熱壓燒結(jié)Fe3 Al 金屬間化合物滑動摩擦磨損性能研究

尹 敏，王 建，邢建東

(1.西安航空學院 材料工程學院，西安 710077;2.西安交通大學 材料科學與工程學院，西安 710049)

0 引言

Fe3Al 金屬間化合物(以下簡稱Fe3Al)具有優(yōu)異的高溫耐蝕性能和良好的加工硬化能力與高溫強度，并且不含有Ti、Ni、Cr、Mo 等貴重且具有戰(zhàn)略意義的金屬元素，是一種潛在的質(zhì)優(yōu)價廉的中高溫結(jié)構(gòu)材料。然而，F(xiàn)e3Al 室溫拉伸塑性較低、可加工性能差，雖然人們對其室溫塑性的改善進行了大量的研究，但綜合力學性能和制造成本仍無法與常用高溫結(jié)構(gòu)材料相媲美，限制了其作為結(jié)構(gòu)材料在工業(yè)生產(chǎn)中的大規(guī)模應用［1-4］。

從拓展金屬間化合物應用領域的角度出發(fā)，在載荷為壓應力的磨損工況下，材料的拉伸塑性與硬度、韌性和加工硬化能力相比成為次要性能指標［5-6］。因此，在摩擦磨損工況下，發(fā)揮Fe3Al在加工硬化能力和高溫腐蝕抗力方面的優(yōu)勢，把其作為耐磨材料應用于冶金、機械、化工、汽車等涉及高溫摩擦磨損的領域，有望為Fe3Al 的工業(yè)應用打開一扇希望之窗。目前，國內(nèi)外眾多學者對Fe3Al 金屬間化合物［7-8］、陶瓷顆粒增強Fe3Al 復合材料［9-11］以及Fe3Al 涂層［12］的滑動摩擦磨損行為進行了大量的研究，但實驗基本都在室溫條件下進行，對Fe3Al 中高溫滑動磨損行為的研究還較少。

本文采用熱壓燒結(jié)工藝制備了Fe3Al 金屬間化合物，以GCr15 軸承鋼為摩擦配副，考察了法向載荷、滑動速度和環(huán)境溫度對Fe3Al 干滑動摩擦磨損行為的影響規(guī)律，并對其摩擦學特性和磨損機制進行了探討，以期為Fe3Al 作為中高溫耐磨材料應用提供試驗依據(jù)。

1 試驗材料與方法

摩擦磨損試驗在帶有電阻加熱爐的MMU-5G型銷盤式端面摩擦磨損試驗機上進行，為避免磨屑對試驗過程和試驗結(jié)構(gòu)的影響，采用上盤下銷的配副模式，如圖1 所示。盤試樣為Φ44×6 mm的市售GCr15 軸承鋼(化學成分見表1)，其硬度為60 HRC，表面粗糙度Ra≤0.8 μm;銷試樣為5 mm×5 mm×12 mm 的真空熱壓燒結(jié)制備的Fe3Al 試樣，其化學成分、密度和主要力學性能見表2。為減少裝夾過程造成的試驗誤差，銷試樣端面加工成直徑5 mm 的半球形，并用600 目砂紙進行研磨，以保證半球面具有同一粗糙度。

圖1 MMU-5G 型銷盤式端面摩擦磨損試驗裝置示意圖

表1 GCr15 軸承鋼化學成分(wt.%)

表2 熱壓燒結(jié)Fe3Al 的化學成分、密度和室溫力學性能

室溫(25 ℃)滑動磨損主要試驗參數(shù)為:固定滑動速度0.26 m/s，法向載荷(P)分別為:10、20、30 N;固定法向載荷30 N，滑動速度(v)分別為0.26、0.39、0.52 m/s;在法向載荷30 N，滑動速度0.26 m/s的條件下，開展溫度對Fe3Al 滑動磨損抗力和磨損機制的研究，試驗溫度分別為:200、350、500 ℃。以上每組試驗滑動距離(L)恒定為500 m。試驗過程中摩擦因數(shù)由試驗機自帶摩擦因數(shù)測量模塊直接給出。采用精度為0.1 mg 的梅特勒MS-TS 電子分析天平測量磨損試驗前后銷試樣重量的變化，磨損試樣稱量前先用丙酮超聲清洗10 min 并烘干，并根據(jù)ω=Δm/ρL 計算其體積磨損率ω，其中Δm 為磨損前后重量的變化，ρ 為銷試樣密度。每組試驗重復3 次，然后對磨損率和摩擦因數(shù)取算術(shù)平均值。需要說明的是:由于高溫試驗過程中材料容易發(fā)生氧化增重，會對磨損率的計算造成一定的誤差，因此在高溫磨損實驗前首先對Fe3Al 在相應溫度和時間內(nèi)的氧化增重進行了測量。由于Fe3Al 具有優(yōu)異的氧化腐蝕抗力并且氧化時間較短，氧化增重幾乎為零，因此在高溫磨損率的計算中直接采用磨損前后試樣重量的變化進行計算。

