铝青铜表面激光熔覆层的润滑摩擦性能.pdf

第6 2 卷第2 期 2010 年5 月 有色金属 N o n f e I T O U M e t a | s V 0 1 ．6 2 ．N o ．2 M a y2 010 铝青铜表面激光熔覆层的润滑摩擦性能 徐建林，杨波，龙大伟，陈纪东，于涛，张立辉 兰州理工大学a 甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室 b 有色金属合金及加工教育部重点实验室，兰州7 3 0 0 5 0 摘 要采用激光熔覆技术在Q A l 9 4 铝青铜表面熔覆生成一层合金层，对激光熔覆后Q A l 9 ．- 4 铝青铜试样和未经过激光熔 覆处理的Q A l 9 - 4 铝青铜在润滑条件下的摩擦性能进行对比分析。结果表明，激光熔覆后的试样摩擦凶数和磨损体积都比未经过 处理的试样低。激光熔覆层的高耐磨性主要取决于其存在强化相，在润滑条件下磨损失效形式主要为磨粒磨损，但随着摩擦速度 的增加，材料表面逐渐产生粘着磨损。由于激光熔覆层基体强度高，以及强化相在润滑摩擦过程中形成高强度的骨架和光滑的支 撑面．摩擦过程中形成的犁沟又具有存储润滑油的作用，因此激光熔覆层表现出很好的润滑摩擦磨损性能。 关键词金属材料；铝青铜；激光熔覆；润滑摩擦 中图分类号T G l 4 6 ．2 1 ；T 6 1 7 4 ．4 4 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 ．一0 2 1 1 2 0 1 0 0 2 0 0 2 4 0 4 摩擦磨损性能是材料的关键性能之一，关系着 生产安全、生产效率以及产品质量等，因此对材料摩 擦性能的研究是一项很重要的任务。铝青铜具有许 多优良的性能，如高的强度、硬度、耐磨性和抗蚀性， 被广泛用来制造螺旋桨、阀门、齿轮坯料、螺纹等零 件。随着生产力的不断发展，机器的效率、运转速 度、载荷等都在增加，这些都需要高性能零件来支 撑。传统的铝青铜合金在很多场合已显得“力不从 心”。1 。因此，国内外研究者在如何进一步提高铝 青铜性能方面做出了许多具有建设性的工作。 提高铝青铜耐磨性的方法较多，合金化法是提 高材料性能的重要方法之一。普通铝青铜含铝量大 致在5 ％～1 2 ％范围内，通过加入更多的铝元素，以 及F e ，M n ，N i 和稀土等，制成具有高硬度的高铝青 铜，其耐磨性得到大大提高p 。热处理是一种价格 便宜、效果良好的手段。热处理后的铝青铜，其组织 更加均匀，并且由于产生的F e N i A I 。和A l N i A l ，强 化相而使其硬度和强度得到了提高H 1 。对铝青铜 表面淬火后，其组织由口 K 转变成类马氏体组织， 其干摩擦性能得到提高⋯。表面技术也是一种非 常有效的手段，如G ．D e h m 等通过激光熔覆的手段 提高了紫铜的摩擦磨损性能”1 。目前，利用激光熔 覆技术来提高铝青铜耐磨性的相关研究还未见报 道。对润滑状态下Q A l 9 - 4 铝青铜表面激光熔覆层 收稿日期2 0 0 8 0 3 0 3 基金项目甘肃省自然科学基金资助项目 0 8 0 9 R J Z A 0 0 3 作者简介徐建林 1 9 7 0 一 ，男，陕西岐山县人，教授，博士，主要从 事材料科学和计算机应用等方面的研究。 与G C r l 5 钢球摩擦的摩擦磨损性能进行研究。 1实验方法 基体材料是直径为2 5 m m 的Q A l 9 - 4 铝青铜，除 油去污后，将表面粗化，然后采用压力机将N i 基合 金粉末 C u3 0 ．0 ％，N i4 5 ．0 ％，其余元素2 5 ．O ％ 预 置在Q A l 9 - 4 铝青铜基体表面，最后采用激光束扫 描。熔覆完后将试样表面抛光和腐蚀，用扫描电镜 J S M - 6 7 0 0 F 对熔覆层的组织进行观察和拍照，熔 覆层表面硬度测试采用维氏显微硬度仪 H X ． 1 0 0 0 T M 。 a 一5 0 0o ； b 一1 5 0 0o 图l激光熔覆层表面S E M 照片 F i g ．1 S E Mo fl a s e rc l a d d i n g 摩擦磨损实验在S R V 型往复摩擦磨损试验机 上进行。试样为t h 2 4 m mX8 r a m 的Q A l 9 - 4 铝青铜和 激光熔覆后的Q A l 9 - 4 铝青铜，摩擦对偶件为 p 1 0 r a m 的G C r l 5 钢球，硬度为6 l ～6 3 H R C 。