賀繼樊,任巖平,白崇成,彭金方*,蔡振兵,劉建華,朱旻昊

(1.西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室摩擦學(xué)研究所,四川成都 610031;2.廣東省江門(mén)市質(zhì)量計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)所,廣東江門(mén) 529000;3.西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,四川成都 610031)

隨著國(guó)家“一帶一路”戰(zhàn)略的深入推進(jìn)，為實(shí)現(xiàn)跨國(guó)及跨區(qū)域不同軌距間的鐵路聯(lián)運(yùn)，變軌距高速列車應(yīng)運(yùn)而生[1].圖1(a)所示為我國(guó)自主研發(fā)的變軌距轉(zhuǎn)向架輪對(duì)系統(tǒng)，鎖緊機(jī)構(gòu)作為其關(guān)鍵部件之一，通過(guò)鎖緊銷和鎖緊塊的齒槽在不同工位嚙合實(shí)現(xiàn)了輪距切換(1 435 mm/1 520 mm)和機(jī)械鎖止[圖1(b)][2-3].鎖緊銷由35CrMo合金鋼加工而成，并經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，具有良好的綜合機(jī)械性能.然而，間隙配合的鎖緊機(jī)構(gòu)在列車運(yùn)行過(guò)程中承受機(jī)械振動(dòng)和交變載荷，其接觸界面的材料在實(shí)際服役中發(fā)生了微動(dòng)損傷[4-5].微動(dòng)可能導(dǎo)致接觸界面材料磨損，引起構(gòu)件的松動(dòng)或咬合[6-7]，同時(shí)也可能加速裂紋的萌生與擴(kuò)展，大幅降低構(gòu)件的疲勞壽命[8-9]，嚴(yán)重影響機(jī)械結(jié)構(gòu)件的服役可靠性.因此，針對(duì)變軌距鎖緊銷開(kāi)展抗微動(dòng)損傷防護(hù)研究，對(duì)保障變軌距高速列車的安全運(yùn)行至關(guān)重要.

Zhu等[10-11]的研究表明，在不改變現(xiàn)有零部件結(jié)構(gòu)和制造工藝的前提下，表面工程技術(shù)是提高材料抗微動(dòng)損傷性能經(jīng)濟(jì)且高效的解決方案.在眾多的表面改性方法中，等離子滲氮(Plasma nitriding,簡(jiǎn)稱PN)是一種低成本、工藝成熟且對(duì)環(huán)境友好的離子化學(xué)熱處理工藝[12].離子氮化后的材料表面形成穩(wěn)定的Fe-N化合物相，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗磨損、耐腐蝕和高疲勞壽命等性能[13].Zhao等[14]針對(duì)42CrMo鋼進(jìn)行了不同工藝等離子氮化處理并開(kāi)展銷盤(pán)磨損試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其耐磨性取決于氮化層的顯微組織和韌性.Kovac?等[15]采用噴丸和等離子滲氮相結(jié)合對(duì)AISI 4140鋼進(jìn)行處理，使其表面硬度提高了240%，磨損率降低了90%.Zdravecka′等[16]研究了不同等離子氮化參數(shù)(氮化時(shí)間和溫度)對(duì)DIN 1.8519低合金鋼摩擦學(xué)性能的影響.彭甜甜等[17]基于38CrMoAl合金鋼通過(guò)調(diào)整離子滲氮工藝參數(shù)研究了化合物層的物相結(jié)構(gòu)對(duì)材料耐磨性的影響.目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)合金鋼材料離子氮化表面的摩擦學(xué)研究主要集中于銷盤(pán)和往復(fù)滑動(dòng)形式的摩擦磨損，關(guān)于其微動(dòng)磨損問(wèn)題的研究較少.并且，針對(duì)變軌距鎖緊銷在實(shí)際服役工況下的微動(dòng)損傷防護(hù)研究尚未見(jiàn)報(bào)導(dǎo).

Fig.1 Thestructuresof variable-gauge wheelset system and locking mechanism圖1變軌距輪對(duì)系統(tǒng)及鎖緊裝置結(jié)構(gòu)

本文中采用等離子滲氮對(duì)鎖緊銷材料(35CrMo鋼)進(jìn)行處理，并基于該部件的實(shí)際服役工況開(kāi)展微動(dòng)磨損試驗(yàn).研究干態(tài)及脂潤(rùn)滑工況下離子滲氮表面的微動(dòng)磨損行為、能量耗散和損傷機(jī)理.試驗(yàn)結(jié)果為變軌距列車關(guān)鍵部件的抗微動(dòng)損傷表面工程防護(hù)提供理論依據(jù).

