ZM6鎂合金的摩擦性能研究

尹相春， 任靖日

( 延邊大學(xué) 工學(xué)院， 吉林 延吉 133002 )

鎂合金具有密度低、比強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車、航空等工業(yè)領(lǐng)域[1].用鎂合金制作的零部件在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，因與其他部件的摩擦，會(huì)使其表面光潔度降低，零件尺寸縮小，甚至還會(huì)使其結(jié)構(gòu)失效[2]；因此，研究鎂合金摩擦性能對(duì)鎂合金摩擦性能的提高及其應(yīng)用具有重大的意義.目前，有關(guān)鎂合金摩擦磨損性能的研究主要是針對(duì)AZ系列鎂合金進(jìn)行的.例如：El-Morsy等通過(guò)研究AZ61鎂合金的摩擦磨損性能，將AZ61鎂合金的磨損機(jī)制分為輕微磨損和嚴(yán)重磨損兩類[3].An等研究了Mg97Zn1Y2和AZ91鎂合金的摩擦磨損性能，將摩擦磨損的過(guò)程分為5種磨損機(jī)理：氧化、擦傷、剝層、熱軟化和熔融[4].趙旭等研究了載荷和時(shí)間對(duì)AZ31鎂合金磨損性能的影響，結(jié)果表明在不同的載荷下，質(zhì)量磨損量隨時(shí)間的增加呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)，載荷越大磨損失重越嚴(yán)重[5].ZM6鎂合金具有蠕變性能高、耐高溫等優(yōu)異性能，應(yīng)用廣泛.但是，目前對(duì)它的研究主要集中在晶粒的細(xì)化等方面，而對(duì)其摩擦性能研究得較少.因此，本文以ZM6鎂合金止推圈摩擦副為研究對(duì)象，以粗糙度、轉(zhuǎn)速和載荷為參數(shù)，通過(guò)正交試驗(yàn)研究不同的參數(shù)對(duì)摩擦系數(shù)的影響.

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為鑄造稀土鎂合金ZM6，其力學(xué)性能如表1所示.將加工好的試件用砂紙打磨，試驗(yàn)前后用裝有無(wú)水乙醇的超聲波清洗機(jī)進(jìn)行清洗并用烘干機(jī)烘干.按照正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，并在室溫條件下采用MMW1-A萬(wàn)能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行干式滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn).

表1 ZM6鎂合金的力學(xué)性能

1.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1制定因素水平表 在干摩擦條件下，選取粗糙度、轉(zhuǎn)速和載荷作為正交試驗(yàn)的因素(用字母A、B、C表示).根據(jù)實(shí)際情況，每個(gè)因素取3個(gè)水平.因素水平表如表2所示.

表2 試驗(yàn)因素水平表

1.2.2試驗(yàn)方案 在進(jìn)行正交試驗(yàn)的過(guò)程中，由于每個(gè)因素的水平數(shù)搭配是均衡的，所以在不影響試驗(yàn)結(jié)果的前提下盡量減少試驗(yàn)次數(shù)[6].因本試驗(yàn)是三因素三水平且彼此間有交互作用的(A×B、A×C、B×C)，因此選用L27(313)型正交表.試驗(yàn)進(jìn)行27次，每次的試驗(yàn)結(jié)果取平均值，并將其作為一個(gè)試驗(yàn)指標(biāo).正交試驗(yàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果如表3所示.表3中Ki表示任意一列上水平號(hào)為i時(shí)對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果之和[7].

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 方差分析

為了確定各因素對(duì)摩擦系數(shù)影響的顯著程度，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行有交互作用的方差分析.利用F檢驗(yàn)法對(duì)粗糙度、轉(zhuǎn)速和載荷進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，方差分析結(jié)果如表4所示.表4中SS為因素的離差平方和，df為自由度數(shù)，MS為均方(MS=SS/

df)，F(xiàn)為試驗(yàn)結(jié)果的顯著性檢驗(yàn)值(F=MS/MSe)，F(xiàn)a為F分布表中的臨界值.顯著性水平a取0.95，查表可知F0.95(2，26)=0.051、F0.95(4，26)=0.174.從表4中的F值可以看出，各因素對(duì)摩擦系數(shù)影響的排列次序(F值越大表示影響試驗(yàn)結(jié)果越大)為(A×C)>A>(A×B)>(B×C)>B>C， 所以各因素影響試驗(yàn)結(jié)果的權(quán)重順序依次為粗糙度、轉(zhuǎn)速、載荷.

為了確定最優(yōu)實(shí)驗(yàn)方案，對(duì)不同因素(A、B、C)水平進(jìn)行搭配，結(jié)果如表5所示.從表5可以看出， A與B搭配時(shí)最優(yōu)組合為A1B2， B與C搭配時(shí)最優(yōu)組合為B3C1， A與C搭配時(shí)最優(yōu)組合為A1C1.因?yàn)樵谀Σ聊p過(guò)程中摩擦系數(shù)應(yīng)取較小的值，因此本文確定最優(yōu)方案組合為A1B2C1.

