法向載荷對(duì)Fe基塊體非晶復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響*

張 強(qiáng),李春燕,,李春玲，侯少杰, 陳佳欣, 程志強(qiáng), 寇生中,

(1. 蘭州理工大學(xué) 省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 蘭州 730050； 2. 蘭州理工大學(xué) 溫州泵閥研究院, 浙江 溫州 325105； 3. 蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，蘭州 730050)

0 引 言

按照內(nèi)部原子結(jié)構(gòu)的排列方式，可以將物質(zhì)分為晶態(tài)物質(zhì)和非晶態(tài)物質(zhì)以及介于兩者之間的準(zhǔn)晶態(tài)物質(zhì)[1]。非晶合金是指熔體在較高冷卻速率條件下(104～106K/s)沒(méi)有足夠時(shí)間進(jìn)行原子的重新排列從而得到內(nèi)部結(jié)構(gòu)為長(zhǎng)程無(wú)序，短程有序的新興材料[2]。自20世紀(jì)30年代，非晶合金以其優(yōu)異的性能，激發(fā)了科研工作人員和企業(yè)家的濃厚興趣和探索熱忱。隨著近些年對(duì)非晶合金的深入研究，發(fā)現(xiàn)其在軍工企業(yè)、航空航天、精密儀器、生物醫(yī)療工程應(yīng)用等領(lǐng)域具備良好的發(fā)展前景[3]。與此同時(shí)相較于同成分傳統(tǒng)晶態(tài)合金而言，塊體非晶合金(bulk metallic glasses, BMGs)具有較優(yōu)的綜合性能，如高強(qiáng)度、高硬度[4]、良好的耐蝕性能[5]以及極佳的耐摩擦磨損性能[6]，以致其在近數(shù)十年來(lái)在受到科研者們的關(guān)注[7]。

相對(duì)于其他非晶合金體系，F(xiàn)e基非晶合金兼具低成本和高性能優(yōu)點(diǎn)[8]。目前關(guān)于Fe基非晶合金的研究主要集中在非晶形成能力、制備工藝以及力學(xué)性能。而作為材料失效的3大主要形式之一，摩擦磨損的關(guān)注度相對(duì)來(lái)說(shuō)較低。Kwon等[9]利用放電等離子燒結(jié)技術(shù)制備了具有不同非晶含量的Fe基塊體非晶合金，最終結(jié)果表明，不同試樣的摩擦系數(shù)均呈現(xiàn)先降低再逐漸達(dá)到穩(wěn)定的趨勢(shì)；然磨損率隨著非晶含量的增加先降低后增加，且磨損率在非晶相含量為90%時(shí)達(dá)到最低。Dharma等[10]通過(guò)微合金化法控制Fe50-xCr15Mo14C15B6Erx(x=0, 1, 2%)中Er元素的含量，發(fā)現(xiàn)3種含量下的Er元素的Fe基塊體非晶合金均呈現(xiàn)出寬泛的、典型的非晶“饅頭峰”。隨后在室溫和施加載荷為1.3 N 條件下檢測(cè)了塊體樣品的摩擦磨損性能，發(fā)現(xiàn)隨著Er元素的增加，試樣在額定的滑動(dòng)行程之下，其磨損量逐漸降低，并提出微量合金化法可以顯著改善非晶合金的摩擦磨損性能。晁月盛[11]等研究Fe塊體基非晶合金(Fe41Co7Cr15Mo14C15B6Y2)在室溫大氣環(huán)境中的干摩擦性能時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著載荷的逐漸增大，其磨損量和摩擦系數(shù)均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。其中在施加載荷為50 N時(shí)，兩者均出現(xiàn)最大值。綜上所述，材料的物相組成和實(shí)驗(yàn)條件會(huì)對(duì)試樣的摩擦磨損性能造成較大的影響。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界有70%～80%的機(jī)器和零件等關(guān)鍵部位是因?yàn)槟p而失效乃至最終報(bào)廢，造成了難以估量的經(jīng)濟(jì)損失。由此可知，摩擦磨損性能作為工程材料應(yīng)用于實(shí)際工況之前必須要考慮到的首要因素。而試樣本身(如非晶相含量和硬度等)和服役環(huán)境(如環(huán)境溫度、零件運(yùn)轉(zhuǎn)所需載荷以及滑動(dòng)行程)都會(huì)對(duì)試樣的摩擦磨損性能造成巨大的影響。因此改善目前的摩擦磨損現(xiàn)狀，研究其解決方法勢(shì)在必行。本文通過(guò)以15 mm×10 mm×3 mm的Fe基塊體非晶復(fù)合材料作為研究對(duì)象，利用高速往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)儀，研究了法向載荷對(duì)Fe基塊體非晶復(fù)合材料(Fe-based bulk metallic glass composites，BMGCs)摩擦磨損性能的影響并繪制了相對(duì)應(yīng)的摩擦磨損機(jī)理圖。