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料及制備

本文中試驗(yàn)基材為35CrMo合金鋼(主要化學(xué)成分列于表1中)，采用電火花線切割機(jī)從鎖緊銷工件表面取樣，并加工成20 mm×10 mm×10 mm的塊試樣.鎖緊銷已經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理(加熱至850℃保溫1 h并在油中淬火，然后在600℃回火4 h并在室溫空氣中冷卻)，其材料的主要力學(xué)性能列于表2中.對(duì)基材塊試樣的待試驗(yàn)表面進(jìn)行打磨拋光至表面粗糙度為Ra=0.04μm，經(jīng)丙酮和無(wú)水乙醇超聲清洗15 min去除表面油污，并干燥備用.將部分基材試樣放入離子氮化爐內(nèi)(型號(hào)為L(zhǎng)DM-200)作為陰極，控制爐內(nèi)氣壓在300～350 Pa，采用氫離子濺射清洗樣品.而后，通入15% N2(體積分?jǐn)?shù))和85%H2(體積分?jǐn)?shù))的混合氣體并保持爐內(nèi)氣壓為200 Pa，工作電壓為700 V，平均工作電流為30 A，并在530℃下穩(wěn)定輝光放電15 h.最后持續(xù)通入低流量的H2使?fàn)t溫降至100℃以下，取出試樣自然冷卻至室溫，超聲清洗并干燥.本試驗(yàn)中的等離子氮化工藝參數(shù)是基于鎖緊銷材料的特性并結(jié)合預(yù)試驗(yàn)篩選并優(yōu)化后確定的.

表1 基材(35Cr Mo鋼)的主要化學(xué)成分Table 1 The chemical composition of substrate

表2 基材(35Cr Mo鋼)調(diào)質(zhì)后的機(jī)械性能Table 2 The main mechanical properties of substrate

微動(dòng)磨損試驗(yàn)在球-平面接觸模式下進(jìn)行，配副球試樣采用高硬度且理化性能穩(wěn)定的SiC陶瓷球.球試樣直徑為10 mm，表面粗糙度小于Ra=0.02μm，表面硬度為1 600 HV.

1.2 微動(dòng)磨損試驗(yàn)

本文中試驗(yàn)是在自主研制的模塊化多功能微動(dòng)磨損試驗(yàn)系統(tǒng)(型號(hào)為MFTS-01)上進(jìn)行的，其結(jié)構(gòu)原理如圖2所示.該系統(tǒng)的切向微動(dòng)位移(D)由音圈電機(jī)輸出，并由光柵編碼器采集位移信號(hào)實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)控制.法向載荷(Fn)通過(guò)伺服電缸加載，并經(jīng)由載荷傳感器和測(cè)控系統(tǒng)構(gòu)成力閉環(huán)控制.試驗(yàn)中的實(shí)時(shí)摩擦力(Ft)通過(guò)壓電式動(dòng)態(tài)力傳感器采集，并基于多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)生成Ft-D曲線.

根據(jù)變軌距列車的實(shí)際運(yùn)行工況和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)有限元分析得到鎖緊銷接觸界面的最大滑移量(100 μm)和最大接觸應(yīng)力(601.9 MPa).為了探究不同滑移量對(duì)材料微動(dòng)磨損行為的影響，取微動(dòng)磨損試驗(yàn)的位移幅值D為10、30和60μm.同時(shí)，設(shè)置試驗(yàn)中的法向載荷(Fn)為20 N，試驗(yàn)頻率(f)為2 Hz，循環(huán)次數(shù)(N)為5×103次.所有試驗(yàn)均在常溫大氣環(huán)境下進(jìn)行(溫度為23±3℃，濕度為55%±5%)，為保證試驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定可靠，每組試驗(yàn)重復(fù)3次.此外，考慮到鎖緊機(jī)構(gòu)實(shí)際服役在脂潤(rùn)滑工況下，故在對(duì)磨副接觸界面添加少量潤(rùn)滑脂，并與干態(tài)下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比.本試驗(yàn)中使用的潤(rùn)滑脂由NSK公司生產(chǎn)(牌號(hào)：GRSPS2)，稠度為275，滴點(diǎn)為190℃，動(dòng)態(tài)黏度為15 mm2/s(40℃).

