不同環境介質下氧化鋁陶瓷與耐蝕金屬摩擦磨損行為*

汪程鵬 吳小波, 肖業祥 羅柏文 王生輝 宋代旺 李東洋

(1.自然資源部天津海水淡化與綜合利用研究所 天津 300192；2.清華大學水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室 北京 100084；3.湖南科技大學海洋礦產資源探采裝備與安全技術國家地方聯合工程實驗室 湖南湘潭 411201)

隨著海島開發、遠洋艦船、鉆井平臺等領域的快速發展，海水淡化工程需求猛增[1]。高壓泵是海水淡化工程中主要的動力裝備[2]，而多級離心式高壓泵是海水淡化高壓泵主要的結構形式之一，具有結構緊湊和高轉速等特點。軸承是多級離心式高壓泵重要支承部件，在高壓泵頻繁啟、停時，水潤滑軸承容易處于邊界潤滑甚至干摩擦狀態，軸頸與軸瓦容易發生摩擦磨損和碰撞[3]。此外，海水淡化高壓泵處于低黏度高腐蝕性的海水介質中，由于海水腐蝕作用加劇了軸承的磨損，導致其壽命短、工作效率低，需要頻繁更換，因此發展海水環境耐腐蝕性材料是高壓泵軸承應用與推廣的關鍵問題之一。

在海水環境下，摩擦副材料必須選用抗腐蝕和耐磨損性好的材料，金屬合金因具有高比強度、耐磨損并且在海水環境中具有優異的耐腐蝕性能，是海水淡化高壓泵軸承優選材料。畢紅運和李詩卓[4]研究發現，在相同載荷下，干摩擦時雙相鋼的磨損量顯著低于304不銹鋼。陳君等人[5]研究了TC4鈦合金和氧化鋁陶瓷摩擦副在模擬海水下的腐蝕磨損行為。劉寧等人[6]研究了氧化鋁陶瓷在海水潤滑條件下的摩擦學行為。孫建建[7]研究了海水環境下氮化硅陶瓷復合材料與軸承鋼GCr15配副的摩擦學行為，并與干摩擦和純水環境進行了比較。

近年來，海洋環境下的摩擦學研究對于海洋工程裝備的開發具有重要的戰略意義。Al2O3陶瓷具有優異的耐磨性和耐蝕性，是近年來新型海洋裝備材料，但是針對海水環境下高壓泵TC4鈦合金、316不銹鋼、2205雙相不銹鋼與氧化鋁陶瓷配對摩擦副的摩擦磨損性能研究較少。本文作者研究3種耐蝕金屬合金與Al2O3陶瓷在不同介質環境中的摩擦磨損特性，為篩選出最優的海水淡化高壓泵關鍵摩擦副材料提供試驗依據。

1 試驗方案

試驗選用的金屬材料為TC4鈦合金、316不銹鋼、2205雙相不銹鋼，配副材料為Al2O3陶瓷。表1給出了3種金屬材料的力學性能參數。氧化鋁陶瓷為無錫孚瑞達傳動設備有限公司提供，其組成及質量分數為：Al2O399.4%，CaO 0.3%，MgO 0.3%。表2給出了氧化鋁陶瓷材料的機械性能參數。

表1 金屬材料力學性能

表2 陶瓷材料力學性能

試驗在MM-W1B型立式萬能摩擦磨損試驗機上進行，采用銷-環滑動接觸形式模擬摩擦副接觸，下試樣為金屬大試環，上試樣為陶瓷銷。圖1為試樣加工圖，圖2為各試樣加工后的實物圖。摩擦磨損試驗分別在干摩擦、純水、海水環境下進行，純水使用靜置一周的自來水，海水使用原海水。試驗過程中摩擦因數由試驗機自動記錄并輸出，磨損量采用萬分之一天平進行測量，精度為0.1 mg。試驗前后使用無水乙醇和超聲波清洗機對試樣進行清洗并烘干，試驗前后的質量差即為磨損量。利用金相顯微鏡觀察試樣表面形貌。

