温度对镁合金微动磨损行为影响研究.pdf 7页

'中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn#温度对镁合金微动磨损行为影响研究**王梦婕，万幸芝，彭金方，蔡振兵，朱旻昊（西南交通大学摩擦学研究所，成都，610031）5摘要：采用球-平面接触方式,研究AZ31B镁合金在20℃和300℃、不同法向载荷和位移幅值参数下的微动磨损行为，采用光学显微镜和白光干涉仪分析了微动磨损表面形貌和磨损体积。结果表明：AZ31B镁合金在两种温度下的微动磨损均出现三种运行区域：部分滑移区、混合区和滑移区。温度不改变微动运行区域。磨痕面积和磨损体积随温度和位移幅值的增加10而增大；在滑移区磨损最为严重，发生氧化磨损，且在300℃时接触界面还会发生材料转移。在部分滑移区和混合区，摩擦系数随着位移幅值的增加而增大，随法向载荷的增加而减小；在滑移区，摩擦系数没有出现明显的稳定阶段，法向载荷的影响较小。温度的升高将导致摩擦系数在上升阶段的增长速率加快，峰值增大。关键词：AZ31B镁合金；微动磨损；高温；15中图分类号：TH117.1ResearchoftheinfluenceofthefrettingwearbehaviorofmagnesiumalloyinducedbytemperatureWANGMengjie,WANXingzhi,PENGJinfang,CAIZhenbin,ZHUMinhao20(TribologyResearchInstitute,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031)Abstract:ThefrettingwearofAZ31BmagnesiumalloyflatsagainstGCr15steelballwereinvestigatedundertwotemperature（20℃and300℃）,variednormalloadanddisplacementamplitudes.Thefrettingwornsurfaceswereobservedbymeansofopticalmicroscope(OM)andWhiteLightInterferometer(WLI).TheresultsrevealedthatthefrettingregimesoftheAZ31Bmagnesiumalloy25werestronglydependentupontheimposednormalloadsanddisplacementamplitudes,butthetemperaturehadnoeffectonthefrettingregimes.Thedynamicprocessoffrettingwearmightbeoutlinedasthreerunningregimes:thepartialslipregime(PSR),themixedfrettingregime(MFR)andtheslipregime(SR).Thewearareaandthewearvolumeincreasedwithincreasingtemperatureanddisplacementamplitude;intheslipregime,wearwasthemostserious,andoxidativewearandmaterial30transferoccurredbetweenthecontactsurface.Inthepartialslipregimeandthemixedfrettingregime,thefrictioncoefficientincreasedastheamplitudeofthedisplacementincreased,andthefrictioncoefficientdecreasedasthenormalloadincreased.Intheslipregime,thefrictioncoefficientdidnotshowasignificantstabilizationphase,sotheeffectofnormalloadwasinsignificant.Theincreaseoftemperatureleadstotherateofthefrictioncoefficientontherisingstageincreasingandthepeak35rising.Keywords:AZ31Bmagnesiumalloy;frettingwear;Hightemperature0引言[1]40镁合金的制备和加工工艺的进步极大地促进了镁合金在工业领域的应用。目前镁的应用领域主要在汽车工业、航天航空工业、家用电器、军工企业和3C行业等方面。据估计，通过应用镁技术，每年平均每辆新车每公里产生156克二氧化碳可以减少到70克二氧化碳[2]。