2. 陆军装甲兵学院 装备保障与再制造系,北京 100072
2. Department of Equipment Support and Remanufacturing, Army Academy of Armored Forces, Beijing 100072
随着自动化、信息化技术在工业中的应用,电磁场无处不在,磁场在零件使用工况中的影响也越来越大,尤其是在一些与磁场环境相关的摩擦副中。在这些摩擦副中,有的利用磁场增大摩擦效果,如电磁制动器[1];有的利用磁场增加刀具耐磨性,提高切削刀具的使用寿命[2-4]。在电磁轨道发射领域,电磁轨道处于电流产生的强磁场中,为被发射体提供动力[5-7]。此时,轨道和被发射体之间的摩擦磨损处于应力场、电场以及磁场的多场耦合环境中。
有研究表明,层状轨道可以增强电感梯度从而提高发射效率,同时某些功能涂层可以延长电磁轨道使用寿命[4-5]。Nelson C和Trevor W运用等离子体源离子注入和离子束辅助沉积技术制备了多种涂层,通过电磁轨道炮发射对比试验表明,涂层可显著提高Cu轨道的耐磨、耐烧蚀性能[8-9]。Matthew J通过研究发现,Mo和W是两种很好的增强轨道性能的材料[10],可以提高轨道抗“刨削”和断裂失效的能力。Mo-W涂层从硬度、耐磨性等常规力学性能方面也有不错的表现[11],但Mo-W涂层在磁场中的性能表现如何,以及磁场如何影响涂层的摩擦学性能,目前还不得而知。
文中采用超音速等离子喷涂技术制备了Mo-W合金涂层,并研究了磁场环境下Mo-W涂层的摩擦磨损性能。
1 试 验 1.1 试验材料基体材料:45CrNiMoVA钢((870±10) ℃淬火、(430±10) ℃回火),主要成份见表1[12]。
Element | C | Ni | Cr | Mo | |
Content | 0.42−0.50 | 1.30−1.80 | 0.80−1.10 | 0.20−0.30 | |
Element | Mn | V | Fe | ||
Content | 0.50−0.80 | 0.10−0.20 | Bal. |
喷涂粉末:①高密度Mo粉:纯度≥99.9%、粒径范围45~96 μm,采用吹制工艺制备;②高密度W粉:纯度≥99.9%、粒径范围45~96 μm。为保证粉体混合的均匀性和粉体流动性,采用混粉器将质量比为4∶1的Mo、W粉末进行机械混合。
1.2 涂层制备(1)基体前处理工艺
对基体45CrNiMoVA钢分别采用砂纸打磨、超声波清洗、喷砂、预热(预热温度为100 ℃)等前处理工艺,以去除表面氧化膜、铁锈等杂质,增加表面粗糙度和表面活化程度,降低过冷度和残余应力。
(2)喷涂设备及工艺
采用由装备再制造技术国防科技重点实验室自主研发的HEP-Jet超音速等离子喷涂系统。主气选择氩气,送气量为110 L/min;辅气选择氢气,送气量为17 L/min。喷涂电流为350 A,电压为140 V。冷却空气压力为0.5 MPa,送粉量为45 g/min,喷涂距离为100 mm。采用MH24型机械手驱动喷枪运动,线速度为40 m/min,搭接宽度为3 mm。涂层喷涂厚度约为300 μm。
1.3 涂层组织与性能检测试验样品表面(涂层面积为10 mm×10 mm)均经过打磨、抛光处理。采用HVS-1000型显微硬度计测量Mo-W涂层的显微硬度,加载载荷100 g,加载时间为10 s。涂层表面显微硬度采用几何分布法,在涂层表面选取6个点,取其平均值。测量涂层截面的显微硬度采用直线法,选取6个点,其中保证有1个点选在基体上,1个点选在涂层与基体的界面上。
