Page 62 - 《摩擦学学报》2020年第4期

472 摩 擦 学 学 报 第 40 卷

以及后期利用电子探针对P质量分数为0.3%的试验数 主，从铜与钢的接触逐渐转化为铜与铜膜的接触和磨
据进行测定，结果列于表3中，可见ZCuPb Sn 合金材 损，同类金属的冶金相容性很好，极易产生表面黏着，
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料中的第二相主要为Cu P相. ZCuPb Sn 合金组织构 因而黏着磨损导致铜销的磨损率较高 . 当载荷增至
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成 主 要 为 以 铜 为 基 体 的 富 锡 的 α相 +(α+δ)共 析 体 250 N时，ZCuPb Sn 合金销在与45钢盘相互作用的
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相+少量Cu P相+Pb相，其中δ相和Cu P相为硬脆相， 摩擦副表面温度逐渐升高，游离态的铅逐渐被挤出
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可增加合金的硬度及耐磨性. 铅作为材料的固体润滑 ZCuPb Sn 合金销表面，亲油的铅与油膜协同作用，
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剂，在该材料中起着主要的减磨作用. 使摩擦系数又出现1个波动的过程，直到在摩擦副表
从前面分析结果可知，不同的载荷条件下，3.610 m/s 面形成大量均匀的软质铅润滑膜图8(c)白色条状，减小
的线速度时，相对摩擦系数最小. 选取线速度3.610 m/s、 了ZCuPb Sn 合金销与45钢盘的接触面积，从而使摩
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不同压力条件下的形貌，对ZCuPb Sn 合金材料摩损 擦系数降至0.070，磨损率为2.972 ×10 mm /(N·m). 当
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形貌进行分析，如图8所示. 其中图8中(e)、(f)、(g)、 载荷增至350 N时，摩擦副表面温升变快，ZCuPb Sn 5
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(h)分别为图8中A、B、C和D处的EDS能谱数据. 合金销中的铅被不断挤出，形成的润滑膜随压力的增
从图8可以看出，载荷小于150 N时，ZCuPb Sn 5 大也会被破坏形成磨屑以及裂纹，导致润滑膜脆性断
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合金销的磨损表面比较平滑，有轻微的磨痕及少量的 裂剥落，造成磨粒磨损，从而使磨损量快速增加，磨损
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磨屑. 其原因可结合ZCuPb Sn 合金磨损机理图(图9) 率增至8.639 ×10 mm /(N·m)，摩擦系数也增至0.094，
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分析如下：随着摩擦试验的进行，软质铅润滑膜开始 同时，摩擦表面出现犁沟，如图8(d)所示. 磨损随载荷
在磨损表面上形成，形成稳定膜后，磨损表面变光滑， 的增加而加剧，这是由于低载荷时，摩擦表面上的Cu P
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从而减小了ZCuPb Sn 合金销与45钢盘的接触面积， 硬质颗粒作用甚微，而随着载荷的增大，摩擦表面微
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摩擦系数开始减小，并且此载荷不足以使润滑膜破坏 凸体压入深度增加，摩擦副之间的实际接触面积增
而形成磨屑，此时磨损机制以轻微黏着磨损为主. 加，接触面处起作用的Cu P硬质颗粒数量也增加，使
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载荷为150~250 N时，由于有稳定的固体铅润滑 犁沟深度加深，轻微黏着磨损转变为严重磨损，造成
膜的润滑作用，摩擦系数趋于稳定，在0.075左右，如 磨损率增大.
图8(c)白色区域，ZCuPb Sn 合金处于正常的低磨损 随着转速的增加，摩擦副表面温升变快. 当线速
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状态. 其摩擦系数随着试验时间的延长，趋于稳定，波 度增加到3.610 m/s以后，部分铅转移到45钢盘上，导
动较小，以黏着磨损为主. 铅具有面心立方结构，其剪 致合金磨损量增大，从而使摩擦系数再次增加. 此时
切强度较低，摩擦时可以通过摩擦副间铅的自身剪切 磨损机制以磨粒磨损为主，有少许氧化磨损. 为了证
而有效降低摩擦系数，在摩擦方向由于剪切力的作 实这一点，选取350 N，4.820 m/s条件下45钢盘表面的
用，向表面富集转移. 此外，铅具有良好的亲油性，可 形貌来分析，如图10所示，其中图10(b)、(c)分别为图10(a)
以与润滑油起到较好的协同润滑作用 [31-32] . 图8(f)中 中B和C处的EDS数据图谱. 从图10(b)可以看出，45钢
EDS数据显示，磨痕表面氧的含量很少，说明氧化磨 盘上面有铅膜(白色部分)，还有ZCuPb Sn 合金成分
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损不是很明显. 而在载荷为250 N时，如图8(g)所示，氧 中的主要元素以及少许氧. 进而可以证实磨损过程中
的含量增加，说明在高载荷摩擦过程中，存在氧化磨 发生了严重的黏着磨损以及少量氧化磨损，部分铅膜
损. 通过图7金相相组成数据分析以及图8(b)和图8(f) 已黏接到对磨面钢盘上，混合铜、镍和锌等相形成了
中EDS的数据中可以看出，摩擦表面有Cu P存在，说 新的铅润滑膜. 使ZCuPb Sn 合金销的磨损率增加.
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明摩擦过程中，硬质颗粒Cu P也起到了减磨作用. 相比较四种不同的载荷条件下，在载荷为50 N，
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小直径铜销在低载荷作用下，磨损主要以黏着为 线速度为2.410 m/s时，摩擦系数最小，最小摩擦系数
表 3 ZCuPb 20 Sn 5 合金EPMA数据
Table 3 EPMA data of the ZCuPb20Sn5 alloy

Element Mass fraction/% Atom fraction/% K/% K-raw/% ZAF Z A F
P 2.679 26.358 4 1.597 5.341 1.677 5 0.916 4 1.831 3 0.999 6
Zn 0.000 0.000 0 0.000 0.000 0.000 0 0.000 0 0.000 0 0.000 0
Ni 0.186 0.964 4 0.190 0.190 0.977 2 0.964 2 1.013 5 1.000 0
Cu 14.203 68.107 9 13.942 13.943 1.018 7 1.010 1 1.008 5 1.000 0
Sn 1.780 4.569 4 1.518 1.519 1.172 5 1.111 1 1.060 3 0.995 2