激光熔 覆后的Q A l 9 - 4 铝青铜和原始Q A l 9 - 4 铝青铜在试验 万方数据 第2 期徐建林等铝青铜表面激光熔覆层的润滑摩擦性能 2 5 前均用1 0 0 0 。砂纸打磨，并用丙酮超声清洗3 0 m i n 。 往复摩擦振幅为1m m ，速度分别为0 ．0 2 ，0 ．0 4 ， 0 ．0 6 ，0 ．0 8 m ／s ，载荷分别为2 0 ，5 0 ，1 0 0 ，1 5 0 N 。一次 性在摩擦表面涂抹约0 ．2 m L 液体石蜡。试验完成 后，利用金相显微镜测量磨痕宽度，并以此评估材料 的磨损体积损失。 2 试验结果与分析 2 ．1 显微组织 磨损最早是从材料表面开始，而组织决定性能。 因此，激光熔覆层表面组织直接关系着摩擦性能好 坏。图1 为在放大倍数分别为5 0 0 倍和1 5 0 0 倍时 熔覆层表面的S E M 照片。由图l 可见，最典型的特 征是表面组织中有大量的网状物。对熔覆层进行物 相分析发现激光熔覆层由N i 、 N i ，c u 固溶体、C r B 、 c r ，C ，、c r c ，等组成。由此可见，激光熔覆层表面组 织主要由N i 以及N i 的固溶体上分布着网状C r 化 物组成，C r 化物硬度较高。 2 ．2 摩擦因数与磨损体积 0 ．2 0 O ．1 8 妊0 ．1 6 耳 豢叫。 O ．1 2 0 ．1 0 暑 基 、 魁 糕 婆 腿 速度／ m - 1 图2 a 是Q A l 9 - 4 铝青铜和激光熔覆试样在载 荷为5 0 N ，摩擦速度分别为0 ．0 2 ，0 ．0 4 ，0 ．0 6 和 0 ．0 8 m ／s 情况下摩擦因数的对比图。图2 b 是摩 擦速度为0 ．0 4 m ／s ，载荷分别为2 0 ，5 0 ，1 0 0 ，1 5 0 N 情 况下两种试样摩擦因数对比图。从图2 可以看出， 在以上几种情况下激光熔覆试样的摩擦因数都较 低，这是由于Q A l 9 - 4 铝青铜本身硬度值较低 1 4 0 ～ 1 6 0 H V 0 ．2 ，在正压力的作用下，表面容易发生变 形，造成与对偶件的接触面积很大，而激光熔覆后的 试样表面硬度值较高 4 0 0 ～5 2 0 H V O ．2 ，加之表面 存在硬质相的保护，所以激光熔覆后的试样摩擦因 数低。图3 a 是Q A l 9 4 铝青铜、激光熔覆试样在 载荷为5 0 N 、摩擦速度分别为0 ．0 2 ，0 ．0 4 ，0 ．0 6 ， 0 ．0 8 m ／s 情况下磨损体积 磨痕宽度近似 损失对比 图。图3 b 是摩擦速度为0 ．0 4 m ／s ，载荷分别为 2 0 ，5 0 ，1 0 0 ，1 5 0 N 情况下两种试样磨损体积损失对 比图。从图2 和图3 可知，在这几种不同条件下 载 荷、摩擦速度 ，激光熔覆试样的润滑摩擦磨损性能 比Q A l 9 - 4 铝青铜好。 图2 摩擦因数对比图 F i g ．2 C o n t r a s to ff r i c t i o nf a c t o r O ．0 4I J ．1 _ 1 6O ．0 8 速度／ m s - t 加载力，N 2 050儿xJ 加载力／k N 图3 摩损体积对比图 F i g ．3 C o n t r a s to fw e a rv o l u m e 藉翌鞲龄 临 ％ 眈 咖 量ul～雠憾馔般 万方数据 有色金属 第6 2 卷 2 ．3 摩擦形貌与磨损机理分析 图4 所示为在摩擦载荷为5 0 N 、摩擦速度不同 时激光熔覆试样表面磨损后的形貌。从图4 a 可 见，激光熔覆试样在载荷为5 0 N ，摩擦速度为 0 ．0 2 m ／s 时，其表面很光滑，没有明显的犁沟。在没 有外界润滑油补充的情况下，摩擦速度小就意味着 润滑油流失的速度较慢，充足的润滑油是油膜形成 的良好环境，这是在该速度下材料磨损表面光滑和 磨损体积最小的根本原因。当摩擦速度增大2 倍后 0 ．0 4 m ／s ，其表面形貌与0 ．0 2 m ／s 时明显不同，从 图4 b 可看出表面存在明显的犁沟，这是随着润滑 油的减少，造成摩擦对偶件上的微凸体穿过油膜而 直接与激光熔覆试样接触，对其表面犁削的结果，因 8 - 0 ．0 2 m ／s ； 6 - 0 ．0 4 “7 8 ； 。 - 0 ．0 6 “／8 ； 4 - 0 ．0 8 ”7 8 此磨损体积在0 ．0 4 m ／。时候出现了明显在增加。 图4不同摩擦速度下激光熔覆层磨损表面 从图3 a 可见，当摩擦速度增加到0 ．