MoSi2對(duì)CoCrNiW合金干摩擦磨損性能的影響研究

李方舟，崔功軍，程書帥，王曉博，寇子明

MoSi2對(duì)CoCrNiW合金干摩擦磨損性能的影響研究

李方舟1,2,3，崔功軍1,2,3，程書帥1,2,3，王曉博1,2,3，寇子明1,2,3

（1.太原理工大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，太原 030024；2.山西省礦山流體控制工程實(shí)驗(yàn)室，太原 030024；3.礦山流體控制國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，太原 030024）

系統(tǒng)研究MoSi2含量對(duì)Co基合金干摩擦磨損性能的影響，以開發(fā)摩擦學(xué)性能優(yōu)異的CoCrNiW基復(fù)合材料。利用熱壓燒結(jié)技術(shù)，設(shè)計(jì)制備CoCrNiW-MoSi2（質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%、3%、7 %、11%）抗磨復(fù)合材料。采用往復(fù)式球–盤摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，研究不同載荷和滑動(dòng)速度對(duì)復(fù)合材料干摩擦磨損性能的影響，進(jìn)一步優(yōu)化MoSi2的含量。采用XRD、SEM、EDS等技術(shù)分析材料的物相組成、微觀結(jié)構(gòu)及磨損形貌。MoSi2的添加有效提高了材料的硬度及致密度，MoSi2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%的試樣，硬度為386HV。復(fù)合材料的物相包括γ–fcc、ε-hcp、MoSi2、CrSi2、Mo1.24Ni0.76、MoSi2.43W0.211相。摩擦系數(shù)隨載荷和滑動(dòng)速度的增加而減小，磨損率隨載荷的增加而增大，隨滑動(dòng)速度的增加而減小。硅化物硬質(zhì)顆粒起到了彌散強(qiáng)化作用，提高了磨損表面的承載能力。其中，添加7%和11% MoSi2的試樣，磨損率較低且接近，高載和高速下，磨損率較未添加試樣分別下降約31.3%和25.5%。適當(dāng)含量的MoSi2具有一定的減摩性，添加7% MoSi2的試樣，摩擦系數(shù)始終最低，變化范圍為0.24～0.53。CoCrNiW-7wt.% MoSi2表現(xiàn)出了最佳的摩擦學(xué)性能，其磨損機(jī)理在高載條件下主要為磨粒磨損，在高速條件下主要為磨粒磨損和輕微氧化磨損。

鈷基復(fù)合材料；MoSi2；干摩擦；摩擦磨損；磨損機(jī)理

襯套、軸承、齒輪等機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的摩擦磨損行為對(duì)交通運(yùn)輸、煤炭化工、先進(jìn)武器等系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性和壽命影響巨大[1-2]。這些運(yùn)動(dòng)部件在苛刻條件下缺少潤(rùn)滑介質(zhì)，處于干摩擦狀態(tài)，極易引起過(guò)度磨損。為降低摩擦磨損造成的能源消耗，眾多研究者研究開發(fā)了多種合金材料[3-4]。鈷基合金由于不穩(wěn)定的fcc結(jié)構(gòu)及低堆垛層錯(cuò)能，使得屈服強(qiáng)度較高，同時(shí)加工硬化率高，循環(huán)應(yīng)力下抵抗疲勞破壞的能力強(qiáng)，這些特性使得鈷基合金在滑動(dòng)磨損過(guò)程中表現(xiàn)出優(yōu)異的抗磨性能[5]。Stellite合金是應(yīng)用最為廣泛的鈷基合金，多年來(lái)美國(guó)陸軍始終使用Stellite 21制造襯套，以減少槍管的磨損[6]，而Stellite 6被廣泛用作切削刀具材料[7]。然而，當(dāng)前各產(chǎn)業(yè)裝備的研究設(shè)計(jì)對(duì)零部件的摩擦學(xué)性能提出了更高的要求，迫切需要開發(fā)性能優(yōu)異的新型鈷基合金。