采用日本電子株式會社生產(chǎn)的鎢燈絲掃描電鏡(型號:JSM-6360LV)對Fe3Al 磨損面和磨屑的形貌特征進行觀察，并采用OXFORD 能譜儀(EDS)測定磨損面的化學組成。為研究Fe3Al 磨損面亞表層的組織形貌特征，首先對磨損試樣進行電化學鍍鎳保護，以保留亞表層的原始組織形貌特征，然后對鍍鎳保護后的磨損試樣傾斜約30°磨制金相面，且金相面方向平行于磨損方向，最后將磨制好的斜切面，采用掃描電鏡背散射模式觀察磨損面亞表層組織形貌特征。

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 摩擦因數(shù)和Fe3Al 的體積磨損率

圖2 為法向載荷、滑動速度和環(huán)境溫度對Fe3Al/GCr15 配副摩擦因數(shù)和Fe3Al 體積磨損率的影響曲線。圖2(a)為在滑動速度0.26 m/s 時，法向載荷對摩擦因數(shù)和Fe3Al 體積磨損率的影響。由圖2(a)可以看出，法向載荷為10 N 時，摩擦因數(shù)高達1.8±0.2，當法向載荷增加至20 N 和30 N 時，摩擦因數(shù)下降至1.0±0.05，但Fe3Al 的體積磨損率卻隨著載荷的增加呈上升趨勢;圖2(b)為滑動速度對摩擦因數(shù)和Fe3Al 體積磨損率的影響。當法向載荷固定在30 N 時，在0.26～0.52 m/s，滑動速度對Fe3Al/GCr15 配副摩擦因數(shù)的影響較小，基本穩(wěn)定在1.03～1.06，而Fe3Al 的體積磨損率卻隨著滑動速率的增加呈下降趨勢;圖2(c)為環(huán)境溫度對摩擦因數(shù)和Fe3Al 體積磨損率的影響。在法向載荷30 N，滑動速度0.26 m/s 的條件下，隨著溫度的增加，F(xiàn)e3Al/GCr15 配副的摩擦因數(shù)變化幅度不大，基本穩(wěn)定在1.0～1.2。然而，環(huán)境溫度對Fe3Al 的磨損率卻有顯著的影響，在200～500 ℃的高溫環(huán)境下，F(xiàn)e3Al 的體積磨損率相比室溫下降1～2 個數(shù)量級。

圖2 滑動磨損參數(shù)對摩擦因數(shù)和Fe3Al 磨損率的影響曲線

2.2 Fe3Al 磨損表面形貌與物質(zhì)組成

圖3 為不同滑動磨損條件下Fe3Al 磨損表面的SEM 背散射電子像。由圖3 可以看出，F(xiàn)e3Al 磨損表面由低襯度的裸露區(qū)域和黑色覆蓋物組成，摩擦磨損條件對黑色覆蓋物的數(shù)量和分布連續(xù)性具有一定的影響。對比圖3(a)和(b)可以看出，在相同滑動速度和試驗溫度下，當法向載荷由10 N 增加至30 N 時，磨損表面黑色覆蓋物數(shù)量明顯減少，呈現(xiàn)出大量的裸露區(qū)域;對比圖3(c)和(d)可以看出，在相同載荷和試驗溫度下，隨著滑動速度的增加，F(xiàn)e3Al 磨損表面黑色覆蓋物的數(shù)量明顯增多。對比圖3(e)和(f)可以看出，在相同載荷和滑動速度下，隨著試驗溫度的升高，F(xiàn)e3Al 磨損表面黑色覆蓋物的數(shù)量不僅明顯增多，而且分布更為連續(xù)，特別是當試驗溫度為500 ℃時，黑色覆蓋物已經(jīng)基本完全覆蓋Fe3Al 試樣表面。

對圖3 中不同摩擦磨損條件下Fe3Al 磨損表面裸露和黑色覆蓋物區(qū)域進行EDS 能譜分析發(fā)現(xiàn)，裸露區(qū)和黑色覆蓋物區(qū)的化學成分以Fe3Al 試樣中的Fe 和Al 為主，均未發(fā)現(xiàn)GCr15 軸承鋼中存在的Cr元素，典型結(jié)果如圖4 所示。此外，對比黑色覆蓋物區(qū)和裸露區(qū)氧譜線強度發(fā)現(xiàn)，黑色覆蓋物區(qū)氧譜線強度遠高于裸露區(qū)，由此可推斷黑色覆蓋物存在大量Fe 和Al 的氧化物。