采用Nava NanoSEM450场发射型超高分辨率扫描电镜对涂层表面进行显微形貌观察分析;使用配备的X-Max 80型X射线能谱仪测定涂层内各元素分布及质量分数。使用UT302D型红外测温仪测量材料表面温度。涂层试样与6061铝合金销组成摩擦副,铝合金销几何尺寸如图1所示。
6061铝合金的化学成分如表2所示,固溶处理+人工时效,硬度为93 HB。采用CETR-3型多功能摩擦磨损试验机进行摩擦磨损试验,试验采用高速线性往复式磨损形式。试验载荷为10 N,滑动频率20 Hz,单次行程3 mm,时间10 min。
Element | Cu | Mn | Mg | Zn | Cr | Ti | Si | Fe | Al |
Content | 0.15−0.4 | 0.15 | 0.8−1.2 | 0.25 | 0.04−0.35 | 0.15 | 0.4−0.8 | 0.7 | Bal. |
采用Lext OLS型高精度三维形貌仪测量涂层表面粗糙度,测量值取多组数据平均值。对不同条件下的摩擦磨损试验产生的磨痕进行体积测量,进而采用公式(1)计算出磨损率。
其中:
磁场发生装置及氧浓度测试装置如图2所示。采用通过线圈激励磁场,其内的磁感应强度采用公式(2)计算[13]:
式中,μ0是真空磁导率,取值4π×10−7 N/A2;n是匝数线密度(单位长度的匝数),取1×104匝/m;I为电流强度,单位A,通过调整电流大小得到摩擦副间的磁感应强度。参考电磁轨道发射时环境磁场强度[7-8],试验中所用电流大小分别为:0、40、60、80、100、120 A,从而计算得出磁感应强度分别为0、0.5、0.75、1.0、1.25和1.5 T。
采用MT-02氧浓度记录仪放置在涂层表面,检测氧浓度。静态测试时,关闭吹风机;动态测试时,调节吹风机使涂层表面的空气流动速度控制在1.5 m/s。
2 结果与分析 2.1 磁场强弱对Mo-W涂层摩擦因数的影响图3是在施加不同磁感应强度过程中,摩擦副间的摩擦因数情况。由图可知,不施加磁场时涂层的摩擦因数为0.462;随着磁感应强度的增加,Mo-W涂层的摩擦因数缓慢减小。当所加磁感应强度为1.5 T时,摩擦因数为最小(0.315),比不加磁场时减小约31.8%。
2.2 磁场强弱对Mo-W涂层摩损量的影响图4是Mo-W涂层体积磨损率随磁感应强度变化的情况。不施加磁场时,Mo-W涂层的体积磨损率约为10.8×105 mm3/(N·m)。施加磁场后,随着磁感应强度的增加,Mo-W涂层的磨损率有所减小。当所加磁感应强度为B=1.50 T时,Mo-W涂层的体积磨损率最小,约为8.1×105 mm3/(N·m)。
图5是Mo-W涂层磨损3D形貌。由图5可知,不施加磁场时,Mo-W涂层的磨损形貌较粗且深(图5(a)),说明涂层的体积磨损量较大。施加磁场后,涂层磨痕较细且浅(图5(b)),说明施加磁场后Mo-W涂层的磨损量变小。
2.3 Mo-W涂层在磁场中的摩擦磨损机理影响材料摩擦学性能的主要因素有材料本身属性、表面状态、摩擦环境(如温度、电场、磁场、气氛)等。
2.3.1 摩擦副材料属性众所周知,物质是由原子组成的,而原子又是由原子核和核外电子构成。核外电子在不同轨道上绕核旋转运动使其具有轨道磁偶极矩;而同时电子也进行自身的旋转,从而具有自旋磁偶极矩。这两种磁矩的矢量和就构成了原子磁矩。材料的磁性是由其微观原子磁矩决定的,而原子磁矩又是由电子运动产生的,运动电子在磁场中会受到力的作用。所以,磁场可以通过影响摩擦副材料电子从而改变材料的摩擦学性能。根据材料的磁性不同,把相对磁导率小于1的叫抗磁材料,相对磁导率大于1的叫顺磁材料,相对磁导率远大于1的叫铁磁材料。
