锁筒机构导向基座和导向杆摩擦副配对选材配对

引用这篇文章：

王蓓，陈旭利，胡荣芳，等。 不同状态下2A12铝合金与17-4PH不锈钢的摩擦磨损性能[J]. 机械工程材料, 2023, 47(2): 79-83, 89.

王斌，陈雪莲，胡瑞峰，等。 2A12铝合金与17-4PH不锈钢不同状态下的摩擦磨损性能, 2023, 47(2): 79-83, 89.

DOI:10.11973/jxgccl202302014

为了选择某锁芯机构导向座和导杆摩擦副的材料，对轧制、固溶、固溶+时效2A12铝合金和时效17-4PH不锈钢组成的摩擦副进行了研究。干摩擦和脂润滑条件下的摩擦磨损性能。 结果表明，轧制2A12铝合金的抗拉强度和显微硬度均高于固溶状态和固溶+时效状态，远低于时效17-4PH不锈钢； 脂润滑条件下，轧态2A12铝合金与17-4PH不锈钢对的平均摩擦系数和轧态铝合金的平均体积磨损率均显着低于干摩擦条件下，且低于干摩擦条件下的平均体积磨损率。在相同润滑条件下固溶和固溶+时效2A12铝合金； 两种润滑条件下三种状态铝合金的磨损机制以磨粒磨损为主，粘着磨损为辅。 不锈钢的磨损机制为轻微磨粒磨损。 锁芯机构可搭配轧制2A12铝合金和时效17-4PH不锈钢，并可涂抹油脂以减少摩擦、磨损和粘连。

1 样品制备及测试方法

1.1 样品制备

试验材料：2A12铝合金轧制棒材，规格为Φ45mm，17-4PH不锈钢锻件，规格为Φ50mm。

用线切割机将2A12铝合金轧制棒材加工成Φ45mm×130mm尺寸的试样，放入箱式电阻炉中进行固溶处理。 固溶处理工艺为500℃水冷2小时，然后放入电加热器中。 时效处理在鼓风干燥箱中进行，时效处理工艺为190℃保温10h空冷。

用线切割机将17-4PH不锈钢锻件加工成Φ50mm×80mm和Φ20mm×130mm尺寸的试样，放入箱式电阻炉中进行固溶处理。 固溶处理工艺为1040℃保温1小时，油冷。 然后进行时效处理。 时效处理工艺为480℃保温空冷4小时。

1.2 测试方法

将不同状态的铝合金样品和时效不锈钢样品加工成尺寸为φ20mm×14mm的金相样品。 经过研磨、抛光和腐蚀液腐蚀后，在光学显微镜下观察微观结构。 其中，2A12铝合金使用的腐蚀液由氢氟酸、硝酸、盐酸组成，体积比为1:5:15，17-4PH不锈钢使用的腐蚀液由硝酸和盐酸组成体积比为1：2。

将不同状态的铝合金试件和时效不锈钢试件加工成标准拉伸试件，标距段尺寸为φ10mm×50mm。 按照GB/T 228.1-2010，采用电子万能试验机进行室温拉伸试验。 屈服前拉伸速度为1mm·min-1，屈服后拉伸速度为25mm·min-1。 每次试验取三个平行样品，取平均值。

按照GB/T 4340.1-2009，采用数字维氏硬度计测试铝合金试样的显微硬度。 载荷为2.942N，载荷保持时间为15s。 不同状态下的样品测量3点，取平均值。 按照GB/T 230-2018的规定，使用洛氏硬度计测试不锈钢试样的洛氏硬度。 每个测量 3 个点并取平均值。 根据GB/T 1172-1999，将不锈钢试样的洛氏硬度换算成显微硬度。

从铝合金样品上切取尺寸为7mm×7mm×30mm的正方形样品，表面粗糙度Ra为0.40μm； 从不锈钢样品上切取尺寸为Φ40mm×Φ16mm×10mm的环形样品，外表面粗糙。 Ra度为0.40μm。 根据GB/T 12444-2006，在摩擦磨损试验机上进行环方摩擦磨损试验。 测试温度为室温24℃，相对湿度为（50±5）%。 将方形样品压在环形样品上。 载荷为245N，环形样品转速为200r·min-1，相对方形样品线速度为0.42m·s-1，试验时间为120min。 采用两种润滑方式，一种是干摩擦，另一种是试验前涂抹XG/LT二硫化钼锂基润滑脂，试验时不添加润滑脂。 摩擦测试过程中，仪器自动记录扭矩随时间的变化，并通过扭矩计算摩擦系数。 平均摩擦系数是测试60至120分钟期间摩擦系数的平均值。 摩擦系数计算公式如下：