圖3 不同滑動磨損條件下Fe3Al 磨損表面的SEM 背散射形貌

圖4 Fe3Al 磨損表面不同區(qū)域定點分析的EDS 譜線

2.3 磨損機制分析與討論

為進一步研究造成Fe3Al 磨損失重的主要原因，對其磨損表面氧化物層(黑色覆蓋物)局部放大，可以看出，磨損表面氧化物層中含有大量微裂紋，典型形貌如圖5(a)和(b)所示(試驗參數(shù):載荷30 N，滑動速度0.26 m/s，溫度200 ℃)。由此可以推斷，在滑動磨損過程中，當機械應力積累到一定程度時，微裂紋會進一步擴展并導致氧化層碎裂、剝落形成磨屑，如圖5(c)所示。磨屑的EDS 成分分析結(jié)果表明，其物質(zhì)組成與Fe3Al 磨損表面氧化物層的組成基本相同，如圖5(d)所示，同樣未發(fā)現(xiàn)GCr15 軸承鋼中存在的Cr 元素。由以上結(jié)果可以判定，滑動磨損過程中，F(xiàn)e3Al 與GCr15 軸承鋼配副之間未發(fā)生物質(zhì)的粘著轉(zhuǎn)移，其磨損機制以氧化磨損為主，氧化層的剝落是造成Fe3Al 磨損失重的主要原因。同時，剝落的磨屑由于存在高硬度的Al 氧化物，會形成磨粒從而導致摩擦因數(shù)較高。

圖5 微裂紋形貌、磨屑形貌和EDS 譜線

已有氧化磨損的研究［11-17］表明，氧化磨損過程中氧化膜生長與機械脫落的動態(tài)競爭決定了磨損失重。圖6 給出了磨損試驗后Fe3Al 磨損表面亞表層的形貌和氧化膜厚度的測量結(jié)果。

圖6 不同滑動磨損條件下Fe3Al 磨損面亞表層SEM 背散射形貌

對比圖6(a)和(b)可以發(fā)現(xiàn)，在相同滑動速度和溫度條件下，法向載荷10 N 時氧化層分布比較連續(xù)，當法向載荷增加至30 N 時，厚度不均的氧化物層呈間斷分布，并且在較厚氧化層中存在明顯的微裂紋，微裂紋的擴展將會導致氧化層剝落形成磨屑，從而造成Fe3Al 磨損率隨法向載荷的增加而增加。在相同載荷條件下，氧化層厚度隨著滑動速度的增加而變厚，如圖6(c)和(d)所示，這主要是滑動速度的增加，會使摩擦表面的閃溫升高，從而加速了氧化膜的生長速率，使磨損率下降。在相同載荷和滑動速度條件下，隨著溫度的升高，氧化層厚度增加更為明顯，如圖6(e)和(f)所示，這一方面是溫度升高使氧化速率增加，同時由于Fe3Al 在200～500 ℃保持了較好的高溫強度，能夠為氧化層提供強有力的支撐，而配副材料GCr15 軸承鋼的硬度卻會急劇下降，從而對氧化層的犁削作用減弱，以上原因造成在200～500 ℃，F(xiàn)e3Al 表現(xiàn)出比室溫更加優(yōu)異的氧化磨損抗力，磨損率呈現(xiàn)數(shù)量級的下降。

3 結(jié)論

1)在25～500 ℃環(huán)境下，與GCr15 軸承鋼配副滑動磨損時，真空熱壓燒結(jié)Fe3Al 的磨損機制以氧化磨損為主，氧化層的剝落是造成Fe3Al 磨損失重的主要原因;2)Fe3Al 磨損表面氧化物層主要由Fe 和Al的氧化物組成，氧化層剝落后形成的磨粒不具備減磨作用，導致Fe3Al 與GCr15 軸承鋼配副滑動磨損時具有較高的摩擦因數(shù);3)摩擦磨損條件對Fe3Al 體積磨損率影響顯著。室溫條件下，F(xiàn)e3Al 磨損率隨著載荷的增加而增加，但隨著滑動速度的升高而降低。200～500 ℃條件下，F(xiàn)e3Al 呈現(xiàn)出比室溫優(yōu)異的磨損抗力，磨損率相比室溫下降一個數(shù)量級。