關(guān)耀威,張宇洋,段偉,黃秋玲,李肖瑤,李展鵬,張育誠,簡思聰

（1.廣東省科學(xué)院工業(yè)分析檢測中心，廣東 廣州 510651；2.西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，陜西 西安 710129）

鋁是地殼中含量最豐富的金屬元素，其成本低廉，具有良好的應(yīng)用前景。鋁在許多領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，如作為摻雜元素添加到其他材料中以提高材料的綜合性能［1-3］，但更多的則是在鋁中添加一定量其他合金化元素而制成鋁合金。7075鋁合金屬于7系鋁合金，其具有強(qiáng)度高、機(jī)械性能好、抗腐蝕和抗氧化性能良好等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、模具加工和機(jī)械設(shè)備等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，如塑料模具［4］、海洋鉆井隔水管［5］和鉆桿［6］等。7075鋁合金在使用過程中不可避免地與其他材料發(fā)生摩擦與磨損，而這已經(jīng)成為其失效，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備失效的主要原因之一［7-9］。據(jù)估計(jì)，全世界有1/3—1/2的能源是以各種形式消耗在摩擦中［10］。因此，研究7075鋁合金的摩擦磨損行為對(duì)節(jié)約能源、提高產(chǎn)品質(zhì)量，以及設(shè)備使用壽命的延長和可靠性的提高有著積極意義。國內(nèi)外研究者對(duì)7075鋁合金的摩擦磨損行為進(jìn)行了大量的研究［11-18］，但對(duì)于7075鋁合金表面質(zhì)量與摩擦磨損性能間的關(guān)系研究較少。

以7075-T651鋁合金為例，制備不同表面粗糙度的鋁合金，并將其與Si3N4球組成摩擦副進(jìn)行滑動(dòng)摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，研究不同表面粗糙度與摩擦磨損性能間的關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)選用7075-T651鋁合金（硬度為34 HRC）為原材料，通過線切割和熱鑲嵌技術(shù)將試樣制備成直徑30 mm的小塊。使用Tegramin-25自動(dòng)研磨拋光機(jī)，以相同研磨參數(shù)（壓力15 N、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)數(shù)200 r·min-1、試樣轉(zhuǎn)數(shù)150 r·min-1、研磨時(shí)間2 min），依次使用不同型號(hào)的砂紙（220#、600#和1200#）及不同粒度的金剛石懸浮液（9、3、1 μm），制備出不同表面粗糙度的7075鋁合金試樣。然后在Nikon SMZ800N體視顯微鏡下觀察試樣表面形貌，并使用TR600粗糙度輪廓儀測試表面粗糙度。在UMT-3摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上，使用直徑6.35 mm的Si3N4球（硬度為77 HRC），以相同的摩擦磨損參數(shù)（載荷10 N、旋轉(zhuǎn)半徑5 mm、轉(zhuǎn)速200 r·min-1、摩擦?xí)r間1和15 min）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。使用賽多利斯半微量電子天平（測量精度為0.01 mg），稱量7075鋁合金摩擦磨損前后的質(zhì)量，重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次取平均值。最后，使用Zeiss GeminiSEM 300場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察7075鋁合金的磨損形貌。

2 結(jié)果及討論

2.1 樣品表面形貌及粗糙度

依照GB/T 7999-2015《鋁及鋁合金光電直讀發(fā)射光譜分析方法》［19］，對(duì)7075鋁合金的化學(xué)成分進(jìn)行測試，其結(jié)果列于表1。由表1可知，7075鋁合金的化學(xué)成分符合GB/T 3190-2020《變形鋁及鋁合金化學(xué)成分》［20］要求。

表1 7075-T651鋁合金化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of 7075-T651 aluminum alloy

為了簡化描述，將不同砂紙（220#、600#和1200#）和金剛石懸浮液（9、3和1 μm）磨拋后的樣品分 別 標(biāo) 記 為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào) 和6號(hào) 試 樣。圖1為經(jīng)不同砂紙和金剛石懸浮液磨拋后試樣的表面光學(xué)顯微圖像。從圖1可見，不同試樣的表面形貌差異較大。隨著砂紙型號(hào)的變化，試樣表面的粗大劃痕逐漸減少，3號(hào)試樣表面的粗大劃痕基本消失；1號(hào)樣品表面的劃痕為雜亂無章、縱橫交錯(cuò)且方向各異，但隨著進(jìn)一步的磨拋，5號(hào)試樣表面的劃痕方向基本同向，而6號(hào)試樣的表面基本無劃痕。