为了减轻车重，从而降低能耗和尾气排放量，实现汽车轻量化的目标，镁合金在汽车行业的使用比重大幅提高，主要是一些铸件和压铸件，如燃油泵、气缸盖、齿轮箱、仪表盘、基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金（20130184110012）作者简介：王梦婕（1994-），女，硕士，碳纤维微动磨损通信联系人：朱旻昊(1968-),男,教授、博导，主要研究微动磨损和润滑.E-mail:zhuminhao@swjtu.cn-1- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn[3,4]45转向支架、座椅框架、汽车轮毂等等。早在1920年飞机螺旋桨由镁合金锻件制造，随后镁合金部件不断被开发出来，如起落轮、整流包皮和蒙皮、驾驶舱舱罩的框架、发动机箱体、[5,6]直升机主齿轮箱、双臂曲轴等。在军事工业领域中镁合金主要用于制造炮车车轮、坦克[7]枪枪架、探照灯灯壳等。在数码电子行业，随着计算机的快速发展和数字化技术的进步，镁合金比重小，比强度高，比刚度高等特点能够满足电子外壳轻便、受力小的要求，而且其[8,9]50具有优良的导热性、电磁屏蔽能力、减震性和便于回收的特点，使其越来越受欢迎。其中汽车领域的发动机壳体的工作温度为120~205℃，油底盘、进歧管的工作温度130~150℃，[10]飞机发动机、齿轮箱工作温度高达160℃，以及导弹的部分镁合金部件温度接近300℃，因此研究高温环境下零部件服役情况尤为重要。同时在实际工况下，汽车飞机部件均处于噪[11,12]音和振动工作环境中，容易发生微动损伤。为此，我们考察了不同温度下AZ31B镁合55金的微动磨损行为,并结合第三体理论探讨了其微动磨损机理,期望为其在汽车工业中的抗微动磨损应用提供实验依据。1试验材料与方法选用轧制成型的AZ31B变形镁合金板材，线切割加工尺寸为10mm×15mm×4mm，其接触表面经过砂纸粗磨和0.25μm金刚石颗粒抛光至粗糙度为0.02μm。对磨材料选用直径为6010mm的GCr15轴承钢球。其具体成分与性能见表1和表2。试验参数：温度（20℃和300℃）、载荷（4、8、12和16N）、位移幅值（10、20和40μm）、频率2.5Hz和循环周期2000次。试验前，球试样和平面试样均经酒精超声波清洗。试验结束后，采用光学显微镜（OM，Olympus-BX60M型）观察磨痕形貌；采用Bruker白光干涉仪测量磨痕三维形貌和测量磨损体积。65表1AZ31B镁合金和GCr15钢球的化学成分（wt%）Tab.1ThechemicalcomponentofAZ31BmagnesiumalloyandGCr15steelball材料MgAlZnMnCuNiFeSiCrCVPAZ31B余量3.10.80.320.010.0010.003-----GCr15---0.3-0.2余量0.251.50.950.15≤0.02表2AZ31B镁合金和GCr15钢球的主要机械性能Tab.1ThemainmechanicalpropertiesofAZ31BmagnesiumalloyandGCr15steelball材料MgAlZnMnCuNiFeSiCrCVPAZ31B余量3.10.80.320.010.0010.003-----GCr15---0.3-0.2余量0.251.50.950.15≤0.02702试验结果与讨论2.1Ft-D曲线在微动磨损研究中，Ft-D曲线是最基本和最重要的信息，它反应了两接触体接触表面间的动态特性。图1示出了AZ31B镁合金在20℃和300℃时，载荷为16N，位移幅值为10μm、20μm和40μm条件下，Ft-D曲线的变化过程。从图1可知，在循环次数为10时，Ft-D曲线75均处于平行四边形，由于表面污染膜存在，两接触表面发生相对滑移，产生微动损伤，随着循环次数的增加，在不同位移幅值条件下Ft-D曲线均发生变化。当位移幅值D=10μm时，-2- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cnFt-D曲线由平行四边形逐渐转变为封闭的直线状，这时微动处于部分滑移区，其位移主要由材料接触表面的弹性变形来协调，磨痕的中心区域处于粘着状态。当位移幅值D=40μm时，Ft-D曲线一直是平行四边形，随着循环次数的增加，摩擦力变大，曲线面积增加，此80时微动运行于滑移区。当位移幅值D=20μm时，Ft-D曲线由平行四边形逐渐接近于椭圆形，介于直线与平行四边形之间，位移主要由接触表面的弹性和塑性变形共同协调，此时微动运行于混合区。由此可知，随着位移幅值的增加，AZ31B镁合金与GCr15钢球的微动运行区域由部分滑移区向混合区和滑移区转变。由图可知，在相同参数条件下，温度不改变微动运行区域。85(a)10μm(b)20μm90(c)40μm图1在20℃和300℃不同位移幅值条件下的Ft-D演变曲线，Fn=16NFig.1Ft-Dcurveunderdifferentdisplacementamplitudeat20℃and300℃，Fn=16N位移幅值和法向载荷是影响两物体微动接触状态的最基本的因素。