AZ31B鎂合金在不同溫度下的微動磨損行為

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(西南交通大學(xué)1.材料先進(jìn)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室摩擦學(xué)研究所，2.牽引動力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室摩擦學(xué)研究所，成都 610031)

0 引 言

微動是指在緊固配合的機(jī)械零部件中發(fā)生振幅極小的相對運(yùn)動(位移幅值一般為微米量級)[1-2]。微動會造成材料的磨損或?qū)е缕诹鸭y的萌生與擴(kuò)展，從而引起零部件的卡死、振動、磨損或斷裂。微動磨損是造成機(jī)械零部件災(zāi)難性事故的原因之一[3-4]，因此材料的微動磨損機(jī)制以及如何提高抗微動磨損性能是摩擦學(xué)研究的重點(diǎn)。

隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快和消費(fèi)結(jié)構(gòu)的持續(xù)升級，我國能源需求呈剛性增長態(tài)勢，并且資源環(huán)境問題依然是制約我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的瓶頸之一，因此節(jié)能減排成為我國工業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)方向之一。鎂及其合金是目前已知的在工程應(yīng)用中密度最小的結(jié)構(gòu)材料[5]，具有高的比強(qiáng)度、高的阻尼和降噪能力、良好的屏蔽電磁干擾性能，且易于機(jī)械加工及回收利用等，被譽(yù)為“21世紀(jì)的綠色金屬結(jié)構(gòu)材料”[6-8]，廣泛應(yīng)用于汽車和航空航天領(lǐng)域[9-10]。近年來，有關(guān)鎂合金的常規(guī)摩擦磨損性能的研究很多，但微動磨損行為的研究較少，而緊固配合的鎂合金零部件在工作時(shí)經(jīng)常會發(fā)生微動磨損[11-13]。因此，作者以目前應(yīng)用最為廣泛的AZ31B鎂合金為研究對象，研究了不同溫度下的微動磨損行為，探討了其磨損機(jī)制和摩擦氧化行為，為鎂合金應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展提供指導(dǎo)[14]。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為市售AZ31B鎂合金板，尺寸為150 mm×200 mm×40 mm，主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為3.1Al，0.8Zn，0.32Mn，0.003Fe，0.01Cu，0.001Ni，余Mg；其熱處理工藝為300 ℃×1 h退火熱處理，抗拉強(qiáng)度為230 MPa，屈服強(qiáng)度為160 MPa，硬度為76 HV。

采用球/平面接觸方式在自制的試驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行切向微動磨損試驗(yàn)，設(shè)備裝置如圖1所示。磨球選用GCr15鋼球，直徑為10 mm，表面粗糙度為0.02 μm，硬度為63 HRC；AZ31B鎂合金試樣尺寸為10 mm×20 mm×4 mm，接觸表面經(jīng)粗磨和用直徑為0.25 μm的金剛石顆粒拋光至表面粗糙度約為0.02 μm。試驗(yàn)溫度為20，100，200，300 ℃，載荷為8 N，位移幅值為45 μm，頻率為2.5 Hz，循環(huán)次數(shù)為10 000周次。試驗(yàn)前，磨球和鎂合金試樣均經(jīng)酒精超聲波清洗并吹干。試驗(yàn)結(jié)束后，采用Olympus-BX60M型光學(xué)顯微鏡(OM)和JSM-6000LV型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察磨痕形貌；采用Bruker Contour GT型白光干涉儀(3D)觀察磨痕的形貌并計(jì)算磨損體積；采用OXFORD X-MAX50 INCA-250型能譜儀(EDS)測AZ31B鎂合金和GCr15鋼球接觸面的化學(xué)成分及其分布。

圖1 切向微動試驗(yàn)?zāi)p裝置示意Fig.1 Schematic of tangential fretting wear test setup

圖2 不同溫度和不同循環(huán)次數(shù)下AZ31B鎂合金的摩擦力-位移曲線Fig.2 Friction force-displacement curves of AZ31B magnesium alloy at different temperatures with different number of cycles

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 微動磨損特性

由圖2可知：不同溫度下，AZ31B鎂合金在不同循環(huán)次數(shù)下的摩擦力-位移曲線均呈平行四邊形，這說明AZ31B鎂合金與GCr15鋼球均處于完全滑移的接觸狀態(tài)，微動主要通過滑移來實(shí)現(xiàn)，且位移隨著循環(huán)次數(shù)的增加而均略微減小；在20，200，300 ℃下，當(dāng)循環(huán)次數(shù)大于1 000周次時(shí)，試驗(yàn)過程中的最大摩擦力均趨于穩(wěn)定，而在100 ℃下，試驗(yàn)過程中的最大摩擦力不斷增大；在相同循環(huán)次數(shù)下，20 ℃時(shí)的摩擦力均最小。

圖 3 不同溫度下切向微動摩擦因數(shù)隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線Fig.3 Curves of tangential fretting friction coefficient vs the number of cycles at different temperatures

