田欣利，王 龍，王朋曉，吳志遠，張保國，王健全

（裝甲兵工程學院 裝備再制造技術(shù)國防科技重點實驗室，北京100072）

工程陶瓷材料具有高硬度，高強度，低密度，高剛度，良好的化學穩(wěn)定性等優(yōu)異性能，其中Si3N4，SiC，ZrO2等在摩擦學領域得到了相當廣泛的應用［1，2］，但在實際應用中經(jīng)常會遇到陶瓷－金屬的摩擦磨損問題，近年來對此進行了大量的研究［3－6］。

45鋼，Cu，GCr15，巴氏合金等是常用的耐磨金屬類材料。由于純銅強度低，通常在銅中加入一些合金元素，改善其性能，如黃銅，錫青銅等，被廣泛用于制造軸承，軸套等耐磨零件和彈簧等彈性元件［7－10］。劉陽等［11］發(fā)現(xiàn)高鋁青銅除了在純水中高載滑動下的磨損量高于普通鋁青銅以外，其他條件下的耐磨性均優(yōu)于普通鋁青銅。馮在強等［12］開發(fā)的新型錫青銅具有較高的耐磨性，抗拉強度提高了70% ～90%，極大提高了合金的力學性能。巴氏合金是一種廣泛使用的軸承材料，具有減磨特性，優(yōu)異的嵌藏性和順應性。巴氏合金的摩擦學性能已經(jīng)得到了廣泛研究［13－15］。吳海榮等［16］發(fā)現(xiàn)錫基巴氏合金具有耐腐蝕性，在海水環(huán)境高速重載條件下的摩擦因數(shù)和磨損率依然較小，并且摩擦學行為較為穩(wěn)定。工程陶瓷與上述耐磨金屬作為摩擦副配合使用具有較高的使用價值，但是目前關(guān)于這幾種陶瓷－金屬摩擦副摩擦學性能的研究工作鮮有報道。

本工作以3種工程陶瓷材料Si3N4，SiC，ZrO2和4種典型的耐磨金屬材料45鋼，Cu，GCr15，巴氏合金為研究對象，進行了微量潤滑條件下的工程陶瓷－金屬摩擦副的摩擦磨損正交實驗，考察了陶瓷－金屬摩擦副在微量潤滑下的摩擦學性能。

1 實驗

實驗所用3種陶瓷材料均為市售產(chǎn)品，采用熱壓燒結(jié)方法制備，其主要性能見表1。對磨金屬分別為：軸承鋼GCr15，回火后硬度為HRC58～65；錫青銅QSn4－3（本文用符號Cu來代替），其中各元素含量為Sn 3.8%（質(zhì)量分數(shù)，下同），余量Cu，硬度為HB160；45鋼，調(diào)質(zhì)后硬度為HRC40～44；采用錫基巴氏合金ZChSnSb8－4（本文中用符號SS代替），其中各元素含量為Sb 8%，Cu 3.2%，余量Sn，硬度約為HB22，錫青銅和巴氏合金屬于硬度較低的合金。4種金屬偶件摩擦面均研磨至粗糙度低于0.8μm。

表1 陶瓷材料的性能Table1 Properties of ceramics

正交實驗能夠明顯減少實驗次數(shù)，并利用統(tǒng)計的方法分析結(jié)果，得到最優(yōu)的組合方案。實驗考慮陶瓷材料種類，金屬材料種類，載荷，摩擦副相對滑動速率4個因素。每個因素考慮4個水平，利用正交表L16（45）安排實驗。其中陶瓷材料種類因素包括Si3N4，SiC，ZrO23種常用工程陶瓷和GCr15 4個水平。金屬材料因素包括Cu，45鋼，GCr15，巴氏合金4個水平。實驗共產(chǎn)生16對陶瓷－金屬摩擦副組合，其中GCr15－金屬摩擦副在此作為和陶瓷－金屬摩擦副的對比實驗。實驗載荷因素的4個水平分別為2，5，10，20N。摩擦副相對滑動速率因素的4個水平分別為0.04，0.08，0.16，0.24m／s。