圖1 試樣加工圖

圖2 陶瓷銷與金屬環試樣

2 試驗結果與討論

2.1 摩擦因數與磨損量

圖3和圖4分別為在試驗條件15 N、200 r/min和不同介質環境下TC4-陶瓷、316-陶瓷、2205-陶瓷配副的摩擦因數曲線和磨損量。從圖3可以看出，干摩擦條件下配副材料的摩擦因數最大，純水介質環境下的摩擦因數次之，海水介質環境下的摩擦因數最小。這是因為海水具有較好的潤滑作用，某些陶瓷材料在海水潤滑下發生了摩擦化學反應，生成的產物使其獲得較好的摩擦特性[8-9]。另外，不同環境介質下316-陶瓷、2205-陶瓷配副的摩擦因數都較大，316-陶瓷配副的摩擦因數比2205-陶瓷配副的稍大，TC4-陶瓷配副摩擦因數相對較小。摩擦副的硬度越高，摩擦副與基體的硬度差越大其摩擦因數越小[10]，由于TC4鈦合金硬度小于其他2種材料，摩擦因數較小。

圖3 不同介質環境下金屬與陶瓷副摩擦因數隨時間變化(15 N，200 r/min)

圖4 不同介質環境下金屬與陶瓷配副的磨損量(15 N，200 r/min)

從圖4可以看出，3種介質環境下，2205-陶瓷配副的磨損量最小，而TC4-陶瓷配副的磨損量比其他2種配副的磨損量大得多。原因可能是TC4鈦合金硬度小，質地較軟，所以TC4鈦合金的磨損量較大。盡管鈦合金有著優良的耐海水特性，但其耐磨性能較差，且對微動損傷十分敏感，易發生磨損失效[11-13]。海水介質環境下，3種配副材料的磨損最小，純水介質環境下的磨損次之，干摩擦條件下的磨損最大。從圖4中可以看到，由于陶瓷硬度高，因而耐磨性能優異。

2.2 表面形貌

為研究海水環境下金屬與陶瓷配副的摩擦磨損行為，圖5和圖6給出了3種金屬材料與陶瓷配副在海水環境下磨損后的形貌。從圖5可以觀察到，金屬表面出現不同程度的溝槽，在平行于滑動方向上存在一定數量磨痕。這是由于磨屑對磨面進行犁削作用的結果，TC4鈦合金表面的磨痕較深，2205雙相不銹鋼和316不銹鋼磨痕較淺，磨損機制為磨粒磨損[7]。各磨面存在一定數量的疲勞裂紋，部分區域出現了片狀剝落區，如圖5中圓圈區域，這是典型的疲勞磨損特征，磨損機制為疲勞磨損、磨粒磨損和腐蝕磨損的交互作用[8]。

圖5 海水環境下金屬表面形貌(15 N，200 r/min)

從圖6可以觀察到氧化鋁陶瓷摩擦表面有呈片狀不連續的覆蓋物。陶瓷銷材料較為致密，摩擦表面無剝落坑的形成，覆蓋物是金屬表面形成的氧化物轉移到陶瓷表面[7]。

圖6 海水環境下陶瓷表面形貌(15 N，200 r/min)

2.3 正交試驗分析

2205雙相不銹鋼與陶瓷配副為例，研究載荷、轉速、環境介質對摩擦因數和磨損量的影響。試驗采用L9(34)正交表，選取載荷、轉速、環境介質3種因素，每個因素選3個水平，磨損量、摩擦因數作為指標因素，表3為試驗因素水平表。2205雙相不銹鋼與陶瓷配副L9(34)正交表試驗方案及影響重要性的評價如表4所示。由極差值可以看出，介質環境對摩擦因數影響較大，載荷的影響次之，轉速的影響最小。文獻[10]的研究也發現載荷對摩擦因數的影響大于旋轉速度的影響。有水潤滑的環境下摩擦副表面能形成潤滑膜，從而降低了摩擦因數，海水環境受到潤滑和腐蝕的交互作用，摩擦因數更低[8]。載荷對磨損量影響較大，載荷會引起摩擦副材料表面不同程度的溫度升高，導致材料的表面性能變差[14]。

表3 試驗因素水平

表4 2205雙相不銹鋼與陶瓷配副正交試驗結果及極差分析

3 結論

(1)在相同的條件下，TC4鈦合金與陶瓷配副摩擦因數較小，2205雙相不銹鋼與陶瓷配副磨損量較小。環境介質對摩擦因數影響較大，載荷對磨損量的影響較大，海水介質對摩擦副材料摩擦磨損起到一定潤滑作用。

(2)316-陶瓷配副摩擦因數和2205-陶瓷配副摩擦因數較大；TC4-陶瓷配副腐蝕磨損和機械磨損的交互作用較為強烈，其磨損量比316-陶瓷配副和2205-陶瓷配副副磨損量大得多。

(3)2205雙相不銹鋼和316不銹鋼磨痕較淺，磨損機制為疲勞磨損、磨粒磨損和腐蝕磨損的交互作用。