銅鎳錫合金干滑動(dòng)磨損行為研究*

徐少男 樊文欣 鮑繼軒 侯軍偉 王釗暉

(中北大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 山西太原 030051)

銅鎳錫合金是一種新型的環(huán)保型彈性銅合金，具有較高的熱穩(wěn)定性、強(qiáng)韌配合性和抗腐蝕性，早期主要作為高彈導(dǎo)電材料來(lái)代替鈹青銅。隨著我國(guó)“大型飛機(jī)”、“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造技術(shù)”、“大型油氣田及煤層氣開(kāi)發(fā)”等國(guó)家科技重大專項(xiàng)和航空航天、軌道交通、海洋工程等高端裝備制造業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步，對(duì)于高強(qiáng)耐磨耐蝕銅鎳錫合金的需求越來(lái)越大。近年來(lái)，銅鎳錫合金被用作重載軸承合金材料而得到廣泛的關(guān)注[1-3]。但銅鎳錫合金軸承長(zhǎng)時(shí)間服役在重載和高速的惡劣的工況條件下，容易造成磨損、膠合、疲勞剝落、黏著等，從而導(dǎo)致失效[4]。

為提高銅鎳錫合金材料的性能，相關(guān)學(xué)者對(duì)材料進(jìn)行了表面處理[5-8]或在材料中添加復(fù)合添加劑[9]、微量元素等研究。王靜軒等[10]研究了添加Bi元素對(duì)FeS/Cu基材料空隙和相對(duì)密度等的影響；李蓉蓉等[11]研究了添加FeS對(duì)銅基材料減磨性的影響；張孝禹等[12]研究了石墨相形態(tài)對(duì)銅/石墨復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響。

用于大型裝備上的銅鎳錫合金工件，往往在潤(rùn)滑條件不足或者無(wú)潤(rùn)滑的工況條件下工作，要求銅鎳錫材料具有良好的干摩擦磨損特性。因此研究銅鎳錫材料的干摩擦磨損性能具有實(shí)際意義，但國(guó)內(nèi)外缺乏相關(guān)研究?？紤]到臺(tái)架試驗(yàn)成本高昂，本文作者采用銷-盤試驗(yàn)研究銅鎳錫材料的干摩擦磨損性能，通過(guò)改變轉(zhuǎn)速和載荷，研究其摩擦因數(shù)和磨損率的變化規(guī)律，通過(guò)觀察磨損表面形貌，探討其磨損機(jī)制，為銅鎳錫合金的合理使用提供參考。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料及制備

試驗(yàn)材料選用銅鎳錫合金，其化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1、表2所示，選用的對(duì)摩材料為12CrNi3A。將銅鎳錫合金加工成φ4.5 mm×20 mm銷試樣；將對(duì)摩材料加工成φ40 mm×8 mm盤試樣。為提高對(duì)摩材料的力學(xué)性能，保證其組織均勻性，對(duì)盤試樣進(jìn)行滲碳處理，并用砂紙打磨其接觸表面，保證其表面粗糙度Ra≤0.4 μm。

表1 銅鎳錫合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)

表2 銅鎳錫合金材料的力學(xué)性能

1.2 試驗(yàn)參數(shù)及流程

摩擦磨損試驗(yàn)在CFE-1型多功能材料表面綜合性能測(cè)試儀上進(jìn)行。我國(guó)最先進(jìn)的150HB軍用大功率柴油機(jī)的輸出功率達(dá)1 103 kW，單缸爆發(fā)壓力達(dá)到25 MPa,轉(zhuǎn)速達(dá)2 200～2 450 r/min。為了研究銅鎳錫合金的干滑動(dòng)磨損行為，結(jié)合CFE-1型多功能測(cè)試儀和實(shí)際工況需要來(lái)確定試驗(yàn)參數(shù)。文中主要探究載荷、轉(zhuǎn)速及干摩擦對(duì)銅鎳錫合金磨損行為的影響，試驗(yàn)在室溫條件進(jìn)行，選擇的載荷以25 N為間距的4個(gè)等距載荷，即25、50、75、100 N，轉(zhuǎn)速分別為200、275、350 r/min。試驗(yàn)前后分別將試樣和對(duì)摩盤用丙酮清洗干凈、烘干，用電子天平稱量磨損前后試樣的質(zhì)量。采用JSM-7200F掃描電鏡對(duì)磨損表面進(jìn)行形貌分析，采用布魯克3D光學(xué)表面輪廓儀對(duì)磨損表面進(jìn)行輪廓掃描。