Fig.2 Structure schematic diagram of fretting wear test system圖2微動(dòng)磨損試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

采用X射線衍射儀(XRD,D8 ADVANCE A25X,Bruker)和顯微硬度儀(MVK-H21,Akashi)分別對(duì)試樣的表面物相結(jié)構(gòu)和剖面硬度進(jìn)行表征.加速電壓為20 kV的掃描電子顯微鏡(SEM,JMS-6610,JEOL)用于觀察離子氮化試樣的剖面結(jié)構(gòu)及微動(dòng)磨斑的損傷形貌.采用白光干涉儀(Contour GT,Bruker)對(duì)磨斑三維形貌和磨損體積進(jìn)行測(cè)量.X射線光電子能譜儀(XPS,ESCALAB 250 Xi，Thermo)用來(lái)檢測(cè)磨損表面主要元素的摩擦化學(xué)狀態(tài).

2 結(jié)果與討論

2.1 離子氮化層表征

如圖3(a)所示，離子氮化后試樣表面均勻覆蓋有大量微米級(jí)的離子濺射形成的顆粒物，且表面粗糙度增大至Ra=0.62μm.試樣剖面經(jīng)拋光和腐蝕(10%的硝酸酒精溶液腐蝕10 s)，通過(guò)SEM照片可觀察到離子氮化后生成了厚度約8μm的致密化合物層，其下部的擴(kuò)散層沿深度方向延伸至基體內(nèi)部.

顯微硬度測(cè)量結(jié)果表明[圖3(b)]，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后的基材表層及不同深度的剖面硬度均在250～290 HV0.3之間波動(dòng)，其組織表現(xiàn)出良好的均勻性.離子滲氮過(guò)程中生成的硬質(zhì)相導(dǎo)致其表面硬度顯著提高并至560 HV0.3，其剖面硬度沿深度方向呈遞減趨勢(shì)，有效滲氮層深度達(dá)到0.4～0.5 mm.

通過(guò)進(jìn)一步的物相結(jié)構(gòu)分析，得到圖3(c)所示的基材及離子氮化表面的XRD衍射圖.基材表面能觀察到由高結(jié)晶度的α-Fe相產(chǎn)生的位于44.8°、65.4°和82.7°處的衍射峰[18].同時(shí)，離子氮化試樣表面衍射產(chǎn)生的特征峰與JCPDS數(shù)據(jù)(49-1663和06-0627)高度吻合，表明化合物層由ε-Fe2-3N和γ'-Fe4N兩種物相構(gòu)成[19]，并覆蓋了能衍射出α-Fe相的基體.

2.2 微動(dòng)界面動(dòng)力學(xué)響應(yīng)

基于試驗(yàn)系統(tǒng)同步采集的摩擦力(Ft)和位移(D)，得到的Ft-D曲線反映了微動(dòng)接觸界面的運(yùn)行狀態(tài).圖4(a)和圖4(b)所示為干摩擦條件下基材及離子氮化表面隨微動(dòng)循環(huán)周次(N)變化的Ft-D-N曲線.當(dāng)位移幅值為10μm時(shí)，基材及離子氮化表面的Ft-D曲線均由初始的平行四邊形迅速轉(zhuǎn)變?yōu)闄E圓形.這表明施加的微動(dòng)位移主要由接觸區(qū)材料的彈性變形協(xié)調(diào)，即微動(dòng)磨損運(yùn)行于部分滑移區(qū)[20].當(dāng)位移幅值為D=30和60μm時(shí)，基材及離子氮化表面的Ft-D曲線均呈現(xiàn)為平行四邊形，即微動(dòng)運(yùn)行于滑移區(qū)，施加的微動(dòng)位移主要由接觸界面材料的塑性變形協(xié)調(diào).由于接觸區(qū)表面膜(氧化、吸附膜)的保護(hù)作用，微動(dòng)初期(幾十次循環(huán)內(nèi))基材的Ft-D曲線呈較窄的平行四邊形(即摩擦系數(shù)較低).隨著往復(fù)微動(dòng)位移的持續(xù)作用，接觸界面表面膜迅速破裂，材料發(fā)生直接接觸，黏著和塑性變形導(dǎo)致摩擦力的迅速增加.因此，F(xiàn)t-D曲線包絡(luò)的平行四邊形開(kāi)口逐漸增大，并經(jīng)過(guò)約1 000次循環(huán)后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài).與基材相比，離子氮化試樣在較大的位移下均呈現(xiàn)為較窄的平行四邊形，這是由于離子氮化后生成的粗糙化合物層導(dǎo)致了接觸面積減小，即在相同的法向載荷下實(shí)際接觸應(yīng)力增大，微動(dòng)向部分滑移方向轉(zhuǎn)變.隨著磨損的持續(xù)，離子氮化表面的Ft-D曲線包絡(luò)面積在經(jīng)歷約1 000次循環(huán)左右開(kāi)始增大，并在經(jīng)過(guò)約3 000次循環(huán)試驗(yàn)后達(dá)到穩(wěn)定.