1 實(shí) 驗(yàn)

按照名義成分((Fe0.5Ni0.2)61Cr9Co6Si1.5B17.5Nb5)準(zhǔn)備合金所需純度為>99.95%的塊體金屬，隨后進(jìn)行機(jī)械打磨、酒精清洗和室溫烘干。在高純氬氣的氛圍下利用水冷銅坩堝懸浮熔煉爐制備鑄錠，將合金錠反復(fù)熔煉3遍使其內(nèi)部成分充分混合均勻后，利用銅模吸鑄法獲得Fe基塊體非晶復(fù)合材料。然后通過(guò)電火花線(xiàn)切割機(jī)得到規(guī)定尺寸的試驗(yàn)樣品。在進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)之前，首先用260、600、1 000、1 500#的砂紙將樣品表面進(jìn)行打磨，隨后用拋光機(jī)進(jìn)行拋光，以保證獲得相同的粗糙度。摩擦磨損實(shí)驗(yàn)采用MFT-R4000高速往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣就行摩擦磨損性能的檢測(cè)與表征，其中對(duì)磨球?yàn)橹睆? mm的GCr15鋼球。具體的實(shí)驗(yàn)條件：室溫條件、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓以及干摩擦。此外實(shí)驗(yàn)中所選取的法向載荷分別為2、5和10 N。為提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可重復(fù)性，每組參數(shù)下的實(shí)驗(yàn)重復(fù)做3次，最后求其平均值作為最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

采用日本理學(xué)公司(Rigaku)生產(chǎn)的D/max-2400X射線(xiàn)衍射儀對(duì)所制備的試樣進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析與表征。測(cè)試時(shí)采用銅靶Kα輻射，掃描角度為20～80°，掃描速度為2°/min，步長(zhǎng)為0.01°，管電壓為50 kV。試樣的顯微硬度采用HV-1000顯微硬度儀來(lái)測(cè)量，測(cè)量時(shí)所施加的載荷為200 g，保載時(shí)間為15 s，測(cè)試前需將試樣表面磨平并拋光。測(cè)量時(shí)在試樣表面選取平均分布的5個(gè)不同位置點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量并求其平均值作為最終顯微硬度值。不同載荷下所獲得的試樣的摩擦磨損形貌由FEI Quanta 450 FEG掃描電子顯微鏡來(lái)進(jìn)行觀(guān)察。利用LSM 800激光共聚焦配套的光聚焦顯微鏡得到三維形貌圖，并利用所得到的數(shù)據(jù)根據(jù)公式(1)來(lái)計(jì)算磨損體積，其中，L、b、h分別為磨痕的長(zhǎng)度、寬度和深度[2]，單位均為mm。

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2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 Fe基塊體非晶復(fù)合材料物相結(jié)構(gòu)表征

