砂塵環(huán)境對典型軍用金屬材料的磨損性能影響規(guī)律研究

李迪凡，羅丹，王曉輝，楊昊雨，楊萬均，陳源

（西南技術(shù)工程研究所，重慶 400050）

引言

摩擦磨損是機械設(shè)備的主要失效形式之一，影響國民經(jīng)濟，據(jù)統(tǒng)計，各種摩擦形式造成了世界上約1/3的能源消耗，2007年中國工程院發(fā)布的摩擦學調(diào)查報告顯示，2006年全國因摩擦磨損造成的損失高達9 500億，占當年GDP的4.5 %。而磨粒磨損在磨損中占有重要的地位所造成的損失尤為顯著。我國沙漠總面積超過130萬平方公里，占國土面積的13.6 %，主要分布在西北和華北地區(qū)，以西北居多，包括沙質(zhì)荒漠、戈壁、沙地等多種類型。這些地區(qū)不僅蘊藏有豐富的油氣資源，更是中國通往中亞、西亞的必經(jīng)之地，具有重要的戰(zhàn)略地位。直升機、地面裝備等裝備在長期服役過程中，其轉(zhuǎn)動及傳動裝置、軸承等武器裝備關(guān)鍵構(gòu)件還需要承受沙塵及自身的摩擦磨損作用，隨著裝備服役時間的延長，砂塵對裝備的損傷作用提升到了一個顯著水平。沙塵與摩擦磨損綜合加速作用會導(dǎo)致部件出現(xiàn)破壞、斷裂、磨損、卡滯等失效行為，使裝備整體戰(zhàn)技性能下降，嚴重影響了裝備在沙漠地區(qū)服役的安全性和可靠性[1]。目前，開展較多的是普通材料的摩擦磨損研究，對軍用材料研究不多，李春霞等利用自研的試驗裝置和和方法，對5類金屬材料進行了沙塵摩擦磨損試驗，考察了幾種材料的抗磨損行為[2]。本文以3種軍用材料為研究對象，利用MLGS-225C型磨粒磨損試驗機開展摩擦磨損試驗，研究其摩擦磨損性能，為裝備選材、驗證與評價提供技術(shù)支持。

1 試驗設(shè)備與條件

1.1 試驗設(shè)備與試驗方法

本試驗采用磨粒磨損試驗機，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，試驗時將試驗樣品與摩擦輪共線相切安裝，利用杠桿加載系統(tǒng)設(shè)置既定載荷施加到被測試樣上，通過伺服電機設(shè)置既定轉(zhuǎn)速控制摩擦輪轉(zhuǎn)動速度，砂塵利用負壓原理將沙斗中的砂通過流量閥流到對摩摩擦副的摩擦面上，砂塵類型及粒徑根據(jù)試驗要求進行選定。

圖1 磨粒磨損試驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 試驗材料及試驗樣品

試驗時所選用的沙塵為敦煌地區(qū)沙漠砂，砂塵形貌的SEM如圖2所示，與裝備在敦煌地區(qū)服役所遭受的沙塵成分基本一致，所選用的砂樣經(jīng)過烘干和過篩等過程。

圖2 60目砂塵的 SEM照片

試驗樣品選用輕武器裝備常用材料7A04鋁合金、TC6鈦合金、30CrNi3MoV鋼作為研究對象，他們的元素組成和硬度等見表1，尺寸為φ30 mm×10 mm，試驗樣品在試驗前按照產(chǎn)品要求進行相應(yīng)的熱處理。

表1 3種材料的組成與性能

1.3 試驗條件和試驗過程

試驗前，用酒精或丙酮等試劑對試樣進行清洗，去除污漬和銹點，并將表面吹干。

試驗時，將清洗好的試驗樣品與摩擦輪共線安裝后，在摩擦磨損試驗機上進行試驗．被測試樣固定不動，摩擦輪在400 r/min情況下，針對每組試驗樣品，依次開展21 N、45 N和100 N 3種載荷條件，無沙、60目，100目3種沙塵粒徑條件下的摩擦磨損試驗。試驗采用無潤滑干摩擦形式，每組試驗持續(xù)5 min。實驗結(jié)束后，立即用丙酮對試樣進行清洗，待干燥后用精度為萬分之一電子分析天平進行稱重．用Quattro-S場發(fā)射環(huán)境掃描電鏡對試驗樣品的摩擦表面進行了相貌檢測。

磨損量是用來表征材料耐磨性的一項重要參數(shù)，其測試方法如下式（1）。

式中：

m—試樣質(zhì)量磨損量（g）；

m0—試樣磨損前的質(zhì)量（g）；

m1—試樣磨損后的質(zhì)量（g）。

根據(jù)試驗要求，每次試驗選用三組平行試驗樣品，提高試驗結(jié)果的準確性和重現(xiàn)性。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 砂塵對試驗樣品材料磨損性能的影響

利用加工好的3種金屬材料樣品，分別載荷為21 N、45 N和100 N；沙塵粒徑為無沙、60目和100目條件下進行摩擦磨損對比試驗，圖3為磨損量與載荷和粒徑的變化規(guī)律圖[3-6]。