Fig.3 Characterization of the substrate and plasma nitridelayer圖3基材及等離子氮化層的表征

脂潤(rùn)滑工況下，基材和離子氮化試樣的Ft-D曲線如圖4(c)和圖4(d)所示.當(dāng)位移幅值為D=10μm時(shí)，基材和離子氮化試樣的Ft-D曲線表明兩種試樣仍穩(wěn)定運(yùn)行于部分滑移區(qū).但離子氮化試樣的Ft-D曲線明顯具有更小的斜率和開(kāi)口幅度，即潤(rùn)滑工況下離子氮化試樣的摩擦系數(shù)和能量耗散均顯著低于基材.此外，在較大的位移幅值下(D=30和60μm)，離子氮化試樣在穩(wěn)定階段的Ft-D曲包絡(luò)面積均顯著小于基材.

Fig.4 F t-D-N curves of substrate and PN sample under different lubrication conditions.圖4基材和PN試樣在不同潤(rùn)滑工況下的F t-D-N曲線

摩擦系數(shù)是對(duì)磨副材料間的摩擦力(Ft)和法向載荷(Fn)的比值，反映了微動(dòng)接觸界面的力學(xué)響應(yīng).當(dāng)位移幅值為D=10μm時(shí)，基材及離子氮化試樣在干態(tài)及潤(rùn)滑工況下的摩擦系數(shù)曲線如圖5(a)所示.干摩擦條件下，隨著微動(dòng)磨損的進(jìn)行，對(duì)磨副表面的污染膜逐漸破裂，材料發(fā)生直接接觸，摩擦系數(shù)逐漸增大并達(dá)到穩(wěn)定.與基材相比，離子氮化表面粗糙的化合物層使其摩擦系數(shù)上升階段的時(shí)間大幅延長(zhǎng)至1 300次循環(huán)左右.添加潤(rùn)滑脂后，基材和離子氮化試樣的跑合時(shí)間均延長(zhǎng)至3 000次循環(huán)左右，穩(wěn)定階段的摩擦系數(shù)與干態(tài)相比均降低約30%左右.

圖5(b)和圖5(c)所示為基材和離子氮化試樣運(yùn)行于微動(dòng)滑移區(qū)(D=30和60μm)的摩擦系數(shù)隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線，大致可分為上升、下降和穩(wěn)定3個(gè)階段.在干摩擦條件下，基材試樣的表面膜隨著循環(huán)次數(shù)的增加迅速破損，直接接觸的對(duì)磨副材料黏著和塑性損傷加劇，導(dǎo)致摩擦系數(shù)逐漸增加并在第100個(gè)循環(huán)左右達(dá)到最大值.隨著磨損的持續(xù)進(jìn)行，接觸區(qū)材料發(fā)生加工硬化并剝落并碾碎形成第三體磨屑，起到支承和固體潤(rùn)滑作用，使摩擦系數(shù)逐漸下降.經(jīng)過(guò)約1 000次循環(huán)后，基材微動(dòng)接觸區(qū)磨屑的剝離生成與濺射溢出達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)摩擦系數(shù)進(jìn)入穩(wěn)定階段.與基材相比，干態(tài)下離子氮化表面低摩擦上升階段的循環(huán)次數(shù)顯著延長(zhǎng)，在約2 000次循環(huán)左右其摩擦系數(shù)達(dá)到最大值.由于離子氮化形成的粗糙化合物層導(dǎo)致微動(dòng)磨損中接觸區(qū)狀態(tài)的劇烈變化，摩擦系數(shù)在經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)周期的波動(dòng)和緩慢下降后，在第4 000次循環(huán)左右進(jìn)入穩(wěn)定階段.