Fe基塊體非晶復(fù)合材料的XRD衍射圖譜如圖1所示。從圖中可以清楚地觀(guān)察到，試樣的XRD衍射圖在2θ=40～60°之間，出現(xiàn)了較明顯的晶體衍射峰且晶體峰之間存在明顯的寬范趨勢(shì)，說(shuō)明試樣是由晶體和非晶相復(fù)合而成，其中晶體相成分主要為Fe0.64Ni0.36。通過(guò)Jade軟件對(duì)圖譜進(jìn)行雙峰擬合可得試樣中的非晶相含量約為55.65%。經(jīng)銅模吸鑄法獲得的(Fe0.5Ni0.2)61Cr9Co6Si1.5B17.5Nb5合金具有較低的非晶含量，這主要是由于：一方面Fe基非晶合金的非晶形成能力相對(duì)較差；另一方面主要是因?yàn)殂~模吸鑄法冷卻速率較低，無(wú)法達(dá)到該體系的臨界冷卻速率[12]。

圖1 Fe基非晶塊體復(fù)合材料XRD衍射圖Fig.1 XRD spectra of Fe-based BMGCs

2.2 Fe基塊體非晶復(fù)合材料顯微硬度測(cè)試

對(duì)Fe基塊體非晶復(fù)合材料和相應(yīng)成分的晶態(tài)材料進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，硬度計(jì)壓頭位置分布圖及硬度值如圖2所示。圖中黑色圓柱和深藍(lán)色板片狀分別代表晶態(tài)材料和非晶復(fù)合樣品，將試樣延橫向切開(kāi)并打磨拋光，等間距取5個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試(如圖2(a)所示，其中第1和第5個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)分別位于試樣兩端)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖2(b)所示。從圖2(b)圖中可以明顯觀(guān)察到Fe基塊體非晶復(fù)合材料的平均硬度(833.67HV0.2)明顯高于晶態(tài)材料(628.62HV0.2)。在進(jìn)行硬度檢測(cè)時(shí)，探頭接觸試樣會(huì)出現(xiàn)以下兩種情況[13]：(1)當(dāng)探頭接觸試樣的晶體相時(shí)，硬度值較低；(2)當(dāng)探頭出現(xiàn)在非晶體區(qū)域之時(shí)，硬度值較高。Fe基塊體非晶復(fù)合材料的硬度波動(dòng)幅度較大，這主要是由于試樣內(nèi)部成分分布極不均勻所導(dǎo)致。與此同時(shí)發(fā)現(xiàn)非晶合金的微觀(guān)硬度值與其冷卻速度存在緊密的關(guān)聯(lián)。據(jù)研究表明，非晶合金含量主要與非晶合金體系本身所具備的非晶形成能力和冷卻速率有關(guān)，而在本文中非晶合金成分固定，故與試樣的冷卻速率密切有關(guān)[14]。在Fe基塊體非晶復(fù)合材料制備過(guò)程中，由于銅模邊緣部分的激冷能力明顯高于中心部位的激冷能力，使得邊緣部分存在較高的非晶含量，因此表現(xiàn)為較高的顯微硬度值。

2.3 Fe基塊體非晶復(fù)合材料摩擦磨損性能表征

2.3.1 法向載荷對(duì)摩擦系數(shù)和磨痕截面輪廓的影響

摩擦系數(shù)(coefficient of friction，COF)作為評(píng)價(jià)材料摩擦磨損性能及分析摩擦磨損失效原因與解決措施的重要指標(biāo)[15]。圖3所示為載荷為2 N和10 N時(shí)摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)圖和磨痕截面曲線(xiàn)圖，發(fā)現(xiàn)施加載荷時(shí)，摩擦系數(shù)在初始階段發(fā)生了較大的波動(dòng)，表明試樣處于劇烈磨損階段(即屬于典型的跑和磨損階段)；隨著滑動(dòng)時(shí)間的延長(zhǎng)，試樣與摩擦副表面的微凸體逐漸被磨平，試樣開(kāi)始進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段且實(shí)時(shí)摩擦系數(shù)也開(kāi)始趨于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)處于穩(wěn)定階段時(shí)，試樣在2 N和10 N時(shí)的摩擦系數(shù)最終分別為0.45±0.1和0.33±0.1。與此同時(shí)可知載荷為10 N時(shí)的摩擦系數(shù)在較短時(shí)間內(nèi)便達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)，表明摩擦系數(shù)的波動(dòng)對(duì)載荷較為敏感。此外，研究表明摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性與材料的長(zhǎng)期服役性能之間的關(guān)聯(lián)性較為緊密，即穩(wěn)定性越好，材料本身所具備的耐摩擦磨損性能更為優(yōu)異[16]。另外從圖3(b)、(c)可知經(jīng)磨損之后的磨痕截面輪廓曲線(xiàn)，隨著載荷的逐漸增大，磨痕的寬度越來(lái)越寬且磨痕的深度也呈增大趨勢(shì)，由2 N時(shí)的6 μm增加至10μm；此外兩種載荷之下的磨痕面積分別為711、3678 μm2，進(jìn)一步說(shuō)明載荷對(duì)材料的摩擦磨損性能具有較大的影響。