近年來(lái)，關(guān)于鈷合金摩擦學(xué)性能的研究已取得一定進(jìn)展[8-9]。眾多研究者通過(guò)在鈷合金中加入強(qiáng)化相來(lái)改善材料的性能。Mo、W、Nb等合金元素被用來(lái)提高材料的力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能[10]。Liu等[11]制備了CoCrNiNb合金，Nb的加入提高了材料的屈服強(qiáng)度，摩擦系數(shù)和磨損率明顯降低。Khoddamzadeh等[12]開發(fā)了一種碳纖維增強(qiáng)司太立合金復(fù)合材料，材料的硬度和耐磨性隨碳纖維含量的增加而增加，同時(shí)界面結(jié)合較好。陶瓷強(qiáng)化相的硬度、熔點(diǎn)遠(yuǎn)高于金屬材料，密度低，但脆性較大，抗沖擊能力差，添加到鈷基體，可有效實(shí)現(xiàn)兩者特性的互補(bǔ)[13]。Cui等[14]制備了TiO2增強(qiáng)的CoCr基復(fù)合材料，TiO2顯著提高了材料的硬度和寬溫域耐磨性，其作用體現(xiàn)在表面承載能力提高，以及保護(hù)性氧化膜的形成，但材料的摩擦系數(shù)有所上升。不同強(qiáng)化相對(duì)鈷合金摩擦學(xué)性能的提升與其硬度及金屬元素的氧化密切相關(guān)，MoSi2屬于硅化物陶瓷，與其他陶瓷顆粒相比，MoSi2與金屬基體的界面相容性更好，熱膨脹系數(shù)較低，是潛在的優(yōu)異增強(qiáng)相。MoSi2應(yīng)用于鎳基合金與鈦基合金均呈現(xiàn)出優(yōu)異的干摩擦磨損性能[15-16]，MoSi2對(duì)基體可起到彌散強(qiáng)化作用，摩擦熱導(dǎo)致試樣表面氧化生成的MoO3顆粒和Mo5Si3起到減摩抗磨作用，材料的摩擦系數(shù)和磨損率均有效降低[17]。然而，涉及MoSi2應(yīng)用于鈷基合金摩擦學(xué)性能的研究比較少見，抗磨機(jī)理仍未明確，有待進(jìn)一步研究。同時(shí)，干摩擦過(guò)程中，載荷、速度因素對(duì)材料摩擦磨損行為的影響較為顯著。徐家樂(lè)等[18]分析了鈷基涂層在不同載荷下的干摩擦磨損行為，鈷基涂層在不同載荷下表現(xiàn)出不同的磨損機(jī)制。高載工況下，表面形成了加工硬化層與氧化釉質(zhì)層，呈現(xiàn)更高的承載能力；速度對(duì)材料摩擦學(xué)性能的影響則與表面溫度升高后磨損機(jī)制的轉(zhuǎn)變相關(guān)。對(duì)于不同MoSi2含量增強(qiáng)的鈷基合金在不同載荷和速度組合下的摩擦學(xué)表現(xiàn)，可有效探明其磨損機(jī)理，為硅化物陶瓷增強(qiáng)相的應(yīng)用提供參考。

因此，本文采用熱壓燒結(jié)技術(shù)，設(shè)計(jì)制備出CoCrNiW-MoSi2抗磨復(fù)合材料，在不同載荷和滑動(dòng)速度下，系統(tǒng)研究了干摩擦條件下復(fù)合材料的摩擦磨損行為，結(jié)合材料的微觀結(jié)構(gòu)、物理性能及表面磨損形貌，探究材料的摩擦磨損機(jī)理。

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)所用原材料分別為市售的Co粉（99.5%，200目）、Cr粉（99.5%，200目）、Ni粉（99.5%， 200目）、W粉（99.5%，200目）和MoSi2（99%，200目），4種復(fù)合材料的成分配比見表1。

表1 復(fù)合材料的成分

使用行星式球磨機(jī)將稱量好的粉末混勻（200 r/min，3 h），球料比設(shè)計(jì)為2︰1（質(zhì)量比）。將混勻的合金粉末放入石墨模具，并置于熱壓燒結(jié)爐中。當(dāng)真空度為10–2Pa時(shí)，以10 ℃/min的速度升溫，升溫至1 050 ℃后，于30 MPa的壓力下保溫35 min，降溫至800 ℃卸壓，隨爐冷卻至室溫。將燒結(jié)好的樣品切割成30 mm×3 mm。

使用CFT-Ⅰ型往復(fù)式球–盤摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試試樣的干摩擦學(xué)性能。使用80、600、1 500目砂紙對(duì)試樣表面逐級(jí)打磨拋光，并用乙醇清洗，摩擦副采用GCr15鋼球（半徑為6 mm，硬度為63HRC）。試驗(yàn)載荷設(shè)定為10、20、30、40 N，滑動(dòng)速度為0.05、0.083、0.117、0.15 m/s，往復(fù)距離為5 mm，測(cè)試時(shí)間30 min。每個(gè)條件下重復(fù)試驗(yàn)3次，摩擦系數(shù)（COF）由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)記錄。使用2207表面輪廓儀測(cè)得磨痕橫截面積，磨痕橫截面積乘以滑動(dòng)距離得到磨損體積，試樣的磨損率計(jì)算公式如式（1）所示。