脂潤(rùn)滑工況下，由于微動(dòng)法向載荷和切向應(yīng)力的共同作用，從潤(rùn)滑脂中分離出的基礎(chǔ)油[21]在接觸界面形成了良好的潤(rùn)滑，基材和離子氮化表面在初始階段的摩擦系數(shù)均顯著降低，約為0.14.然而，基材表面的摩擦系數(shù)在經(jīng)歷約130次循環(huán)后達(dá)到最大值，并在持續(xù)的試驗(yàn)中出現(xiàn)較大波動(dòng).這可能是由于磨損過(guò)程中接觸區(qū)材料的剝落碎化及磨屑的轉(zhuǎn)移導(dǎo)致了接觸狀態(tài)的劇烈變化，影響了潤(rùn)滑油膜的穩(wěn)定形成和持續(xù)減摩作用.對(duì)于離子氮化試樣，粗糙表面的非均勻材料接觸導(dǎo)致其初始階段的摩擦系數(shù)略高于基材.但其表面粗糙多孔的化合物層能有效儲(chǔ)存油脂，并在磨損過(guò)程中形成穩(wěn)定的潤(rùn)滑狀態(tài)，使摩擦系數(shù)始終保持在較低的水平，約為0.15左右.在干態(tài)及潤(rùn)滑工況下，離子氮化表面在微動(dòng)滑移區(qū)(D=30μm)的摩擦系數(shù)分別比基材降低約18.5%和43.5%，表現(xiàn)出優(yōu)異的減摩效果.此外，隨著微動(dòng)位移的增加，基材及離子氮化試樣穩(wěn)定階段的摩擦系數(shù)均不同程度降低，表明較大的位移幅值有利于在微動(dòng)界面充分形成潤(rùn)滑油膜并發(fā)揮減摩作用.

Fig.5 The friction coefficient curve of substrate and PN sampleunder different conditions.圖5基材和離子氮化試樣在不同潤(rùn)滑工況下的摩擦系數(shù)變化曲線

2.3 微動(dòng)磨損形貌分析

Fig.6 Wear morphologiesof substrate and PN sampleunder different lubrication conditions圖6基材和PN試樣在不同潤(rùn)滑工況下的磨損形貌

圖6 所示為不同摩擦條件下的磨損形貌照片。圖6(a)所示為基材和離子氮化試樣在干摩擦條件下的磨損形貌照片.當(dāng)D=10μm時(shí)，基材和離子氮化試樣均運(yùn)行于部分滑移區(qū).基材表面呈現(xiàn)出典型的微動(dòng)環(huán)，磨斑心部未見(jiàn)明顯損傷，接觸區(qū)邊緣的微滑區(qū)有輕微的材料剝落.離子氮化試樣表面的粗糙化合物層導(dǎo)致了不規(guī)則的微動(dòng)斑和表面微凸體的塑性變形.當(dāng)微動(dòng)位移增大至30μm時(shí)，基材表面的微動(dòng)斑呈現(xiàn)為橢圓形，且有大量的磨屑呈環(huán)狀分布于磨斑周圍，磨斑心部覆蓋有片狀剝層并散布著犁溝.離子氮化試樣由于表面粗糙硬質(zhì)相導(dǎo)致接觸不均，微動(dòng)產(chǎn)生的橢圓形磨斑寬度較窄，其表面覆蓋有塑性流動(dòng)和加工硬化形成的剝層.接觸區(qū)有較淺的犁溝，碎化和氧化后的磨屑沿微動(dòng)方向被排出到磨斑兩側(cè).當(dāng)位移幅值增大至60μm時(shí)，基材表面的微動(dòng)斑完全被大片的剝層和犁溝所覆蓋，其周圍濺射有大量被充分碾壓細(xì)化的磨屑.與之相比，離子氮化試樣在磨損中形成的剝層呈環(huán)狀分布在接觸區(qū)邊緣，磨斑心部堆積有大量的磨屑，形成第三體磨屑床.

添加潤(rùn)滑脂后，試樣表面的磨斑形貌如圖6(b)所示.當(dāng)D=10μm時(shí)，基材試樣磨斑邊緣的滑移帶寬度減小，僅有少量的剝落坑出現(xiàn).而離子氮化表面的磨斑輪廓基本消失，磨損區(qū)內(nèi)有塑性變形和輕微的犁溝.當(dāng)位移幅值增大至30μm時(shí)，基材表面微動(dòng)接觸區(qū)材料損傷大幅緩解，僅在心部有少量的剝層，但整個(gè)磨斑分布有較多的犁溝和剝落坑.這是由于接觸區(qū)材料在往復(fù)磨損過(guò)程中產(chǎn)生了加工硬化和接觸疲勞，并萌生出微裂紋，潤(rùn)滑脂中析出的基礎(chǔ)油在微動(dòng)極壓作用下促使微裂紋擴(kuò)展和貫通，導(dǎo)致材料剝離而形成剝落坑[22].相比之下，離子氮化試樣在添加潤(rùn)滑脂后的微動(dòng)損傷顯著減輕.試樣表面覆蓋的Fe-N顆粒物導(dǎo)致形狀不規(guī)則的磨斑，除了與對(duì)磨副直接接觸的粗糙峰發(fā)生塑性變形和磨損外，磨斑內(nèi)部?jī)H有少量較淺的犁溝和微坑.隨著微動(dòng)位移的進(jìn)一步增大(D=60μm)，添加的潤(rùn)滑脂顯著降低基材的磨損，磨斑表面僅分布有大量沿微動(dòng)運(yùn)行方向的犁溝及輕微的剝落坑.而離子氮化試樣的微動(dòng)接觸區(qū)內(nèi)僅觀察到較淺的犁溝和剝層，損傷較輕微.

