不同環(huán)境介質(zhì)下氧化鋁陶瓷與耐蝕金屬摩擦磨損行為*

汪程鵬 吳小波, 肖業(yè)祥 羅柏文 王生輝 宋代旺 李東洋

(1.自然資源部天津海水淡化與綜合利用研究所 天津 300192；2.清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點實驗室 北京 100084；3.湖南科技大學(xué)海洋礦產(chǎn)資源探采裝備與安全技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室 湖南湘潭 411201)

隨著海島開發(fā)、遠洋艦船、鉆井平臺等領(lǐng)域的快速發(fā)展，海水淡化工程需求猛增[1]。高壓泵是海水淡化工程中主要的動力裝備[2]，而多級離心式高壓泵是海水淡化高壓泵主要的結(jié)構(gòu)形式之一，具有結(jié)構(gòu)緊湊和高轉(zhuǎn)速等特點。軸承是多級離心式高壓泵重要支承部件，在高壓泵頻繁啟、停時，水潤滑軸承容易處于邊界潤滑甚至干摩擦狀態(tài)，軸頸與軸瓦容易發(fā)生摩擦磨損和碰撞[3]。此外，海水淡化高壓泵處于低黏度高腐蝕性的海水介質(zhì)中，由于海水腐蝕作用加劇了軸承的磨損，導(dǎo)致其壽命短、工作效率低，需要頻繁更換，因此發(fā)展海水環(huán)境耐腐蝕性材料是高壓泵軸承應(yīng)用與推廣的關(guān)鍵問題之一。

在海水環(huán)境下，摩擦副材料必須選用抗腐蝕和耐磨損性好的材料，金屬合金因具有高比強度、耐磨損并且在海水環(huán)境中具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，是海水淡化高壓泵軸承優(yōu)選材料。畢紅運和李詩卓[4]研究發(fā)現(xiàn)，在相同載荷下，干摩擦?xí)r雙相鋼的磨損量顯著低于304不銹鋼。陳君等人[5]研究了TC4鈦合金和氧化鋁陶瓷摩擦副在模擬海水下的腐蝕磨損行為。劉寧等人[6]研究了氧化鋁陶瓷在海水潤滑條件下的摩擦學(xué)行為。孫建建[7]研究了海水環(huán)境下氮化硅陶瓷復(fù)合材料與軸承鋼GCr15配副的摩擦學(xué)行為，并與干摩擦和純水環(huán)境進行了比較。

近年來，海洋環(huán)境下的摩擦學(xué)研究對于海洋工程裝備的開發(fā)具有重要的戰(zhàn)略意義。Al2O3陶瓷具有優(yōu)異的耐磨性和耐蝕性，是近年來新型海洋裝備材料，但是針對海水環(huán)境下高壓泵TC4鈦合金、316不銹鋼、2205雙相不銹鋼與氧化鋁陶瓷配對摩擦副的摩擦磨損性能研究較少。本文作者研究3種耐蝕金屬合金與Al2O3陶瓷在不同介質(zhì)環(huán)境中的摩擦磨損特性，為篩選出最優(yōu)的海水淡化高壓泵關(guān)鍵摩擦副材料提供試驗依據(jù)。

1 試驗方案

試驗選用的金屬材料為TC4鈦合金、316不銹鋼、2205雙相不銹鋼，配副材料為Al2O3陶瓷。表1給出了3種金屬材料的力學(xué)性能參數(shù)。氧化鋁陶瓷為無錫孚瑞達傳動設(shè)備有限公司提供，其組成及質(zhì)量分數(shù)為：Al2O399.4%，CaO 0.3%，MgO 0.3%。表2給出了氧化鋁陶瓷材料的機械性能參數(shù)。

表1 金屬材料力學(xué)性能

表2 陶瓷材料力學(xué)性能

試驗在MM-W1B型立式萬能摩擦磨損試驗機上進行，采用銷-環(huán)滑動接觸形式模擬摩擦副接觸，下試樣為金屬大試環(huán)，上試樣為陶瓷銷。圖1為試樣加工圖，圖2為各試樣加工后的實物圖。摩擦磨損試驗分別在干摩擦、純水、海水環(huán)境下進行，純水使用靜置一周的自來水，海水使用原海水。試驗過程中摩擦因數(shù)由試驗機自動記錄并輸出，磨損量采用萬分之一天平進行測量，精度為0.1 mg。試驗前后使用無水乙醇和超聲波清洗機對試樣進行清洗并烘干，試驗前后的質(zhì)量差即為磨損量。利用金相顯微鏡觀察試樣表面形貌。

圖1 試樣加工圖

圖2 陶瓷銷與金屬環(huán)試樣

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 摩擦因數(shù)與磨損量

圖3和圖4分別為在試驗條件15 N、200 r/min和不同介質(zhì)環(huán)境下TC4-陶瓷、316-陶瓷、2205-陶瓷配副的摩擦因數(shù)曲線和磨損量。從圖3可以看出，干摩擦條件下配副材料的摩擦因數(shù)最大，純水介質(zhì)環(huán)境下的摩擦因數(shù)次之，海水介質(zhì)環(huán)境下的摩擦因數(shù)最小。這是因為海水具有較好的潤滑作用，某些陶瓷材料在海水潤滑下發(fā)生了摩擦化學(xué)反應(yīng)，生成的產(chǎn)物使其獲得較好的摩擦特性[8-9]。另外，不同環(huán)境介質(zhì)下316-陶瓷、2205-陶瓷配副的摩擦因數(shù)都較大，316-陶瓷配副的摩擦因數(shù)比2205-陶瓷配副的稍大，TC4-陶瓷配副摩擦因數(shù)相對較小。摩擦副的硬度越高，摩擦副與基體的硬度差越大其摩擦因數(shù)越小[10]，由于TC4鈦合金硬度小于其他2種材料，摩擦因數(shù)較小。