2 結(jié)果與討論

2.1 摩擦因數(shù)

圖1示出了銅鎳錫合金干摩擦下平均摩擦因數(shù)隨載荷和轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。從圖1(a)可看出，載荷25 N下銅鎳錫合金的摩擦因數(shù)明顯高于其他載荷情況，這是由于接觸載荷較低時(shí)兩接觸表面凸起的粗糙峰直接接觸，外界載荷不足以將其壓潰；轉(zhuǎn)速為200、350 r/min時(shí)，25 N之后銅鎳錫合金的摩擦因數(shù)變化規(guī)律為先減小后增大再減小，在50 N時(shí)摩擦因數(shù)出現(xiàn)最小值，75 N時(shí)出現(xiàn)摩擦因數(shù)最大值。而轉(zhuǎn)速為275 r/min時(shí)，摩擦因數(shù)隨載荷增加一直減小是由于磨屑排除效率與生成效率形成動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程，形成類似滾動(dòng)磨損，因此摩擦因數(shù)不斷減小。

圖1(b)示出了轉(zhuǎn)速對(duì)銅鎳錫合金平均摩擦因數(shù)的影響?？梢钥闯?，隨著轉(zhuǎn)速的增大，銅鎳錫材料干摩擦的平均摩擦因數(shù)總體呈先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)轉(zhuǎn)速為275 r/min時(shí)，銅鎳錫合金出現(xiàn)平均摩擦因數(shù)最大值。這是由于剛開(kāi)始摩擦?xí)r，2個(gè)接觸面的微凸體接觸，當(dāng)轉(zhuǎn)速和載荷增大時(shí)，微凸體之間會(huì)發(fā)生嚙合、嵌入。隨著法向載荷的增加，相對(duì)較軟的摩擦副被較硬的微凸體嵌入越深，摩擦力也增大，相應(yīng)的摩擦因數(shù)變大，較硬的微凸體對(duì)較軟的材料產(chǎn)生了不同程度的犁溝作用和塑性作用。同時(shí)在摩擦過(guò)程中，瞬間的高溫會(huì)使黏著點(diǎn)形成-破壞-形成循環(huán)交替，從而使磨損加劇，摩擦因數(shù)出現(xiàn)最大值。轉(zhuǎn)速增大時(shí)，材料會(huì)出現(xiàn)表面硬化并且內(nèi)部結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生改變；同時(shí)，磨屑的剝落形成機(jī)械混合層，因而摩擦力減小，摩擦因數(shù)減小，最后達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。

圖1 載荷和轉(zhuǎn)速對(duì)銅鎳錫合金平均摩擦因數(shù)的影響

2.2 磨損量

圖2所示為轉(zhuǎn)速和載荷對(duì)銅鎳錫合金磨損量的影響規(guī)律。從圖2(a)可看出，在不同滑動(dòng)速度下，磨損質(zhì)量損失總體上都隨著載荷的增大而呈增大趨勢(shì)。其中在載荷較低時(shí)，磨損質(zhì)量損失先隨著載荷的增大而增大，這是由于在摩擦過(guò)程中較硬的材料表面粗糙峰發(fā)生脆性斷裂形成磨屑，較軟的表面塑性變形出現(xiàn)分層、片狀磨屑，因而磨損量增大；當(dāng)載荷為50～75 N時(shí)，磨損質(zhì)量相對(duì)穩(wěn)定，有減小的趨勢(shì)，這可能是由于摩擦熱的產(chǎn)生，促使摩擦表面的化學(xué)反應(yīng)和分子之間的吸引力加強(qiáng)，形成機(jī)械混合層，起到了減少摩擦的作用；75 N之后磨損質(zhì)量損失隨著載荷的增大而增大，這可能是由于超過(guò)一定載荷時(shí)，可能會(huì)發(fā)生大面積的塑性變形，溫度的進(jìn)一步升高，導(dǎo)致大積的磨屑產(chǎn)生，因而磨損量增大。當(dāng)載荷為100 N時(shí)，磨損質(zhì)量損失極大，超過(guò)其他載荷的40%。

