荷F=10N，平均摩擦系數(shù)為0.97，法向載荷F=15N，平均摩擦系數(shù)為0.59，法向載荷F=20N，平均摩擦系數(shù)為0.47，法向載荷F=25N，平均摩擦系數(shù)為0.37，法向載荷F=30N，平均摩擦系數(shù)為0.31，結(jié)果表明，相同循環(huán)周次下，試樣在穩(wěn)定階段的摩擦系數(shù)隨著載荷的增加而降低．此外，隨著法向載荷不斷增加，樣品表面在磨損過(guò)程中產(chǎn)生一些摩擦氧化現(xiàn)象及其磨屑的不斷形成和排出，因319型鋁合金中含有Si、Cu等合金元素，對(duì)摩鋼球與其摩擦過(guò)程生熱，這些合金元素與空氣中O2發(fā)生氧化反應(yīng)生成SiO2、Cu2O等氧化物使鋁合金表面形成潤(rùn)滑劑，使摩擦系數(shù)降低[11]．

2.2 F-D曲線分析

通過(guò)對(duì)試樣施加不同的法向載荷(10，15，20，25，30N)，在一定的循環(huán)次數(shù)下(100，1 000，5 000次)得到摩擦特性曲線(圖3)．

圖3 319型鋁合金不同循環(huán)周次F-D曲線

在一定循環(huán)周次下，圖3(a)的F-D曲線呈平行四邊形，尤其以法向載荷10N及15N較為明顯，此時(shí)試樣表面塑性變形較大，而隨著法向載荷加大，F(xiàn)-D曲線逐漸從平行四邊形向橢圓形過(guò)渡，而在法向載荷增大過(guò)程中，粘著磨損越嚴(yán)重，材料移出磨損區(qū)越困難，隨著磨損材料在磨損區(qū)域的積累，磨痕表層越容易發(fā)生加工硬化，使表面強(qiáng)度有所增加，提高耐磨性[15]．塑性變形向彈性變形過(guò)渡，如圖3(b)和圖3(c)曲線呈橢圓形，此階段磨損特征表現(xiàn)為中心粘著損傷輕微而邊緣損傷嚴(yán)重．從摩擦能量耗散的角度來(lái)講，耗散能則為試樣發(fā)生彈塑性變形中能量的損失，F(xiàn)-D曲線圍成的面積即為耗散能[10]．不同載荷下的耗散能在循環(huán)初期表現(xiàn)較為明顯，如圖3(a)，在循環(huán)次數(shù)等于100時(shí)，隨著載荷增大，摩擦耗散能越?。趫D3(a)和圖3(c)隨循環(huán)次數(shù)的增加橢圓形面積逐漸減小，耗散能逐漸減少，是由于磨損過(guò)程中產(chǎn)生的合金元素氧化物起到潤(rùn)滑作用，摩擦系數(shù)降低，使耗散能減?。S循環(huán)次數(shù)逐漸增加，F(xiàn)-D曲線圍成的橢圓形面積減小，滑移區(qū)內(nèi)耗散能下降，塑性變形減弱，彈性變形為主．

耗散能理論最早由Fouvry等[16-17]所提出，若一個(gè)循環(huán)中耗散能為Es，則整個(gè)微動(dòng)過(guò)程的耗散能為所有循環(huán)耗散能之和，即E=∑Esn．

另外，摩擦耗散能(一個(gè)循環(huán))還可表示為

Es=4Fμ(δ+Btδ0t)

(1)

公式(1)中：F為法向載荷；μ為摩擦系數(shù)；δ為循環(huán)中位移振幅；Bt為滑移和部分滑移轉(zhuǎn)變系數(shù)常數(shù)；δ0t為滑移轉(zhuǎn)變時(shí)切向力為零時(shí)的位移半徑．

