超低溫環(huán)境下鋁/銅摩擦副的摩擦磨損特性

石琛，廖華，賀江南

(1. 中南大學(xué) 輕合金研究院，湖南 長沙，410083；2. 中南大學(xué) 極端服役性能精準(zhǔn)制造全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙，410083)

近年來，超低溫成形作為一種新型塑性成形方法，逐漸被國內(nèi)外科研人員應(yīng)用于鋁合金成形工藝研究中[1-2]。KUMAR SINGH 等[3]發(fā)現(xiàn)在超低溫下多軸鍛造和冷軋可以同時(shí)提高2024 鋁合金的強(qiáng)度、延展性和耐腐蝕性。FENG等[4]提出了7075鋁合金板材沖壓工藝，大大提高了成形效率。ZHANG等[5]研究了時(shí)效加深冷處理對(duì)7075鋁合金可加工性的影響，較大程度地減少了疊層缺陷。RAO 等[6]通過深冷軋制與溫軋結(jié)合，顯著提高了6063 合金的位錯(cuò)密度、強(qiáng)度和延展性，通過動(dòng)態(tài)再結(jié)晶得到了6063 的超細(xì)晶粒組織。GUO 等[7]使用固溶處理過的AA2099 鋁合金在超低溫下軋制，發(fā)現(xiàn)超低溫下的軋制樣品晶粒能細(xì)化到20～100 μm。由此可見，鋁合金的超低溫成形技術(shù)具有很好的應(yīng)用前景。

目前，關(guān)于超低溫成形的研究主要集中在成形方式及其工藝方面，對(duì)超低溫條件下模具與工件之間的摩擦與潤滑的研究較少。FARRAHI 等[8]研究發(fā)現(xiàn)在超低溫環(huán)境下，AISI 316不銹鋼摩擦副的摩擦因數(shù)和磨損率出現(xiàn)降低。BASU 等[9]在液氮環(huán)境下對(duì)高純銅進(jìn)行摩擦磨損性能研究，發(fā)現(xiàn)在中速(1.11 m/s)和高速(1.34 m/s)下，隨著載荷的增加，摩擦因數(shù)和磨損率呈下降趨勢(shì)。

銅合金有導(dǎo)熱性好、彈性模量低、熱膨脹系數(shù)較小、強(qiáng)度和硬度高等特性，所制造的模具性能及尺寸穩(wěn)定，其使用壽命常遠(yuǎn)大于各模具鋼的使用壽命，因此在極端環(huán)境得到了廣泛應(yīng)用[10]。6061 鋁合金具有成型性好、耐蝕性強(qiáng)、強(qiáng)度高、耐高溫性能好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸和航空航天等領(lǐng)域[11-13]。在此，本文針對(duì)超低溫環(huán)境下鋁/銅摩擦副的干摩擦性能開展研究，可為6061鋁合金超低溫成形方法研究奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 摩擦實(shí)驗(yàn)設(shè)備

在濟(jì)南冠測(cè)精密儀器有限公司生產(chǎn)的微機(jī)控制四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上開展摩擦磨損性能測(cè)試。為模擬超低溫成形過程中的摩擦界面，基于四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的夾頭與油盒，研制了能實(shí)現(xiàn)面接觸摩擦的摩擦副組件，如圖1所示。

圖1 摩擦試驗(yàn)機(jī)及研制的摩擦副組件示意圖Fig. 1 Friction tester and schematic diagram of developed friction pair components

1.2 摩擦實(shí)驗(yàn)材料

摩擦磨損實(shí)驗(yàn)采用上、下試樣為圓柱體的面-面接觸形式。其中，上試樣為銅合金，下試樣為6061 鋁合金，兩種材料的性能參數(shù)如表1 所示。上、下試樣的表面粗糙度Ra為0.20～0.25 μm，其表面形貌如圖2所示。

表1 銅合金和6061鋁合金的性能參數(shù)Table1 Performance parameters of copper alloy and 6061 aluminum alloy

