不同摩擦状态下ZA81M镁合金磨损行为研究_张天亮.pdf

o 不同摩擦状态下 镁合金磨损行为研究张天亮，王婷婷，隋雨婷，吕晓仁，李应举（沈阳工业大学 机械工程学院，辽宁 沈阳；滨州盟威戴卡轮毂有限公司，山东 滨州；中国科学院金属研究所，辽宁 沈阳）摘 要：采用往复式摩擦磨损试验机测试 镁合金在干摩擦及油润滑下的磨损行为，研究二辛基二硫代磷酸锌（）和砂粒的含量对 镁合金在油润滑下摩擦学性能的影响，探讨 镁合金在不同摩擦状态下的摩擦学作用机理。结果表明：干摩擦下，镁合金磨损量和摩擦系数随着载荷的增加而增加，随着往复频率的增加而减小。与干摩擦相比，机械油润滑下的 镁合金磨损量和摩擦系数降低。在机械油中添加 后，镁合金磨损量和摩擦系数进一步降低，中的化学元素与镁合金表面生成了易剪切的摩擦反应膜。在含 的 机械油中添加砂粒后，摩擦反应膜被破坏，磨损量和摩擦系数增加。关键词：；镁合金；干摩擦；油润滑；磨损机理中图分类号：；文献标志码：文章编号：（）o o o o oo g，gg，Yg，Yg（oo o ，o oo，；o o，o，；o ，o，）：o oo o o o o o ，o o o o oo（）o oo o o o o o ，oo o o o oo o o，o o o o o o o o，o o o o o o o o o o o o o o o，o o o o o o o o o o o o o ，o o o o o o o o o ：；o；o；o o；o收稿日期：基金项目：国防科技重点实验室基金（）；国家重点研发计划（）；辽宁省科技重大专项计划项目（）作者简介：张天亮（），男，辽宁朝阳人，硕士研究生，研究方向为金属摩擦学。引言液压缸是将液压能转变为机械能、做直线往复运动（或摆动运动）的液压执行元件。液压缸基本由缸筒、缸盖、活塞、活塞杆、密封装置、缓冲装置与排气装置组成。随着液压技术向高压、高速、高可靠性、高集成化的发展，轻量化成为了研究的热点。镁合金具有低密度、高强度、散热性好、等优点，可以减轻液压缸的工作负载，提高能量转化效率，且可通过良好的铸造加工性能来提升液压缸的可靠性、稳定性，现已开始得到应用。近年来，镁合金作为液压缸材质的相关研究已有不少。o 等开发了一种新型液压缸，采用了多向锻造（）镁合金作为结构材料，不仅实现了液压缸的轻量化，还显示出高能量密度。但由于 镁合金的表面精度或粗糙度直接影响液压缸的密封与滑动，现只能应用于超低摩擦轻质液压缸。王祝堂液压气动与密封年第期调研了欧盟委员会在 中的项目“变形镁合金在航空航天器中的应用（o o o o，简称）”中发现，航空航天器内部的液压系统零件已采用新型的镁合金，但需要严格的表面防腐蚀处理。徐永东等调研发现，国内最早开发 稀土镁合金拥有较高的强度、耐腐蚀性和中等塑性，可用于液压驱动系统中恒速装置的壳体、盖和支座，且通过控制杂质得到的 镁合金的耐腐蚀性可以提高数倍以上，但由于稀土金属价格高，在使用中受到一定限制。现阶段人们针对镁合金液压缸的研究成果，大部分是关于腐蚀行为与疲劳失效等方面，缺乏对缸体磨损失效的工作。同时，液压缸体的磨损行为十分复杂，可能同时存在干摩擦、油润滑和含杂质油润滑等状况。为了更好地提高镁合金液压缸的可靠性和耐磨性，有必要开展不同摩擦状态下镁合金的磨损行为研究。为此，本文选用商用 镁合金（简称），在系统研究材料的组织结构、高温下力学性能、疲劳等基础上，开展干摩擦、油润滑和含砂油润滑下的摩擦学研究，探讨材料性能与摩擦磨损之间的关系，分析润滑油添加剂与镁合金的作用机理，研究砂粒对摩擦表面的刮擦作用，进一步为 在液压缸轻量化研究方面提供理论基础。实验材料及方法试验合金为，其化学组成（质量分数）为：，余量。将 镁锭在熔炼炉中熔化，熔化温度为。用 型金属重力浇注模具浇注成型后，先进行 、的固溶处理，后进行两级时效处理，即在 时预时效 ，后将温度升高 进行第二级时效，时间为 。金相组织由、共晶 、离析共晶、和 相组成。