圖4 不同溫度下AZ31B鎂合金磨痕的OM形貌Fig.4 OM morphology of the wear scar of AZ31B magnesium alloy at different temperatures

由圖3可知：切向微動摩擦因數(shù)隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線可以分為跑合、上升、峰值、下降和穩(wěn)定等5個階段，溫度對上升階段、峰值階段和穩(wěn)定階段摩擦因數(shù)的影響程度較大；在上升階段，隨著試驗(yàn)溫度的升高，摩擦因數(shù)增大，這主要是由于隨著溫度的升高，AZ31B鎂合金的軟化、黏著作用增強(qiáng)，且試驗(yàn)溫度升高使表面吸附水膜蒸發(fā)，從而導(dǎo)致摩擦因數(shù)增大[15]；在20 ℃時(shí)，約經(jīng)過2 500次循環(huán)后摩擦因數(shù)達(dá)到峰值，而在200，300 ℃時(shí)，僅需約600次循環(huán)，可見達(dá)到摩擦因數(shù)峰值所需的循環(huán)次數(shù)隨試驗(yàn)溫度的升高呈減小的趨勢，且試驗(yàn)溫度越高，摩擦因數(shù)峰值越高，這進(jìn)一步說明溫度對黏著作用的影響較大；在20 ℃時(shí)，摩擦因數(shù)達(dá)到峰值后呈鋸齒狀下降，這說明此時(shí)二體作用向三體作用轉(zhuǎn)變，參與承載的第三體層表面有裂紋萌生，發(fā)生脆裂，磨屑不斷被排出，導(dǎo)致摩擦力下降[4]，摩擦因數(shù)在10 000次循環(huán)時(shí)并未進(jìn)入穩(wěn)定階段，這說明磨屑的產(chǎn)生速率與排出速率未達(dá)到動態(tài)平衡；在100 ℃時(shí)，摩擦因數(shù)達(dá)到峰值后緩慢上升，這說明磨屑排出量減少且主要堆積在磨痕邊緣處；在200，300 ℃時(shí)，摩擦因數(shù)達(dá)到峰值后的下降階段較短，之后快速進(jìn)入穩(wěn)定階段，此時(shí)磨屑的產(chǎn)生速率與排出速率達(dá)到動態(tài)平衡。對于較軟的材料，其微動磨損行為主要取決于磨屑從接觸表面排出的速率[16]。由圖4可知，在20 ℃時(shí)，鎂合金磨痕周圍堆積的磨屑較多，在100 ℃時(shí)，鎂合金磨痕周圍堆積的磨屑變少，且主要堆積在磨痕邊緣處，而在200，300 ℃時(shí)鎂合金磨痕周圍未出現(xiàn)大量磨屑。這可能是由于試驗(yàn)溫度的升高使接觸表面的化學(xué)狀態(tài)發(fā)生改變，磨屑不易排出并快速被氧化堆積于接觸表面，形成第三體層，從而降低了磨屑排出速率，這使得摩擦因數(shù)快速進(jìn)入穩(wěn)定階段。

2.2 磨痕輪廓和磨損體積

由圖5(a)可知，隨著試驗(yàn)溫度的升高，AZ31B鎂合金的最大磨痕深度和最大磨痕寬度均先減小后增大，在200 ℃時(shí)，最大磨痕深度和最大磨痕寬度均最小。由圖5(b)可知：隨著試驗(yàn)溫度的升高，AZ31B鎂合金的磨損體積和摩擦副的總磨損體積均先減小后增大，GCr15鋼球的磨損體積則先增大后減小；在20 ℃時(shí)，AZ31B鎂合金的磨損體積最大，GCr15鋼球的磨損體積最小；在200 ℃時(shí)，AZ31B鎂合金的磨損體積最小，GCr15鋼球的磨損體積最大，這可能是由于此時(shí)接觸表面形成的氧化膜起到了固體潤滑和減磨的作用[17]；在300 ℃時(shí)，AZ31B鎂合金的磨損體積比200 ℃時(shí)的大，這是由于鐵的氧化物轉(zhuǎn)移膜被破壞而導(dǎo)致的。綜上可知，在AZ31B鎂合金/GCr15鋼球的切向微動磨損過程中，摩擦氧化和材料力學(xué)性能的變化是影響磨損體積的主要因素。

圖5 在不同溫度下AZ31B鎂合金磨痕的二維輪廓及AZ31B鎂合金、GCr15鋼球的磨損體積和摩擦副的總磨損體積Fig.5 Two-dimensional contour plot of wear scar of AZ31B magnesium alloy (a) and wear volume of AZ31B magnesium alloy,GCr15 steel ball and total wear volume of friction pairs (b) at different temperatures

