(兰州理工大学石油化工学院 甘肃兰州 730050)

微动是指两接触面间微米级振幅的相对运动，往复滑动则是振幅为毫米量级及以上的两接触面相对运动[1-2]。研究发现，保持其他参数不变，改变位移幅值，在某一位移幅值范围内，磨损系数发生突变，这个磨损系数发生突变的位移幅值范围则称为微动磨损过渡区。目前对微动磨损过渡区的研究仍存在着一些问题，如微动磨损与往复滑动磨损之间过渡的位移幅值范围，不同学者所得到的数据差异较大。学者们对不同金属材料的微动磨损过渡区进行了研究，但以钛合金为研究对象的报道不多，导致对钛合金微动磨损过渡区行为特点缺乏了解[3-7]。

钛合金因比强度高，具有良好高温热稳定性、耐腐蚀性及低温性能，在航空航天、石油化工等领域应用广泛。但钛合金抗磨性差且对微动损伤极为敏感，严重制约了其在工业领域的应用[8-11]。目前减缓磨损的措施主要有表面技术[12-16]及油脂润滑[17-20]，针对不同磨损机制需要采用不同的减磨措施。本文作者在以GCr15为配副材料并保持其他参数不变条件下，得到了TC4合金微动磨损过渡区的范围，分析不同状态下摩擦因数演变及磨痕表面形貌特点，研究了磨损机制的变化。通过对过渡区及钛合金本身摩擦磨损性能的研究，加深了对钛合金微动磨损过渡区的认识，为合理选择减磨措施提供一定科学依据。

1 试验部分

1.1 试样制备

试验材料为φ24 mm×8 mm的TC4(Ti-6Al-4V)合金(硬度约为HV300)，其主要化学成分如表1所示，摩擦配副材料为φ10 mm的GCr15钢球(硬度约HV680)。TC4试样用SiC金相水磨砂纸逐级研磨并使用SiO2精抛光液进行机械抛光处理，使其表面粗糙度Ra=0.03 μm。试验前分别使用无水乙醇和丙酮对其超声清洗，保证接触面洁净。用腐蚀液(氢氟酸、硝酸、蒸馏水的比例1∶3∶16)腐蚀处理大约20 s，用清水及无水乙醇清洗吹干后使用。

表1 TC4合金主要化学成分

1.2 试验设备与试验过程

试验在SRV-Ⅳ摩擦磨损试验机上进行，采用球/平面接触方式，接触面无润滑。试验在室温(25 ℃)条件下进行，相对湿度20%～25%，法向载荷100 N，位移幅值25～300 μm，微动频率50 Hz，试验时间为30 min。试验前对上下试样用乙醇溶液清洗，保证接触面洁净。试验完成后，用无水乙醇及丙酮超声清洗试样并吹干，使用三维轮廓仪测量磨损体积及磨痕表面轮廓，用QUANTA FEG 450场发射扫描电子显微镜(SEM)对磨损后的表面形貌进行观察并用能谱仪(EDS)检测磨屑成分。摩擦因数数据由计算机自动收集。

2 试验结果及分析

2.1 体积磨损量及磨损系数分析

磨损系数作为判断微动磨损过渡区的指标，一般能综合反映摩擦磨损的变化。常用的磨损系数的计算公式[3]如下：

(1)

式中：KR为磨损因数;是量纲为一的量；H为TC4合金的维氏硬度(N/mm2)；V为体积磨损量(mm3)；s为总滑动距离(mm)；F为法向载荷(N)。

试验得到的体积磨损量随位移幅值的变化曲线如图1所示。将体积磨损量数据代入式(1)，得到磨损系数随位移幅值的变化曲线，如图2所示。

图1 体积磨损量与位移幅值的关系Fig 1 Relationship between wear volume and amplitude of oscillation

图2 磨损系数与位移幅值的关系Fig 2 Relationship between wear coefficient and amplitude of oscillation

