TC4合金微動磨損過渡區摩擦行為

(蘭州理工大學石油化工學院 甘肅蘭州 730050)

微動是指兩接觸面間微米級振幅的相對運動，往復滑動則是振幅為毫米量級及以上的兩接觸面相對運動[1-2]。研究發現，保持其他參數不變，改變位移幅值，在某一位移幅值范圍內，磨損系數發生突變，這個磨損系數發生突變的位移幅值范圍則稱為微動磨損過渡區。目前對微動磨損過渡區的研究仍存在著一些問題，如微動磨損與往復滑動磨損之間過渡的位移幅值范圍，不同學者所得到的數據差異較大。學者們對不同金屬材料的微動磨損過渡區進行了研究，但以鈦合金為研究對象的報道不多，導致對鈦合金微動磨損過渡區行為特點缺乏了解[3-7]。

鈦合金因比強度高，具有良好高溫熱穩定性、耐腐蝕性及低溫性能，在航空航天、石油化工等領域應用廣泛。但鈦合金抗磨性差且對微動損傷極為敏感，嚴重制約了其在工業領域的應用[8-11]。目前減緩磨損的措施主要有表面技術[12-16]及油脂潤滑[17-20]，針對不同磨損機制需要采用不同的減磨措施。本文作者在以GCr15為配副材料并保持其他參數不變條件下，得到了TC4合金微動磨損過渡區的范圍，分析不同狀態下摩擦因數演變及磨痕表面形貌特點，研究了磨損機制的變化。通過對過渡區及鈦合金本身摩擦磨損性能的研究，加深了對鈦合金微動磨損過渡區的認識，為合理選擇減磨措施提供一定科學依據。

1 試驗部分

1.1 試樣制備

試驗材料為φ24 mm×8 mm的TC4(Ti-6Al-4V)合金(硬度約為HV300)，其主要化學成分如表1所示，摩擦配副材料為φ10 mm的GCr15鋼球(硬度約HV680)。TC4試樣用SiC金相水磨砂紙逐級研磨并使用SiO2精拋光液進行機械拋光處理，使其表面粗糙度Ra=0.03 μm。試驗前分別使用無水乙醇和丙酮對其超聲清洗，保證接觸面潔凈。用腐蝕液(氫氟酸、硝酸、蒸餾水的比例1∶3∶16)腐蝕處理大約20 s，用清水及無水乙醇清洗吹干后使用。

表1 TC4合金主要化學成分

1.2 試驗設備與試驗過程

試驗在SRV-Ⅳ摩擦磨損試驗機上進行，采用球/平面接觸方式，接觸面無潤滑。試驗在室溫(25 ℃)條件下進行，相對濕度20%～25%，法向載荷100 N，位移幅值25～300 μm，微動頻率50 Hz，試驗時間為30 min。試驗前對上下試樣用乙醇溶液清洗，保證接觸面潔凈。試驗完成后，用無水乙醇及丙酮超聲清洗試樣并吹干，使用三維輪廓儀測量磨損體積及磨痕表面輪廓，用QUANTA FEG 450場發射掃描電子顯微鏡(SEM)對磨損后的表面形貌進行觀察并用能譜儀(EDS)檢測磨屑成分。摩擦因數數據由計算機自動收集。

2 試驗結果及分析

2.1 體積磨損量及磨損系數分析

磨損系數作為判斷微動磨損過渡區的指標，一般能綜合反映摩擦磨損的變化。常用的磨損系數的計算公式[3]如下：

(1)

式中：KR為磨損因數;是量綱為一的量；H為TC4合金的維氏硬度(N/mm2)；V為體積磨損量(mm3)；s為總滑動距離(mm)；F為法向載荷(N)。

試驗得到的體積磨損量隨位移幅值的變化曲線如圖1所示。將體積磨損量數據代入式(1)，得到磨損系數隨位移幅值的變化曲線，如圖2所示。

圖1 體積磨損量與位移幅值的關系Fig 1 Relationship between wear volume and amplitude of oscillation