從圖2(b)可看出，隨著轉(zhuǎn)速的增大，銅鎳錫合金磨損量在較大轉(zhuǎn)速工況下保持穩(wěn)定。因此，銅鎳錫合金干摩擦?xí)r在較高的轉(zhuǎn)速下的抗磨性能更好。

圖2 載荷和轉(zhuǎn)速對(duì)銅鎳錫合金磨損質(zhì)量損失的影響

2.3 磨面的物相分析

圖3、4、5分別給出了轉(zhuǎn)速為350 r/min時(shí)不同載荷條件下銅鎳錫合金試件的磨損表面形貌、成分分析和三維輪廓圖。從圖3(a)可以觀測(cè)到，在25 N載荷下磨損表面沿著滑動(dòng)方向有犁溝和輕微塑性變形，磨面上磨屑顆粒不均勻，此時(shí)為輕微的磨粒磨損。對(duì)圖3(a)中#2處進(jìn)行成分分析，可見(jiàn)磨屑中存在微量O元素，如圖4(a)所示，說(shuō)明磨粒磨損伴隨輕微的氧化磨損。由圖5(a)所示三維輪廓可知，25 N載荷下磨損表面平整，劃痕均勻，磨損輕微。

從圖3(b)可以觀測(cè)到，在50 N載荷下磨損表面劃痕加深、變形嚴(yán)重，整個(gè)磨損表面磨屑粒子變多，基體大部分被覆蓋，磨損表面出現(xiàn)輕微的剝層現(xiàn)象，同時(shí)伴隨黏著痕跡。對(duì)圖3(b)中#1和#2處進(jìn)行成分分析，可知此時(shí)磨損表面和磨屑處均含有大量O元素，如圖4(b)所示，說(shuō)明此時(shí)發(fā)生氧化反應(yīng)，在其表面生成了氧化物保護(hù)層。氧化物層的出現(xiàn)對(duì)基體產(chǎn)生保護(hù)作用，增強(qiáng)了抗磨性，降低了摩擦因數(shù)，減小了磨損量。但在載荷的作用下，局部氧化層會(huì)發(fā)生破裂，失去減磨效果，產(chǎn)生的磨屑，不斷被碾壓、研磨，附著在磨損表面上，此時(shí)磨損機(jī)制為氧化磨損。由圖5(b)所示三維輪廓可以看出，在氧化層的作用下，摩擦表面磨損比較均勻。

圖3 不同載荷下銅鎳錫合金的磨損表面形貌(350 r/min)

圖4 不同載荷下銅鎳錫合金典型區(qū)域的EDS圖譜(350 r/min)

從圖3(c)可以觀測(cè)到，在75 N載荷下磨損表面出現(xiàn)剝層現(xiàn)象，并伴隨熔融點(diǎn)出現(xiàn)；同時(shí)可看到磨損表面存在黑色長(zhǎng)條狀的熔融區(qū)，在摩擦表面有黏著坑，這是由于隨著載荷的增加，摩擦持續(xù)形成高溫，使得部分材料在溫度的作用下發(fā)生熔融現(xiàn)象，摩擦過(guò)程中材料之間撕裂生成黏著坑。同時(shí)，塑性變形加大，磨屑被擠壓，在載荷持續(xù)的作用下出現(xiàn)黏著剝落。剝落后新生的表面重復(fù)這一過(guò)程，周而復(fù)始，使得摩擦表面有剝層掉落形成的坑，此時(shí)的磨損機(jī)制為剝層磨損，材料磨損量較大。對(duì)圖3(c)中未剝落表面#1處和剝落表面#2處進(jìn)行成分分析，發(fā)現(xiàn)兩處元素含量基本一致，兩處均有O元素且剝層處的O元素含量相對(duì)更高，如圖4(c)所示。由圖5(c)所示三維輪廓可知，此時(shí)摩擦表面的劃痕加深加寬，犁溝加深，磨損加劇。