由图1可见，位移幅值100 μm前后体积磨损量增长速度不同且差距极大，可认为100 μm是一个关键的转变位移幅值。由图2可见，当位移幅值小于100 μm时，磨损系数很小并且增长缓慢；当位移幅值在100～200 μm之间时，磨损系数出现突变，急剧增加；当位移幅值大于200 μm时，磨损系数变化很小并且接近常值。往复滑动磨损的显著特征是随着位移幅值的增加，磨损系数近乎保持恒定且往复滑动磨损系数远大于微动磨损系数。结合微动磨损过渡区的定义，在文中试验条件下(法向载荷100 N，频率50 Hz，循环次数9×104次，GCr15钢球与TC4合金平面试样对磨)，微动磨损过渡区位移幅值范围是100～200 μm。

2.2 摩擦因数分析

不同位移幅值下，TC4合金与GCr15钢球对磨时的摩擦因数随时间变化曲线如图3所示。

如图3(a)所示，在微动状态下，摩擦因数在磨合阶段波动剧烈，达到稳定磨损阶段后趋于稳定，且稳定状态下的摩擦因数随着位移幅值的增加而增加。摩擦开始时，表面氧化膜被破坏，摩擦副二体接触，表面间黏着迅速增大，摩擦因数急剧上升，达到最大值后摩擦因数突降，表明接触表面局部区域被破坏(例如表面材料的剥落)。随后摩擦因数保持稳定，进入稳定摩擦磨损状态。

如图3(b)所示，当磨损进入过渡区时，摩擦因数的演变不一致，且随着位移幅值的增加，摩擦因数波动逐渐剧烈。位移幅值为100 μm时，摩擦因数曲线整体呈现出先增加后减少的趋势，这是因为由表面黏着等产生的磨屑在微动过程中形成具有良好润滑性的第三体层，减缓了黏着磨损；当位移幅值增加到125 μm时，由于黏着磨损，磨损初期摩擦因数波动剧烈，随后由于第三体层形成，摩擦因数保持稳定；位移幅值为150 μm时，由于磨粒磨损作用加剧，无法形成稳定的第三体层，摩擦因数剧烈波动，摩擦过程不稳定。

如图3(c)所示，在往复滑动状态下，摩擦因数波动更加剧烈，这是因为磨粒磨损作用增强，磨屑溢出速度加快，对磨件处于二体接触，在磨痕表面无法形成覆盖整个磨斑的第三体层。比较位移幅值200 μm和300 μm摩擦因数曲线，可以看到两条曲线波动剧烈并且变化趋势相似，近乎重合，可见在往复滑动状态下，位移幅值虽然改变较大但是在相对较长时间内摩擦因数基本保持不变。

图3 不同位移幅值下摩擦因数曲线Fig 3 Friction coefficient curves of different amplitude of oscillation

2.3 磨痕表面轮廓

TC4合金在不同位移幅值下，磨痕的表面轮廓如图4所示。随着位移幅值的增加，磨痕深度及宽度增大，磨损损伤加剧。由2.1小节可知，在文中试验条件下，微动磨损转变的过渡区位移幅值范围是100～200 μm，从磨痕表面轮廓来看，磨痕深度及宽度在过渡区内突增，体积磨损量剧增，这说明磨损机制在微动磨损过渡区出现变化，加剧损伤程度，表现明显的材料流失。

不同状态下，磨痕表面轮廓呈现不同的形貌。在微动状态下，磨痕深度极浅，磨痕宽度很小，黏着区及滑移区分区明显，黏着区外突然下凹的轮廓可能是由于疲劳磨损导致的浅层剥落造成的，边缘凸起的轮廓是由于反复滑动造成的材料塑性变形及磨屑堆积，如图4(a)所示。当磨损处于微动向往复滑动转变的过渡区时，磨痕的深度及宽度剧增，轮廓线渐趋于平滑，磨痕中心的黏着区消失，损伤程度加剧，如图4(b)所示。在往复滑动状态下，磨痕的深度和宽度进一步增加，轮廓线变得平滑，损伤面积增加，磨痕中心因为磨屑堆积形成凸起轮廓，如图4(c)所示。