圖3 不同介質(zhì)環(huán)境下金屬與陶瓷副摩擦因數(shù)隨時間變化(15 N，200 r/min)

圖4 不同介質(zhì)環(huán)境下金屬與陶瓷配副的磨損量(15 N，200 r/min)

從圖4可以看出，3種介質(zhì)環(huán)境下，2205-陶瓷配副的磨損量最小，而TC4-陶瓷配副的磨損量比其他2種配副的磨損量大得多。原因可能是TC4鈦合金硬度小，質(zhì)地較軟，所以TC4鈦合金的磨損量較大。盡管鈦合金有著優(yōu)良的耐海水特性，但其耐磨性能較差，且對微動損傷十分敏感，易發(fā)生磨損失效[11-13]。海水介質(zhì)環(huán)境下，3種配副材料的磨損最小，純水介質(zhì)環(huán)境下的磨損次之，干摩擦條件下的磨損最大。從圖4中可以看到，由于陶瓷硬度高，因而耐磨性能優(yōu)異。

2.2 表面形貌

為研究海水環(huán)境下金屬與陶瓷配副的摩擦磨損行為，圖5和圖6給出了3種金屬材料與陶瓷配副在海水環(huán)境下磨損后的形貌。從圖5可以觀察到，金屬表面出現(xiàn)不同程度的溝槽，在平行于滑動方向上存在一定數(shù)量磨痕。這是由于磨屑對磨面進行犁削作用的結(jié)果，TC4鈦合金表面的磨痕較深，2205雙相不銹鋼和316不銹鋼磨痕較淺，磨損機制為磨粒磨損[7]。各磨面存在一定數(shù)量的疲勞裂紋，部分區(qū)域出現(xiàn)了片狀剝落區(qū)，如圖5中圓圈區(qū)域，這是典型的疲勞磨損特征，磨損機制為疲勞磨損、磨粒磨損和腐蝕磨損的交互作用[8]。

圖5 海水環(huán)境下金屬表面形貌(15 N，200 r/min)

從圖6可以觀察到氧化鋁陶瓷摩擦表面有呈片狀不連續(xù)的覆蓋物。陶瓷銷材料較為致密，摩擦表面無剝落坑的形成，覆蓋物是金屬表面形成的氧化物轉(zhuǎn)移到陶瓷表面[7]。

圖6 海水環(huán)境下陶瓷表面形貌(15 N，200 r/min)

2.3 正交試驗分析

2205雙相不銹鋼與陶瓷配副為例，研究載荷、轉(zhuǎn)速、環(huán)境介質(zhì)對摩擦因數(shù)和磨損量的影響。試驗采用L9(34)正交表，選取載荷、轉(zhuǎn)速、環(huán)境介質(zhì)3種因素，每個因素選3個水平，磨損量、摩擦因數(shù)作為指標(biāo)因素，表3為試驗因素水平表。2205雙相不銹鋼與陶瓷配副L9(34)正交表試驗方案及影響重要性的評價如表4所示。由極差值可以看出，介質(zhì)環(huán)境對摩擦因數(shù)影響較大，載荷的影響次之，轉(zhuǎn)速的影響最小。文獻[10]的研究也發(fā)現(xiàn)載荷對摩擦因數(shù)的影響大于旋轉(zhuǎn)速度的影響。有水潤滑的環(huán)境下摩擦副表面能形成潤滑膜，從而降低了摩擦因數(shù)，海水環(huán)境受到潤滑和腐蝕的交互作用，摩擦因數(shù)更低[8]。載荷對磨損量影響較大，載荷會引起摩擦副材料表面不同程度的溫度升高，導(dǎo)致材料的表面性能變差[14]。

表3 試驗因素水平

表4 2205雙相不銹鋼與陶瓷配副正交試驗結(jié)果及極差分析

3 結(jié)論

(1)在相同的條件下，TC4鈦合金與陶瓷配副摩擦因數(shù)較小，2205雙相不銹鋼與陶瓷配副磨損量較小。環(huán)境介質(zhì)對摩擦因數(shù)影響較大，載荷對磨損量的影響較大，海水介質(zhì)對摩擦副材料摩擦磨損起到一定潤滑作用。

(2)316-陶瓷配副摩擦因數(shù)和2205-陶瓷配副摩擦因數(shù)較大；TC4-陶瓷配副腐蝕磨損和機械磨損的交互作用較為強烈，其磨損量比316-陶瓷配副和2205-陶瓷配副副磨損量大得多。

(3)2205雙相不銹鋼和316不銹鋼磨痕較淺，磨損機制為疲勞磨損、磨粒磨損和腐蝕磨損的交互作用。