圖7所示為基材及離子氮化試樣在D=30μm時(shí)的微動(dòng)磨斑三維形貌及二維截面輪廓.在干態(tài)工況下，基材表面磨損較為嚴(yán)重，磨斑中心由于材料剝落而產(chǎn)生凹坑，磨斑邊緣由于磨屑的堆積而產(chǎn)生隆起[圖7(a)].沿微動(dòng)運(yùn)行方向的磨斑截面二維輪廓呈“U”型，最大深度約為4μm.離子氮化試樣由于表面粗糙峰的影響，磨斑中心區(qū)域有少量未能排出的磨屑堆積成環(huán)狀，磨斑邊緣的磨屑和粗糙峰被碾壓形成塑性流動(dòng)層[圖7(b)].磨斑二維截面顯示離子氮化表面最大磨損深度僅為2μm，其微動(dòng)損傷程度較輕.添加潤(rùn)滑脂后，基材表面磨損產(chǎn)生最大深度為2μm的凹坑[圖7(c)]，而離子氮化表面未見(jiàn)明顯的材料損傷，接觸區(qū)僅有少量的粗糙峰被壓潰而產(chǎn)生塑性損傷[圖7(d)].由此表明，離子氮化試樣在相同微動(dòng)試驗(yàn)工況下的磨損性能優(yōu)于基材.

Fig.7 Three-dimensional morphology and two-dimensional contour of thefretting scars圖7 D=30μm時(shí)微動(dòng)磨斑的三維形貌及二維輪廓

2.4 能量耗散及磨損率

為進(jìn)一步探究離子氮化表面在不同潤(rùn)滑條件下的微動(dòng)磨損性能，對(duì)2.2節(jié)中單次微動(dòng)循環(huán)的Ft-D曲線包絡(luò)面積進(jìn)行積分，并累加得到如圖8所示的累積能量耗散(Ed)隨循環(huán)次數(shù)的演變規(guī)律. 干摩擦條件下[圖8(a)]，基材和離子氮化試樣在不同微動(dòng)位移幅值下的累積能量耗散隨循環(huán)次數(shù)的增加呈線性增長(zhǎng)[23].離子氮化試樣在不同位移幅值下產(chǎn)生的累積和單次循環(huán)摩擦耗散能均低于基材.在D=30μm時(shí)，離子氮化試樣在穩(wěn)定階段的能量耗散率為741.2μJ/cycle，即單次微動(dòng)循環(huán)的摩擦耗散能比基材(788.1μJ/cycle)降低約6%.當(dāng)位移幅值增大至60μm時(shí)，與基材相比，離子氮化試樣的累積摩擦耗散能降低約10%.

如圖8(b)所示，在脂潤(rùn)滑工況下，基材和離子氮化表面的累積摩擦耗散能與循環(huán)次數(shù)在完整試驗(yàn)周期內(nèi)均具有較高的線性相關(guān)性.與干摩擦工況相比，潤(rùn)滑脂的加入使離子氮化表面的能量耗散率較基材進(jìn)一步降低，甚至在D=30μm時(shí)降低量達(dá)到28.6%左右，表現(xiàn)出優(yōu)異的減磨效果.

基于白光干涉儀對(duì)磨斑三維形貌的測(cè)量，得到基材及離子氮化試樣在不同潤(rùn)滑條件下的磨斑面積和磨損體積，如圖9(a)所示.在干態(tài)和脂潤(rùn)滑兩種工況下，離子氮化試樣與基材相比，不同微動(dòng)位移的磨損體積均不同程度降低.對(duì)圖8和圖9(a)所示的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行最小二乘擬合，建立不同微動(dòng)工況下磨損體積與累積能量耗散的關(guān)系，如圖9(b)所示.可以看出，磨損體積與累積能量耗散呈正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)R2均接近于1)，擬合直線的斜率即為基于耗散能的磨損率αV[24].其中，干態(tài)和潤(rùn)滑工況下，離子氮化試樣均具有較低的磨損率，分別為12.6和6.5μm3/mJ.這表明在相同的服役工況和能量輸入時(shí)，離子滲氮處理能大幅提高基材的抗微動(dòng)磨損性能.