由圖6可知：在20 ℃時(shí)，摩擦副間材料的轉(zhuǎn)移并不明顯，這是由于該溫度下AZ31B鎂合金表面微凸體黏著點(diǎn)的結(jié)合強(qiáng)度低于摩擦副間的剪切強(qiáng)度，因此AZ31B鎂合金僅發(fā)生輕微黏著磨損；在200 ℃時(shí)，摩擦副間材料的轉(zhuǎn)移較顯著，黏著磨損加劇，這是由于隨著溫度的升高，AZ31B鎂合金出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，即剪切強(qiáng)度降低，從而促使鎂合金轉(zhuǎn)移至GCr15鋼球接觸表面；在200 ℃時(shí)，AZ31B鎂合金的損傷最輕微，而GCr15鋼球表面出現(xiàn)明顯劃痕，其損傷較嚴(yán)重，由此推測此時(shí)鎂合金磨痕表面所形成的第三體層起到了固體潤滑作用，從而減輕了AZ31B鎂合金的磨損程度；在300 ℃時(shí)，AZ31B鎂合金的軟化現(xiàn)象最為嚴(yán)重，因此GCr15鋼球表面附著大量轉(zhuǎn)移材料。

2.3 摩擦氧化作用

由圖7和表1可知：在20 ℃時(shí)，AZ31B鎂合金未磨損的基體表面中氧元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.22%，而磨痕表面中氧元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)60.18%，這說明在切向微動磨損過程中磨痕表面發(fā)生了氧化反應(yīng)；隨著試驗(yàn)溫度的升高，磨痕表面的氧元素含量下降，這說明磨痕表面的氧化程度減弱。磨痕表面的氧化主要為摩擦氧化和一般熱氧化，溫度升高促進(jìn)一般熱氧化的發(fā)生，但是摩擦氧化與環(huán)境的濕度有關(guān)；隨著溫度的升高，濕度降低，摩擦氧化程度減弱[18]：因此，在切向微動磨損過程中，摩擦氧化起主導(dǎo)作用。隨著試驗(yàn)溫度的升高，磨痕表面中鐵元素含量先增大后減小，在300 ℃時(shí)，鐵元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為0.58%。由氧元素和鐵元素的含量變化可見：當(dāng)試驗(yàn)溫度低于200 ℃時(shí)，AZ31B鎂合金磨痕表面形成了鐵的氧化物轉(zhuǎn)移膜，該轉(zhuǎn)移膜起到固體潤滑作用，從而導(dǎo)致磨損體積隨著試驗(yàn)溫度的升高而減小；但在300 ℃時(shí)，鐵的氧化物轉(zhuǎn)移膜被破壞，導(dǎo)致磨損體積增大。

圖 7 不同溫度下AZ31B鎂合金磨痕的SEM形貌Fig.7 SEM morphology of wear scar of AZ31B magnesium alloy at different temperatures

表1 AZ31B鎂合金表面不同位置(如圖7所示)的EDS分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

由圖8可知：在200 ℃時(shí)，氧元素、鐵元素均勻分布于磨痕表面，說明在AZ31B鎂合金磨痕表面形成了均勻的鐵的氧化物轉(zhuǎn)移膜；在300 ℃時(shí)，磨痕表面主要含有氧元素和鎂元素，鐵元素僅分布于磨痕邊緣區(qū)域，說明此時(shí)AZ31B鎂合金磨痕表面主要存在鎂的氧化物，此時(shí)磨痕表面鐵的氧化物的排出和材料塑性的增強(qiáng)是造成磨損體積增大的原因。

3 結(jié) 論

(1) 在20，100, 200，300 ℃時(shí)，AZ31B鎂合金的微動主要通過滑移來實(shí)現(xiàn)；切向微動摩擦因數(shù)隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線可以分為跑合、上升、峰值、下降和穩(wěn)定等5個階段，隨著試驗(yàn)溫度的升高，上升階段時(shí)的摩擦因數(shù)增大，摩擦因數(shù)到達(dá)峰值和穩(wěn)定階段所需的循環(huán)次數(shù)減小。

圖8 200，300 ℃時(shí)AZ31B鎂合金磨痕表面的元素分布Fig.8 Element distribution of wear scar surface of AZ31B magnesium alloy at 200, 300 ℃

(2) 隨著試驗(yàn)溫度的升高，AZ31B鎂合金的磨損體積和摩擦副的總磨損體積均先減小后增大，200 ℃時(shí)，AZ31B鎂合金的磨損體積最小。

(3) 在切向微動磨損過程中，AZ31B鎂合金表面的摩擦氧化起主導(dǎo)作用，隨著試驗(yàn)溫度的升高，磨痕表面的氧化程度減弱；當(dāng)試驗(yàn)溫度低于200 ℃時(shí)，AZ31B鎂合金磨痕表面形成了鐵的氧化物轉(zhuǎn)移膜，該轉(zhuǎn)移膜起到固體潤滑作用，導(dǎo)致磨損體積隨著試驗(yàn)溫度的升高而減小，但在300 ℃時(shí)，鐵的氧化物轉(zhuǎn)移膜被破壞，磨損體積增大。