的一些室温性能指标如表 所示，具体的研究结果已发表在文章中。表 室温下 的物理性能屈服强度抗拉强度延伸率热扩散率（）试验所用的基础油为兰州恒旅化工用品有限公司生产的 机械油，主要成分为辛戊基多元醇高级脂肪酸酯，运动黏度 。润滑油添加剂为沈阳豪润达添加剂有限公司生产的二辛基二硫代磷酸锌（），其 主 要 元 素 的 质 量 分 数 为 ，.，。试验所用的砂粒成分为，平均尺寸为 ，圆度为 ，莫氏硬度 。使用美国 公司生产的 o 往复摩擦磨损试验机进行 在不同摩擦状态下的磨损实验。试块尺寸为 ，表面粗糙度为 。对磨副为 陶瓷球，直径为，表面粗糙度为 。实验前将陶瓷球和 块均用丙酮和酒精清洗并烘干。干摩擦试验条件：室温，载荷为 ，频率为 （滑动速度 ），试验行程为 。油润滑摩擦试验条件：室温，载荷为 ，频率为 （滑动速度 ），润滑油添加剂在基础油中的含量（体积分数）为 ，砂粒在含 基础油中的质量分数为 ，试验行程为 。油润滑试验时在试样表面滴润滑油以保证磨损处存在润滑膜。磨损量由精度为 的 o 电子分析天平测得。利用 场发射扫描电子显微镜观测磨损表面的形貌及元素含量。结果与讨论2.1 干摩擦液压缸表面的油膜较薄或者缺失，会产生缸体的干摩擦，造成严重的磨损。图 为干摩擦下 的磨损量和摩擦系数随往复频率的关系曲线。从图 可以看出，的磨损量随着载荷的加大而增加。载荷加大对材料的切削力加大，更多的材料被去除，磨损量加大。从图 中还可以看出，的磨损量随着往复频率的增加而减小。载荷较高时，的磨损量随往复频率增加而下降的趋势较块，载荷较低时，的下降趋势较为平稳。当往复频率较慢时，材料的去除主要是 合金的切削；而当往复频率较快时，摩擦表面间的温度升高，镁表面更易生成氧化膜，变成了氧化膜的切削。磨损过程中脱落的氧化膜易与基材发生黏附，从而使得镁合金的磨损量降低。从图 可以看出，摩擦系数随着往复频率的变化趋势与磨损量相同。在高速和高载滑动状态下，聚集了大量的摩擦热，表面温度升高使得基材和氧化膜均发生软化，起到润滑易剪切的作用，从而使得摩擦系数降低，这与尹相春和杜晓坤的研究结果相同，。o图 干摩擦下 磨损量和摩擦系数随往复频率变化图 为干摩擦、载荷 、不同频率下 磨痕表面的 形貌。当往复频率为 时，磨痕表面以犁沟为主。往复频率较低时，摩擦生热较少，主要发生是镁合金材料的塑性去除，以磨粒磨损为主。当往复频率为 和 时，磨痕表面除了犁沟之外，还存在较多的磨屑。往复频率较高时，摩擦生热较多，表面产生薄且易碎的氧化膜，容易产生黏附并嵌入基材。图 干摩擦、载荷 、下 磨痕表面的 形貌图 为干摩擦、往复频率、不同载荷下 磨痕表面的 形貌。在载荷为 时，犁沟较浅，表现为轻微的磨粒磨损。随着载荷的增加，磨痕表面的犁沟逐渐变深、变宽，转变为严重的磨粒磨损。2.2 油润滑）基础油润滑润滑油的存在，使得液压缸与活塞之间存在一定的间隙，从而降低液压缸缸体的磨损。图 为 机械油润滑条件下 的磨损量和摩擦系数随往复频率的关系曲线。的磨损量随着载荷的增大而加大。与干摩擦相比，润滑油的加入使得 的磨损量降低。同时，的磨损量随往复频率的增大而增加，这与干摩擦时的磨损规律截然不同。油润滑下，摩擦磨损主要与润滑油及其与接触面间作用机理有关，而在干摩擦主要与其表面属性及其氧化膜有关。在低速运动时，润滑油的黏度较高，主要为润滑油间的内摩擦，因此镁合金的磨损量较小。而在高速运动时，摩擦生热造成润滑油的流失，润滑油黏度大不能及时补充到摩擦面上，润滑效果减弱，镁合金的磨损量加大。图 干摩擦、频率 、下 磨痕表面的 形貌图 机械油润滑下往复频率对 磨损和摩擦系数的影响从图 可以看出，摩擦系数随着载荷的增加而降低，摩擦由混合润滑变为边界润滑。随着往复液压气动与密封年第期频率的增加而减小，这与 o 的结果相同。随往复频率的增加，润滑状态由边界润滑逐渐转变为混合润滑，在低速时，润滑油油膜厚度趋于零，润滑条件可能是边界润滑，对应较高的摩擦系数。