式中：為試樣磨損率，mm3/(N.m)；為試樣磨損體積，mm3；為法向載荷，N；為滑動(dòng)距離，m。

根據(jù)阿基米德排水法原理，使用電子天平測(cè)得試樣的密度。通過(guò)HVS-1000Z顯微維氏硬度計(jì)，在載荷4.9 N下停留10 s測(cè)得試樣的硬度，每個(gè)樣品測(cè)試10次，取其平均值。使用X射線衍射儀（XRD, DIFFR-ACTOMETER-6000），結(jié)合Jade6.5軟件，確定試樣的物相組成，XRD半定量分析采用Rietveld精修法計(jì)算。試樣的微觀結(jié)構(gòu)和磨損表面形貌通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM，IT-300）和能譜分析儀（EDS，X-MAX- 50）檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 微觀結(jié)構(gòu)

復(fù)合材料的XRD譜圖見圖1。CMS0試樣由2種固溶相γ-fcc相和ε-hcp相組成，未發(fā)現(xiàn)其他衍射峰。高溫下，Cr、Ni、W等元素在Co基體中的溶解度較高，發(fā)生固溶反應(yīng)，形成γ-fcc固溶體，固溶反應(yīng)使得基體發(fā)生晶格畸變，提高了材料的強(qiáng)度和硬度。降溫過(guò)程中，γ-fcc固溶體發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，生成ε-hcp固溶體，但馬氏體轉(zhuǎn)變不徹底，因此材料由2種固溶體組成[19]。添加MoSi2后，試樣由γ-fcc、ε-hcp、MoSi2（JCPDS卡號(hào)17-0917）、CrSi2（JCPDS卡號(hào)81-0163）、Mo1.24Ni0.76（JCPDS卡號(hào)47-1129）和MoSi2.43W0.211相（JCPDS卡號(hào)49-1490）組成。這說(shuō)明高溫時(shí)部分MoSi2顆粒表面與金屬元素在界面處發(fā)生了高溫反應(yīng)，生成了CrSi2、Mo1.24Ni0.76和MoSi2.43W0.211硬質(zhì)相。隨著MoSi2添加量的增加，這些新生成的硅化物衍射峰更加明顯。表2給出了復(fù)合材料γ-fcc固溶體和ε-hcp固溶體的XRD半定量分析，MoSi2的添加起到穩(wěn)定γ-fcc固溶體的作用，這可能是由于MoSi2添加引入的金屬硅化物（MoSi2、CrSi2和MoSi2.43W0.211）阻礙位錯(cuò)滑移，使得依賴位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的γ-fcc→ε-hcp受阻。同時(shí)，這些金屬硅化物可有效釘扎晶界，使得潛在的馬氏體核胚減少[20-21]。這些原因使得復(fù)合材料中γ-fcc占比隨MoSi2含量增加而上升。盡管基體中部分MoSi2發(fā)生反應(yīng)，但兩相之間的界面反應(yīng)進(jìn)一步提高了材料的硬度與強(qiáng)度，預(yù)計(jì)可有效提高材料的耐磨性。

圖1 鈷基復(fù)合材料的XRD譜圖

表2 鈷基復(fù)合材料的XRD半定量分析結(jié)果

根據(jù)XRD譜圖結(jié)果，高溫條件下發(fā)生如下反應(yīng)：

CMS7試樣典型的背散射電子圖像（BEI）及元素面分布如圖2所示。由圖2可知，試樣組織結(jié)構(gòu)較為致密，Co、Cr、Ni元素分布較均勻，連續(xù)的深灰色部分為Co-Cr-Ni基體；白色區(qū)域?yàn)楦绘u區(qū)，主要為W、Mo和Si元素，對(duì)應(yīng)MoSi2.43W0.211相；淺灰色部分主要為Mo和Si元素，對(duì)應(yīng)MoSi2相；CrSi2和Mo1.24Ni0.76相無(wú)明顯的富集區(qū)，結(jié)合MoSi2相與合金元素的界面反應(yīng)，CrSi2和Mo1.24Ni0.76相主要分布在MoSi2相與金屬基體的界面處。另外，由于陶瓷與金屬的性能差異，MoSi2周圍仍存在少量孔洞，但MoSi2.43W0.211相周圍無(wú)孔洞，材料整體結(jié)構(gòu)較為致密。這歸因于界面反應(yīng)生成的CrSi2和Mo1.24Ni0.76相可填補(bǔ)MoSi2周圍的孔洞[22]。MoSi2.43W0.211固溶體是W元素置換MoSi2中的部分Mo元素形成的，其蠕變速度低于MoSi2，有助于提高材料的強(qiáng)度[23]，這有效改善了陶瓷相和基體的潤(rùn)濕性能。CrSi2與MoSi2晶體結(jié)構(gòu)相似，可以起到增韌作用。