2.3 磨痕形貌分析

通過(guò)Hertz接觸理論，在試驗(yàn)初期，對(duì)摩鋼球和平面試樣之間的接觸面積較小，這樣就導(dǎo)致法向應(yīng)力較大，使材料表面急劇破壞，造成較多材料的損失，磨痕表面在法向載荷的作用下促使平面試樣表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，而隨著法向載荷增大，加快了材料硬化的過(guò)程，磨損體積的變化幅度減緩，說(shuō)明隨著法向載荷的增加，磨損量趨于恒定，使平面試樣表面強(qiáng)度增加，減緩和抑制了平面試樣的磨損[18]．

圖4為磨痕形貌光鏡圖，材料磨損的主要原因是由于法向壓應(yīng)力和切向剪應(yīng)力周期性作用的結(jié)果．試樣在法向及切向的微動(dòng)中，磨屑在切向力作用下推向磨痕區(qū)域兩側(cè)，外邊沿有明顯的磨屑堆積現(xiàn)象，磨痕的形狀不規(guī)則，這是由于法向載荷不足以將產(chǎn)生的磨屑帶回磨痕區(qū)域中心，而隨著法向載荷增大，切向載荷也增加，磨屑更易從兩邊被帶回磨痕區(qū)域內(nèi)，磨屑層保護(hù)了試樣，減緩了磨損，這樣從試驗(yàn)中看出，法向載荷F=10N及F=15N時(shí)，磨痕區(qū)域兩側(cè)磨屑堆積較明顯，而當(dāng)法向載荷F=25N及F=30N的試樣中，磨痕區(qū)域兩側(cè)磨屑堆積不明顯，中間磨屑增多，磨痕區(qū)域邊緣過(guò)渡也越光滑，且試樣磨痕區(qū)域輪廓的水平投影呈較規(guī)則的圓形，與上述的磨痕二維形貌與磨痕三維形貌具有一致性．

不同法向載荷下的319型鋁合金的磨痕三維形貌圖如圖5所示，所有圖片均由布魯克白光干涉儀拍攝所得．在不同的法向載荷(10，15，20，25，30N)下三維磨痕輪廓與上述二維磨痕輪廓有諸多相似之處，通過(guò)磨痕數(shù)據(jù)樣本方差可以得到磨痕深度之間的偏離程度，偏離程度越大，說(shuō)明磨痕輪廓越不規(guī)則，偏離程度越小，說(shuō)明磨痕輪廓越平整，根據(jù)數(shù)據(jù)分析可知，法向載荷為10N時(shí)，磨痕輪廓數(shù)據(jù)樣本方差為23.22 μm，法向載荷為15N時(shí)，磨痕輪廓數(shù)據(jù)樣本方差為30.66 μm，法向載荷為20N時(shí)，磨痕輪廓數(shù)據(jù)樣本方差為14.04 μm，法向載荷為25N時(shí)，磨痕輪廓數(shù)據(jù)樣本方差為12.27 μm，法向載荷為30N時(shí)，磨痕輪廓數(shù)據(jù)樣本方差為11.58 μm．其磨損機(jī)理與二維磨痕輪廓具有一致性．即隨著法向載荷增加，對(duì)摩鋼球與平面試樣產(chǎn)生的磨屑形成更好的包裹，整體的三維磨痕輪廓越趨向于對(duì)摩鋼球曲線且圓整光滑．

在不同法向載荷下二維磨痕形貌變化情況如圖6所示，法向載荷較小時(shí)磨損輪廓較紊亂，而隨著法向載荷的增加磨痕中心越平整光滑．對(duì)摩鋼球和平面試樣的接觸可視為點(diǎn)接觸，此時(shí)接觸面積小，而法向應(yīng)力較高，試樣更容易產(chǎn)生磨屑，隨著磨屑的累積，磨屑輪廓趨向于對(duì)摩鋼球輪廓，對(duì)摩鋼球和試樣間不止是點(diǎn)接觸，接觸面積的逐漸增大使得接觸應(yīng)力逐漸降低[15]．當(dāng)法向應(yīng)力較大時(shí)，這一過(guò)程得到更快的實(shí)現(xiàn)，所以在該二維形貌對(duì)比圖中，可以看出，在相同循環(huán)周次下，法向載荷越大，磨痕二維形貌的曲線越平整光滑．