随着滑动速度的增加，润滑条件逐渐转化为混合润滑，更多的润滑剂被挤入滑动界面以提升对磨副，金属接触减少，摩擦系数降低。图 为机械油、载荷 、不同频率下 磨损表面的 形貌。在往复频率为 时，表面的犁沟非常细小，几乎不可见。随着往复频率的增加，磨痕表面的犁沟宽度和深度增加，犁沟边缘出现了隆起，磨损量逐渐加大。与干摩擦相比，机械油润滑下的 表面的磨损明显减轻，证实了 机械油能在 镁合金表面起到较好的润滑作用。图 机械油、载荷 、下 磨痕表面的 形貌）含添加剂油润滑液压缸内润滑油中含有减摩耐磨添加剂，有利于镁合金表面完整润滑膜的形成，从而进一步减轻磨损。图 为 在不同 含量的 机械油、载荷 下磨损量随频率的关系曲线。机械油中添加了 后，镁合金的磨损量随着 添加量的增加逐渐降低。镁合金在含 润滑油下的磨损量随往复频率的增加而减少，这与 在 机械油中的磨损规律相反。图 为 在不同 含量的机械油、下摩擦系数随频率的关系曲线。在润滑油下摩擦系数随着频率的升高而减小。当 机械油中添加少量的（）时，摩擦系数立即降低，表明 与 能形成良好的摩擦反应。当添加剂含量超过 时，摩擦系数几乎不变，表明 已与镁合金表面形成完整的润滑膜。同时，随着往复频率的加快，中的化学元素更好地与镁合金表面生成摩擦反应膜，从而降低摩擦系数。图 载荷 、不同 含量下 磨损量和摩擦系数随频率的变化图 为 在 、机械油中有无 添加剂的磨损表面 形貌。由图 可以看出，在机械油中，磨痕表面分布较多的犁沟，表现为轻微的磨粒磨损。在机械油中添加 后，表面磨损明显减轻，几乎看不见犁沟。图 载荷 、机械油、无 和 下的磨痕表面的 形貌图 为 在频率为 、含不同 含量机械油下磨损量和摩擦系数与载荷的关系曲线。从图 可以看出，的磨损量随载荷的增加而增加。随 含量的增加，的磨损量降低，当 含量达到 时磨损量保持不变。从图 可以看出，随着载荷的增加，的摩擦系数几乎不变，表明在磨损过程中主要由完整的油膜起作用。在 机械油中添加了 后，摩擦系数大幅度下降。表 为 在 、机械油下磨痕表面、元素含量与频率的关系。可以看出，磨损表面、元素随着频率的增加而增大，表明频率的加大，促使 更能与 发生摩擦化 o学反应。表 为 在、机械油下磨痕表面、元素含量与载荷的关系。随着载荷的增加，磨损表面、元素含量加大，表明载荷也促使了 更能与 发生摩擦化学反应。图 含量对 在 机械油中磨损量和摩擦系数的影响表 、含 机械油、不同往复频率下 磨痕表面、元素含量材料种类频率 表 、含 机械油、不同载荷下 磨痕表面、元素含量材料种类载荷 合金的 元素与 发生反应，生成 和 ，形成了一层高强度的吸附膜保护金属层，起到抗摩减摩作用，较好地证明了图 和图 的试验结果。化学反应方程式如式（）、式（）所示。（）（）同时，中的、元素，能与 反应生成、反应膜，使摩擦表面具有较强的抗磨性，化学反应方程式如式（）和式（）。在摩擦产生的高温情况下能够持续发生作用，且摩擦表面的 元素含量大于 元素含量，证实了表 和表 的结果。中 元素也提高了镁合金的抗滑移稳定性，增强了 与镁合金生成的化学膜的结合力。（）（）（）含砂油润滑当液压缸内润滑油受到污染，含有灰尘、磨屑、砂粒等杂质，明显影响缸体内部摩擦磨损状态。图 为 为载荷为 ，含 机械油下不同含砂量下磨损量和摩擦系数与频率的关系曲线。由图 可以看出，在含砂润滑油下的磨损量随着频率的增加而增加，这与图 中在不含砂粒润滑油中的磨损规律相反。砂粒的加入，摩擦反应膜被快速去除，磨损量增大。随着含砂量的增加，对镁合金表面的刮擦加大，磨损加剧。由图 可以看出，的摩擦系数随往复频率的升高而减小。的摩擦系数随着砂粒含量的增加而加大。砂粒的增多，运动副的摩擦阻力加大，从而使得摩擦系数加大。图 砂粒含量对 在含 机械油下磨损量和摩擦系数的影响图 为 载荷为 ，、含 的液压气动与密封年第期机械油、不同含砂量下表面磨损形貌。随着砂粒的加入，磨痕表面出现了深浅不一的划痕和凹坑，这是砂粒划过摩擦表面产生的。随着砂粒含量的增加，表面的划痕增加，同时犁沟显得杂乱