復(fù)合材料的硬度、密度及孔隙率見表3。由表3可知，材料的密度隨著低密度MoSi2的加入而降低。

硬度隨MoSi2含量的升高而增大，CMS7試樣的硬度為(386±6)HV，比CMS0高13.20%。由于材料中存在高硬度的金屬硅化物MoSi2和CrSi2相，以及包含W顆粒的MoSi2.43W0.211固溶體，這些硬質(zhì)相彌散分布在基體中，起到彌散強(qiáng)化作用，提高了材料的硬度[21]。燒結(jié)過(guò)程中，MoSi2與界面處的金屬元素發(fā)生反應(yīng)，明顯改善了MoSi2和金屬基體的潤(rùn)濕性，提升了金屬基體的連續(xù)性。一方面，反應(yīng)生成的CrSi2熔點(diǎn)較低（m=1 490 ℃），促進(jìn)MoSi2的燒結(jié)，填充孔隙，降低孔隙率[24]，與CrSi2同時(shí)生成的Mo1.24Ni0.76可減少氣孔，形成晶界，擴(kuò)大晶界面積[25]；另一方面，添加W元素生成的MoSi2.43W0.211固溶體減少了MoSi2中的微裂紋，提高了復(fù)合材料的致密化[26]。這2方面共同作用使材料的孔隙率隨MoSi2含量的增加而降低。

圖2 CMS7的背散射電子圖像(BEI)及元素面分布

表3 鈷基復(fù)合材料的維氏硬度、密度和孔隙率

2.2 摩擦磨損性能

當(dāng)載荷為20 N時(shí)，試樣的摩擦系數(shù)隨滑動(dòng)速度變化的曲線如圖3a所示。試樣在干摩擦條件下產(chǎn)生的摩擦熱=·p·v[27]，其中為接觸正壓力；為滑動(dòng)速度；、和為比例系數(shù)。相同元素配比的材料，、和為定值。載荷增加和滑動(dòng)速度增加都會(huì)引起摩擦熱增加?？傮w來(lái)看，試樣的摩擦系數(shù)均隨速度的增加而逐漸下降。這是由于滑動(dòng)速度增加，摩擦熱增加，導(dǎo)致材料表面軟化[28]，同時(shí)溫度升高，試樣表面部分氧化，這些氧化物和與摩擦副相互作用的機(jī)械混合物在摩擦過(guò)程中被碾壓、粘附在表面，形成摩擦層，有效降低了摩擦力，起到了一定的潤(rùn)滑作用，因此摩擦系數(shù)下降。隨著MoSi2含量的增加，摩擦系數(shù)呈先上升、后減小、再上升的趨勢(shì)，CMS7試樣摩擦系數(shù)最低，0.15 m/s時(shí)僅為0.24。高速下適量的MoSi2有助于支撐摩擦層保護(hù)基體，在0.117～ 0.15 m/s內(nèi)，含MoSi2試樣的摩擦系數(shù)的下降幅度大于CMS0。

滑動(dòng)速度為0.083 m/s時(shí)，試樣的摩擦系數(shù)隨載荷變化的曲線如圖3b所示。載荷較小時(shí)，摩擦副間未完全充分接觸，試樣表面的微凸體阻礙作用較強(qiáng)，摩擦系數(shù)較高。隨著載荷增大，摩擦副間充分接觸，磨損表面更加光滑，微凸體阻礙作用減弱。盡管實(shí)際接觸面積增大，但實(shí)際接觸面積的增大速度小于載荷的增大速度，摩擦系數(shù)隨載荷增大均呈下降趨勢(shì)[29]。與隨速度變化趨勢(shì)類似，CMS3試樣的摩擦系數(shù)較高，高于CMS0試樣，CMS11試樣的摩擦系數(shù)在10 N和40 N時(shí)低于CMS0試樣，CMS7試樣的摩擦系數(shù)始終最低。這表明MoSi2對(duì)材料不同速度和不同載荷下摩擦系數(shù)的影響機(jī)制較為接近。