2.2 載荷對(duì)摩擦系數(shù)的影響

由圖1可以看出，轉(zhuǎn)速為30 r/min時(shí)，摩擦系數(shù)隨著載荷的增加而增加.這是因?yàn)樵黾虞d荷使得粗糙峰發(fā)生形變，摩擦副間的接觸面積增大，從而使摩擦系數(shù)變大.轉(zhuǎn)速為45 r/min時(shí)，摩擦系數(shù)隨著載荷的增加出現(xiàn)先減小后增大的現(xiàn)象.摩擦系數(shù)先減小的原因是，載荷相對(duì)較低時(shí)ZM6鎂合金摩擦副表面間的粗糙度得到改善，并且磨損表面發(fā)生氧化反應(yīng)生成氧化膜；摩擦系數(shù)增加的原因是，隨著載荷的增加ZM6鎂合金摩擦副表面溫度升高，使得表明硬度降低并發(fā)生黏著磨損，同時(shí)生成的氧化膜被破壞.轉(zhuǎn)速為60 r/min時(shí)，摩擦系數(shù)隨著載荷的增加而減小.這是因?yàn)檩d荷的增加和速度的提高易使試件發(fā)生塑性形變，所以摩擦系數(shù)減小.

表3 正交試驗(yàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果

表4 方差分析結(jié)果

表5 不同因素水平搭配的結(jié)果

圖1 載荷與摩擦系數(shù)的關(guān)系

2.3 轉(zhuǎn)速對(duì)摩擦系數(shù)的影響

由圖2可以看出，載荷為35 N時(shí)，摩擦系數(shù)隨著轉(zhuǎn)速的增大出現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象.摩擦系數(shù)先變大的原因是，隨著轉(zhuǎn)速的增大滑動(dòng)的距離也增大，磨損表面產(chǎn)生較多的鎂合金顆粒并發(fā)生磨粒磨損和黏著磨損；摩擦系數(shù)變小的原因是，隨著轉(zhuǎn)速的提高，磨損表面產(chǎn)生的摩擦熱增高，促進(jìn)了氧化膜的生成.載荷為50 N時(shí)，摩擦系數(shù)隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大，這是因?yàn)槟Σ粮北砻骈g發(fā)生了磨粒磨損和黏著磨損.載荷為65 N時(shí)，摩擦系數(shù)隨著轉(zhuǎn)速的增大逐漸減小，這是因?yàn)殡S著轉(zhuǎn)速的增大摩擦副表面溫度升高，使試件發(fā)生塑性形變，同時(shí)加快了氧化膜的生成.

圖2 轉(zhuǎn)速與摩擦系數(shù)的關(guān)系

2.4 粗糙度對(duì)摩擦系數(shù)的影響

由圖3可以看出，轉(zhuǎn)速為30 r/min和45 r/min時(shí)，摩擦系數(shù)隨著粗糙度的增大出現(xiàn)先減小后增大的現(xiàn)象.摩擦系數(shù)先減小的原因是，粗糙度較小時(shí)摩擦副之間的接觸面積較大，運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦熱使摩擦表面生成氧化膜；摩擦系數(shù)增大的原因是，粗糙度增大時(shí)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的鎂合金磨屑顆粒增多，使得磨損增大.轉(zhuǎn)速為60 r/min時(shí)，摩擦系數(shù)隨著粗糙度的增大出現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象.摩擦系數(shù)增大的原因是，摩擦初期產(chǎn)生的磨屑顆粒較多；摩擦系數(shù)減小的原因是，隨著粗糙度的增大摩擦副表面粗糙度得到了改善，并且促進(jìn)了磨損表面氧化膜的生成.

圖3 粗糙度與摩擦系數(shù)的關(guān)系

3 結(jié)論

本文研究表明，影響ZM6鎂合金摩擦系數(shù)的因素大小順序?yàn)榇植诙?、轉(zhuǎn)速、載荷，試驗(yàn)最優(yōu)方案為A1B2C1.轉(zhuǎn)速為30 r/min時(shí)，摩擦系數(shù)隨著載荷的增加而增大，隨著粗糙度的增大先減小后增大；轉(zhuǎn)速為45 r/min時(shí)，摩擦系數(shù)隨著載荷和粗糙度的增大均先減小后增大；轉(zhuǎn)速為60 r/min時(shí)，摩擦系數(shù)隨著載荷的增加而減小，隨著粗糙度的增大先增大后減小；載荷為35 N時(shí)，摩擦系數(shù)隨著轉(zhuǎn)速的增大先增大后減小；載荷為50 N時(shí)，摩擦系數(shù)隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大；載荷為65 N時(shí)，摩擦系數(shù)隨著轉(zhuǎn)速的增大逐漸減小.本文在研究中僅考慮了粗糙度、轉(zhuǎn)速和載荷3個(gè)因素對(duì)ZM6鎂合金摩擦性能的影響，而對(duì)溫度、硬度等其他因素未能進(jìn)行研究，因此在今后的研究中我們將充分考慮各種因素的影響，以完善本文研究方案.