Mo位于门捷列夫周期表第5周期、第VIB族,戈尔德斯密特将它称亲铁元素,属顺磁体。W也是VIB族金属,外围电子层排布:5d46s2[14]。从这一角度而言,Mo-W喷涂层不是铁磁性材料,即磁场对其力学性能应该影响不大。
6061铝合金同样属于有色金属,主要成分为Al(表2),铝的磁导率约为1,属顺磁性材料[14],所以6061铝合金也可以近似看作顺磁性材料。
以上分析可知,6061铝合金和Mo-W喷涂层都不是铁磁性材料,但Mo-W涂层是制备在45CrNiMoVA钢表面上的,从45CrNiMoVA钢的化学成分(表1)可以看出,45CrNiMoVA钢的主要成份为Fe。永磁铁吸引测试试验表明,45CrNiMoVA钢呈铁磁性材料属性。所以,虽然6061铝合金和Mo-W喷涂层都不是铁磁性材料。但基体材料会对磁场的施加产生响应,从而影响到摩擦副的摩擦表现。
2.3.2 施加磁场后摩擦副表面温度变化摩擦界面温度也是影响涂层摩擦学性能的重要因素。为了进一步了解磁场施加后,6061铝合金和Mo-W喷涂层摩擦副表面摩擦温度变化情况,对摩擦副表面进行了温度采样对比。在摩擦试验中,每间隔1 min采集一次温度。图6是摩擦表面温度随着磁感应强度变化的情况。
由图6可以看出,当施加不同强度的磁场时,摩擦副表面的温度变化有所不同。与不加磁场时相比,涂层表面有10~20 ℃的温升。没有施加磁场时,涂层在摩擦3 min时进入温度稳定状态,表面温度稳定在52 ℃左右。当施加磁场时,涂层表面温度在摩擦10 min内都一直缓慢地升高。
当施加磁场的磁感应强度≤0.75 T时,摩擦副表面温度升高幅度较小,在摩擦试验结束前温度比不施加磁场时要高10 ℃左右。当磁感应强度≥1.0 T时,摩擦副表面温度升高幅度较大,在摩擦试验结束前温度比不施加磁场时要高20 ℃左右。究其原因,Mo-W涂层是顺磁性材料,受磁场影响较小。但基体45CrNiMoVA钢为铁磁性材料,从而产生涡流热效应,造成摩擦界面温度上升。
2.3.3 施加磁场后涂层显微硬度的变化图7是Mo-W涂层显微硬度随磁感应强度的变化情况。由图7可知,未施加磁场前,涂层表面显微硬度平均值为563.2 HV0.1。施加磁场后,显微硬度平均值虽然有微弱变化,但变化幅度在测量误差范围内。可见,施加磁场对Mo-W涂层显微硬度值基本不会造成影响。这说明施加磁场虽然会引起摩擦表面10~20 ℃的温升(图6),但不致引起Mo-W涂层发生热相变而影响显微硬度。
综上所述,Mo-W涂层在磁场中表现出来的摩擦学性能不同并不是由于显微硬度变化引起的。
2.3.4 摩损表面分析图8是不同磁场环境下Mo-W喷涂层与6061铝合金摩擦试验后的表面磨损形貌,表3是摩擦磨损试验前Mo-W涂层抛光后表面能谱分析结果和图8摩擦后表面的能谱分析结果。
由图8(a)可知,未施加磁场时,涂层表面磨损表现为粘着磨损和磨料磨损的复合磨损特征。究其原因,应该是硬度较低的6061铝合金在与Mo-W涂层摩擦过程中,在涂层硬相的作用下被割裂并粘附在涂层表面,同时,也伴有少量铝合金磨屑脱落并被氧化成Al2O3颗粒,成为摩擦表面中的磨粒,产生磨粒磨损。