CMS3中的硬質(zhì)顆粒較少，摩擦過(guò)程中，硬質(zhì)顆粒被反復(fù)碾壓，部分硬質(zhì)顆粒脫落，形成較大磨屑，在對(duì)摩球的作用下，犁削試樣表面，產(chǎn)生較大的切向力[30]，使得摩擦系數(shù)較高。CMS7和CMS11試樣中，硬質(zhì)顆粒含量較高，均勻分布在基體中，可減輕試樣表面的塑性變形和摩擦副的粘著效應(yīng)[16]，因此摩擦系數(shù)較CMS3更低。當(dāng)MoSi2含量過(guò)高時(shí)，盡管摩擦副的粘著效應(yīng)減弱，但硬質(zhì)顆粒含量增加使得表面微凸體增多，犁削作用增強(qiáng)，同時(shí)表面粗糙度提高，摩擦系數(shù)反而升高。本試驗(yàn)中，CMS11的摩擦系數(shù)大于CMS7的摩擦系數(shù)，與陶瓷顆粒含量過(guò)高導(dǎo)致摩擦系數(shù)上升[31]的研究結(jié)果相一致。綜合來(lái)看，適量的MoSi2增強(qiáng)相在不同速度和載荷下均可起到降低摩擦系數(shù)的作用，其中質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%時(shí)效果最佳。

圖3 試樣的摩擦系數(shù)變化曲線

載荷為20 N時(shí)，試樣的磨損率隨滑動(dòng)速度變化的曲線如圖4a所示。含MoSi2試樣的磨損率顯著低于CMS0試樣，CMS0、CMS3和CMS11的磨損率隨速度增加而降低，CMS7則呈先下降、后緩慢上升的趨勢(shì)，波動(dòng)較為輕微（5.60×10–6～7.47×10–6mm3·N–1·m–1），且低于其他試樣，屬于輕微磨損。MoSi2提高了材料的硬度和強(qiáng)度，進(jìn)而提高了材料抵抗變形的能力。0.05 m/s條件下，試樣的耐磨性與其硬度成正比。0.15 m/s條件下，含MoSi2試樣的磨損率較CMS0下降約25.5%。一方面，硬質(zhì)顆粒在摩擦過(guò)程中承載能力較強(qiáng)，起到支撐保護(hù)作用；另一方面，與金屬相比，硅化物陶瓷的脆性更大，含量較高時(shí)，易發(fā)生脆性微斷裂[16]，更多的硬質(zhì)顆粒暴露在磨損軌跡上，摩擦系數(shù)有所上升的同時(shí)，其磨損率降幅有所減小，部分試驗(yàn)條件下磨損率反而略有提高，這也是不同試驗(yàn)條件下材料的耐磨性未隨MoSi2含量增加而單調(diào)提升的原因，材料的磨損率與磨損行為取決于2種作用的綜合結(jié)果。本試驗(yàn)中，CMS7在0.083、0.117 m/s下的耐磨性更佳，其他試驗(yàn)速度下，CMS11的耐磨性最佳。

滑動(dòng)速度為0.083 m/s時(shí)，試樣的磨損率隨載荷變化的曲線如圖4b所示。試樣的磨損率均隨載荷的增加而增加，這是由于載荷增大，材料的壓應(yīng)力增大，摩擦副間的實(shí)際接觸面積增大，使得磨損加劇，磨損率增大。另外，MoSi2對(duì)材料耐磨性的提升在中低載荷下最為顯著，含MoSi2試樣的磨損率的增大幅度隨載荷的增大而增大。在30～40 N時(shí)，含MoSi2試樣的磨損率大于CMS0。CMS0試樣在4個(gè)載荷下的磨損率均最大。在10 N和20 N載荷下，CMS7試樣磨損率最低；在30 N和40 N載荷下，CMS11試樣磨損率最低。在40 N載荷條件下，CMS7和CMS11的磨損率較CMS0下降約31.3%。與滑動(dòng)速度相比，載荷對(duì)材料干摩擦行為的影響更為顯著[18]，高載條件下，試樣表面的承載能力更為關(guān)鍵。載荷較低時(shí)，CMS7和CMS11試樣中的硬質(zhì)顆粒均可有效抵抗對(duì)摩球的壓入，與脆性更大的CMS11相比，CMS7試樣中的硬質(zhì)顆粒較少，脆性斷裂趨勢(shì)較弱，表面更光滑，更易形成較平整的摩擦層，因此耐磨性更佳。載荷較高時(shí)，CMS11試樣中更多的硬質(zhì)顆粒具有更強(qiáng)的抵抗變形能力，對(duì)基體的保護(hù)作用更強(qiáng)。因此，高載荷時(shí)，CMS11試樣的耐磨性更佳。綜合分析，整體上CMS7的摩擦系數(shù)和磨損率均最低，取得了最佳的摩擦學(xué)性能。

