王梅霞劉高志張勇亭

（1.濟南博安自控科技有限公司，濟南250022；2.山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院，濟南250022）

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網(wǎng)絡(luò)互穿雙金屬復(fù)合材料干滑動摩擦磨損特性研究

王梅霞1劉高志2張勇亭2

（1.濟南博安自控科技有限公司，濟南250022；2.山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院，濟南250022）

摘要：利用高溫高速摩擦磨損試驗機分別對不同工況（加載載荷、主軸轉(zhuǎn)速、時間）下網(wǎng)絡(luò)互穿鋁基復(fù)合材料摩擦磨損特性進(jìn)行分析。結(jié)果表明：摩擦因數(shù)和磨損量均與加載載荷和主軸轉(zhuǎn)速呈正相關(guān)關(guān)系。建立的磨損方程能夠很好的對實際磨損量進(jìn)行預(yù)測，且三個實驗因素對磨損量的影響大小依次為時間、加載載荷、主軸轉(zhuǎn)速。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料摩擦因數(shù)磨損量多元線性回歸

金屬基復(fù)合材料具有優(yōu)于基體材料的力學(xué)性能和熱物理性能，在航空航天、汽車、運動器材、機械制造等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價值和科研價值［1,2］。其中，三維網(wǎng)絡(luò)貫穿復(fù)合材料的增強體與基體在三維空間均保持相互連續(xù)、相互貫通，該結(jié)構(gòu)既保持了基體材料的韌性又大幅提高了復(fù)合材料的承載能力、抗沖擊能力、耐磨損等性能［3,4］，此結(jié)構(gòu)復(fù)合材料整體表現(xiàn)出各向同性。目前以陶瓷材料作為增強相的網(wǎng)絡(luò)互穿復(fù)合材料應(yīng)用比較廣泛，但陶瓷材料可加工性差，不易形變，具有局限性。本文采用316不銹鋼絲編織網(wǎng)絡(luò)骨架作為增強體，浸滲6061鋁合金材料制備出雙金屬貫穿的鋁基復(fù)合材料，對其摩擦磨損性能進(jìn)行了研究，并建立了磨損模型，為該材料在耐磨件上的應(yīng)用提供參考。

1 實驗

1.1 試樣制備

采用三維編織技術(shù)編織尺寸為Φ40mm×50mm的316不銹鋼絲網(wǎng)絡(luò)骨架試樣，利用丙酮溶液對骨架進(jìn)行超聲波清洗；熔化6061鋁合金，通過無壓浸滲技術(shù)制備出316/6061雙金屬網(wǎng)絡(luò)互穿復(fù)合材料毛坯件，經(jīng)切削加工成Φ36mm×6mm的盤類試樣。

1.2 摩擦磨損實驗

通過MMG-10型高溫、高速摩擦磨損試驗機進(jìn)行端面式干滑動摩擦磨損實驗。

摩擦磨損試驗方案為：

（1）室溫條件下，工況設(shè)定為：主軸轉(zhuǎn)速100rpm，實驗時間1500s時，分別測量摩擦因數(shù)、磨損量與加載載荷（20N，30N，40N和50N）的關(guān)系；

（2）室溫條件下，工況設(shè)定為：加載載荷20N，實驗時間1500s時，分別測量摩擦因數(shù)、磨損量與主軸轉(zhuǎn)速（100rpm，200rpm，300rpm和400rpm）的關(guān)系。

2 試驗結(jié)果與分析

（1）微觀結(jié)構(gòu)分析。圖1（a）為網(wǎng)絡(luò)互穿復(fù)合材料骨架與基體接觸基面，可以看出二者界面結(jié)合良好。通過EDS能譜分析（圖1（b），A區(qū)為網(wǎng)絡(luò)骨架，B區(qū)為基體合金。

圖1 網(wǎng)絡(luò)互穿復(fù)合材料界面及EDS能譜分析

（2）摩擦學(xué)特性。將在不同實驗條件下得到的摩擦因數(shù)值分別列入表1中。

表1 不同工況下摩擦因數(shù)值μ

圖2是摩擦因數(shù)與加載載荷的關(guān)系曲線圖，圖3是摩擦因數(shù)與主軸轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線圖，圖4為摩擦因數(shù)與主軸轉(zhuǎn)速、加載載荷的三維關(guān)系圖。由圖2、圖3可以看出，摩擦因數(shù)隨著加載載荷和主軸轉(zhuǎn)速的增加均呈非線性增加趨勢，且在較大加載載荷和較高主軸轉(zhuǎn)速時，摩擦因數(shù)增加趨勢更快。