图4 不同位移幅值下磨痕表面轮廓Fig 4 Profile of wear scar section in different amplitude of oscillation

2.4 磨损表面形貌及机制分析

图5所示为位移幅值为45 μm时的磨痕表面形貌。磨损此时处于微动状态，磨痕表面的环状形貌表明微动此时处在部分滑移区，中心区域黏着，边缘区域微滑，如图5(a)所示。由图5(b)所示的磨痕中心形貌可知，磨损表面覆盖大量剥落坑，表现出黏着磨损的典型特征。黏着区边缘可观察到相对较深的凹坑，这可能是由于在微动磨损过程中往复运动和交变的切向力共同作用，导致TC4合金表面因疲劳损伤出现了材料浅层剥落,剥落坑中存在少量磨屑。由图5(c)、(d)可以看到磨屑堆积于磨痕边缘，滑移区边缘可观察到由微滑导致的材料塑性变形积累产生的条状凸起，同时反复的微滑使得表面因塑性变形积累而变脆，进一步产生平行及垂直的裂纹，最终使材料以层片状剥离。综上所述，微动状态下，磨损机制主要是黏着磨损及疲劳剥层。

图5 位移幅值45 μm时的磨痕表面形貌Fig 5 Wear scar surface morphology at 45 μm (a)full view of wear mark;(b)wear mark center;(c)wear mark edge; (d)wear mark edge

图6所示为位移幅值为100 μm及150 μm时磨痕表面形貌,磨损此时处于微动磨损过渡区。位移幅值为100 μm时，磨痕表面被第三体层覆盖，边缘则呈现松散的层状磨屑堆积，如图6(a)所示。在100 μm位移幅值下，因接触面间黏着导致颗粒剥落，剥落颗粒在反复碾压及摩擦热作用下，逐渐氧化、细化并烧结成块形成第三体层，一定程度上缓解了黏着磨损，如图6(b)所示。从边缘裸露区域可以看见因磨粒磨损造成的犁沟及犁皱，如图6(c)所示。位移幅值为150 μm时，从磨痕表面可观察到由磨粒磨损造成的犁沟，磨痕中心出现垂直于摩擦方向的凸起，如图6(d)所示。这些凸起可能是因为材料塑性变形及磨屑堆积形成的，在对磨球的反复挤压下会使接触点的材料向上凸起，这些凸起会阻碍部分磨屑的排出，使得一部分磨屑堆积起来，在对磨球的反复碾压及磨粒磨损的作用下，最终形成如图6(e)所示的凸起。TC4合金塑性较高，在较高的压力下易发生塑性延展，磨痕中的亮白条带是钛合金在较高接触应力下产生塑性延展时的边界[21]，如图6(f)所示。对比100 μm及150 μm磨损形貌可以看出，随着位移幅值的增加，磨粒磨损作用增强，稳定的第三体层被破坏，损伤逐渐加剧，主要磨损机制由黏着磨损逐渐转变为磨粒磨损及塑性变形。

图6 位移幅值为100 μm及150 μm时磨痕表面形貌Fig 6 Wear scar surface morphology at 100 μm and 150 μm (a)full view of wear mark(100 μm);(b)wear mark center (100 μm);(c)wear mark edge(100 μm);(d)full view of wear mark(150 μm);(e)wear mark center (150 μm);(f)wear mark edge(150 μm)