圖2 摩擦試樣表面形貌Fig. 2 Surface morphology of friction samples

1.3 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)前，為達(dá)到超低溫工況，將試樣放入夾具中，將摩擦副組件放入液氮罐中進(jìn)行冷卻保溫，保溫5～10 min 后，將摩擦副組件裝入四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的夾頭與油盒中，固定鋁、銅試樣。

實(shí)驗(yàn)開始后，鋁試樣保持靜止，銅試樣隨著上夾具作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)面接觸摩擦。通過四球摩擦機(jī)配套的軟件自動(dòng)記錄摩擦力、摩擦因數(shù)及其隨時(shí)間的變化曲線。實(shí)驗(yàn)中為保持超低溫工況，需持續(xù)往油盒中倒入液氮。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，清除試樣表面磨屑，保證試樣清潔。采用電子天平(精度為0.1 mg)稱鋁試樣質(zhì)量，測(cè)量磨損量，使用Wyko NT9100 光學(xué)表面輪廓儀測(cè)量并記錄試樣表面粗糙度和表面形貌，使用TESCAN MIRA3 LMH 場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察摩擦后試樣的表面形貌，使用Oxford One Max 20 能譜儀檢測(cè)摩擦后試樣的表面成分。

在不同溫度(-196 ℃和20 ℃)，不同轉(zhuǎn)速(100，200，300 r/min)、不同載荷(1、2、3、4、5 kN)下分別進(jìn)行鋁/銅摩擦副干摩擦實(shí)驗(yàn)，測(cè)量其摩擦性能。為了減小誤差影響，每組試驗(yàn)均進(jìn)行了3 次，取測(cè)試數(shù)據(jù)的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 摩擦因數(shù)

在轉(zhuǎn)速為300 r/min 時(shí)，不同溫度、不同載荷下鋁/銅摩擦副的摩擦因數(shù)隨時(shí)間變化曲線如圖3所示。從圖3可以看出，在開始階段，摩擦因數(shù)迅速上升到一個(gè)峰值，然后下降到一個(gè)穩(wěn)定值，并在穩(wěn)定值附近波動(dòng)。在常溫工況下(圖3(a))，當(dāng)載荷為4 kN 時(shí)，摩擦后期摩擦因數(shù)明顯上升，而當(dāng)載荷為5 kN 時(shí)，摩擦中期就出現(xiàn)了摩擦因數(shù)顯著上升，甚至出現(xiàn)了鋁/銅摩擦副的燒結(jié)現(xiàn)象。在超低溫工況中(圖3(b))，當(dāng)載荷較小時(shí)，摩擦因數(shù)有大范圍的波動(dòng)現(xiàn)象，并隨時(shí)間的延長，摩擦因數(shù)出現(xiàn)降低的趨勢(shì)，而當(dāng)載荷較大時(shí)，摩擦因數(shù)波動(dòng)幅度變小，尤其當(dāng)載荷為5 kN 時(shí)摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化幅度很小。

圖3 不同溫度下鋁/銅摩擦副間摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化曲線Fig.3 Variation curve of friction coefficient between aluminum/copper friction pair with time at different temperatures

圖4所示為常溫、超低溫工況下平均摩擦因數(shù)變化曲線。從圖4可以看出，在不同溫度下，平均摩擦因數(shù)均隨著載荷的增加呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。其中，在常溫下(圖4(a))，高載荷、高轉(zhuǎn)速時(shí)，平均摩擦因數(shù)先降低后急劇升高：在100 r/min 和200 r/min 轉(zhuǎn)速下，平均摩擦因數(shù)先降低后升高，在4 kN 時(shí)降到最低值，200 r/min 轉(zhuǎn)速下的平均摩擦因數(shù)要比100 r/min時(shí)的低。在300 r/min轉(zhuǎn)速下，當(dāng)載荷大于4 kN 時(shí)，平均摩擦因數(shù)顯著升高，這應(yīng)該是由于隨著載荷增加，摩擦副間產(chǎn)生大量摩擦熱，試樣溫度迅速升高，膠合磨損面積顯著增大，導(dǎo)致平均摩擦因數(shù)出現(xiàn)顯著上升。