圖2 摩擦因數(shù)與加載載荷的關(guān)系

圖3 摩擦因數(shù)與主軸轉(zhuǎn)速的關(guān)系

摩擦副試樣在進(jìn)行摩擦磨損實驗之前通常需在金相試樣拋光機上進(jìn)行拋光處理，但其表面細(xì)觀結(jié)構(gòu)實際上仍是凹凸不平的，是由凸峰-凹谷組成的粗糙表面。因而，在實驗過程中摩擦副實際上只是局部的微凸峰接觸，即微凸峰接觸面積決定了摩擦阻力的大小。摩擦副之間所接觸的凸峰數(shù)量、狀態(tài)隨著加載載荷、主軸轉(zhuǎn)速和實驗時間呈動態(tài)變化。當(dāng)加載載荷增加時，壓應(yīng)力也相應(yīng)增加，摩擦表面產(chǎn)生更為強烈的塑性變形［5,6］，摩擦表面微凸峰的接觸數(shù)量增加，且微凸峰的變形程度越大，接觸點的接觸半徑增大，導(dǎo)致真實接觸面積呈非線性顯著增加，進(jìn)而使得在較大加載載荷時摩擦因數(shù)增加更為明顯。

圖4 摩擦因數(shù)與主軸轉(zhuǎn)速、加載載荷的三維關(guān)系圖

當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速較高時，單位時間內(nèi)接觸面積較大，即單位時間內(nèi)摩擦力所做的功更多，內(nèi)能增加，摩擦副表面溫度升高，導(dǎo)致基體合金軟化，摩擦過程中摩擦副之間接觸點發(fā)生粘著現(xiàn)象，滑動阻力增加，導(dǎo)致摩擦因數(shù)增大。主軸轉(zhuǎn)速為400rpm時，磨損試樣的SEM如圖5所示，由圖可以看出由于材料發(fā)生了塑性變形，摩擦副接觸表面材料發(fā)生了明顯的體積轉(zhuǎn)移且有輾扎平滑區(qū)，粘著磨損嚴(yán)重。

（3）摩擦磨損性能分析。將在不同實驗條件下得到的磨損量分別列入表2中。

圖5 磨損試樣的SEM

表2 不同實驗條件下磨損量△

圖6是磨損量與加載載荷的關(guān)系曲線圖，圖7是磨損量與主軸轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線圖，圖8為磨損量與主軸轉(zhuǎn)速、加載載荷的三維關(guān)系圖。由圖7、圖8可以看出，磨損量隨著加載載荷和主軸轉(zhuǎn)速的增加均呈非線性增加趨勢，且磨損量在較大加載載荷和較高主軸轉(zhuǎn)速時增加更為明顯。

圖6 載荷與磨損量的關(guān)系曲線

圖7 轉(zhuǎn)速與磨損量的關(guān)系曲線

由于在摩擦過程中摩擦副之間主要是凸峰接觸，摩擦滑動會導(dǎo)致凸出接觸點不斷被剪切、撕落，當(dāng)加載載荷和主軸轉(zhuǎn)速增加時，接觸點撕裂更為嚴(yán)重，導(dǎo)致磨損量的增加；另外，在較大加載載荷和較高主軸轉(zhuǎn)速時，會有更多數(shù)量的不銹鋼絲增強體被撕裂而脫離本體，所剝落的硬度相對較高的增強體會參與到磨削過程中，加劇了基體材料的磨損，進(jìn)而導(dǎo)致磨損量增加。

圖8 磨損量與主軸轉(zhuǎn)速、載荷的三維關(guān)系圖

（4）復(fù)合材料摩擦磨損回歸統(tǒng)計模型建立?；趯嶒炈玫降拇罅磕p數(shù)據(jù)，結(jié)合R統(tǒng)計分析軟件建立網(wǎng)絡(luò)互穿雙金屬復(fù)合材料的磨損量計算模型。

模型參考西安交通大學(xué)的陳躍［6,7］建立的磨損量計算模型，即

式中W是復(fù)合材料磨損量，p是加載載荷，v是主軸轉(zhuǎn)速，t是實驗時間，k、a、b、c為待定系數(shù)。

方程（1）做如下轉(zhuǎn)換：

令y=lnW，x1=lnp，x2=lnv，x3=lnt，并設(shè)β0= lnk，β1=a，β2=b，β3=c，則式（2）為：

將表3中每個工況條件下加載載荷、主軸轉(zhuǎn)速、實驗時間和對應(yīng)的磨損量分別求對數(shù)，然后帶入R軟件中求解［8］，輸出結(jié)果如圖9所示，因此回歸方程可寫為：