图7所示为位移幅值为200 μm及300 μm时磨痕表面形貌，磨损此时处于往复滑动状态。位移幅值为200 μm时，磨痕表面布满由磨粒磨损所导致的犁沟，磨痕中心出现磨屑堆积，如图7(a)所示。图7(b)所示为磨痕中心形貌，磨屑堆积的形成可能是磨痕中心磨屑不易排出，在上试样球的反复碾压下被压实，最终形成较为致密的磨屑层。磨痕边缘呈现明显的犁沟及犁皱，同时存在由塑性延伸形成的亮白条带，如图7(c)所示，磨损机制主要是磨粒磨损及塑性变形。位移幅值为300 μm时，在磨痕表面可以观察到犁沟，磨痕表面出现垂直于滑动方向的凸起，如图7(d)所示。图7(e)所示是磨痕中心形貌，可以看到垂直于摩擦方向的凸起及剥层特征，这些凸起可能是材料塑性变形及磨屑堆积造成的，在对磨球反复的滑动及磨粒磨损作用下，这些凸起又被破坏，最终消失。磨痕边缘呈现犁沟形貌，同时也可以观察到片状及细碎磨屑，如图7(f)所示。综上，当磨损处于往复滑动磨损时，主要的磨损机制应为磨粒磨损及塑性变形，同时可以看到磨粒剥落与碾压和磨屑转移与聚集的过程与特征。

图7 位移幅值为200 μm及300 μm时磨痕表面形貌

Fig 7 Wear scar surface morphology at 200 μm and 300 μm (a)full view of wear mark(200 μm);(b)wear mark center(200 μm);(c)wear mark edge(200 μm);(d)full view of wear mark(300 μm);(e)wear mark center(300 μm);(f)wear mark edge(300 μm)

图8所示为不同位移幅值下，磨痕表面磨屑层EDS图谱。

图8 不同位移幅值下磨屑层EDS图谱Fig 8 EDS patterns of wear debris in different displacement amplitudes

由图8可以看到，在不同的位移幅值下均出现O、Fe元素。Fe元素为摩擦配副材料成分；45 μm位移幅值下还出现Si峰，这说明在磨损过程中出现材料的转移，发生黏着磨损；O峰的存在，说明在不同的位移幅值下磨损过程中发生了摩擦氧化。可见，在不同的位移幅值下，均出现黏着磨损及摩擦氧化。

微动磨损是多种不同磨损形式的组合。结合EDS图谱及磨痕表面形貌进行分析，可以发现在微动状态、微动磨损过渡区及往复滑动状态下，黏着磨损及摩擦氧化始终存在。微动状态下黏着磨损及疲劳剥层为主要磨损机制；随着位移幅值的增加，磨粒磨损出现并且逐渐占据主导作用，主要的磨损机制逐渐由黏着磨损转变为磨粒磨损，这一转变发生在微动磨损过渡区；往复滑动状态下磨粒磨损为主要的磨损机制，但黏着磨损仍然存在，并没有完全消失。

3 结论

(1)在文中试验条件下(法向载荷100 N，频率50 Hz，GCr15钢球/合金TC4平面配副)，微动磨损过渡区的范围是100～200 μm。

(2)微动状态与往复滑动状态摩擦因数变化具有不同的规律。微动状态下，摩擦因数呈阶段性变化且随位移幅值的增加而增加；往复滑动状态下，摩擦因数波动剧烈，不同位移幅值摩擦因数曲线近乎重合；微动磨损过渡区的摩擦因数变化处于2种状态的转变阶段。

(3)从磨痕表面轮廓可以看到，在相同条件下，往复滑动比微动损伤更严重，磨痕更深且损伤面积更大。微动状态下，轮廓线粗糙；往复滑动状态下轮廓线更加光滑;磨痕深度及宽度在微动磨损过渡区突然增加。

(4)微动磨损和往复滑动磨损在磨损机制上有很大的差异。微动磨损的磨损机制主要为黏着磨损和疲劳剥层；微动磨损过渡区主要磨损机制由黏着磨损逐渐转变为磨粒磨损；往复滑动磨损的磨损机制主要为磨粒磨损和塑性变形；摩擦氧化作用在不同状态下均存在。