實驗采用UNT－3多功能摩擦磨損試驗機，摩擦副的運動形式為球－盤間往返式滑動摩擦。球試樣為陶瓷球和進行對比分析的GCr15球，直徑為3.996mm。盤試樣為金屬長方體，尺寸為20mm×10mm×6mm。計算機自動記錄實驗過程的摩擦因數(shù)、載荷、頻率等相關(guān)參數(shù)。每個實驗點重復進行3次，最終結(jié)果取3次的平均值，從而減小實驗誤差。盤試樣用輪廓儀測量磨損斷面尺寸并經(jīng)計算得到磨損率。球試樣在精度為0.1mg的光電天平上稱量磨損前后的質(zhì)量損失，通過計算獲得體積磨損率。采用掃描電鏡（SEM）觀察對磨金屬件的磨損表面形貌。

球試樣磨損率ω1用式（1）計算：

式中：ω1是球試樣的磨損率，mm3／（N·m）；Δm 是磨損前后的質(zhì)量損失，g；ρ是試樣密度，g／mm3；P是載荷，N；S是磨程，m。

盤試樣磨損率ω2用式（2）計算：

式中：ω2是盤試樣的磨損率，mm3／（N·m）；L 是金屬磨痕的長度，mm；h為金屬磨痕的平均深度，mm；r是球試樣的半徑，mm。

試樣在丙酮中用超聲波清洗5min，干燥后進行實驗和測量，摩擦時間為2400s，室溫。采用10W－40型潤滑油。潤滑方式為滴油，使摩擦副處在微量潤滑的條件。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 摩擦因數(shù)的分析

表2為陶瓷－金屬摩擦磨損正交實驗所得的平均摩擦因數(shù)以及金屬偶件磨損率的數(shù)據(jù)分析。如表2所示，實驗的摩擦副組合摩擦因數(shù)整體在0.1～0.25之間?？梢?，潤滑油對于陶瓷－金屬摩擦副潤滑減磨效果良好。從球試樣材料的平均摩擦因數(shù)看，Si3N4和GCr15的平均摩擦因數(shù)相差很小，均比ZrO2，SiC小。巴氏合金的平均摩擦因數(shù)最小。分析可知，摩擦因數(shù)最優(yōu)的水平組合為A3B4C3D3，即Si3N4－SS組合，在載荷為10N，速率為0.16m／s的條件下是陶瓷－金屬摩擦副組合中摩擦因數(shù)最小的。

圖1是載荷與速率對摩擦因數(shù)影響的效應曲線。可以看出，在摩擦過程中，摩擦因數(shù)隨載荷的增大而減小，與速率不成單調(diào)的增減關(guān)系。從極差上看，陶瓷材料和載荷這兩個因素極差較大，離散程度大，說明二者對摩擦因數(shù)的影響顯著。而速率的極差最小，離散程度最小，速率對摩擦因數(shù)的影響是4個因素中最小的。因此，選擇合適的陶瓷材料是陶瓷－金屬摩擦副的重點，直接關(guān)系到摩擦副的摩擦因數(shù)大小。

圖1 載荷（a）與速率（b）對摩擦因數(shù)影響的效應曲線Fig.1 Effect of load（a）and velocity（b）on friction coefficient

2.2 磨損率的分析

測量磨損質(zhì)量的過程中發(fā)現(xiàn)，除了白色的ZrO2有黑色斑點外，Si3N4，SiC陶瓷球肉眼上基本看不出有磨損痕跡，在精度為0.1mg的光電天平上測量陶瓷磨損前后質(zhì)量變化極小，無法與儀器的測量誤差區(qū)分，故忽略不計陶瓷的磨損，這說明陶瓷的磨損極低。

表3為與不同金屬偶件對磨的球試樣GCr15磨損率。作為對比實驗的GCr15球，經(jīng)測量和計算，其磨損率如表3所示?？梢?，雖然GCr15的磨損率已經(jīng)達到10－7mm3／（N·m）這個很低的數(shù)量級，但是，隨著摩擦時間的延長，陶瓷對比GCr15作為摩擦材料，在磨損失效上的優(yōu)勢會越發(fā)明顯。同時，金屬偶件的磨損率很大程度上決定了陶瓷－金屬摩擦副的可靠性，如要發(fā)揮其中陶瓷的優(yōu)異磨損性能，對金屬偶件的磨損率也提出了較高的要求。