2.3 磨損機(jī)理

載荷為20 N、速度為0.15 m/s時(shí)，試樣的磨損表面形貌如圖5所示。圖6中CMS7測(cè)試區(qū)域的EDS分析顯示，磨痕表面有較多O元素存在，印證了試樣表面氧化反應(yīng)的發(fā)生。由于CMS0試樣的硬度較低，承載能力差，摩擦過(guò)程發(fā)生重復(fù)的塑性變形，表面存在較多剝落坑和大量散落的磨粒，摩擦層不完整。CMS0在該條件下的磨損機(jī)理為磨粒磨損、塑性變形以及少量剝落磨損。除CMS0試樣外，在另外3種試樣表面都觀察到相互平行的犁溝，CMS3試樣的犁溝形貌最明顯。含MoSi2試樣中的硬質(zhì)MoSi2顆粒逐漸增多，材料硬度逐漸增加，抗變形能力增強(qiáng)，對(duì)摩球難以刮擦試樣表面，因此表面犁溝逐漸變淺。CMS3試樣表面除較明顯的犁溝外，存在散落的白色磨粒和剝落坑，同時(shí)表面有大塊磨屑粘附，與摩擦系數(shù)較高相匹配，磨損機(jī)理為磨粒磨損和少量粘著磨損。CMS7和CMS11試樣的承載能力較強(qiáng)，犁溝深度減小，磨粒磨損減弱，試樣表面較平整，與其磨損率較低相匹配。但陶瓷增強(qiáng)相含量過(guò)高，使得材料脆性增強(qiáng)，易導(dǎo)致材料表面出現(xiàn)微裂紋，發(fā)生脆性斷裂[32]。由于燒結(jié)過(guò)程中界面反應(yīng)的發(fā)生，硅化物陶瓷與基體結(jié)合較好，在CMS7和CMS11表面未觀察到裂紋，脆性更大的CMS11犁溝形貌較CMS7更顯著，表面存在少量剝落痕跡。較多的MoSi2顆粒對(duì)基體起到保護(hù)作用，抑制表面塑性變形。CMS7和CMS11的磨損機(jī)理為磨粒磨損和輕微氧化磨損。

圖4 試樣的磨損率變化曲線

圖5 載荷為20 N、速度為0.15 m/s時(shí)試樣磨損表面的SEM形貌

圖6 圖5c中CMS7測(cè)試區(qū)域的EDS分析

載荷為40 N、速度為0.083 m/s時(shí)，試樣的磨損表面形貌如圖7所示。在試樣表面均觀察到犁溝，犁溝兩側(cè)存在塑性變形，同時(shí)分散有白色的磨粒，磨粒隨MoSi2含量的增加逐漸減少。結(jié)合此時(shí)CMS7磨痕表面的EDS（見圖8）及O元素面分布（見圖9），與載荷為20 N、速度為0.15 m/s時(shí)相比，載荷為40 N、速度為0.083 m/s下，磨痕處O元素含量較少，O元素面分布較稀疏，這表明該條件時(shí)摩擦氧化反應(yīng)相對(duì)較輕微。研究表明，摩擦層的保護(hù)作用與摩擦層中摩擦氧化物的含量相關(guān)[33]。材料的磨損率隨載荷增大而上升，40 N（最大載荷）時(shí)，磨損率最高，是由于高載時(shí)表面摩擦層保護(hù)作用不足。CMS0試樣表面有剝落坑和大量磨粒存在，較大的塊狀磨屑粘附在磨痕表面，磨粒磨損和塑性變形是其主要磨損機(jī)理。CMS3試樣表面存在犁溝和較多磨粒，相比CMS0表面更加光滑，磨損機(jī)理主要為磨粒磨損。CMS7和CMS11表面犁溝較淺，最大載荷下更多的硅化物硬質(zhì)顆?？沙袚?dān)較大載荷，磨損率相比CMS0和CMS3較低。脆性更大的CMS11沿滑動(dòng)方向有少量剝落及疲勞分層現(xiàn)象，伴隨輕微犁溝。CMS7和CMS11在該條件下的磨損機(jī)理主要為磨粒磨損。