圖4 不同溫度下平均摩擦因數(shù)變化曲線Fig. 4 Average friction coefficient variation curves at different temperatures

在超低溫條件下(圖4(b))，當(dāng)載荷較小時(shí)，超低溫下的平均摩擦因數(shù)比常溫工況下的高，隨著載荷的增加，超低溫下的平均摩擦因數(shù)逐漸減小，當(dāng)載荷為5 kN 時(shí)，超低溫下的平均摩擦因數(shù)已與常溫下的相差無幾，甚至在300 r/min 轉(zhuǎn)速時(shí)，超低溫下的平均摩擦因數(shù)明顯比常溫下的低。

2.2 磨損量

由于銅合金的硬度遠(yuǎn)大于鋁的硬度，因此銅合金的磨損量很小，可忽略不計(jì)，因此本文不對(duì)銅試樣的磨損量進(jìn)行討論，主要測(cè)量摩擦實(shí)驗(yàn)后鋁試樣的磨損量。

圖5 所示為鋁試樣磨損量隨載荷的變化情況。從圖5可以看出，超低溫條件下的磨損量要遠(yuǎn)大于常溫條件下的磨損量。在常溫條件下，100 r/min和200 r/min 轉(zhuǎn)速時(shí)，磨損量隨著載荷的增加先增加后減少，300 r/min 轉(zhuǎn)速時(shí)，磨損量隨著載荷的增加先緩慢增加后急劇增加，這可能是由于高轉(zhuǎn)速使摩擦副間摩擦熱急劇增加，摩擦副間膠合磨損逐漸嚴(yán)重，致使磨損量急劇上升。超低溫條件下，隨著載荷的增加，100 r/min 轉(zhuǎn)速時(shí)，磨損量呈凹函數(shù)曲線式增加；200 r/min 轉(zhuǎn)速時(shí)，磨損量呈凸函數(shù)曲線式增加；而300 r/min 轉(zhuǎn)速時(shí)，磨損量呈直線增加，但在4 kN處出現(xiàn)一凹點(diǎn)。

圖5 不同載荷下鋁的磨損量Fig. 5 Amount of wear of aluminium under different loads

2.3 磨損表面的表面輪廓

摩擦實(shí)驗(yàn)后，鋁試樣磨損表面的中央?yún)^(qū)域如圖6所示。從圖6可見：在常溫條件下，鋁屑集中黏附在鋁基體表面中央，超低溫條件下，鋁屑黏附較為分散，主要分布在摩擦面邊部區(qū)域，有逐漸向摩擦面外排出的趨勢(shì)。

圖6 鋁試樣磨損表面中央?yún)^(qū)域形貌Fig. 6 Morphology of the central area of wear surface of aluminum sample

鋁試樣磨損表面邊緣區(qū)域如圖7 所示。從圖7可見：在常溫條件下，磨損表面邊緣區(qū)域粗糙度Ra為0.98～3.60 μm，由于犁削作用產(chǎn)生的犁溝較淺，黏著磨損使得摩擦表面發(fā)生塑性變形，填補(bǔ)部分犁溝，表面粗糙度相對(duì)較??；超低溫下，磨損表面邊緣區(qū)域粗糙度Ra為2.2～9.6 μm，產(chǎn)生了嚴(yán)重的磨粒磨損，犁削作用產(chǎn)生的犁溝較深。

圖7 鋁試樣磨損表面邊緣區(qū)域形貌Fig. 7 Morphology of the edge area of wear surface of aluminum sample