圖1 不同試樣的表面形貌Figure 1 Surface morphology of different samples

根據(jù)GB/T 10610-2009《產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范（GPS）表面結(jié)構(gòu) 輪廓法評(píng)定表面結(jié)構(gòu)的規(guī)則和方法》［21］，在不同試樣表面的3個(gè)不同位置測量試樣表面的粗糙度。圖2為不同試樣的平均表面粗糙度的折線圖。從圖2可見，試樣表面粗糙度的變化規(guī)律與試樣表面形貌較為吻合。1號(hào)樣品表面粗糙度及標(biāo)準(zhǔn)差較大，分別為0.446和0.031 μm，表面粗糙度的離散程度相對(duì)較大；2號(hào)—6號(hào)樣品的表面劃痕相對(duì)細(xì)小，并且方向較為一致，因此2號(hào)試樣的表面粗糙度驟降至0.092 μm，標(biāo)準(zhǔn)差降低至0.008 μm；隨著進(jìn)一步的磨拋，試樣表面粗糙度及其離散程度逐漸降低，6號(hào)試樣的表面粗糙度僅為0.026 μm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.001 μm。

圖2不同試樣的平均表面粗糙度折線圖Figure 2 Line graph of the average surface roughness of different samples

2.2 表面粗糙度對(duì)摩擦系數(shù)的影響

圖3為不同表面粗糙度的鋁合金在不同摩擦?xí)r間內(nèi)的平均摩擦系數(shù)折線圖。從圖3可見：隨著摩擦?xí)r間的延長，實(shí)時(shí)摩擦系數(shù)呈下降趨勢，但摩擦系數(shù)平均值差異較??；在15 min摩擦實(shí)驗(yàn)中，不同表面粗糙度的鋁合金的摩擦系數(shù)變化趨勢一致；在1 min內(nèi)的摩擦實(shí)驗(yàn)中，實(shí)時(shí)摩擦系數(shù)在20—60 s范圍內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定。

圖4為不同表面粗糙度樣品在摩擦1和15 min內(nèi)的平均摩擦系數(shù)對(duì)比折線圖。從圖4可見：隨著摩擦?xí)r間的延長，6個(gè)樣品的摩擦系數(shù)平均值差異較??；15 min內(nèi)的摩擦系數(shù)在0.45附近浮動(dòng)，而1 min內(nèi)的摩擦系數(shù)在0.54附近浮動(dòng)。

圖4 不同表面粗糙度樣品的平均摩擦系數(shù)折線圖Figure 4 Line graph of average friction coefficient comparison with different surface roughness

綜上所述可知，在摩擦磨損過程中摩擦系數(shù)與樣品的表面粗糙度無明顯關(guān)系，在其他條件相同的情況下，隨時(shí)摩擦?xí)r間的延長，該摩擦副（7075鋁合金與Si3N4球）的摩擦系數(shù)會(huì)逐漸下降。這可能是隨著摩擦?xí)r間的延長，7075鋁合金與Si3N4球從點(diǎn)接觸轉(zhuǎn)變?yōu)槊娼佑|，接觸面積增大載荷不變，摩擦副之間的壓強(qiáng)勢必下降，造成摩擦系數(shù)降低［18］。

圖5為1 min摩擦實(shí)驗(yàn)后6號(hào)試樣表面的磨痕。從圖5可見，7075鋁合金（6號(hào)試樣）經(jīng)1 min摩擦后，其表面已出現(xiàn)明顯磨損，且磨損處的表面粗糙度較基體有明顯的變化。表明，15 min摩擦磨損實(shí)驗(yàn)已不適合討論表面粗糙度與磨損量之間的聯(lián)系，僅需討論7075鋁合金表面粗糙度與1 min摩擦磨損實(shí)驗(yàn)后磨損量之間的關(guān)系。

圖3不同表面粗糙度樣品的實(shí)時(shí)摩擦系數(shù)折線圖Figure 3 Line graph of friction coefficient for samples with different surface roughness