通过固定其他工况条件（f=2.5Hz，T=20℃，N=2000次），在位移幅值和法向载荷之间布点，经过大量微动试验，95分析Ft-D曲线演变规律，得到AZ31B在20℃时的微动运行工况图，如图2所示。AZ31B镁合金在20℃时的运行工况图由部分滑移区、混合区和滑移区共同组成。随着载荷的增加，混合区逐渐扩大。当位移幅值一定时，载荷减小导致表面接触应力减小，使微动运行区域由部分滑移区、混合区向滑移区转变。当载荷一定时，位移幅值的增加促进两接触材料的相对滑移，将使微动运行区域由部分滑移区、混合区向滑移区转变。-3- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn100图2AZ31B镁合金在20℃时运行工况微动图Fig.2TherunningconditionfrettingmapofAZ31Bmagnesiumalloyat20℃2.2摩擦系数曲线图3所示为当载荷一定，位移幅值变化时，摩擦系数随循环次数的变化曲线图。AZ31B105镁合金与GCr15钢球的切向微动摩擦系数主要分为5个阶段：跑合阶段、上升阶段、峰值、下降阶段和稳定阶段。跑合期的摩擦系数较小，主要跟表面污染膜的存在有关。随着表面污染膜被剪切挤压去除后，实际接触面积不断上升，摩擦系数快速上升进入上升阶段。由于磨屑不断产生，形成第三体，摩擦系数从峰值下降。最终磨屑的产生与排出达到动态平衡，摩擦系数进入稳定阶段。位移与载荷将直接影响微动接触状态。当接触状态不同时，摩擦系数110随循环周期的变化曲线呈现不同的规律。当微动运行于部分滑移区和混合区时，摩擦系数随着位移幅值的增加而增大，且摩擦系数主要分为3个阶段：跑合阶段、上升阶段和稳定阶段。当微动运行于滑移区时，摩擦系数在循环到500次后，波动较大。(a)Fn=8N(b)Fn=16N115图3AZ31B镁合金在20℃时不同位移幅值的摩擦系数曲线Fig.3Thefrictiomcoefficientcurveunderdifferentdisplacementamplitudeat20℃图4所示为当温度为20℃，位移幅值一定时，载荷变化时，摩擦系数随循环次数的变化曲线图。当位移幅值为20μm时，微动运行区域均处于部分滑移区和混合区，摩擦系数随着载荷的增加而减小，如图4(a)。当载荷为4N、8N和12N时，摩擦系数曲线呈现跑合期、120上升阶段、峰值、下降阶段和稳定阶段等五个阶段。当位移幅值为40μm时，微动运行区域均处于滑移区，摩擦系数随循环次数变化趋势相近，不出现明显的下降阶段和稳定阶段，且峰值均处于0.3~0.45范围内，如图4（b）。由此说明在部分滑移区和滑移区内，载荷对摩擦系数值影响较大，而在滑移区内，载荷对摩擦系数影响较小。-4- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn125(a)D=20μm(b)D=40μm图4AZ31B镁合金在20℃时不同载荷的摩擦系数曲线Fig.4Thefrictioncoefficientcurveunderdifferentloadsat20℃图5所示为在不同运行区域内，摩擦系数随循环次数的变化曲线图。由图1(b)可知，在位移幅值为20μm时，微动运行均于混合区，200℃条件下摩擦系数的稳定值最大，切向微130动摩擦系数主要由跑合阶段、上升阶段和稳定阶段等3个阶段组成，而温度对摩擦系数的影响较小。当位移幅值达到45μm时，微动均运行于滑移区，摩擦系数曲线主要分为5个阶段：跑合阶段、上升阶段、峰值、下降阶段和稳定阶段，而温度主要影响摩擦系数的上升阶段、峰值。温度升高，摩擦系数增大速率加快，峰值增大。135(a)混合区(b)滑移区图5AZ31B镁合金在不同微动运行区域时温度对摩擦系数曲线的影响Fig.5Theeffectoftemperatureonthefrictioncoefficientcurveatdifferentfrettingregime2.3磨痕形貌在Fn=16N，D=10μm，T=20℃和300℃时，Ft-D曲线处于直线状。由图6(a)所示，磨痕140中心处于粘着状态，而磨痕边缘出现微滑，有少量黑色磨屑附着，呈现典型的微动环特征。温度升高，使部分滑移区的接触面积增加，主要是由于高温造成了材料的软化。在Fn=16N，D=20μm，T=20℃和300℃时，Ft-D曲线由平行四边形向椭圆转变。由图6(b)所示，混合区的微动损伤形貌主要由边缘环的微滑区和中心带损伤的粘着区组成，微滑区域相比于部分滑移区宽，且温度升高磨痕面积增大。在混合区中，位移主要由弹性变形和塑性变形共同作用。145在20℃时磨痕中心区域发生粘着，有少许擦伤，边缘被黑色磨屑覆盖。在300℃时磨痕中心附着小的磨屑块，边缘的发磨屑层中出现黄褐色，推测磨痕边缘存在氧化铁。在Fn=16N，D=40μm，T=20℃和300℃时，Ft-D曲线一直处于平行四边形。由图6(c)所示，滑移区的微动损伤形貌主要是表面磨损。在20℃时磨痕表面附着大量的黑色磨屑，中心磨屑层不断被碾压与粘着，较为光滑。