圖2 硬度計(jì)壓頭探頭位置分布圖(a)及硬度值(b)Fig.2 Distribution diagram of (a) indenter position and (b) hardness

圖3 載荷為2 N和10 N下的COF圖(a)和磨痕截面曲線(xiàn)圖(b)(c)Fig.3 (a) COF diagram and section curve of wear mark under (b) 2 N and (c) 10 N loads

2.3.2 法向載荷對(duì)磨損體積與表面粗糙度的影響

圖4所示為根據(jù)方程(1)計(jì)算的Fe基非晶塊體復(fù)合材料的磨損體積和所測(cè)粗糙度值分布圖。從圖中可以觀(guān)察到，隨著載荷的逐漸增大，試樣的磨損體積量漸趨增加。表明在實(shí)驗(yàn)條件之下，對(duì)試樣所施加的載荷越大，試樣的磨損體積越大，磨損程度越發(fā)嚴(yán)重。經(jīng)激光共聚焦光學(xué)顯微鏡可觀(guān)測(cè)到Fe基塊體非晶復(fù)合材料分別在不同載荷下磨損表面的粗糙度隨著載荷的增大先降低后迅速增大。相比于試樣表面粗糙度，磨損體積的變化較為顯著，說(shuō)明該試樣的磨損量對(duì)于載荷的變化較為敏感[17]。

圖4 載荷為2 N、5 N、10 N時(shí)的磨損體積和粗糙度Fig.4 Wear volume and roughness at 2 N, 5 N and 10 N loads

2.3.3 載荷對(duì)微觀(guān)形貌的影響

當(dāng)施加載荷時(shí)，試樣表面在摩擦副往復(fù)作用下出現(xiàn)了大量且平行于摩擦磨損方向的劃痕，表明試樣表面發(fā)生了一定程度的磨粒磨損(如圖5(a)(c)形貌圖所示)。相比于載荷為2 N時(shí)，10 N之下的試樣表面磨痕明顯加深且數(shù)量進(jìn)一步增加。另外Guo[18]等發(fā)現(xiàn)涂層在摩擦磨損過(guò)程中發(fā)生了氧化反應(yīng)，即金屬表面合金元素與空氣中的氧氣結(jié)合生成了金屬氧化物，而本文中同樣也存在這樣的現(xiàn)象。試樣在GCr15鋼球摩擦作用下，會(huì)產(chǎn)生大量的摩擦熱，使得試樣表面合金元素與氧氣發(fā)生反應(yīng)從而生成表面氧化物。為了進(jìn)一步表征試樣表面的元素分布，利用電子探針對(duì)試樣進(jìn)行了面掃描，掃描結(jié)果如表1所示。由于儀器本身局限性，試樣表面并未檢測(cè)到B元素的分布。此外從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還可以觀(guān)察到，相比于高載荷，低載荷時(shí)的氧元素含量明顯降低，表明試樣發(fā)生了輕微的氧化行為。與此同時(shí)當(dāng)試樣表面法向載荷為10 N時(shí)，出現(xiàn)了一定數(shù)量的剝落坑，這主要是疲勞磨損所致(如圖5(c)橙色箭頭所示)。為了進(jìn)一步表征載荷對(duì)試樣摩擦磨損性能的影響，本文中還對(duì)摩擦副的形貌進(jìn)行了觀(guān)察。結(jié)果表面摩擦副表面發(fā)生了一定程度的磨損，進(jìn)一步說(shuō)明摩擦過(guò)程中發(fā)生了磨粒磨損；從GCr15鋼球的磨斑尺寸也同樣發(fā)現(xiàn)外界載荷會(huì)對(duì)材料的摩擦磨損性能造成巨大的影響。