圖5 1 min摩擦實(shí)驗(yàn)后6號(hào)樣品表面的磨痕Figure 5 Abrasion marks on No.6 sample after the 1 min friction experiment

圖6為1 min摩擦磨損后的磨損量折線圖。從圖6可見，磨損曲線整體趨勢大致呈波浪形上升，3號(hào)試樣的磨損量明顯低于其他試樣，其磨損量為0.12 mg。結(jié)合摩擦系數(shù)結(jié)果分析，在摩擦系數(shù)相差較小的情況下，磨損量與試樣表面粗糙度存在一定的聯(lián)系。

圖6 1 min摩擦摩損實(shí)驗(yàn)后試樣的磨損量Figure 6 Wear loss after the 1 min friction experiment

摩擦的本質(zhì)大致分為凹凸嚙合和粘附。當(dāng)表面粗糙度較大（如1號(hào)樣）時(shí)，摩擦副接觸面的凸起部分較多，摩擦力主要以凹凸嚙合作用為主而粘附為輔，此時(shí)的質(zhì)量損失主要由接觸面凸起部分發(fā)生碰撞并產(chǎn)生斷裂造成的；當(dāng)表面粗糙度較?。ㄈ?號(hào)樣）時(shí)，摩擦力主要以粘附作用為主而凹凸嚙合為輔，此時(shí)的質(zhì)量損失主要由接觸面發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)使接觸面的粘附部位發(fā)生滑動(dòng)剪切造成的；3號(hào)樣品的表面粗糙度相對(duì)適中（與其他樣品相比），因此接觸面凸起部分發(fā)生碰撞和接觸面的粘附部位發(fā)生滑動(dòng)剪切造成的質(zhì)量損失較小。由于摩擦副的兩種材料硬度差異較大，硬度較小的一方（7075鋁合金）容易發(fā)生磨粒磨損，并在微觀上產(chǎn)生微切削和擠壓剝落現(xiàn)象，兩者的相互作用導(dǎo)致了質(zhì)量損失。表面粗糙度較大的樣品由于表面輪廓起伏較大，可能首先出現(xiàn)的是微切削現(xiàn)象，而表面粗糙度較小的樣品可能首先出現(xiàn)的是擠壓剝落現(xiàn)象。在摩擦過程中，部分細(xì)小的磨屑會(huì)直接剝落，另一部分則會(huì)在載荷和轉(zhuǎn)速的共同作用下重新壓入摩擦表面，而微切削和擠壓剝落現(xiàn)象出現(xiàn)的時(shí)機(jī)及順序較為復(fù)雜，兩者相互影響相互促進(jìn)且關(guān)系密不可分，關(guān)于兩者的聯(lián)系及相互作用還有待更深入的研究。

2.3 磨損后微觀形貌分析

圖7為磨損后不同試樣的光學(xué)顯微圖像，圖8為圖7（f）中白色框區(qū)域的掃描電鏡圖像。從圖7可見，試樣表面均發(fā)現(xiàn)了明顯磨痕，在光學(xué)顯微鏡下觀察到磨粒磨損的典型特征（白色方框區(qū)域所示）。從圖8可見，6號(hào)試樣的表面出現(xiàn)鱗片狀的磨痕。這是因?yàn)樵谳d荷的作用下，部分磨屑被重新壓入摩擦表面，在7075鋁合金表面擠壓出鱗片狀的磨痕，而鱗片狀的磨痕正是磨粒磨損的典型特征。由此可以推斷，所有試樣表面的磨痕均出現(xiàn)了磨粒磨損的典型特征，表明試樣的主要摩擦類型為磨粒磨損。

圖7 不同試樣磨損后的光學(xué)顯微形貌Figure 7 Optical micrographs of different samples after wear

圖8 6號(hào)試樣表面的鱗片狀磨痕掃描電鏡圖像Figure 8 SEM image of scaly abrasion marks of No.6 sample

3 結(jié)論

7075-T651鋁合金在與Si3N4球的對(duì)磨過程中，試樣初始表面粗糙度和摩擦系數(shù)之間無明顯關(guān)系。在1 min的摩擦磨損實(shí)驗(yàn)中，表面粗糙度為0.074 μm的鋁合金磨損量最小為0.12 mg。7075-T651鋁合金的主要磨損類型為磨粒磨損。