2.4 銅試樣表面轉(zhuǎn)移膜形貌

摩擦實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，可觀察到銅試樣表面存在鋁轉(zhuǎn)移膜，采用掃描電鏡對(duì)銅試樣表面的微觀形貌進(jìn)行分析。常溫和超低溫條件下不同載荷的銅試樣表面形成的轉(zhuǎn)移膜形貌分別如圖8 和圖9所示。

圖8 常溫條件下不同載荷作用下銅試樣表面的轉(zhuǎn)移膜形貌Fig. 8 Morphology of transfer film on the surface of copper samples under different loads at room temperature

圖9 超低溫條件下不同載荷作用下銅試樣表面的轉(zhuǎn)移膜形貌Fig. 9 Morphology of transfer film on the surface of copper samples under different loads at cryogenic

從圖8 可見：在常溫條件下，當(dāng)載荷為1 kN時(shí)，銅試樣表面轉(zhuǎn)移膜出現(xiàn)堆疊和凹坑現(xiàn)象。隨著載荷的增加，摩擦副間摩擦熱增加，鋁發(fā)生塑性變形并均勻黏著在銅表面，表面較為平整，但表面出現(xiàn)了細(xì)小的黏著磨損痕跡；當(dāng)載荷為3 kN 時(shí)，剝落痕跡面積減小，黏著磨損痕跡面積增加(圖8(b))；當(dāng)載荷為5 kN 時(shí)，細(xì)小黏著磨損面積廣泛分布在轉(zhuǎn)移膜表面(圖8(c))。

從圖9 可見：在超低溫條件下，當(dāng)載荷較小時(shí)，轉(zhuǎn)移膜表面出現(xiàn)了大量溝壑和槽狀磨痕，并有少量剝落痕跡；當(dāng)載荷增加，轉(zhuǎn)移膜表面出現(xiàn)了一定面積的細(xì)小剝落痕跡，并出現(xiàn)分層現(xiàn)象；當(dāng)載荷繼續(xù)增加時(shí)，細(xì)小剝落痕跡大面積出現(xiàn)。

對(duì)圖8(c)和圖9(c)中有白色點(diǎn)狀的微小黏附區(qū)或微小剝落區(qū)進(jìn)行了更高倍數(shù)的觀測(cè)，如圖10 所示。從圖10 可知：在常溫工況下，摩擦副接觸峰點(diǎn)局部高溫使材料熔化或軟化而產(chǎn)生焊合[14]，當(dāng)焊合后的摩擦副表面分離而導(dǎo)致焊合點(diǎn)的塑性變形，形成了如圖10(a)所示的山脊?fàn)畹奈⑿○ぶ鴧^(qū)形貌；而在超低溫工況下，銅試樣表面的轉(zhuǎn)移膜與銅基體的黏附力小，摩擦剪切作用使得轉(zhuǎn)移膜表面易發(fā)生滑移剝落，形成了如圖10(b)所示的鱗片狀的剝落形貌[15]。

圖10 不同溫度下銅試樣表面的轉(zhuǎn)移膜形貌Fig. 10 Transfer film morphology on the surface of copper specimens under different temperatures

在摩擦過程中，由于受到銅表面微凸體的剪切、犁皺和切削作用，鋁試樣表面首先產(chǎn)生塑性變形，然后逐漸產(chǎn)生裂紋，最終鋁顆粒或碎屑作為磨損碎片從表面剝離[16]，鋁顆?；蛩樾疾糠直粠е聊Σ粮苯佑|面以外，但還有部分游離在摩擦副接觸面中，形成三體磨粒磨損，其中部分鋁屑黏附在銅試樣表面形成一層轉(zhuǎn)移膜。在常溫條件下，隨著摩擦的進(jìn)行，摩擦副間溫度逐漸升高，鋁屑在銅試樣表面的黏附力也隨之逐漸增加，銅試樣表面上的轉(zhuǎn)移膜易出現(xiàn)黏著現(xiàn)象；而在超低溫條件下，由于液氮的冷卻作用，摩擦導(dǎo)致的摩擦副表面間的溫升極小，鋁屑在銅試樣表面的黏附力減小，銅試樣表面上的轉(zhuǎn)移膜易出現(xiàn)剝離現(xiàn)象。