2.5 摩擦化學(xué)分析

Fig.8 The evolution of accumulated energy dissipation with the number of cycles圖8累積能量耗散隨循環(huán)次數(shù)的演變規(guī)律

Fig.9 Abrasion loss and wear rate of samples under different lubrication conditions圖9不同潤(rùn)滑條件下試樣的磨損量和磨損率

采用XPS對(duì)基材和離子氮化試樣表面磨損前后元素的化學(xué)狀態(tài)進(jìn)行分析，各元素以碳的結(jié)合能(C 1s 284.8 eV)為參考進(jìn)行校準(zhǔn)，分辨率約為±0.3 eV，并采用Shirley背景進(jìn)行卷積.基材和離子氮化試樣磨斑表面的氧化產(chǎn)物主要為Fe的氧化物，因此主要分析Fe元素的XPS高分辨光譜.如圖10所示，根據(jù)Fe 2p不同價(jià)態(tài)(Fe0、Fe2+和Fe3+)結(jié)合能峰的典型位置[25-26]，對(duì)Fe元素窄譜進(jìn)行分峰擬合.同時(shí)，得到基材及離子氮化試樣磨損表面主要價(jià)態(tài)峰的結(jié)合能位置及對(duì)應(yīng)的峰面積百分比，結(jié)果列于表3中.Zhou等[27]的研究表明，鐵碳合金表面的Fe原子在大氣環(huán)境中會(huì)緩慢形成以Fe2+為主的氧化膜(FeO)，而摩擦作用可激活氧化反應(yīng)，促使氧化產(chǎn)物向化學(xué)性質(zhì)更穩(wěn)定的Fe3+轉(zhuǎn)變.在未磨損的基材及離子氮化表面，F(xiàn)e2+的含量占主導(dǎo)(峰面積比分別為57.74%和55.70%)，而試驗(yàn)后磨斑區(qū)域的Fe2O3(Fe3+)含量均顯著升高，即基材及離子氮化試樣的微動(dòng)接觸區(qū)均發(fā)生了不同程度的氧化反應(yīng)，相比之下，離子氮化試樣的氧化磨損程度較輕.對(duì)于基材試樣，在潤(rùn)滑條件下磨斑表面能檢測(cè)到位于706.5 eV處的特征峰，表明添加的潤(rùn)滑脂能阻止空氣進(jìn)入微動(dòng)界面，基材表面的單質(zhì)Fe未被完全氧化.而離子氮化試樣在干態(tài)及潤(rùn)滑工況下檢測(cè)到位于706.7 eV附近的特征峰，則是由滲氮層在磨損后顯露出的未被完全氧化的FeNx所產(chǎn)生的[28].

表3 磨損表面Fe2p XPS峰的位置及對(duì)應(yīng)的面積比Table 3 The position and corresponding area ratio of Fe2p XPSpeak on worn surfaces

2.6 磨損機(jī)理分析

結(jié)合磨斑表面損傷形貌和摩擦化學(xué)狀態(tài)，對(duì)基材和離子氮化試樣在不同潤(rùn)滑條件下的磨損機(jī)理進(jìn)行分析.對(duì)于基材，在D=10μm時(shí)，其微動(dòng)磨損運(yùn)行于部分滑移區(qū)，干態(tài)及潤(rùn)滑工況下的損傷均較輕微，損傷機(jī)理主要為黏著磨損.當(dāng)微動(dòng)運(yùn)行于滑移區(qū)時(shí)(D=30和60μm)，干態(tài)條件下基材的磨斑表面堆積有大量剝層和磨屑，這是由于接觸區(qū)材料在循環(huán)應(yīng)力作用下產(chǎn)生加工硬化，萌生的微裂紋不斷擴(kuò)張并貫通，導(dǎo)致的疲勞剝層.同時(shí)，磨斑內(nèi)部分布的犁溝是由于硬化并剝落后的磨屑對(duì)基體產(chǎn)生的磨粒磨損.脂潤(rùn)滑工況下基材的損傷形式主要表現(xiàn)為的大量的犁溝和剝落坑，剝層基本消失，損傷程度較干態(tài)下有大幅緩解.因此，綜合XPS的分析結(jié)果，基材在微動(dòng)部分滑移區(qū)的損傷機(jī)理主要為黏著磨損，在微動(dòng)滑移區(qū)的損傷機(jī)理主要為剝層磨損、磨粒磨損和氧化磨損.

