尹相春， 任靖日

( 延边大学 工学院， 吉林 延吉 133002 )

镁合金具有密度低、比强度高等优点，广泛应用于汽车、航空等工业领域[1].用镁合金制作的零部件在实际应用过程中，因与其他部件的摩擦，会使其表面光洁度降低，零件尺寸缩小，甚至还会使其结构失效[2]；因此，研究镁合金摩擦性能对镁合金摩擦性能的提高及其应用具有重大的意义.目前，有关镁合金摩擦磨损性能的研究主要是针对AZ系列镁合金进行的.例如：El-Morsy等通过研究AZ61镁合金的摩擦磨损性能，将AZ61镁合金的磨损机制分为轻微磨损和严重磨损两类[3].An等研究了Mg97Zn1Y2和AZ91镁合金的摩擦磨损性能，将摩擦磨损的过程分为5种磨损机理：氧化、擦伤、剥层、热软化和熔融[4].赵旭等研究了载荷和时间对AZ31镁合金磨损性能的影响，结果表明在不同的载荷下，质量磨损量随时间的增加呈现线性增长，载荷越大磨损失重越严重[5].ZM6镁合金具有蠕变性能高、耐高温等优异性能，应用广泛.但是，目前对它的研究主要集中在晶粒的细化等方面，而对其摩擦性能研究得较少.因此，本文以ZM6镁合金止推圈摩擦副为研究对象，以粗糙度、转速和载荷为参数，通过正交试验研究不同的参数对摩擦系数的影响.

1 试验设计

1.1 试验材料与方法

试验材料为铸造稀土镁合金ZM6，其力学性能如表1所示.将加工好的试件用砂纸打磨，试验前后用装有无水乙醇的超声波清洗机进行清洗并用烘干机烘干.按照正交试验设计方法设计试验方案，并在室温条件下采用MMW1-A万能摩擦磨损试验机进行干式滑动摩擦磨损试验.

表1 ZM6镁合金的力学性能

1.2 正交试验设计

1.2.1制定因素水平表 在干摩擦条件下，选取粗糙度、转速和载荷作为正交试验的因素(用字母A、B、C表示).根据实际情况，每个因素取3个水平.因素水平表如表2所示.

表2 试验因素水平表

1.2.2试验方案 在进行正交试验的过程中，由于每个因素的水平数搭配是均衡的，所以在不影响试验结果的前提下尽量减少试验次数[6].因本试验是三因素三水平且彼此间有交互作用的(A×B、A×C、B×C)，因此选用L27(313)型正交表.试验进行27次，每次的试验结果取平均值，并将其作为一个试验指标.正交试验方案和试验结果如表3所示.表3中Ki表示任意一列上水平号为i时对应的试验结果之和[7].

2 试验结果及分析

2.1 方差分析

为了确定各因素对摩擦系数影响的显著程度，对试验数据进行有交互作用的方差分析.利用F检验法对粗糙度、转速和载荷进行显著性检验，方差分析结果如表4所示.表4中SS为因素的离差平方和，df为自由度数，MS为均方(MS=SS/

df)，F为试验结果的显著性检验值(F=MS/MSe)，Fa为F分布表中的临界值.显著性水平a取0.95，查表可知F0.95(2，26)=0.051、F0.95(4，26)=0.174.从表4中的F值可以看出，各因素对摩擦系数影响的排列次序(F值越大表示影响试验结果越大)为(A×C)>A>(A×B)>(B×C)>B>C， 所以各因素影响试验结果的权重顺序依次为粗糙度、转速、载荷.

为了确定最优实验方案，对不同因素(A、B、C)水平进行搭配，结果如表5所示.从表5可以看出， A与B搭配时最优组合为A1B2， B与C搭配时最优组合为B3C1， A与C搭配时最优组合为A1C1.因为在摩擦磨损过程中摩擦系数应取较小的值，因此本文确定最优方案组合为A1B2C1.

2.2 载荷对摩擦系数的影响

由图1可以看出，转速为30 r/min时，摩擦系数随着载荷的增加而增加.这是因为增加载荷使得粗糙峰发生形变，摩擦副间的接触面积增大，从而使摩擦系数变大.转速为45 r/min时，摩擦系数随着载荷的增加出现先减小后增大的现象.摩擦系数先减小的原因是，载荷相对较低时ZM6镁合金摩擦副表面间的粗糙度得到改善，并且磨损表面发生氧化反应生成氧化膜；摩擦系数增加的原因是，随着载荷的增加ZM6镁合金摩擦副表面温度升高，使得表明硬度降低并发生黏着磨损，同时生成的氧化膜被破坏.转速为60 r/min时，摩擦系数随着载荷的增加而减小.这是因为载荷的增加和速度的提高易使试件发生塑性形变，所以摩擦系数减小.

表3 正交试验方案和试验结果

表4 方差分析结果

表5 不同因素水平搭配的结果

图1 载荷与摩擦系数的关系

2.3 转速对摩擦系数的影响

由图2可以看出，载荷为35 N时，摩擦系数随着转速的增大出现先增大后减小的现象.摩擦系数先变大的原因是，随着转速的增大滑动的距离也增大，磨损表面产生较多的镁合金颗粒并发生磨粒磨损和黏着磨损；摩擦系数变小的原因是，随着转速的提高，磨损表面产生的摩擦热增高，促进了氧化膜的生成.载荷为50 N时，摩擦系数随着转速的增大而增大，这是因为摩擦副表面间发生了磨粒磨损和黏着磨损.载荷为65 N时，摩擦系数随着转速的增大逐渐减小，这是因为随着转速的增大摩擦副表面温度升高，使试件发生塑性形变，同时加快了氧化膜的生成.

图2 转速与摩擦系数的关系

2.4 粗糙度对摩擦系数的影响

由图3可以看出，转速为30 r/min和45 r/min时，摩擦系数随着粗糙度的增大出现先减小后增大的现象.摩擦系数先减小的原因是，粗糙度较小时摩擦副之间的接触面积较大，运动产生的摩擦热使摩擦表面生成氧化膜；摩擦系数增大的原因是，粗糙度增大时运动过程中产生的镁合金磨屑颗粒增多，使得磨损增大.转速为60 r/min时，摩擦系数随着粗糙度的增大出现先增大后减小的现象.摩擦系数增大的原因是，摩擦初期产生的磨屑颗粒较多；摩擦系数减小的原因是，随着粗糙度的增大摩擦副表面粗糙度得到了改善，并且促进了磨损表面氧化膜的生成.

图3 粗糙度与摩擦系数的关系

3 结论

本文研究表明，影响ZM6镁合金摩擦系数的因素大小顺序为粗糙度、转速、载荷，试验最优方案为A1B2C1.转速为30 r/min时，摩擦系数随着载荷的增加而增大，随着粗糙度的增大先减小后增大；转速为45 r/min时，摩擦系数随着载荷和粗糙度的增大均先减小后增大；转速为60 r/min时，摩擦系数随着载荷的增加而减小，随着粗糙度的增大先增大后减小；载荷为35 N时，摩擦系数随着转速的增大先增大后减小；载荷为50 N时，摩擦系数随着转速的增大而增大；载荷为65 N时，摩擦系数随着转速的增大逐渐减小.本文在研究中仅考虑了粗糙度、转速和载荷3个因素对ZM6镁合金摩擦性能的影响，而对温度、硬度等其他因素未能进行研究，因此在今后的研究中我们将充分考虑各种因素的影响，以完善本文研究方案.