圖2 磨損系數與位移幅值的關系Fig 2 Relationship between wear coefficient and amplitude of oscillation

由圖1可見，位移幅值100 μm前后體積磨損量增長速度不同且差距極大，可認為100 μm是一個關鍵的轉變位移幅值。由圖2可見，當位移幅值小于100 μm時，磨損系數很小并且增長緩慢；當位移幅值在100～200 μm之間時，磨損系數出現突變，急劇增加；當位移幅值大于200 μm時，磨損系數變化很小并且接近常值。往復滑動磨損的顯著特征是隨著位移幅值的增加，磨損系數近乎保持恒定且往復滑動磨損系數遠大于微動磨損系數。結合微動磨損過渡區的定義，在文中試驗條件下(法向載荷100 N，頻率50 Hz，循環次數9×104次，GCr15鋼球與TC4合金平面試樣對磨)，微動磨損過渡區位移幅值范圍是100～200 μm。

2.2 摩擦因數分析

不同位移幅值下，TC4合金與GCr15鋼球對磨時的摩擦因數隨時間變化曲線如圖3所示。

如圖3(a)所示，在微動狀態下，摩擦因數在磨合階段波動劇烈，達到穩定磨損階段后趨于穩定，且穩定狀態下的摩擦因數隨著位移幅值的增加而增加。摩擦開始時，表面氧化膜被破壞，摩擦副二體接觸，表面間黏著迅速增大，摩擦因數急劇上升，達到最大值后摩擦因數突降，表明接觸表面局部區域被破壞(例如表面材料的剝落)。隨后摩擦因數保持穩定，進入穩定摩擦磨損狀態。

如圖3(b)所示，當磨損進入過渡區時，摩擦因數的演變不一致，且隨著位移幅值的增加，摩擦因數波動逐漸劇烈。位移幅值為100 μm時，摩擦因數曲線整體呈現出先增加后減少的趨勢，這是因為由表面黏著等產生的磨屑在微動過程中形成具有良好潤滑性的第三體層，減緩了黏著磨損；當位移幅值增加到125 μm時，由于黏著磨損，磨損初期摩擦因數波動劇烈，隨后由于第三體層形成，摩擦因數保持穩定；位移幅值為150 μm時，由于磨粒磨損作用加劇，無法形成穩定的第三體層，摩擦因數劇烈波動，摩擦過程不穩定。

如圖3(c)所示，在往復滑動狀態下，摩擦因數波動更加劇烈，這是因為磨粒磨損作用增強，磨屑溢出速度加快，對磨件處于二體接觸，在磨痕表面無法形成覆蓋整個磨斑的第三體層。比較位移幅值200 μm和300 μm摩擦因數曲線，可以看到兩條曲線波動劇烈并且變化趨勢相似，近乎重合，可見在往復滑動狀態下，位移幅值雖然改變較大但是在相對較長時間內摩擦因數基本保持不變。

圖3 不同位移幅值下摩擦因數曲線Fig 3 Friction coefficient curves of different amplitude of oscillation

2.3 磨痕表面輪廓

TC4合金在不同位移幅值下，磨痕的表面輪廓如圖4所示。隨著位移幅值的增加，磨痕深度及寬度增大，磨損損傷加劇。由2.1小節可知，在文中試驗條件下，微動磨損轉變的過渡區位移幅值范圍是100～200 μm，從磨痕表面輪廓來看，磨痕深度及寬度在過渡區內突增，體積磨損量劇增，這說明磨損機制在微動磨損過渡區出現變化，加劇損傷程度，表現明顯的材料流失。

不同狀態下，磨痕表面輪廓呈現不同的形貌。在微動狀態下，磨痕深度極淺，磨痕寬度很小，黏著區及滑移區分區明顯，黏著區外突然下凹的輪廓可能是由于疲勞磨損導致的淺層剝落造成的，邊緣凸起的輪廓是由于反復滑動造成的材料塑性變形及磨屑堆積，如圖4(a)所示。當磨損處于微動向往復滑動轉變的過渡區時，磨痕的深度及寬度劇增，輪廓線漸趨于平滑，磨痕中心的黏著區消失，損傷程度加劇，如圖4(b)所示。在往復滑動狀態下，磨痕的深度和寬度進一步增加，輪廓線變得平滑，損傷面積增加，磨痕中心因為磨屑堆積形成凸起輪廓，如圖4(c)所示。