變量x1，x2，x3對應(yīng)的p值都遠(yuǎn)小于顯著性水平0.05，F(xiàn)統(tǒng)計量的估計值為828.4，由對應(yīng)的p值為3.054e-8，說明回歸方程是顯著的；可決系數(shù)R2=0.9976，說明方程的擬合效果良好。

圖9 R軟件分析結(jié)果

將所得數(shù)據(jù)變量代換，得到如下復(fù)合材料的磨損量方程：

其中：

W磨損量，單位：mg；p加載載荷，單位：N；v主軸轉(zhuǎn)速，單位：rpm；t實驗時間，單位：min。

由圖9輸出結(jié)果得p、v、t的冪分別為0.131、0.103、1.095，因此在本實驗研究的范圍內(nèi)不同實驗因素對磨損量W的影響順序依次為：實驗時間t＞加載載荷p＞主軸轉(zhuǎn)速v。

由磨損方程式（5）所求得的復(fù)合材料磨損量預(yù)測值與實際狀況的實測值數(shù)據(jù)列入表3中，預(yù)測值與實測值的對比曲線圖如圖10所示，由曲線圖同樣可以看出磨損量預(yù)測值能夠很好的對實驗實測值進(jìn)行擬合。

圖10 磨損量實測值與預(yù)測值對比

3 結(jié)論

（1）網(wǎng)絡(luò)互穿鋁基復(fù)合材料摩擦因數(shù)、磨損量均隨加載載荷和主軸轉(zhuǎn)速的增加而增加，且在較高載荷或較高主軸轉(zhuǎn)速時增加趨勢更為明顯。

（2）得到主軸轉(zhuǎn)速為100 r·min-1，實驗時間為1500s時，不同載荷下的摩擦因數(shù)和磨損量；得到加載載荷為20N，實驗時間為300s時，不同主軸轉(zhuǎn)速下的摩擦因數(shù)和磨損量。

（3）由R軟件分析結(jié)果可以看出，三個實驗因素對磨損量的影響順序依次為：實驗時間＞加載載荷＞主軸轉(zhuǎn)速。

（4）本文建立的磨損模型能夠有效的對磨損量進(jìn)行預(yù)測。

參考文獻(xiàn)

［1］王守仁，耿浩然，王英姿，等．3DNSRMMCs網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)幾何特征分析［J］．濟南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2006，20（1）：8-11．

［2］謝賢清，張荻，范同祥，等．網(wǎng)絡(luò)互穿結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的研究進(jìn)展［J］．功能材料，2002，33（1）：22-25．

［3］韓少維，王為民，傅正義，等．互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中網(wǎng)絡(luò)陶瓷預(yù)制體的制備與研究進(jìn)展［J］．江蘇陶瓷，2007，40 （5）：33-37．

［4］何曾先，陳維平，黃丹，等．網(wǎng)絡(luò)陶瓷/金屬復(fù)合材料的研究進(jìn)展［J］．材料導(dǎo)報，2007，21（9）：13-16．

［5］王守仁，耿浩然，王英姿，等．金屬基復(fù)合材料中網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)陶瓷增強體的制備及研究進(jìn)展［J］．機械工程材料，2005，29 （12）：1-3．

［6］張永振.材料干摩擦學(xué)［M］.第1版.北京:科學(xué)出版社,2007．

［7］劉高志.網(wǎng)絡(luò)互穿鋁基復(fù)合材料摩擦磨損性能與應(yīng)用研究［D］.濟南:濟南大學(xué)機械工程學(xué)院,2010．

［8］陳躍.顆粒增強鋁基復(fù)合材料干滑動摩擦磨損特性研究［D］.西安:西安交通大學(xué)材料系,2001．

［9］趙穎.應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計［M］.第1版.北京:北京理工大學(xué)出版社, 2008．

Study on Friction and Wear Characteristics of Dry Sliding Friction of Bimetal Material Composites with Interpenetrating Network

WANG Meixia1, LIU Gaozhi2, ZHANG Yongting2
（1.Jinan Bo'an Automation Control Technology Co.,Ltd, Jinan 250022,China;2.Shandong Institute for Product Quality Inspection, Jinan 250022,China）

Abstract:By using high temperature and high velocity friction and abrasion tester, the dry sliding friction and wear characteristics of 316 stainless steel reinforced aluminum matrix composites with interpenetrating network under different connecting pressure and sliding speed were investigated. Based on law of curve we found that friction coefficient and abrasion amount increase with the increasing of sliding speed and connecting pressure. Theoretical values of the wear rate equation were well in accordance with experiments, the wear model which was established matched with the realistic situation of wear. From the wear rate equation of composite materials, it was found that the major impact on wear rate was wear time, load took the second place and the minor factor was sliding speed.

Key words:composites, friction coefficient, abrasion amount, multivariable linear regression