0 4 m ／s 以后， 形貌【载荷都为5 0 N 磨损体积出现了逐渐减小的趋势，而从图4 c 和图 8 4M o r p h o l o g yo f ”m8 “r f a c e o f1 a 8 e 。c o a t i n g 4 d 都可看出表面不但具有犁沟而且还出现了部 u “d 8 川i ‘1 8 Ⅻ‘7 。1 。。i ‘7 分凹坑，且图4 d 的凹坑更大。原因是虽然摩擦速 了摩擦因数的减小。随着摩擦速度的继续增大 度的增加能加速润滑油的流失，但当润滑油减少到 0 ．0 8 m ／s ，其表面的粘着坑变大，如图4 d 所示， 一定程度后，对偶球上的凸起物就会穿过油膜直接 虽然粘着坑的出现有利于润滑油的存储，但是粘着 对激光熔覆层产生犁削作用而产生犁沟。犁沟的产 坑会造成摩擦表面的粗糙度增加，啮合作用更加明 生对存储润滑油是有利的，因此随着摩擦速度的进 显，尤其是随着粘着磨损的加重，这种作用将更加突 一步增加，润滑油的流失速度将趋缓。此外，流体动 出，因此摩擦因数逐渐增大。 压膜的厚度随着滑动速度的增加而增加‘6 ] ，因此磨 图5 所示为摩擦速度同为0 ．0 4 m ／s 、载荷不同 损体积有逐渐减小的趋势。摩擦速度的增加势必会 时激光熔覆试样磨损后的形貌。该图表明激光熔覆 增加摩擦副表面的温度，温度的升高会大大增大发 试样磨损主要为磨粒磨损。激光熔覆试样与G C r l 5 生粘着的机会，这是图4 C ，图4 d 出现凹坑的主 钢摩擦时，对偶球上的微突体在法向载荷的作用下 要原因，且温度越高粘着坑越大。然而，磨损体积不 嵌入到激光熔覆试样的表面中，并在摩擦力的作用 可能随着摩擦速度的增加而一直减小。虽然粘着磨 下沿着摩擦方向产生运动，对基体产生犁沟或微切 损而形成的凹坑提高了存储润滑油的能力，但是随 削作用，切削将产生大量的颗粒而形成磨粒，磨粒在 着速度的不断增加，材料表面的温度也将不断的升 往前运动的过程中把材料推向两边或前缘，这样会 高，当升高到一定温度时，将会急剧增大发生粘着的 在犁沟两侧或前沿产生隆起的犁皱。犁皱在继续的 机会，粘着磨损将成为主要的磨损形式，磨损体积将 摩擦中也可能产生再次的变形，形成了塑性变形区。 会急剧增加。 该区域在法向载荷的作用下被压平，经过如此反复 当摩擦速度较小时 0 ．0 2 m ／s ，摩擦副之间是 的塑性变形造成该区域产生加工硬化，最后形成光 处于一种混合润滑的状态下，因此摩擦表面的大部 滑的支撑面。在图5 中均可观察到存在明显的犁沟 分为润滑剂膜分隔开，因此摩擦因数很小。随着摩 和光滑的支撑面。在图5 a 中还可观测到磨粒。 擦速度的增加 0 ．0 4 m ／s ，摩擦因数急剧增大，这是 然而，由于载荷的差异，该磨粒磨损还有一定的差 随着润滑油的流失。摩擦副状态由混合润滑转变成 异。图5 a 是在2 0 N 载荷下材料表面摩擦形貌，可 边界润滑，此状态下摩擦表面微凸体接触较多，润滑 知材料表面犁沟较细密。图5 b 是在5 0 N 载荷下 剂的流体润滑作用减少，因此摩擦因数急剧增大。 材料表面摩擦形貌，其犁沟明显比图5 a 宽。随着 随着摩擦速度的进一步增加 0 ．0 6 m ／s ，摩擦副之 载荷的增加，材料表面的犁沟越来越宽，以至于在图 间出现了较小粘着坑，如图4 c 所示，粘着坑的出 5 c 和图5 d 中出现了比较光滑平整的区域，这 现可以提高存储润滑油的能力。润滑油的增加造成 是载荷的增大造成犁沟严重宽化的结果。犁沟的宽 万方数据 第2 期徐建林等铝青铜表面激光熔覆层的润滑摩擦性能2 7 化表现在磨损体积的增加。所以随着载荷的不断增 加，磨损体积越来越大。 a 一2 0 N ； b 一5 0 N ； c 一1 0 0 N ； d 一1 5 0 N 图5 不同载荷下激光熔覆层磨损表面形貌 摩擦速度都为0 ．0 4 m ／s F i g ．5M o r p h o l o g yo fw o r ns u r f a c eo fl a s e rc o a t i n g u n d e rd i f f e r e n tl o a d 当载荷较小时 2 0 N ，对偶球上的微凸体对激 光熔覆层的犁削作用很小，形成的犁沟也很细密，如 图5 a 所示，细密的犁沟为润滑油的存储创造了有 参考文献 利条件，而材料表面润滑油的充足给油膜的形成创 造了有利的条件，因此摩擦因数较小。当载荷增大 到5 0 N 时，摩擦因数却更小，这是由于载荷的加大 致使犁沟更深，图5 b 所示，这会增加材料表面存 储润滑的能力，所以摩擦因数进一步减小。随着载 荷的继续增加，摩擦因数又出现逐渐增加的趋势。 