從圖3(d)可以看出，在100 N載荷下摩擦表面出現(xiàn)剝層現(xiàn)象，剝層面積增大，摩擦表面變得更加粗糙，過(guò)大的載荷和溫度使得摩擦表面產(chǎn)生膠合現(xiàn)象，發(fā)生黏著，主要磨損機(jī)制為黏著磨損。對(duì)圖3(d)中#1處進(jìn)行成分分析，發(fā)現(xiàn)摩擦表面含有較多的O元素，如圖4(d)所示，這表明同時(shí)存氧化磨損。由圖5(d)所示三維輪廓可以看出，磨損表面有不規(guī)則的黏著坑和麻點(diǎn)，這是疲勞磨損的特征[13]，磨損加劇。

綜上可知，在轉(zhuǎn)速350 r/min下，25 N時(shí)沿著滑動(dòng)方向有犁溝和輕微塑性變形，此時(shí)為輕微的磨粒磨損；50 N時(shí)磨損表面劃痕加深、變形嚴(yán)重，出現(xiàn)輕微的剝層現(xiàn)象，同時(shí)伴隨輕微黏著痕跡；75 N時(shí)材料之間撕裂生成黏著坑，同時(shí)塑性變形加大，磨屑被擠壓，在載荷持續(xù)的作用下出現(xiàn)黏著剝落；100 N時(shí)磨損表面有不規(guī)則的黏著坑和麻點(diǎn)，出現(xiàn)疲勞磨損。因此銅鎳錫合金隨著載荷的增大其磨損機(jī)制為從輕微塑性變形的磨粒磨損到伴隨輕微氧化的剝層磨損到黏著磨損，最后發(fā)生嚴(yán)重黏著和疲勞磨損。

圖6、7、8分別給出了載荷為75 N時(shí)，不同轉(zhuǎn)速下銅鎳錫合金的磨損表面形貌、成分分析及三維輪廓圖。從圖6(a)可以看到，200 r/min轉(zhuǎn)速下摩擦表面沿滑動(dòng)方向有輕微的滑移、塑性變形和微量磨屑，說(shuō)明此時(shí)為磨粒磨損。對(duì)圖6(a)中#2處進(jìn)行成分分析，發(fā)現(xiàn)磨屑中含有O元素，如圖7(a)所示，說(shuō)明磨屑微粒發(fā)生了氧化反應(yīng)。由圖8(a)所示三維輪廓圖可知，銅鎳錫合金表面磨損均勻。

圖6 不同轉(zhuǎn)速下銅鎳錫合金的磨損表面形貌(75 N)

圖7 不同轉(zhuǎn)速下銅鎳錫合金的典型區(qū)域EDS圖譜(75 N)

圖8 不同轉(zhuǎn)速下銅鎳錫合金的三維輪廓(75 N)

從圖6(b)可以看到，275 r/min轉(zhuǎn)速下摩擦表面有溝槽和黏著痕跡，出現(xiàn)磨斑和黏著點(diǎn)，這是因?yàn)槟Σ林挟a(chǎn)生的熱量使材料亞表層軟化，在剪切力的作用下發(fā)生了亞表層的滑移或表層的斷裂，產(chǎn)生了黏著現(xiàn)象，此時(shí)磨損形式為黏著磨損。對(duì)圖6(b)中#1處進(jìn)行成分分析，發(fā)現(xiàn)此處含有較多的C元素，摩擦表面生成一層黑色的氧化物，如圖7(b)所示，這些氧化物有潤(rùn)滑作用，減小了磨損。通過(guò)圖8(b)所示三維形貌可以觀察到摩擦表面出現(xiàn)深坑，黏著現(xiàn)象明顯。

由圖6(c)可知，350 r/min轉(zhuǎn)速下磨損表面存在明顯的剝層痕跡，#1和#2處出現(xiàn)黑色硬質(zhì)顆粒。且圖8(c)中，紅色和綠色區(qū)域分界明顯，證實(shí)前文對(duì)于剝層磨損的判斷，同樣圖8(c)中，藍(lán)色區(qū)域的存在，證實(shí)存在剝層基礎(chǔ)上的磨粒磨損。說(shuō)明此時(shí)主要的磨損機(jī)制為剝層磨損且伴隨輕微的三體磨粒磨損。

綜上所述，在75 N載荷下，200 r/min時(shí)摩擦表面沿滑動(dòng)方向有輕微的滑移、塑性變形，磨損機(jī)制主要為磨粒磨損；275 r/min時(shí)產(chǎn)生了黏著現(xiàn)象，磨損形式為黏著磨損；350 r/min時(shí)，出現(xiàn)剝層掉落形成的坑，主要磨損機(jī)制是剝層磨損。因此銅鎳錫合金隨轉(zhuǎn)速增加的磨損機(jī)制為磨粒磨損到黏著磨損到最后的剝層磨損。