圖4 不同位移幅值下磨痕表面輪廓Fig 4 Profile of wear scar section in different amplitude of oscillation

2.4 磨損表面形貌及機制分析

圖5所示為位移幅值為45 μm時的磨痕表面形貌。磨損此時處于微動狀態，磨痕表面的環狀形貌表明微動此時處在部分滑移區，中心區域黏著，邊緣區域微滑，如圖5(a)所示。由圖5(b)所示的磨痕中心形貌可知，磨損表面覆蓋大量剝落坑，表現出黏著磨損的典型特征。黏著區邊緣可觀察到相對較深的凹坑，這可能是由于在微動磨損過程中往復運動和交變的切向力共同作用，導致TC4合金表面因疲勞損傷出現了材料淺層剝落,剝落坑中存在少量磨屑。由圖5(c)、(d)可以看到磨屑堆積于磨痕邊緣，滑移區邊緣可觀察到由微滑導致的材料塑性變形積累產生的條狀凸起，同時反復的微滑使得表面因塑性變形積累而變脆，進一步產生平行及垂直的裂紋，最終使材料以層片狀剝離。綜上所述，微動狀態下，磨損機制主要是黏著磨損及疲勞剝層。

圖5 位移幅值45 μm時的磨痕表面形貌Fig 5 Wear scar surface morphology at 45 μm (a)full view of wear mark;(b)wear mark center;(c)wear mark edge; (d)wear mark edge

圖6所示為位移幅值為100 μm及150 μm時磨痕表面形貌,磨損此時處于微動磨損過渡區。位移幅值為100 μm時，磨痕表面被第三體層覆蓋，邊緣則呈現松散的層狀磨屑堆積，如圖6(a)所示。在100 μm位移幅值下，因接觸面間黏著導致顆粒剝落，剝落顆粒在反復碾壓及摩擦熱作用下，逐漸氧化、細化并燒結成塊形成第三體層，一定程度上緩解了黏著磨損，如圖6(b)所示。從邊緣裸露區域可以看見因磨粒磨損造成的犁溝及犁皺，如圖6(c)所示。位移幅值為150 μm時，從磨痕表面可觀察到由磨粒磨損造成的犁溝，磨痕中心出現垂直于摩擦方向的凸起，如圖6(d)所示。這些凸起可能是因為材料塑性變形及磨屑堆積形成的，在對磨球的反復擠壓下會使接觸點的材料向上凸起，這些凸起會阻礙部分磨屑的排出，使得一部分磨屑堆積起來，在對磨球的反復碾壓及磨粒磨損的作用下，最終形成如圖6(e)所示的凸起。TC4合金塑性較高，在較高的壓力下易發生塑性延展，磨痕中的亮白條帶是鈦合金在較高接觸應力下產生塑性延展時的邊界[21]，如圖6(f)所示。對比100 μm及150 μm磨損形貌可以看出，隨著位移幅值的增加，磨粒磨損作用增強，穩定的第三體層被破壞，損傷逐漸加劇，主要磨損機制由黏著磨損逐漸轉變為磨粒磨損及塑性變形。

圖6 位移幅值為100 μm及150 μm時磨痕表面形貌Fig 6 Wear scar surface morphology at 100 μm and 150 μm (a)full view of wear mark(100 μm);(b)wear mark center (100 μm);(c)wear mark edge(100 μm);(d)full view of wear mark(150 μm);(e)wear mark center (150 μm);(f)wear mark edge(150 μm)