Fig.10 High resolution Fe 2PXPSspectra on the surface of substrate and PN samples圖10基材和PN試樣磨斑表面的Fe 2P XPS高分辨光譜

對(duì)于離子氮化試樣，由于離子濺射形成的粗糙化合物層，使其在部分滑移區(qū)(D=10μm)的損傷機(jī)理主要為塑性變形和輕微的磨粒磨損.在微動(dòng)滑移區(qū)(D=30和60μm)，離子氮化表面在干態(tài)下的損傷形式主要為材料片狀剝落和犁溝.這是由于試樣表面的氮化鐵顆粒物在循環(huán)接觸應(yīng)力和切應(yīng)力作用下產(chǎn)生塑性變形和加工硬化形成剝層，最終剝落、碎化為磨屑進(jìn)而對(duì)接觸界面產(chǎn)生犁削.結(jié)合摩擦化學(xué)分析結(jié)果，離子氮化表面在干態(tài)下的損傷機(jī)制主要為剝層磨損、磨粒磨損和氧化磨損.潤(rùn)滑脂加入后，離子氮化表面僅發(fā)現(xiàn)接觸區(qū)塑性變形的粗糙峰和較多的淺犁溝，因此磨粒磨損和氧化磨損為其主要的磨損機(jī)制.

基于上述試驗(yàn)結(jié)果和分析，對(duì)離子氮化處理表面緩解微動(dòng)損傷的機(jī)理進(jìn)行進(jìn)一步討論.離子氮化生成的粗糙化合物層增大了微動(dòng)磨損區(qū)的局部接觸應(yīng)力，施加的法向載荷和循環(huán)切應(yīng)力在導(dǎo)致材料塑性損傷和磨損的同時(shí)，也能部分被硬質(zhì)相顆粒產(chǎn)生的彈塑性變形所協(xié)調(diào)，從而緩解了材料損傷.此外，離子氮化表面覆蓋的球型氮化鐵顆粒易于在循環(huán)應(yīng)力作用下脫落、碎化并被表面織構(gòu)收集形成第三體磨屑床，進(jìn)而起到接觸界面的支承和固體潤(rùn)滑作用.隨著潤(rùn)滑脂的加入，離子氮化表面對(duì)微動(dòng)損傷的緩解作用更為顯著(其磨損率比基材降低約60%).這是由于高硬度的粗糙化合物層為潤(rùn)滑脂的儲(chǔ)存和緩慢釋放提供了良好的條件，同時(shí)，剝落并碎化后的磨屑顆粒在潤(rùn)滑脂的分散和包覆作用下，可形成協(xié)同潤(rùn)滑效應(yīng)[29]，進(jìn)一步降低摩擦系數(shù)和能量耗散，提高接觸界面的抗微動(dòng)損傷性能.

3 結(jié)論

a.鎖緊銷基材(35CrMo鋼)經(jīng)離子氮化處理后，表面形成的由ε-Fe2-3N和γ'-Fe4N相構(gòu)成的化合物層顯著提高材料的表面硬度，在微動(dòng)滑移區(qū)不同潤(rùn)滑條件下的磨損機(jī)制主要為剝層、磨粒磨損和氧化磨損.

b.離子氮化處理大幅降低滑移區(qū)微動(dòng)界面的摩擦系數(shù)、能量耗散和磨損量.尤其在潤(rùn)滑工況下，氮化表面的摩擦耗散能和磨損率分別比基材降低約28.6%和60%.

c.離子氮化表面覆蓋的硬質(zhì)相顆粒，易于在磨損中剝落并被表面織構(gòu)收集形成磨屑床起到固體潤(rùn)滑作用.在適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑條件下，第三體被潤(rùn)滑劑包覆產(chǎn)生協(xié)同潤(rùn)滑效應(yīng)可進(jìn)一步緩解微動(dòng)損傷.

d.離子滲氮可作為變軌距鎖緊銷的表面強(qiáng)化改性工藝，在不同工況下均能有效緩解該部件的微動(dòng)損傷.研究結(jié)果可為機(jī)械領(lǐng)域相關(guān)結(jié)構(gòu)件抗微動(dòng)表面工程防護(hù)提供理論參考.