圖7 載荷為40 N、速度為0.083 m/s時(shí)試樣磨損表面的SEM形貌

圖8 圖7c中CMS7測(cè)試區(qū)域的EDS分析

GCr15球與CMS7試樣在滑動(dòng)速度為0.083 m/s，載荷為20、40 N下的磨屑SEM形貌如圖10所示。圖10a中，磨屑由球狀、碎塊狀組成。圖10b中，磨屑由碎塊狀、片狀組成，40 N（最大載荷）時(shí)，試樣表面在大載荷作用下沿滑動(dòng)方向被剝落、碾壓，形成片狀磨屑。隨著載荷的增大，粗顆粒被粉碎為細(xì)顆粒，磨屑尺寸明顯減小，使得摩擦阻力降低，與摩擦系數(shù)變化曲線一致。同時(shí)，這些磨屑在更大的載荷下嵌入試樣表面，形成三體磨粒磨損，使得表面犁溝加深，磨損率提高。

GCr15對(duì)摩球在載荷為40 N、速度為0.083 m/s和載荷為20 N、速度為0.15 m/s下磨斑的SEM形貌如圖11所示。結(jié)合EDS分析（見圖12）發(fā)現(xiàn)，載荷為20 N、速度為0.15 m/s下，對(duì)摩球表面含有Co、Cr、O等元素，對(duì)摩球表面覆蓋有不完整的轉(zhuǎn)移層，轉(zhuǎn)移層與試樣表面的摩擦層起到隔絕摩擦副的作用。轉(zhuǎn)移層中Mo、Si、W含量較少，這印證了MoSi2和MoSi2.43W0.211等硬質(zhì)相在摩擦過(guò)程中對(duì)基體的支撐保護(hù)作用，使得材料的摩擦系數(shù)和磨損率降低。不同于載荷為20 N、速度為0.15 m/s下的磨斑SEM形貌，載荷為40 N、速度為0.083 m/s時(shí)，對(duì)摩球表面無(wú)轉(zhuǎn)移層痕跡，最大載荷時(shí)對(duì)摩球犁削作用較強(qiáng)，對(duì)摩球表面轉(zhuǎn)移層與試樣表面部分摩擦層在接觸區(qū)域被擠出，材料表面被不斷犁削，磨損率偏高。

圖9 不同條件下CMS7磨損表面的SEM形貌及O元素面分布

圖10 不同條件下Cr15球與CMS7對(duì)磨后磨屑的SEM形貌

圖11 不同條件下GCr15球與CMS7對(duì)磨后的SEM圖像

圖12 圖11b中GCr15球表面轉(zhuǎn)移層的EDS分析

3 結(jié)論

1）采用熱壓燒結(jié)技術(shù)制備了CoCrNiW-MoSi2抗磨復(fù)合材料，燒結(jié)過(guò)程中，MoSi2與基體發(fā)生了明顯的界面反應(yīng)，有效改善了金屬基體與增強(qiáng)相之間的潤(rùn)濕性能。MoSi2含量的增加，使得材料的密度和孔隙率下降、硬度升高。復(fù)合材料主要由γ-fcc、ε-hcp、MoSi2、CrSi2、Mo1.24Ni0.76和MoSi2.43W0.211相組成。CMS11試樣表現(xiàn)出最高的硬度和最低的孔隙率。

2）摩擦系數(shù)隨滑動(dòng)速度和載荷的增加逐漸減小，其原因在于，滑動(dòng)速度增加產(chǎn)生了大量的摩擦熱，使得材料表面軟化；載荷增大時(shí)，實(shí)際接觸面積的增大速度小于載荷的增大速度。磨損率隨滑動(dòng)速度的增加而減小，而隨載荷的增加而增加。相比高載荷時(shí)，高滑動(dòng)速度時(shí)表面的氧化物含量更高，磨損率更低。

3）高載條件下，隨著MoSi2含量的增加，磨損機(jī)理由磨粒磨損和塑性變形轉(zhuǎn)變?yōu)槟チＤp；高速條件下，隨著MoSi2含量的增加，磨損機(jī)理由磨粒磨損和塑性變形轉(zhuǎn)變?yōu)槟チＤp和輕微氧化磨損。

4）綜合材料不同速度和載荷下的摩擦磨損行為，含質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7% MoSi2的試樣的摩擦學(xué)性能最佳，摩擦系數(shù)為0.24～0.53，磨損率為4.98×10–6～9.41× 10–6mm3/(N·m)，屬于輕微磨損。這歸因于高硬度硅化物對(duì)基體承載能力的提高，以及表面含氧化物摩擦層的保護(hù)作用。

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Effects of MoSi2on Friction and Wear Properties of CoCrNiW Alloy under Dry-sliding Condition