圖7所示為位移幅值為200 μm及300 μm時磨痕表面形貌，磨損此時處于往復滑動狀態。位移幅值為200 μm時，磨痕表面布滿由磨粒磨損所導致的犁溝，磨痕中心出現磨屑堆積，如圖7(a)所示。圖7(b)所示為磨痕中心形貌，磨屑堆積的形成可能是磨痕中心磨屑不易排出，在上試樣球的反復碾壓下被壓實，最終形成較為致密的磨屑層。磨痕邊緣呈現明顯的犁溝及犁皺，同時存在由塑性延伸形成的亮白條帶，如圖7(c)所示，磨損機制主要是磨粒磨損及塑性變形。位移幅值為300 μm時，在磨痕表面可以觀察到犁溝，磨痕表面出現垂直于滑動方向的凸起，如圖7(d)所示。圖7(e)所示是磨痕中心形貌，可以看到垂直于摩擦方向的凸起及剝層特征，這些凸起可能是材料塑性變形及磨屑堆積造成的，在對磨球反復的滑動及磨粒磨損作用下，這些凸起又被破壞，最終消失。磨痕邊緣呈現犁溝形貌，同時也可以觀察到片狀及細碎磨屑，如圖7(f)所示。綜上，當磨損處于往復滑動磨損時，主要的磨損機制應為磨粒磨損及塑性變形，同時可以看到磨粒剝落與碾壓和磨屑轉移與聚集的過程與特征。

圖7 位移幅值為200 μm及300 μm時磨痕表面形貌

Fig 7 Wear scar surface morphology at 200 μm and 300 μm (a)full view of wear mark(200 μm);(b)wear mark center(200 μm);(c)wear mark edge(200 μm);(d)full view of wear mark(300 μm);(e)wear mark center(300 μm);(f)wear mark edge(300 μm)

圖8所示為不同位移幅值下，磨痕表面磨屑層EDS圖譜。

圖8 不同位移幅值下磨屑層EDS圖譜Fig 8 EDS patterns of wear debris in different displacement amplitudes

由圖8可以看到，在不同的位移幅值下均出現O、Fe元素。Fe元素為摩擦配副材料成分；45 μm位移幅值下還出現Si峰，這說明在磨損過程中出現材料的轉移，發生黏著磨損；O峰的存在，說明在不同的位移幅值下磨損過程中發生了摩擦氧化。可見，在不同的位移幅值下，均出現黏著磨損及摩擦氧化。

微動磨損是多種不同磨損形式的組合。結合EDS圖譜及磨痕表面形貌進行分析，可以發現在微動狀態、微動磨損過渡區及往復滑動狀態下，黏著磨損及摩擦氧化始終存在。微動狀態下黏著磨損及疲勞剝層為主要磨損機制；隨著位移幅值的增加，磨粒磨損出現并且逐漸占據主導作用，主要的磨損機制逐漸由黏著磨損轉變為磨粒磨損，這一轉變發生在微動磨損過渡區；往復滑動狀態下磨粒磨損為主要的磨損機制，但黏著磨損仍然存在，并沒有完全消失。

3 結論

(1)在文中試驗條件下(法向載荷100 N，頻率50 Hz，GCr15鋼球/合金TC4平面配副)，微動磨損過渡區的范圍是100～200 μm。

(2)微動狀態與往復滑動狀態摩擦因數變化具有不同的規律。微動狀態下，摩擦因數呈階段性變化且隨位移幅值的增加而增加；往復滑動狀態下，摩擦因數波動劇烈，不同位移幅值摩擦因數曲線近乎重合；微動磨損過渡區的摩擦因數變化處于2種狀態的轉變階段。

(3)從磨痕表面輪廓可以看到，在相同條件下，往復滑動比微動損傷更嚴重，磨痕更深且損傷面積更大。微動狀態下，輪廓線粗糙；往復滑動狀態下輪廓線更加光滑;磨痕深度及寬度在微動磨損過渡區突然增加。

(4)微動磨損和往復滑動磨損在磨損機制上有很大的差異。微動磨損的磨損機制主要為黏著磨損和疲勞剝層；微動磨損過渡區主要磨損機制由黏著磨損逐漸轉變為磨粒磨損；往復滑動磨損的磨損機制主要為磨粒磨損和塑性變形；摩擦氧化作用在不同狀態下均存在。