F6NM和GH4169摩擦副動摩擦系數研究

任一龍，于 兵，彭世廣，解國新

(1.清華大學摩擦學國家重點實驗室，北京 100084；2.北京宇航系統工程研究所，北京 100076)

0 引言

導彈翼面對于導彈的穩定飛行以及轉向控制具有重要作用，可展開的氣動翼面的設計又可以縮小導彈尺寸，便于導彈貯存和運輸。但氣動展開翼面在展開時不能對彈體結構產生較大的干擾和沖擊，能夠產生阻尼、降低彈翼展開速度和彈翼展開到位時產生的沖擊的關鍵在于鉸鏈。鉸鏈的阻尼主要來自鉸鏈中摩擦副材料在加壓狀態下相對轉動時的摩擦力，因此摩擦副材料的性能對于鉸鏈發揮作用至關重要?；谀Σ粮钡淖饔煤凸ぷ鳡顟B，摩擦副材料需要具有較好的力學性能、防腐性能，以及穩定的摩擦性能[1]。

摩擦副在受壓狀態下轉動時，影響摩擦力的主要因素有兩個：載荷和速度。目前有許多關于載荷和速度對于摩擦材料摩擦性能影響的研究。黃雪紅等[2]研究了不同載荷和速度下的GH4169/YG8摩擦副摩擦性能，發現摩擦副的摩擦因數隨著法向載荷的增大而減小，隨滑動速度的增大而增大。曾俊菱等[3]也研究了GH4169/ Ti3SiC2-Ag摩擦副在高應力下的摩擦性能。張配[4]研究了不同應力下F6NM/SA-336 Type304H摩擦副的動摩擦系數，發現隨著應力增大，動摩擦系數先增大后降低?？梢娸d荷和速度對于不同摩擦副有不同的影響。另外，楊曉偉等[5]研究載荷速度(PV)值對于摩擦副摩擦性能的影響，發現CrNiMo鋼/H96黃銅配副的摩擦副在氮氣氣氛條件下,摩擦系數隨滑動速度和載荷乘積(PV值)增加而減小。

GH4169合金具有良好的耐腐蝕性和強度，在航空發動機領域廣泛應用。該材料是以fcc奧氏體為基，Ni3Nb為主要強化相，并輔以Ni3(Al、Ti和Nb)強化的鎳基高溫合金[6]。不銹鋼具有高的強度、硬度、耐磨性、耐腐蝕等特性，已廣泛應用于各個領域[7-8]。但是，奧氏體不銹鋼在摩擦過程中與其配偶件極易產生黏著、轉移并形成黏著磨損，一定程度上限制其應用[9]。而馬氏體不銹鋼由于其硬度較高、比表面能較大和較高的剪切模量，會大大減小黏著現象的發生[10]，因此在航空領域具有較大的應用空間。

目前，關于載荷(P)、速度(V)以及PV值對于GH4169與F6NM等不銹鋼配副的摩擦副的摩擦系數影響的研究很少。因此本文選取GH4169

與兩種不銹鋼材料(F6NM馬氏體不銹鋼、A不銹鋼)分別組成摩擦副，研究不同載荷、速度以及PV值下摩擦副的摩擦系數，探究載荷、速度及PV值對所選摩擦副摩擦性能的影響。

1 試驗方案設計

1.1 試驗設備及原理

為了最大程度模擬鉸鏈工作的實際工況，本試驗選擇在多功能摩擦磨損Plint TE-92試驗機上進行，Plint TE-92試驗機可以模擬不同的摩擦形式，可在各種溫度(油浴溫度)、速度及壓力下進行試驗，可以得到載荷、轉速、扭矩、摩擦系數等測量數據。采用盤-盤接觸的摩擦接觸方式，摩擦試樣及摩擦副接觸示意圖如圖1所示，其中上試樣的摩擦面為整個圓環面，下試樣并非全部表面參與摩擦，僅中間部分和上試樣接觸。