对整个视图表面进行EDS能谱测试结果表明,涂层中的氧质量分数为2.25%。通过与磨损试验前表面EDS能谱测试结果对比,发现磨损表面的氧含量有所增加。对图8 (a)中摩擦表面进行选区EDS能谱分析(G region),发现未被铝合金覆盖区域的氧质量分数也由原来的1.42%增加为1.87%。这说明在摩擦过程中,除了有6061铝合金的氧化之外,Mo-W涂层的新鲜表面不断暴露在空气中,氧化现象也在同步进行。因此,不施加磁场时的磨损现象也包括轻微的氧化磨损。
施加磁场后,Mo-W涂层磨损表面(图8(b)~(f))的氧含量变大。当磁感应强度B=0.5、0.75、1.0、1.25和1.5 T时,涂层磨损表面的氧质量分数分别上升到3.93%、4.82%、5.17%、6.05%和6.71%(表3)。显而易见,随着磁感应强度的增加,涂层磨损表面中的氧含量呈增加趋势。
图9是对B=1.0 T时磨损表面的XRD衍射分析结果,发现其中除了Mo、W相外,还有MoO3和Al2O3衍射峰,而喷涂态和未加磁场磨损后的XRD图谱则不明显[15],进一步说明了在摩擦磨损过程中氧化现象的存在。
从微观形貌上看,施加磁场后,Mo-W涂层表面磨损形貌上出现大量的“犁沟”,表现出明显的磨粒磨损特征(图8(b)~(f))。对B=1.0 T时的磨损表面高倍率放大后(图10),在涂层表面还发现许多微小裂纹,说明涂层在摩擦过程中由于循环应力的作用产生了一定的疲劳现象。涂层发生加工硬化后产生应力集中,导致微裂纹的出现。
2.3.5 磁场对Mo-W涂层磨损过程中的氧化影响氧气的相对磁导率为2.592,属顺磁性物质。氧气分子在磁吸力的作用下会向磁场强度高的地方聚集。顺磁性磁偶极子在磁场中的受力可用公式(3)进行计算:
其中:pm为氧气分子的磁偶极矩,Wb·m;
公式(3)说明氧气分子磁偶极子的受力取决于外磁场强度H的梯度
为了证明摩擦副表面氧气含量增加与施加磁场有关,进一步了解摩擦表面的氧来源,设计了Mo-W涂层表面氧气浓度检测试验,对涂层表面分别进行了静态和动态表面氧气浓度测定。图11是Mo-W涂层表面氧气浓度与磁感应强度的关系。
由图11可知,Mo-W涂层表面氧气浓度随着磁感应强度的增加呈上升趋势。当涂层表面空气静止时,磁感应强度为1.5 T时测得表面氧气体积分数最大,比不施加磁场时增加0.66%。当涂层表面空气流动速度为1.5 m/s时,磁感应强度为1.5 T时表面氧气体积分数最大,比不加磁场时增加0.71%。当施加磁感应强度为0.75~1.0 T时,氧气浓度增势较缓,说明在此磁感应强度范围内磁场的变化对氧气浓度的影响较小。另外,在施加相同磁感应强度时,涂层表面的氧气浓度与空气是否流动关系不大。因此,从试验数据可以推断出,磁场可以使涂层表面氧气浓度增加,从而促进Mo-W涂层摩擦磨损表面的氧化。
2.3.6 磨屑分析图12是施加磁场前后Mo-W涂层与6061铝合金摩擦磨损试验后磨屑的微观形貌。由图可以看出,未施加磁场时(图12(a)),磨屑呈不规则的片状,大致由50、20和10 μm以下3种粒径尺寸组成。施加磁场后,磨屑粒径有变小的趋势。当施加的磁感应强度为0.5 T时,主流磨屑尺寸变为30 μm左右(图12(b));当施加的磁感应强度为1.0 T时,主流磨屑尺寸变为20 μm左右(图12(c));当施加的磁感应强度为1.5 T时,主流磨屑尺寸小于10 μm (图12(d))。
对磨屑进行分析还可以看出,磨屑主要由两种微粒组成,一种是在SEM下导电性较好的微粒(A),呈暗灰色;另一种是导电性不好、呈亮白色的微粒(B)。两种微粒进行EDS能谱分析结果如表4所示。可以看出,暗灰色微粒主要以Mo为主,Al含量为其次,有少量的W元素,O元素质量分数为3.93%,说明微粒存在氧化现象。另一种亮白色微粒的元素组成主要以Al和O为主,同时含有少量的Mo、W元素。
