稀有金属 2002,(02),112-115 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2002.02.007

TiNiCu干滑动磨损机理

王德国 郭锦芳 崔立山 寇亚明

有研亿金新材料股份有限公司,北京石油大学,有研亿金新材料股份有限公司,北京石油大学,有研亿金新材料股份有限公司 北京100088 ,北京102200 ,北京100088 ,北京102200 ,北京100088

摘 要：

研究了干滑动磨损条件下TiNiCu合金的磨损行为。TiNiCu合金的耐磨性能优于TiNiFe及TiNi合金。TiNiCu合金主要存在三种磨损机理 :摩擦副接触表面的变形粘着作用导致的粘着磨损机理 ;38CrMoAl表面上硬的微凸体及TiNiCu表面上脱落的磨屑在TiNiCu表面上造成的磨粒磨损机理 ;循环变化的接触应力产生的表面疲劳磨损机理。

关键词：

TiNiCu合金;粘着磨损;磨粒磨损;表面疲劳磨损;

中图分类号： TG146.2

收稿日期：2001-02-22

Dry Sliding Wear Mechanism in a TiNiCu Alloy

Abstract：

The dry sliding wear behaviors of TiNiCu shape memory alloy against 38CrMoAl were studied. Experimental results indicate that the TiNiCu alloy exhibits a better wear resistance than that of the TiNiFe and TiNi alloys. Three main wear mechanisms were found to make important contributions to the wear behaviors of TiNiCu alloy. The adhesive mechanism is induced by plastic and adhesive action on the contact surface. The abrasion is led by the slide of the rigid little protrusion of 38CrMoAl and the fragments of TiNiCu alloy. The surface fatigue is induced by cyclic stress.

Keyword：

TiNiCu alloy; Adhesion; Abrasion; Surface fatigue;

Received： 2001-02-22

TiNi 基形状记忆合金由于优异的性能已广泛应用于各个领域, 但以往的研究主要集中在其形状记忆效应方面。到目前为止对其优良的耐磨性能研究甚少。Lin等 ^[1] 研究了TiNi 二元合金的磨损性能, 认为二元合金在磨损过程中存在粘着、磨粒、疲劳和剥离磨损四种磨损现象。Singh等 ^[2] 认为 Ti₅₀Ni₄₇Fe₃ 的磨损性能依赖于磨损面机械混合层的形成及亚表面的加工硬化。Clayton ^[3] 认为表面循环应变硬化能力决定 TiNi 合金的磨损性能。本文研究了 TiNiCu 的干滑动磨损性能, 并对其磨损机理进行分析讨论。

1 实验

磨损实验在 Falex 多功能摩擦磨损实验机上进行, 摩擦磨损方式为单销对盘。实验材料为 Ti₅₀Ni₄₃Cu₇ (原子比) 。合金采用真空感应炉熔炼, 1000℃, 4 h 均匀化处理, 锻造成直径为 Φ16.0 mm 的棒材, 最后旋锻成直径为 Φ5.0 mm 的棒材。TiNiCu 合金及对比材料磨损试样是尺寸为 Φ2.5 mm×6.0 mm 的圆柱销, 采用500℃, 1 h 时效处理, 其硬度为 HV200, 相变温度如表1所示, M_S 为马氏体相变开始温度, M_f 为马氏体相变终了温度, A_S 为马氏体逆相变开始温度, A_f 为马氏体逆相变终了温度。对磨材料尺寸为Φ60.0 mm～40.0 mm×10.0 mm 的圆环, 材料选用 38CrMoAl, 其硬度为 HV850。销与盘接触表面的粗造度 R_a值为 1.6μm, 接触方式为面面接触。

表1 TiNiCu 合金相变温度

Table 1 Transformation temperature of TiNiCu alloy

合金名称	Mf/℃	Ms/℃	As/℃	Af/℃
TiNiCu	31	42	45	63

实验选用的干滑动磨损条件为:载荷 44.5N, 滑动速度 0.72 m/s, 滑动距离 400 m。采用 JSM-840 型扫描电镜及能谱成分分析仪分析磨损试样表面形貌与化学成分。

2 实验结果及分析

2.1 TiNiCu 合金干滑动磨损性能

图1为3种 TiNi 基形状记忆合金的质量损失随载荷的变化曲线。由图可见, 3种合金的质量损失均随载荷的增加而增加;TiNiCu合金的质量损失最小, 耐磨性能最好。图2为3种合金的摩擦系数随摩擦时间的变化曲线。由图可见, TiNiCu 合金的摩擦系数最小。

2.2 粘着磨损

图3为试样的扫描电镜观察结果, 在磨损表面上存在着不规则的凹坑, 为典型的粘着磨损特征。图4为对磨材料的 38CrMoAl 表面凸出物的能谱分析图, 结果表明, 这些凸出物为TiNiCu, 说明凹坑中的材料被转移到对磨材料的表面。图3, 4 均表明在磨损过程中存在粘着磨损。

图1 重量损失随载荷变化曲线 (a) TiNiCu; (b) TiNiFe; (c) TiNi Fig.1 Wear weight loss as a function o fwear load

图2 摩擦系数随摩擦时间变化曲线 (a) TiNi; (b) TiNiFe; (c) TiNiCu Fig.2 Frictional coefficient as a function o fwear time

在磨损过程中, 实际接触面积只占名义接触面积的很小一部分, 在载荷作用下峰点接触处的应力达到受压的屈服极限 σ_s 而产生塑性变形。由于接触点的金属处于塑性流动状态, 在摩擦中接触点产生瞬时高温, 使两种金属产生粘着, 粘着结点处的粘着强度居于两种金属强度之间。在摩擦力的作用下, 粘着的剪断发生在强度较弱的金属一侧 ^[4] 。由于 TiNiCu 合金的硬度远低于 38CrMoAl, 粘着的剪断发生在 TiNiCu 一侧。这样 TiNiCu 表面上部分材料转移到 38CrMoAl 表面上, TiNiCu 表面上残留下凹坑, 38CrMoAl 表面上产生粘着凸出物。