圖1 盤-盤式接觸試驗示意圖Fig.1 Schematic diagram of the disk-disk contact test

1.2 試驗件狀態及數量

摩擦副試樣的尺寸如圖2所示。試驗摩擦副組合如表1所示。

圖2 摩擦副試樣尺寸示意圖Fig.2 Schematic diagram of the size of friction pairs

組合上試樣下試樣1GH4169F6NM2GH4169A不銹鋼3F6NMF6NM4F6NMA不銹鋼

1.3 試驗方法及條件

本試驗采用單一變量的方法，分別研究不同載荷和轉速下的4組摩擦副的摩擦系數。試驗前，樣品在無水乙醇中進行超聲清洗，安裝一組樣品，在固定載荷(轉速)的情況下變化轉速(載荷)，得到摩擦系數曲線，對摩擦系數曲線進行處理得到不同條件下的摩擦系數。每種摩擦副組合有3組試驗件。

1.3.1 載荷影響的試驗過程

1)在試驗機不轉動的情況下，60s內將載荷加至590N;

2)加載完成后，試驗機轉動進行摩擦試驗，轉速為177r/min，試驗時間為12s；12s試驗結束時，試驗機停止轉動，但不卸載；

3)同樣的步驟測得720N、890N、1000N這3個載荷下的試驗數據，完成1000N載荷下的試驗后，卸載；

4)更換試驗件，重復步驟1～步驟3。

1.3.2 轉速影響的試驗過程

1)在試驗機不轉動的情況下，60s內將載荷加至590N；

2)加載完成后，試驗機轉動進行摩擦試驗，轉速為177r/min，試驗時間為12s;

3)保持載荷不變，在177r/min基礎上繼續增加轉速，在217r/min的轉速下進行摩擦試驗，試驗時間為12s;利用同樣的步驟測得在262r/min、304r/min、343r/min這3個轉速下的試驗數據，完成343r/min轉速下的試驗后，卸載；

4)更換試驗件，重復步驟1～步驟3。

試驗溫度為室溫，試驗介質為空氣。為了最大程度地接近彈翼展開工作時的實際狀況，每次試驗時間盡可能短，又要保證摩擦數據的可靠性，因此確定試驗時間為12s。具體試驗參數如表2所示。

表2 載荷、轉速對摩擦系數影響試驗參數

2 試驗結果分析

2.1 載荷對摩擦系數的影響

選取不同摩擦副組合各自的一組試驗件的試驗結果，如圖3所示。其中黑色曲線是整個試驗過程摩擦系數隨時間變化的曲線，淺藍色虛線之間的是試驗機在相應載荷下以指定轉速(177r/min)轉動時的摩擦系數曲線，剩余部分是加載過程中的摩擦系數曲線。深藍色曲線是整個試驗過程的載荷隨時間變化曲線。

(a)GH4169/F6NM

(b)GH4169/A不銹鋼

(c)F6NM/F6NM

(d)F6NM/A不銹鋼圖3 不同摩擦副試驗載荷、摩擦系數隨時間變化曲線Fig.3 Curve of test load and friction coefficient with time of different friction pairs

從4組摩擦副的摩擦曲線可以看出,摩擦系數均為0.40～0.50。開始試驗時,載荷較低，上下摩擦副的表面均為機械加工后的平整表面，在摩擦初期跑合階段，上下表面受壓轉動時，在剪切力作用下被破壞，表面磨損比較嚴重，表面狀態變化較大，因此在低載荷下的摩擦系數曲線波動較大；隨著試驗的進行，接觸區表面磨損變小，表面質量變得穩定，摩擦系數波動減小。由圖3試驗數據得到一組試驗件在各個載荷下的摩擦系數；然后分別計算不同摩擦副組合3組試驗件摩擦系數的平均值及其標準差，繪制不同摩擦副組合摩擦系數隨載荷變化折線圖，如圖4所示。

(a)GH4169/F6NM

(b)GH4169/A不銹鋼

(c)F6NM/F6NM

(d)F6NM/A不銹鋼圖4 不同摩擦副組合摩擦系數隨載荷變化曲線Fig.4 Curve of friction coefficient of different friction pairs combined with load