2.4 討論

在銅鎳錫合金摩擦過(guò)程中，金屬磨損表面和亞表面會(huì)發(fā)生塑性變形，表面接觸點(diǎn)與對(duì)摩盤表面產(chǎn)生黏著和擠壓。在合金表面、亞表面和對(duì)摩件表面不斷的擠壓、咬合、黏著、二次成形中，形成了磨屑顆粒和相對(duì)較軟部分基體材料的轉(zhuǎn)移。有的磨屑被擠出磨損表面，有的形成三體摩擦系統(tǒng)；摩擦系統(tǒng)中的磨屑還會(huì)與空氣環(huán)境中的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，在磨損表面形成氧化物保護(hù)層。沒(méi)有排出摩擦系統(tǒng)的磨屑中，較硬的磨屑氧化物顆粒在載荷作用下，會(huì)在摩擦表面上沿著滑動(dòng)方向刻劃出深淺不一的溝壑，即為犁溝，導(dǎo)致不同程度的磨粒磨損。而絕大多數(shù)的磨屑顆粒會(huì)進(jìn)入磨痕的犁溝坑或黏著坑，這樣會(huì)產(chǎn)生一定的承載作用[14]。在載荷擠壓下金屬氧化物磨屑和基體材料以及未完全氧化的合金磨顆粒擠壓成行，形成機(jī)械混合保護(hù)層，也俗稱摩擦層。因此，在不同的實(shí)驗(yàn)條件下摩擦表面上均會(huì)形成一層摩擦層。

STADLER等[15]指出在摩擦過(guò)程中，摩擦層分為轉(zhuǎn)移層、機(jī)械混合層和復(fù)合材料層，并指出機(jī)械混合層對(duì)減緩磨損具有一定的作用。因此，銅鎳錫合金摩擦表面上的摩擦層對(duì)磨損行為和磨損量的影響取決于摩擦層的特性。在275 r/min速度之內(nèi)，滑動(dòng)速度增加，磨損表面溫度會(huì)持續(xù)升高，提供了氧化反應(yīng)所需的溫度條件，并且高溫下材料軟化，塑性增強(qiáng)。這將共同作用，形成不同特性的摩擦層。隨著轉(zhuǎn)速增大，氧化反應(yīng)加劇，氧化物增多，摩擦層硬度上升，減磨效果增強(qiáng)。隨著不斷地摩擦生熱，溫度持續(xù)上升，塑性變形程度加劇，摩擦表層的反應(yīng)速率大于位錯(cuò)滑移率[16]，導(dǎo)致摩擦層中裂紋萌生、擴(kuò)大、剝落，使得氧化物含量會(huì)減少，但是仍然會(huì)有一定的減磨作用。當(dāng)速度達(dá)到350 r/min時(shí)，載荷作用下，整塊氧化物摩擦層脫落。

3 結(jié)論

(1)載荷和轉(zhuǎn)速對(duì)銅鎳錫合金材料的摩擦磨損特性有顯著的影響，在轉(zhuǎn)速一定時(shí)，平均摩擦因數(shù)隨載荷增大總體呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，銅鎳錫合金試件磨損量先緩慢增加，在較高載荷下快速增加；在載荷一定時(shí)，平均摩擦因數(shù)隨轉(zhuǎn)速增大先增大后減小，銅鎳錫合金試件磨損量總體呈先減小后增大趨勢(shì)。

(2)隨著載荷的增大，銅鎳錫合金的磨損機(jī)制由輕微黏著和剝層磨損到明顯的黏著和剝層磨損，再到嚴(yán)重的黏著和疲勞磨損，隨著轉(zhuǎn)速的增大，銅鎳錫合金的磨損機(jī)制由磨粒磨損轉(zhuǎn)變?yōu)轲ぶp再到剝層磨損。

(3)在較低載荷下，隨著轉(zhuǎn)速的增大，銅鎳錫合金摩擦磨損性能保持很好的穩(wěn)定性，因此銅鎳錫合金適用在高轉(zhuǎn)速較低載荷的干摩擦工況下。