1,2,3,1,2,3,1,2,3,1,2,3,1,2,3

(1. College of Mechanical and Vehicle Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China; 2. Shanxi Mine Fluid Control Engineering Laboratory, Taiyuan, 030024 China; 3. National-local Joint Engineering Laboratory of Mine Fluid Control, Taiyuan 030024, China)

The work aims to design the wear resistant CoCrNiW matrix composites, and the effect of MoSi2on the friction and wear properties of CoCrNiW alloys under dry-sliding condition, to develop CoCrNiW-based composites of excellent tribology performance. The wear resistant CoCrNiW-MoSi2(0 wt.%, 3 wt.%, 7 wt.%, 11 wt.%) composites were fabricated with the powder metallurgy technology. The effects of load and sliding speed on the tribological properties of composites were studied under dry-sliding condition with a reciprocating ball-on-disk tribo-tester, and the MoSi2content was further optimized. The phase composition, microstructure and wear morphology of materials were analyzed by XRD, SEM and EDS. During the sintering process, the high-temperature solid solution reaction occurred at the interface of MoSi2and metal matrix. The composites consisted of γ-fcc, ε-hcp, MoSi2, CrSi2, Mo1.24Ni0.76and MoSi2.43W0.211phases. The microstructure of composite was dense, and no hole was noted on the surfaces. The addition of MoSi2effectively improved the hardness and compactness of materials as well as the stability of γ-fcc phase. The friction coefficients decreased with the increase of load. This was caused by the fact that the increasing rate of load was faster than that of the actual contacting area of the tribo-pairs. The friction coefficients of composites with sliding speed showed the similar trend, resulting from the decrease in hardness of worn surfaces due to the friction heat. The reasonable MoSi2content played an important part in decreasing the friction coefficient of composites. The sample with 7wt.% MoSi2had the lowest friction coefficients as compared with other samples. The friction coefficients of CoCrNiW-7wt.% MoSi2were in the range of 0.24-0.53, which were significantly lower than those of unreinforced sample. The effect of sliding speed and load on the wear rates of composites was different. The wear rates increased with the increase of load, and decreased with the increase of sliding speed. The hard silicide particles had the dispersion strengthening effect and improved the loading capacity of the worn surface. The samples with 7 wt.% and 11 wt.% MoSi2had the low wear rates, and the wear rate was 31.3% lower than that of unreinforced composites at 20 N and 0.15 m/s. Meanwhile, the wear rate was 25.5% lower than that of the sample without MoSi2at 40 N and 0.083 m/s. CoCrNiW-7 wt.% MoSi2showed the best tribological properties, and the wear rates were in the range of 4.98×10–6-9.41×10–6mm3.N–1.m–1. It was attributed to the high loading capacity and the tribo-layer containing oxides on the worn surface.For the sample containing 7 wt.% MoSi2, the oxides content on the worn surface was high at high sliding speed. The tribo-layers formed by the oxides prevented the contacting surface from wear. In addition, it was observed that the size of wear debris decreased when the load increased from 20 N to 40 N. At 20 N and 0.15 m/s, an incomplete transferred layer was noted on the worn surface of steel ball which could reduce the direct contacting area of tribo-pairs during the friction process. CoCrNiW-7 wt.% MoSi2show the best tribological properties. The main wear mechanism is abrasive wear at high load. The abrasive wear and slight oxidative wear are the main wear mechanism at high sliding speed.

Co matrix composite; MoSi2; dry-sliding; friction and wear; wear mechanism

TH117

A

1001-3660(2023)01-0082-11

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.01.009

2021–11–29；

2022–03–16

2021-11-29；

2022-03-16

山西省回國(guó)留學(xué)人員科研資助項(xiàng)目（2021-060）；國(guó)家自然科學(xué)基金（51775365，51405329）；國(guó)家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金（U1910212）

The Shanxi Scholarship Council of China (2021-060); The Natural Science Foundation of China (51775365, 51405329)；The National Natural Science Foundation of China (U1910212)

李方舟（1997—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械摩擦學(xué)。

LI Fang-zhou (1997-), Male, Postgraduate, Research focus: mechanical tribology.

崔功軍（1981—），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械摩擦學(xué)及表面技術(shù)。

CUI Gong-jun (1981-), Male, Doctor, Professor, Research focus: mechanical tribology and surface technology.

李方舟, 崔功軍, 程書帥, 等. MoSi2對(duì)CoCrNiW合金干摩擦磨損性能的影響研究[J]. 表面技術(shù), 2023, 52(1): 82-92.

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責(zé)任編輯：劉世忠