载荷的继续增大会造成对材料表面的犁削加重，造 成犁沟宽化，同时摩擦副接触面积进一步的加大，高 的压力对润滑油产生挤压作用，加速润滑油的流失， 使油膜更不易形成，所以摩擦因数具有随着载荷的 加大而增加的趋势。 3结论 在润滑条件下，激光熔覆试样具有小的摩擦因 数和磨损体积，磨损失效形式主要为磨粒磨损与粘 着磨损。激光熔覆试样与G C r l 5 钢对摩后摩擦表 面由犁沟、光滑的支撑面、凹坑和磨粒、磨屑等组成。 由于激光熔覆试样基体硬度高，硬质相呈网状分布， 使基体具有很好的承载能力．犁沟和凹坑的储油性 与硬质相的骨架支撑使磨损不能深入发展，因此表 现出很好的润滑摩擦磨损性能。 [ 1 ] S h iZ ，B l o y c eA ，S u nY ，e ta 1 ．I n f l u e n c eo fs u r f a c em e l t i n go nd r yr o l l i n g s l i d i n gw e a ro fa l u m i n i u mb r o n z ea g a i n s ts t e e l [ J ] ． W e a r ，1 9 9 6 ，1 9 8 1 ／2 3 0 0 3 0 6 ． [ 2 ] K i m u r aT ，S h i m i z uK ，T e r a d aK ．S l i d i n gw e a rc h a r a c t e r i s t i ce v a l u a t i o no fc o p p e ra l l o yf o rb e a r i n g [ J ] ．W e a r ，2 0 0 7 ，2 6 3 1 6 5 8 6 5 9 1 ． [ 3 ] 徐建林，喇培清，路阳，等．铸造铝青铜C u 一1 4 A 1 - 5 F e M n 的摩擦磨损行为[ J ] ．摩擦学学报，2 0 0 4 ，2 4 5 4 3 8 4 4 2 ． [ 4 ] K a p l a nM ，B l o y e eA ，S u nY ，e ta 1 ．T h ee f f e c t so fp r o d u c t i o nm e t h o d sO Nt h em i e r o s t r u e t u r e sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa n a l u m i n u mb r o n z e [ J ] ．M a t e r i a l sL e t t e r s ，2 0 0 3 ， 5 7 4 4 0 2 4 4 11 ． [ 5 ] D e h mG ，M e d r e sB ，S h e p e l e v aL ．M i e r o s t r u c t u r ea n dt r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e so fN i - b a s e dc l a d d i n g so nC us u b s t r a t e s [ J ] ．W e a r ， 1 9 9 9 ，1 8 1 1 8 2 6 ． [ 6 ] 罗庆生，韩宝玲．部分膜弹性流体动压润滑条件下饮料高速灌装机齿轮传动的设计与研究[ J ] ．润滑与密封，2 0 0 1 ，1 2 1 4 7 - 5 0 ． L u b r i c a t i o nF r i c t i o nP e r f o r m a n c eo fL a s e rC l a d d i n go nA l u m i n u mB r o n z e X UJ i a n l i n ，Y A N GB e ，L O N GD a w e i ，C H E NJ i d o n g ，Y UT a o ，Z H A N GL i h u i a ．S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fG a n s uA d v a n c e dN o n 毋F r o i t sM e t a lM a t e r i a l s ，b ．