3 討論

綜上可知，在超低溫環(huán)境下，鋁/銅摩擦副的平均摩擦因數(shù)隨著載荷的增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其高載荷、高轉(zhuǎn)速下的摩擦磨損特性要比常溫環(huán)境下的更優(yōu)。

摩擦因數(shù)隨著載荷增加而下降是轉(zhuǎn)移層機(jī)制和表面鈍化機(jī)制協(xié)同產(chǎn)生的結(jié)果[17]，轉(zhuǎn)移膜是摩擦因數(shù)和磨損量的重要決定因素，特別是在干摩擦過程中，轉(zhuǎn)移膜形成的程度與摩擦因數(shù)之間存在明顯的相關(guān)性[18]。

在常溫環(huán)境下、低載荷時(shí)，摩擦副間溫升較低，摩擦因數(shù)較大，轉(zhuǎn)移膜出現(xiàn)堆疊和凹坑現(xiàn)象，磨損形式主要為磨粒磨損，伴隨著輕微或一般黏著磨損。隨著載荷的增加，摩擦副間摩擦熱增加，游離在摩擦副之間的鋁顆?；蛩樾架浕?，鋁屑開始黏著在銅表面，黏著磨損劇烈程度增加，在高載荷、高轉(zhuǎn)速時(shí)，黏著磨損現(xiàn)象廣泛分布在轉(zhuǎn)移膜表面，摩擦副間開始出現(xiàn)劇烈的膠合磨損，甚至出現(xiàn)了鋁/銅摩擦副的燒結(jié)現(xiàn)象。

在超低溫環(huán)境下，由于液氮的冷卻作用，摩擦導(dǎo)致的摩擦副表面間的溫升極小，摩擦副之間的磨損形式主要為磨粒磨損，在低載荷時(shí)，摩擦副間摩擦機(jī)理主要為磨粒的微觀切削，當(dāng)載荷增加，微觀切削程度減弱，擠壓剝落和疲勞破壞程度逐漸增強(qiáng)，原本附著在銅表面的轉(zhuǎn)移膜發(fā)生剝落，并在摩擦面間往邊部滑移排出，導(dǎo)致磨損量要大于常溫下的磨損量[19]。

4 結(jié)論

1) 在超低溫環(huán)境下，鋁/銅摩擦副的平均摩擦因數(shù)隨著載荷的增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，特別是當(dāng)載荷為5 kN、轉(zhuǎn)速為300 r/min 時(shí)，其摩擦因數(shù)明顯比常溫工況下的低。

2) 在超低溫環(huán)境下，鋁/銅摩擦副的磨損量整體上要比常溫下的大，但在高載荷、高轉(zhuǎn)速時(shí)，超低溫下的磨損量要比常溫下的低。

3) 鋁/銅摩擦副在干摩擦過程中會(huì)產(chǎn)生鋁屑，在常溫環(huán)境下，鋁表面鋁屑集中黏附在鋁基體表面中央?yún)^(qū)域，而在超低溫環(huán)境下，鋁屑主要分布在鋁基體表面邊部區(qū)域，并有逐漸向摩擦面外排出的趨勢(shì)。

4) 在常溫條件下，鋁/銅摩擦副摩擦磨損以磨粒磨損和黏著磨損為主，在高載荷、高轉(zhuǎn)速時(shí)，主要發(fā)生黏著磨損甚至出現(xiàn)燒結(jié)現(xiàn)象；在超低溫條件下，摩擦磨損以磨粒磨損和擠壓剝落為主，在高載荷、高轉(zhuǎn)速時(shí)摩擦面間主要發(fā)生擠壓剝落現(xiàn)象。