從圖2可以看出，3種試驗載荷在無沙即干摩擦條件下試驗時，試驗材料的磨損量都很小，相比較而言，鋁合金的磨損量最大，鈦合金次之，鋼最少；相同條件時，3種材料的磨損量隨試驗載荷的增大而增加；沙塵粒徑對材料摩擦性能的影響較為明顯，在干摩擦試驗時的磨損量最少，60目次之，100目最大，與試驗預(yù)期的結(jié)果基本符合；對于7A04鋁合金和TC6鈦合金兩種材料，兩種材料的密度相近，鋁合金的硬度較低，在加載條件時，沙塵可嵌入試驗樣品表面，加速樣品磨損。對于30CrNi3MoV鋼，由于密度和硬度較大，在試驗過程中，沙塵被被壓成小顆粒，減少了試驗表面的摩擦，從而使材料的磨損量減低。

2.2 磨損表面SEM分析

本文以載荷為21 N時，無沙、60目和100目3種砂塵粒徑條件下試樣摩擦表面相貌為例進行了分析，試樣的相貌如圖4～6所示。

圖4 7A04鋁合金試樣在3種環(huán)境下的磨損形貌

圖4（a）為7A04鋁合金試樣的摩擦表面有較多的摩擦凹坑，凹坑中磨屑可見，主要是由于摩擦副表面的硬質(zhì)微凸體犁削作用，導(dǎo)致被測試樣的摩擦面發(fā)生二體磨粒磨損形成摩擦凹坑。圖4（b）由于鋁合金樣品的硬度較低，粒徑較小的沙塵顆粒由于受到外加載荷作用被碾碎后嵌入到樣品表面，砂塵在一定程度上起到產(chǎn)生了增強效果，使試樣表面看起來更加平滑，其磨損機制也發(fā)生相應(yīng)的改變，由干摩擦開始時的粘著磨損轉(zhuǎn)變?yōu)槟チＤp。圖4（c）則是由于砂塵顆粒粒徑相對較大，外加載荷無法將其嵌入試樣表面，其磨損機理主要為磨粒磨損。

圖5為TC6鈦合金摩擦試驗后的磨損形貌，圖5（a）可以看出，在干摩擦試驗條件下，由于鈦合金具有硬度較低，耐磨性較差等性能，試樣極易發(fā)生的塑性變形，試驗過程中產(chǎn)生的磨屑協(xié)同砂塵在外加載荷的多次作用下，在試樣摩擦表面形成淺而寬的犁溝。圖5（b）的摩擦形貌與圖4（b）有明顯的相同之處，其原因主要是由于粒徑較小的砂塵被碾碎后在試樣摩擦表面產(chǎn)生了增強作用；圖5（c）的摩擦表面磨損較為嚴重，存有許多磨痕較深的犁溝，主要由于外加載荷作用，沙粒被壓入鈦合金試樣摩擦表面一定深度，試驗時在鈦合金表面造成犁削損傷，從而出現(xiàn)具有一定深度的犁溝痕跡，其磨損機制表現(xiàn)為以磨粒磨損為主，并伴隨有少量的黏著磨損。

圖5 TC6鈦合金試樣在3種環(huán)境下的磨損形貌

與7A04鋁合金和TC6鈦合金相比，圖6的摩擦面相對平滑。圖6（a）試樣磨損程度較輕，摩擦表面相對平整，僅出現(xiàn)少量的摩擦凹坑，其主要原因是30CrNi3MoV鋼試樣硬度較高，試驗過程中產(chǎn)生的少量硬度較高磨屑在載荷作用下在試樣摩擦面上形成了凹坑，造成磨粒磨損。從圖6（b）可以看出砂塵明顯加速了試樣摩擦面的的磨損，對試樣摩擦表面相貌可知，其磨損機制為典型的磨粒磨損。圖6（c）中試樣表面存在有小量平行于滑動方向的淺犁溝和及少量的摩擦凹坑，其主要原因是砂塵粒徑較大外形尖銳，外加的載荷無法將其碾碎，加速了試樣摩擦面磨損，但由于樣品的硬度較高，便表面形成了淺犁溝，其磨損機制同樣為磨粒磨損。

圖6 30CrNi3MoV鋼試樣在3種環(huán)境下的磨損形貌

3 結(jié)論

1）砂塵環(huán)境下，砂塵對材料磨損量的影響顯著，3種金屬材料的磨損量隨砂塵粒徑的增大而增加，無砂時磨損量最少，60目次之，100目最大。

2）金屬材料的磨損性能與材料的力學性能、熱處理工藝等有重要的關(guān)聯(lián)，砂塵環(huán)境下，不同金屬材料所反映的磨損性能有明顯差異。

3）在相同粒徑條件時，磨損量隨載荷的增加而增大，對比3種金屬材料的磨損量，7A04鋁合金最大、TC6鈦合金次之、30CrNi3MoV鋼最小。