K e yL a b o r a t o r yo fN o nf e r r o u s M e t a lA l l o y sa n dP r o c e s s i n g ，T h eM i n i s t r yo fE d u c a t i o n ，L a n z h o uU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，L a n z h o u7 3 0 0 5 0 ，C h i n a A b s t r a c t T h ea l l o yl a y e ri sd e p o s i t e do nt h eQ A l 9 - 4a l u m i n u mb r o n z eb yl a s e rc l a d d i n g ．T h ef r i c t i o np r o p e r t i e so fQ A l 9 4a l u m i n u mb r o n z ew i t ha n dw i t h o u tl a s e rc l a d d i n ga r ea n a l y z e du n d e rl u b r i c a t i o nc o n d i t i o nw i t hc o m p a r i s o n ．T h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ew e a rv o l u m ea n df r i c t i o nf a c t o ro fQ A l 9 - 4a l u m i n u mb r o n z ew i t hl a s e rc o a t i n ga r el o w e rt h a n t h o s eo fQ A l 9 - 4a l u m i n u mb r o n z e ．T h eh i g hw e a ra b i l i t yo fa l u m i n u mb r o n z ew i t hl a s e rc l a d d i n gm a i n l yd e p e n d so n t h ee m p h a s i sp h a s e s ．T h em a j o rw e a rm e c h a n i s m sa r ea t t r i t i o nw e a ru n d e rl u b r i c a t i o nc o n d i t i o n ．W i t ht h ei n c r e a s e o fw e a rs p e e d ，t h es u r f a c eo fl a s e rc o a t in gb e g i n st oa r i s ea d h e s i o n ．B e c a u s el a s e rc l a d d i n go na l u m i n u mb r o n z eh a s h i g hh a r d n e s sm e t a lm a t r i xa n ds m a l ld i s p e r s i o ns t r e n g t h e n i n gp h a s e ，u n d e rl u b r i c a t i o nc o n d i t i o n ，t h em a t r i xa n d s o m es t r e n g t h e n i n gp h a s e sb e c o m eah i g hs t r e n g t hs k e l e t o nb o d ya n ds m o o t hb e a r i n gp l a t ea n dt h ea b r a s i o nm a r k s ， w h i c hi sf o r m e dont h es u r f a c eo ft h el a s e rc o a t i n g ，c a ns t o r el u b r i c a n t ．T h e r e f o r e ，l a s e rc l a d d i n go na l u m i n u m b r o n z eh a ss u p e r i o rl u b r i c a t i o nf r i c t i o np e r f o r m a n c e ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；a l u m i n u mb r o n z e ；l a s e rc l a d d i n g ；l u b r i c a t i o nf r i c t i o n 万方数据