從折線圖可以看出，4種摩擦副組合摩擦系數的標準差均較小，表示同一摩擦副3組試驗件試驗結果的重復性較好，因此采用摩擦系數的平均值隨載荷的變化來研究載荷的影響規律準確可信。4組摩擦副摩擦系數的變化在±0.06范圍內，相對變化最大達到12%；試驗機采集的摩擦系數數據精確到10-5，試驗結果較為精確，不是試驗誤差導致的摩擦系數變化；另外，陳躍等[11]研究了鑄鐵-鋼摩擦副隨載荷的變化范圍也在0.05～0.08，與本實驗結果摩擦系數變化范圍相近。因此本試驗數據可以較為準確地反映出載荷對摩擦系數的影響。在本試驗參數范圍內，低載荷時，GH4169/A不銹鋼摩擦副摩擦系數最高，F6NM/F6NM摩擦副摩擦系數最低。隨著載荷的增加，兩組全部由不銹鋼組成的摩擦副摩擦系數呈逐漸減小的趨勢，F6NM/A不銹鋼的摩擦系數略高于F6NM/F6NM。摩擦系數的減小可能是由于壓力增大，轉動時產生的剪切力增大，剪切力導致材料產生磨屑增多，磨屑起到了一定的潤滑作用。鎳基高溫合金和不銹鋼組成的兩組摩擦副隨載荷的變化存在差異，GH4169/A不銹鋼在590N～850N載荷下略有升高，在最后1000N載荷下出現下降，而GH4169/F6NM在590N～850N略有下降，在1000N載荷下升高，而且此現象在3組重復試驗中均存在。鎳基高溫合金和不銹鋼的性能不同，鎳基高溫合金在摩擦過程中容易出現黏著現象[12]，會發生一定程度的黏著磨損，還可能存在氧化磨損[2]，摩擦過程更加復雜，在高載荷下的摩擦情況需要進一步的研究。

2.2 轉速對摩擦系數的影響

選取不同摩擦副組合各自的一組試驗件的試驗結果，如圖5所示。其中黑色曲線是整個試驗過程的摩擦系數隨時間變化的曲線，淺藍色虛線之間的黑色曲線是試驗機在相應轉速下轉動時的摩擦系數曲線。深藍色曲線是整個試驗過程的轉速隨時間變化的曲線。

(a)GH4169/F6NM

(b)GH4169/A不銹鋼

(c)F6NM/F6NM

(d)F6NM/A不銹鋼圖5 不同摩擦副試驗轉速、摩擦系數隨時間變化曲線Fig.5 Curve of rotationalspeed and friction coefficient with time of different friction pairs

從摩擦系數隨時間變化曲線可以看出，GH4169作為配副的摩擦副組合摩擦系數曲線比較平緩，轉速對摩擦系數的影響不大；而兩組全部由不銹鋼組成的摩擦副相對于存在GH4169的摩擦副變化比較明顯。由圖5試驗數據得到一組試驗件在各個轉速下的摩擦系數；然后分別計算不同摩擦副組合3組試驗件摩擦系數的平均值及其標準差，繪制不同摩擦副組合摩擦系數隨轉速變化折線圖，如圖6所示。

(a)GH4169/F6NM

(b)GH4169/A不銹鋼

(c)F6NM/F6NM

從折線圖可以更清晰地看出，在本試驗參數范圍內，隨著轉速的增加，GH4169/F6NM摩擦副摩擦系數略有增大，GH4169/A不銹鋼摩擦副摩擦系數略有減小，但這兩組摩擦副摩擦系數均變化較??；隨著轉速的增加，F6NM/F6NM摩擦副摩擦系數先減小后增大， F6NM/A不銹鋼摩擦副摩擦系數在177r/min～304r/min轉速下逐漸減小，但減小不是線性的，而是隨著轉速升高，減小幅度越來越小，在347r/min轉速下還有微小的增大。轉速對摩擦材料的影響除了類似于壓力增大帶來的剪切力的變化，主要是會導致摩擦界面溫度的升高，摩擦界面溫度升高會進一步影響材料表面層的成分、組織和性能，因而材料的摩擦性能會發生變化[11]。根據摩擦面溫度對鐵基摩擦材料摩擦磨損性能影響機理[13]的研究結果，認為F6NM/F6NM摩擦副摩擦系數變化原因可能為轉速導致摩擦界面溫度升高，F6NM表面生成氧化膜，由于氧化膜的潤滑作用，摩擦系數減??；隨著轉速的進一步增加，摩擦副之間的氧化膜開始剝落，摩擦系數開始增大。由于均為不銹鋼材料，推測F6NM/A不銹鋼摩擦副變化原因與F6NM/F6NM摩擦副有相似之處，但因成分、組織和性能的不同而存在一定差別。而GH4169為鎳基高溫合金，在650℃以下均能保持良好的強度等性能，因此轉速增加帶來的溫度升高對GH4169/F6NM和GH4169/A不銹鋼摩擦副的影響較小。