當(dāng)對(duì)磨件在試樣表面進(jìn)行往復(fù)摩擦?xí)r，由于對(duì)磨球具有較高的硬度值(65HR)，因此首先會(huì)在試樣表面出現(xiàn)清晰可見(jiàn)的劃痕，即磨粒磨損。隨著摩擦過(guò)程的進(jìn)一步進(jìn)行，試樣表面微凸體和摩擦副之間的接觸面積逐漸加劇，具體表現(xiàn)為 “閃溫”的發(fā)生[19]，“閃溫”現(xiàn)象會(huì)使得試樣表面合金元素和空氣中的氧元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成黑色的表面氧化物(如圖6 Cross-Sectional黃色方框所示)，即氧化磨損。這兩種機(jī)制的存在往往會(huì)使得試樣表面變得凹凸不平，導(dǎo)致摩擦系數(shù)的劇烈波動(dòng)。以磨粒磨損為例，當(dāng)磨屑進(jìn)入磨痕內(nèi)部，一方面形成潤(rùn)滑效果，使得摩擦系數(shù)降低；另一方面硬質(zhì)顆粒的卷入，對(duì)試樣表面的損壞進(jìn)一步增強(qiáng)，使得摩擦系數(shù)回升。此外隨著載荷的進(jìn)一步增加，試樣表面逐漸出現(xiàn)了一定數(shù)量的剝落坑(如圖5(c)橙色箭頭所示)，說(shuō)明發(fā)生了以剝落為特征的疲勞磨損，使試樣表面遭受了更加嚴(yán)重的破壞[20]；此外在摩擦過(guò)程中由于熱量的持續(xù)產(chǎn)生，使得高載荷之下的氧化磨損更為強(qiáng)烈，這也可以從表1數(shù)據(jù)得知；另外由于載荷的增大，也使得磨痕深度和寬度越來(lái)越大，進(jìn)一步表明載荷在材料的摩擦磨損性能方面扮演著非常重要的角色。

表1 載荷為2 N和10 N時(shí)試樣表面(圖5(a)(c)綠色方框)元素分布Table 1 Element distribution on the sample surface (green box in Fig. 5 (a), (c) when the load is 2 N and 10 N

圖6 磨損機(jī)理圖(a)2 N(b)10 NFig.6 Wear mechanism diagram: (a) 2 N; (b) 10 N

2.3.4 摩擦磨損機(jī)理分析

3 結(jié) 論

(1)經(jīng)水冷銅模吸鑄法所制備的Fe基塊體非晶復(fù)合材料由于自身非晶形成能力和冷卻速率的不足，使得該塊體合金由55.65%的非晶相和以Fe0.64Ni0.36為主的晶體相組成。

(2)相比于同成分的傳統(tǒng)晶態(tài)材料(628.62HV0.2)，F(xiàn)e基塊體非晶復(fù)合材料具有較高的平均顯微硬度(833.67HV0.2)，表明具有較優(yōu)的耐摩擦磨損性能。

(3)Fe基塊體非晶復(fù)合材料的摩擦系數(shù)呈現(xiàn)為先增加后趨于穩(wěn)定的狀態(tài)。隨著載荷的增大，F(xiàn)e基塊體非晶復(fù)合材料磨損量和磨痕寬度都逐漸增大，然而粗糙度先降低后增加。此外試樣磨損機(jī)制由低載荷下的磨粒和氧化磨損逐漸演變?yōu)楦咻d荷之下的磨粒、氧化以及疲勞3種磨損機(jī)制共存。