表3 球試樣GCr15的磨損率Table3 Wear rate of GCr15sample

從表2分析可知，金屬偶件磨損率最小的水平組合為A4B2C1D2，即SiC與45鋼，在載荷為2N，速率為0.08m／s的條件下，偶件45鋼的磨損率最小。整體而言，與陶瓷對磨的金屬磨損率只有10－7mm3／（N·m）這個數(shù)量級，已經(jīng)算是很小的磨損量。這就表明硬度較高的陶瓷與硬度相對低的金屬對磨，金屬并不會產(chǎn)生比與GCr15對磨時更大的磨損率，其中SiC－金屬摩擦副具有比GCr15－金屬摩擦副更優(yōu)的磨損率。從平均磨損率看，與SiC對磨的金屬偶件的平均磨損率明顯小于與其他3種球試樣材料對磨的金屬的，前者約為后面的1／2。也就是說，在3種工程陶瓷中，這4種金屬與SiC配對摩擦時，摩擦副的磨損性能最好。偶件45鋼與巴氏合金的平均磨損率基本相當，低于GCr15和Cu。但是，巴氏合金的平均摩擦因數(shù)低于45鋼，磨損率與45鋼相差很小，綜合考慮，巴氏合金的綜合性能優(yōu)于45鋼，更適合作為陶瓷的對磨材料。

如表2所示，從各因素對磨損率影響的極差上分析，載荷因素的極差最大，離散程度最大，對于金屬偶件的磨損率影響也是最大的。陶瓷材料的種類這一因素的影響次之。因此，選擇合適的陶瓷材料可以在一定程度上減小金屬偶件的磨損率，提高摩擦副整體的磨損性能。圖2為載荷與速率對金屬偶件磨損率影響的效應曲線，由圖2可知，隨著載荷的增加，金屬偶件的磨損率會增大。金屬偶件的磨損率與速率并不是單調(diào)的增減關(guān)系。

2.3 金屬磨損表面分析

圖3（a）是GCr15自身對磨后的磨損表面的電子顯微照片?？梢钥闯?，在載荷為10N，速率為0.16m／s的條件下，局部放大后，GCr15表面有微量的黏著磨損，產(chǎn)生了裂紋，微觀形貌變化較為明顯。圖3（b）是與ZrO2對磨的巴氏合金的磨損表面，可以看出，在載荷為10N，速率為0.08m／s條件下，巴氏合金磨損表面出現(xiàn)了一些細微裂紋。圖3（c）顯示，在載荷為20N，速率為0.08m／s的條件下，與SiC對磨的Cu磨損表面有輕微的犁溝。圖3（d）是與Si3N4對磨的巴氏合金磨損表面，在載荷為10N，速率為0.08m／s條件下，巴氏合金的磨損表面基本沒有出現(xiàn)裂紋，表面極為平滑。

圖2 載荷（a）與速率（b）對金屬偶件磨損率影響的效應曲線Fig.2 Effect of load（a）and velocity（b）on wear rate of the pairs

如圖3所示，大多數(shù)金屬偶件摩擦表面都有細微的裂紋產(chǎn)生。實驗為球－盤滑動摩擦磨損，陶瓷的高強度高硬度特性，在載荷作用下會造成陶瓷球壓入硬度相對較低的金屬材料的摩擦表面，使金屬表面產(chǎn)生犁削現(xiàn)象和裂紋，對金屬摩擦磨損產(chǎn)生影響。

同時，在陶瓷球與金屬的摩擦表面，不同移動位置對盤試樣的瞬時壓力也不同，其受到的是具有周期性、瞬時性特點的陶瓷球作用力的擠壓，金屬表面處于反復快速變化的受力狀態(tài)［17］。在陶瓷球的正下方，金屬所受的瞬時正壓力達到最大值，金屬的變形瞬時達到最大，但此時可以認為沒有相對位移。在摩擦力的作用下，處于陶瓷球相對移動前方的金屬向磨痕兩邊變形移動，陶瓷球相對移動末端的金屬表面的位移最大，如此，金屬磨屑在磨痕的邊緣和末端漸漸形成堆積成膜的表面形貌。磨痕內(nèi)的金屬表面受力狀態(tài)變化反復又迅速，瞬時產(chǎn)生的潤滑膜難以堆積，不易形成致密的潤滑膜。在反復的磨損接觸中，壓力對潤滑膜造成破壞，同時又產(chǎn)生新的潤滑膜。因此，磨痕內(nèi)金屬表面很難形成大塊、完整致密的潤滑膜。