EDS能谱分析结果还说明,在Mo-W涂层与6061铝合金摩擦副的磨屑中,一种是由Mo-W涂层脱落而来的磨屑,其主要成分是Mo-W合金,但表面也覆有Al2O3的粘着产物;另一种磨屑的主要成分是Al2O3,其原因是6061铝合金在摩擦过程中粘着在Mo-W涂层表面,后由于结合不牢,在摩擦切向力的作用下脱落,被氧化形成。
2.3.7 Mo-W涂层与6061铝合金摩擦副在磁场中的磨损过程分析Mo-W涂层与6061铝合金在磁场中的的摩擦磨损可分为3个阶段。
第一阶段:初始磨合阶段。摩擦在Mo-W涂层与6061铝合金的表层氧化膜之间进行。由于6061铝合金的表层氧化膜硬度较大,而Mo-W涂层的表层组织相对于心部组织较为“松软”[11],使涂层发生塑性变形,直至脱落(图13)。另外,由选区能谱分析可知,脱落后的微粒氧化现象也比较严重。在此阶段,Mo-W涂层的磨损率较大,磁场所起的作用主要是增加了摩擦副表面的氧气浓度,促进了脱落微粒的氧化。
第二阶段:粘着磨损+磨粒磨损阶段。随着摩擦的进行,6061铝合金表面较硬的氧化膜消失,露出“新鲜的”6061铝合金。同时,Mo-W涂层表面的“疏松”组织[11]也被磨除,露出密实的涂层组织,硬度也显著增加(图14)。所以,此阶段主要发生6061铝合金材料转移,形成粘着磨损。此时,磁场的主要作用仍然是促进摩擦副接触面氧化。另外,第一阶段脱落的微粒在局部热影响下软化,通过反复“挤压”作用容易变形和断裂,从而使磨屑变小。
第三阶段:稳定的磨粒磨损阶段。有的研究称之为“三体磨损”[17],即摩擦磨损在Mo-W涂层、磨屑和6061铝合金三者之间进行,其中磨屑由Mo-W涂层微粒和Al2O3微粒组成,形成磨粒磨损。粘着磨损转移到Mo-W涂层表面的6061铝合金材料,在应力的“反复”作用下产生加工硬化,同时部分从涂层表面脱落,形成新的磨粒。这种以6061铝合金为主的新磨粒在磁场中会被促进氧化,磨粒也逐渐变小。这些磨粒在摩擦副间形成一个个“微轴承”,减小了摩擦副间的摩擦因数,同时也减少了Mo-W涂层和6061铝合金之间的直接接触,从而减少了磨损量。
由以上分析可以看出,磁场主要起到两个作用:一是提高了摩擦副间的氧气浓度,促进了摩擦副间的氧化磨损现象;二是提高了摩擦热量,这可能是磁场能转换为热能形式释放[18],也可能是在摩擦副间产生电磁感应形成“微涡流”而产生热量[1]。在热量影响下磨粒先软化后细化,从而降低摩擦因数,改善了摩擦条件。
3 结 论(1) 随着磁感应强度的增加,Mo-W涂层的摩擦因数降低,磨损量有小幅减小。当施加不同强度的磁场时,涂层表面温度一直在缓慢升高,摩擦副表面的温度与不施加磁场时相比有10~20 ℃的温升。施加磁场对Mo-W涂层显微硬度值不会造成影响。
(2) 施加磁场后,Mo-W涂层磨损表面的氧含量变大,且随着磁感应强度B的增加氧含量呈增加趋势。Mo-W涂层表面氧气浓度测试表明,磁场可以使涂层表面氧气浓度增加,从而促进Mo-W涂层磨损表面的氧化。
(3) 随着磁感应强度的增加,磨屑粒径逐渐变小。磨屑主要由表面覆有Al2O3的Mo-W合金微粒和Al2O3微粒组成。磁场在Mo-W涂层与6061铝合金的摩擦中主要有两个作用:一是提高了摩擦副间的氧气浓度,促进了氧化磨损;二是提高了摩擦热量,促进了磨粒软化和细化,降低了摩擦因数。
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