图3 TiNiCu 合金粘着磨损表面形貌

Fig.3 Adhesive morphology of worn surface of TiNiCu alloy

图4 38CrMoAl 凸表面出物的能谱分析图

Fig.4 EDX analysis of protrusion on surface of 38CrMoAl

2.3 磨粒磨损

图5为试样的扫描电镜观察结果, 在磨损表面上沿着磨损滑移方向有清晰的犁沟现象, 且在磨损表面上分布着许多形状和尺寸不同的磨损碎屑, 这些现象为典型的磨粒磨损特征。图6为磨损碎屑的能谱分析图, 能谱分析结果表明, 磨损碎屑为 TiNiCu。

在磨损过程中, 38CrMoAl 表面上的微凸体在外加载荷的作用下以各种不同的角度与 TiNiCu 的表面相接触, 此时作用在 38CrMoAl表面上的微凸体上的力可分解为两个力:垂直表面的分力和平行表面的分力。垂直分力使微凸体压入 TiNiCu表面, 平行分力使压入表面的微凸体作切向运动, 在 TiNiCu 表面产生擦伤或显微切削作用。38CrMoAl 表面上的微凸体在磨损过程中可分为两类。一类是其滑动方向和角度较有利于切削时, 对 TiNiCu 表面主要产生显微切削作用 ^[4] 。另一类是压入深度较浅、角度较大的微凸体, 一般只在 TiNiCu 表面造成塑性变形产生擦伤或塑性变形犁沟作用。在外加载荷作用下, 前一类微凸体在显微切削的直接作用下产生磨损破屑;后一类在滑动时将材料挤压推移到微凸体滑动路径两侧, 中间形成犁沟, 两侧形成堆积隆起, 被隆起的材料受到严重塑性变形, 在其他的微凸体作用下很容易被磨掉。

图5 TiNiCu合金磨粒磨损表面形貌Fig.5 Abrasiv emorphology o fworn surface of TiNiCu alloy

微凸体滑动产生的 TiNiCu 磨屑在载荷作用下对磨损表面同样有显微切削及犁沟作用。由于磨屑的硬度较低, 磨损以犁沟作用为主。

2.4 表面疲劳磨损

图7 为试样的扫描电镜观察结果。在犁沟的沟槽里沿着磨损滑移方向上分布着许多互相牵连的波状堆积物 (图7 (a) ) ;在循环变形应力的作用下, 在波状堆积物波状线的一端产生了裂纹, 随着滑动磨损的进行, 裂纹沿着波状线扩展 (图7 (b) ) ;在塑性变形严重的区域, 裂纹进一步扩展, 最后连成一片, 导致TiNiCu 表面材料的剥落 (图7 (c) ) 。图7 (a) ～ (c) 均为表面疲劳磨损的典型特征, 说明在磨损过程中存在表面疲劳磨损。

在磨损过程中, 由于循环变形应力的作用, 磨损表面发生塑性变形, 图7 (a) 中这些互相牵连的波状堆积物就是循环变形应力作用的结果。当磨损表面变形达到一定程度时, 变形层由于位错的萌生及扩展, 导致位错阻塞和位错缠结, 这样在位错阻塞或缠结处形成了裂纹 ^[4] 。裂纹一旦形成, 在摩擦应力的作用下, 裂纹很容易沿着塑性堆积物的波状线扩展, 最后裂纹相连, 导致磨损表面材料的剥落, 形成磨损碎屑。

图7 TiNiCu 合金疲劳磨损表面形貌 (a) 波状堆积物; (b) 裂纹扩展方向; (c) 材料剥落

Fig.7 Surface fatigue morphologys of worn surface of TiNiCu alloy

2.5 XRD衍射分析

图8为TiNiCu 合金不同载荷条件下磨损表面的X射线衍射图。由图可见, TiNiCu 合金在干滑动磨损时发生了应力诱发马氏体相变和马氏体的逆相变。合金所受应力超过屈服强度时, 母相 (B₂) 转变为马氏体 (M) 。同时马氏体 (M) 受磨损产生的热作用, 又逆向转变为母相 (B₂) 。磨损表面的热弹性马氏体相变导致了 TiNiCu 合金具有优良的耐磨损性能。

图8 不同载荷下TiNiCu 合金磨损表面的XRD衍射谱图 (a) 0N; (b) 26.7N; (c) 44.5N; (d) 62.3N

Fig.8 XRD spetra for worn surface of TiNiCu alloy at different load

3 结论

TiNiCu 合金在干滑动磨损条件下主要存在三种磨损机理:

1.摩擦副接触表面塑性变形, 产生的瞬时高温, 使摩擦副两种金属产生粘着作用导致的粘着磨损机理。

2.38CrMoAl 表面上硬的微凸体及从TiNiCu 表面上脱落的磨屑 TiNiCu 表面造成的磨粒磨损机理。

3.循环变化的接触应力促进裂纹的形成、扩展和连接, 使磨损表面材料剥落产生的表面疲劳磨损机理。

参考文献

[1] 　LinHC , LiaoHM , HeJLetal.MetallurgicalandMate rialsTransactions, 1997, 28A :1871

[2] 　Sing hJ, Alpas AT.Wear, 1995, 181-183:302

[3] 　Clay tonP.Wear, 1993, 162-164:202

[4] 　孙家枢金属的磨损北京:冶金工业出版社, 1992