圖3 典型金屬偶件摩擦表面的SEM照片（a）軸承鋼－軸承鋼，P＝10N，V＝0.16m／s；（b）氧化鋯－錫基巴氏合金，P＝10N，V＝0.08m／s；（c）碳化硅－錫青銅，P＝20N，V＝0.08m／s；（d）氮化硅－錫基巴氏合金，P＝10N，V＝0.08m／s Fig.3 SEM micrographs of the worn surfaces of the representative pairs（a）GCr15－GCr15，P＝10N，V＝0.16m／s；（b）ZrO2－SS，P＝10N，V＝0.08m／s；（c）SiC－Cu，P＝20N，V＝0.08m／s；（d）Si3N4－SS，P＝10N，V＝0.08m／s

圖4 金屬試樣摩擦表面的EDS分析結(jié)果（a）Si3N4－SS摩擦副的錫基巴氏合金；（b）SiC－Cu摩擦副的錫青銅Fig.4 Results of EDS analysis of the worn surfaces of the pair sample（a）SS of Si3N4－SS pairs；（b）Cu of SiC－Cu pairs

巴氏合金與Si3N4對磨后，其磨損表面比其他金屬磨損表面平滑，微觀磨損效果較好，這存在很多方面的原因。對巴氏合金表面進行EDS分析（圖4），其質(zhì)量分數(shù)為O 20.75%，C 13.80%，As 0.03%，Sb 14.74%，Pb50.68%。其中氧元素含量較高，這是因為Si3N4具有自潤滑作用，其在摩擦表面可以反應形成一層氧化產(chǎn)物是SiO2。它同時與油分子形成潤滑性能良好的油膜保護摩擦面，避免發(fā)生黏附磨損現(xiàn)象，使金屬偶件的磨損率大幅降低。同時，這也使得摩擦過程中需克服的摩擦力不再是摩擦表面的剪切強度，而是潤滑膜的黏度。因此，Si3N4－金屬的摩擦因數(shù)顯著降低。Si3N4比SiC具有更好的自潤滑效果，更適合與金屬組合成摩擦副。

此外，錫基軸承合金含有銅、錫、銻等延性金屬材料，且銅和錫在摩擦熱的條件下具有自擴散的能力［17］。巴氏合金所含的金屬間化合物受到陶瓷這種極硬材料的擠壓和剪切，易脫離基體成為細小的顆粒留在摩擦表面，形成潤滑膜，減小摩擦因數(shù)和磨損［18，19］。因此，錫基巴氏合金比其他3種金屬更適合與陶瓷組合成摩擦副。隨著載荷的增大，硬度高的陶瓷易使硬度相對較小的金屬表面物質(zhì)擠壓變形成為微小顆粒脫落，這是金屬磨損的一種形式，也是載荷對磨損率影響較大的原因。同時，剪切應力會隨著載荷增大而提高，可能會高于其屈服應力，從而導致金屬表面產(chǎn)生犁溝和塑性變形。因此，Si3N4－SS與其他陶瓷－金屬摩擦副長時間摩擦有很大的優(yōu)勢，具有更高的可靠性和壽命。

3 結(jié)論

（1）在微量潤滑的條件下，Si3N4，SiC，ZrO2工程陶瓷和Cu，45鋼，GCr15，巴氏合金組合的摩擦副整體摩擦因數(shù)在0.1～0.25之間，陶瓷和金屬偶件的磨損率較低，為10－7mm3／（N·m）數(shù)量級，陶瓷－金屬摩擦副整體摩擦學性能良好。

（2）在微量潤滑的條件下，Si3N4－巴氏合金的摩擦因數(shù)最低，SiC－巴氏合金的磨損率最小。陶瓷材料對摩擦副的摩擦因數(shù)和磨損率影響較大，Si3N4陶瓷具有自潤滑效果，能形成氧化膜減少摩擦，使摩擦因數(shù)減小，Si3N4比SiC更有優(yōu)勢。

（3）錫基巴氏合金作為與陶瓷的對磨件，可以形成金屬間化合物潤滑膜，減小摩擦磨損，其摩擦性能優(yōu)于其他3種金屬。Si3N4－錫基巴氏合金作為摩擦副摩擦性能最為優(yōu)異，具有很大的應用前景。

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