當(dāng)法向載荷為10N時(shí)，磨痕深度變化最不規(guī)則，最深值為-16.50 μm； 當(dāng)法向載荷為15N時(shí)，磨痕深度最深值為-18.61 μm； 當(dāng)法向載荷為20N時(shí)，磨痕深度最深值為-7.98 μm； 當(dāng)法向載荷為25N時(shí)，磨痕深度最深值為-7.86 μm； 隨著法向載荷的增加磨痕深度變化趨于平穩(wěn)．當(dāng)法向載荷為30N時(shí)，磨痕深度最大值為-7.48 μm．可以看出，隨著法向載荷增大，磨痕中心深度最大值在減小，這是由于隨著法向載荷越大，粘著磨損越嚴(yán)重，磨屑越難遷移出磨痕中心，產(chǎn)生的磨屑不斷在磨痕中心累積所致．

圖4 光鏡掃描圖

2.4 磨損分析

在一定切向速度和不同法向載荷下的樣品磨損量如圖7所示．從圖中可以看出，磨痕面積及其磨損體積隨著載荷的變化呈現(xiàn)波動(dòng)變化，法向載荷F=10N，磨損面積為0.177 mm2，磨損體積為1 000 000 μm3，而當(dāng)法向載荷增加到F=15N，磨損面積為0.135 mm2，磨損體積為589 695 μm3，磨損面積和磨損體積均有所減?。缮鲜瞿ズ圯喞治隹芍?，在法向載荷較小時(shí)，磨痕輪廓極不規(guī)則，這時(shí)磨損區(qū)域的磨屑被推向磨痕區(qū)域邊緣，但隨著法向載荷增大，磨損面積與磨損體積均逐漸增大，當(dāng)法向載荷增加到F=20N，磨損面積為0.31 mm2，磨損體積為1 313 980 μm3，當(dāng)法向載荷增加到F=25N，磨損面積為0.35 mm2，磨損體積為1 572 806 μm3，當(dāng)法向載荷增加到F=30N，磨損面積為0.31 mm2，磨損體積為1 217 730 μm3，并存在微幅波動(dòng)，這是由于隨著法向載荷變化，磨屑從磨痕區(qū)域邊緣被帶回磨痕區(qū)域內(nèi)，造成磨損面積與磨損體積的微幅波動(dòng)．

圖5 三維輪廓圖

圖6 磨痕輪廓

圖7 不同載荷下的磨損量

3 結(jié) 論

1) 319型鑄造鋁合金在一定法向載荷的切向?qū)δ\(yùn)動(dòng)中，其摩擦磨損機(jī)理不同于變形鋁合金的摩擦磨損機(jī)理，319型鋁合金的摩擦系數(shù)隨著循環(huán)周次的變化不同于7A52鋁合金，其摩擦系數(shù)隨著磨損循環(huán)次數(shù)的增加經(jīng)歷了上升階段、調(diào)整階段和穩(wěn)定階段3個(gè)過(guò)程．當(dāng)循環(huán)周次超過(guò)1 000時(shí)，摩擦系數(shù)開(kāi)始在恒定范圍內(nèi)微幅波動(dòng)，因此在循環(huán)周次超過(guò)1 000時(shí)，可以獲得較穩(wěn)定的摩擦系數(shù)．

2) 隨著載荷增加，F(xiàn)-D曲線由平行四邊形向橢圓形過(guò)渡，F(xiàn)-D曲線圍成區(qū)域面積隨磨損循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減小，即磨損耗散能逐漸下降，磨損界面塑性變形減弱，磨損進(jìn)入一個(gè)穩(wěn)定階段．

3) 319型鋁合金磨痕形貌在較小法向載荷下極不規(guī)則，隨著法向載荷增大，對(duì)摩鋼球與平面試樣產(chǎn)生的磨屑形成更好的包裹，磨痕形貌越圓整光滑，磨痕深度及磨損體積隨著載荷增大整體呈增大趨勢(shì)，但存在微幅波動(dòng)的情況．319型鋁合金的磨損特點(diǎn)為剝層磨損，隨著磨屑積累，磨痕表層易發(fā)生加工硬化．