2.3 PV值對摩擦系數的影響

試驗測試了4組摩擦副組合在不同載荷和不同轉速下的動摩擦系數，將不同摩擦副在不同PV值下的測試結果，繪制如圖7所示的摩擦系數和PV值的散點圖，研究PV值對試驗摩擦副摩擦系數的影響。

從圖中箭頭擬合散點圖的走勢可以看出，在本試驗范圍內GH4169/F6NM和F6NM/F6NM摩擦副的摩擦系數，隨著PV值的升高，先減小后增大。而GH4169/A不銹鋼和F6NM/A不銹鋼摩擦副隨PV值的升高，摩擦系數逐漸減小，但并不是線性減小。不同摩擦副的成分、組織和性能不同，從而PV特性不相同，在不同變化區間導致摩擦性能發生變化的摩擦磨損機理也不同[11]。

(a)GH4169/F6NM

(b)GH4169/A不銹鋼

(c)F6NM/F6NM

(d)F6NM/A不銹鋼圖7 不同摩擦副不同PV值下摩擦系數散點分布Fig.7 Scattering distribution of friction coefficient under different PV values of different friction pairs

本試驗的規律是僅對本試驗測試范圍內的結果進行的總結，載荷、轉速和PV值超過本試驗范圍的變化規律并不能通過本試驗結果進行外推，而需要采用更大型試驗機進行測試。參考本試驗的結果，含有GH4169的兩組摩擦副組合隨著PV值的增加摩擦系數較為穩定，但是GH4169鎳基高溫合金在摩擦過程中容易發生黏著，在長期存放或者測試階段的試驗中，可能發生黏著或膠合而導致摩擦副在后續使用中無法轉動而失效，因此GH4169不太適合作為氣動展開翼面的摩擦副材料。F6NM/F6NM摩擦副材料的摩擦系數相對于F6NM/A不銹鋼穩定一些，而且隨著PV的繼續增大，摩擦系數還有一定程度的增加，因此在本次試驗4組摩擦副材料中，F6NM/F6NM可能比較適合作為摩擦副組合。但是F6NM/F6NM的摩擦系數在中間的PV值(1.4MPa·m/s ～2.0MPa·m/s)存在減小趨勢，而且同種材料在長期存放過程和較大PV值時更容易發生膠合[14]，因此需要對F6NM的表面進行相應的改性或者選擇其他耐熱性能好、硬度合適的摩擦副材料。

3 結論

對室溫下GH4169/F6NM、GH4169/A不銹鋼、F6NM/F6NM、F6NM/A不銹鋼4組摩擦副的摩擦試驗分析，探究了載荷、轉速以及PV值對于4組摩擦副的摩擦系數的影響規律，得到以下結論：

1)在本試驗范圍內，隨著載荷的增大，F6NM/F6NM、F6NM/A不銹鋼兩組摩擦副摩擦系數逐漸減小；GH4169/F6NM摩擦副摩擦系數先減小后增大，GH4169/A不銹鋼摩擦副先增大后減小。

2)在本試驗范圍內，隨著轉速的增加，GH4169/F6NM摩擦副摩擦系數先減小后增大、GH4169/A不銹鋼摩擦副摩擦系數逐漸減小，但變化幅度較?。籉6NM/F6NM、F6NM/A不銹鋼兩組摩擦副摩擦系數先減小后增大。

3)在本試驗范圍內，隨著PV值的增加，GH4169/F6NM和F6NM/F6NM兩組摩擦副摩擦系數先減小后增大；GH4169/A不銹鋼和F6NM/A不銹鋼兩組摩擦副摩擦系數逐漸減小。

根據本試驗范圍內的試驗結果進行分析，四組摩擦副材料中F6NM/F6NM比較適合作為摩擦副材料，但同種材料組成的摩擦副在工作過程中容易發生膠合現象；為此，仍需要對F6NM進行表面改性或者選擇其他耐熱性能好、硬度合適的摩擦副材料。