在300℃时磨痕表面的黑色磨屑中含有黄褐色，推测高温促进GCr15-5- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn150钢球中的铁转移至AZ31B镁合金磨痕表面，形成氧化铁和氧化镁混合物磨屑层。(a)D=10μm(b)D=20μm(c)D=30μm图620℃与300℃条件下不同位移幅值的磨痕形貌Fig.6Wearscarunderdifferentdisplacementamplitudeat20℃and300℃1552.4磨损体积及磨痕轮廓图7所示为AZ31B镁合金在20℃和300℃时磨痕轮廓及磨损体积。在不同位移幅值条件下，在300℃时AZ31B镁合金三个微动区的磨痕深度和磨损体积均分别大于20℃条件下磨痕深度和磨损体积。磨损体积随着位移幅值的增大而增加。当位移为40μm时，微动处于66滑移区，磨损体积达到3×10μm以上。当位移幅值为10μm时，变形处于弹性形变过程，160微动运行于部分滑移区，损伤轻微。当位移幅值达到20μm时，微动运行于混合区，磨痕边缘出现凹坑，呈现“W”型，微动损伤增加。当位移幅值达到40μm时，微动进入滑移区，磨痕轮廓的深度和宽度显著增加，损伤严重。(a)T=20℃(b)磨损体积(c)T=300℃165图7AZ31B镁合金在20℃和300℃时磨痕轮廓及磨损体积,Fn=16NFig.7wearscarandwearvolumesat20℃and300℃,Fn=16N3结论（1）在两种温度下，AZ31B镁合金微动运行区域均呈现出部分滑移区、混合区和滑移区。随着位移幅值的增加，微动运行区域由部分滑移区向混合区和滑移区转变。在相同参数170条件下，温度不改变微动运行区域。（2）在部分滑移区和混合区内，载荷对摩擦系数值影响较大，但是在滑移区内，摩擦系数曲线没有明显的稳定阶段，载荷对其影响较小。而温度升高，摩擦系数在上升阶段的增大速率加快，峰值增大。-6- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn（3）随着位移幅值的增大，AZ31B镁合金磨损体积增加，在滑移区磨损最为严重，接175触表面出现大量黑色磨屑。在不同位移幅值条件下，在300℃时AZ31B镁合金三个微动区的磨痕深度和磨损体积均分别大于20℃条件下磨痕深度和磨损体积。致谢感谢高等学校博士学科点专项科研基金（20130184110012）对本研究的资助。[参考文献](References)180[1]SONGJF,PANFSH,JIANGB.Areviewonhottearingofmagnesiumalloys[J].JournalofMagnesiumandAlloys,2016,(4):151-172.[2]DSMehta,SHMasood,SONGWQ.Investigationofwearpropertiesofmagnesiumandaluminumalloysforautomotiveapplications[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,2004,155-156:1526-1531.[3]WilliamJJoost,PaulEKrajewski.Towardsmagnesiumalloysforhigh-volumeautomotiveapplications[J].185ScriptaMaterialia,2017,128:107-112.[4]刘智超,李尧,杨俊杰.镁合金相关技术研究及应用[J].江汉大学学报,2017,42(3):41-45.[5]MPekguleryuz,KKainer,AKaya.FundamentalsofMagnesiumAlloy[M].MetallurgyWoodheadPublishing,2013.[6]FrankCzerwinski.Controllingtheignitionandflammabilityofmagnesiumforaerospaceapplications[J].190CorrosionScience,2014,86:1-16.[7]陈振华.变形镁合金[M].北京：化学工业出版社,2005:372-386.[8]王渠东,昌宜振,曾小勤,等.镁合金在电子器材壳体中的应用[J].材料导报，2000,14(6):22-27.[9]DasSK,CHANGCF,RaybouldD,KingJF.MagnesiumAlloysandTheirApplication[R].DGMInformationsgesellschaft,12:487,1992.195[10]陈先华,肖瑞,丁雪征,郑璇,张志华.AZ系镁合金研究现状[J].材料热处理技术,2012,41(04):14-18.[11]任平弟,陈光雄,周仲荣,等.不同水介质润滑下GCr15钢的微动磨损特性[J].摩擦学学报,2003,23(4):331-335.[12]朱旻昊,周仲荣.7075铝合金复合微动行为的研究[J].摩擦学学报,2003,23(4):320-325.-7-'