采用三维激光扫描电子显微镜观察样品表面的摩擦磨损形貌。 按照GB/T 12444-2006，用游标卡尺测量方形试样表面磨痕的宽度。 在整个磨痕长度的中间和1/4长度处进行测量，并取平均值。 计算方形样品的平均体积磨损率，公式如下：

2 测试结果与讨论

2.1 微观结构

从图1可以看出，2A12铝合金在轧制、固溶、固溶+时效三种状态下的显微组织由基体α(Al)固溶体和粒状S(Al2CuMg)相组成其上分布有条带。 由Al6FeMnSi相组成； 时效17-4PH不锈钢的显微组织为回火马氏体和弥散析出相。

2.2 拉伸性能和显微硬度

从表1可以看出，轧制2A12铝合金由于形变强化，具有最高的抗拉强度和显微硬度； 固溶处理消除了形变强化，使组织均匀，因此固溶2A12铝合金的强度和显微硬度均低于轧制状态，但时效处理后强度和显微硬度有所提高。 时效17-4PH不锈钢的显微硬度和强度远高于2A12铝合金。

表1 不同状态2A12铝合金和时效17-4PH不锈钢的力学性能

2.3 摩擦磨损性能

从图2可以看出，在整个摩擦磨损过程中，轧制2A12铝合金和17-4不锈钢在脂润滑条件下的摩擦系数明显小于干摩擦条件下； 固溶、固溶+时效 2A12铝合金和17-4不锈钢在脂润滑条件下的摩擦系数在摩擦磨损初期明显小于干摩擦条件下，与干摩擦下相似摩擦磨损中后期的情况。

计算出2A12铝合金和17-4PH不锈钢在轧制状态、固溶状态、固溶+时效状态干摩擦条件下的平均摩擦系数分别为0.23、0.22和0.24，平均体积磨损率为铝合金样品分别为0.346、0.328、0.581mm3·min-1； 脂润滑条件下的平均摩擦系数分别为0.11、0.22、0.22，铝合金样品的体积磨损率分别为0.008、0.207、0.176mm3·min-。 1、可以看出，轧制2A12铝合金和17-4PH不锈钢在脂润滑条件下的平均摩擦系数和轧制铝合金的平均体积磨损率均显着低于干摩擦条件下，且低于干摩擦条件下的平均体积磨损率。相同的润滑条件。 2A12铝合金在一定条件下的固溶状态和固溶+时效状态。

2A12铝合金在轧制过程中会形成高密度位错，产生晶格畸变、空位或气孔等微观缺陷； 在摩擦磨损过程中，这些缺陷能有效地吸收和储存油脂，使摩擦表面形成稳定的润滑转移膜，并在膜破裂时能迅速形成新的润滑膜。 因此，轧制2A12铝合金在脂润滑条件下的摩擦系数始终较低，平均体积磨损率最小。

2.4 磨损形貌

从图3可以看出，3种2A12铝合金样品在干摩擦条件下的表面划痕较为明显，为金属间的划痕、擦伤和沟纹。 主要发生磨粒磨损，少量磨损发生在表面。 粘着物，表明存在少量粘着磨损； 在脂润滑条件下，三种状态的铝合金试件表面主要存在划痕，局部散有颗粒状附着物。 磨损机制仍以磨粒磨损和粘着磨损为主。 通过磨损进行补充。

17-4PH不锈钢的显微硬度远高于2A12铝合金。 两者的表面粗糙度Ra均为0.40μm。 它们之间的磨损过程主要是17-4PH不锈钢对铝合金的磨粒磨损。 另外，由于铝合金的熔点很低，铝合金表面在摩擦热的作用下容易发生局部熔焊和粘连，产生少量的粘着磨损。

与3种2A12铝合金在干摩擦和脂润滑条件下摩擦磨损后，时效17-4PH不锈钢表面出现轻微划痕，如图4所示，磨损机制主要为轻微磨料磨损。

3 结论

(1)比较铝合金的三种状态，轧制2A12铝合金的抗拉强度和显微硬度最高； 时效17-4PH不锈钢的显微硬度和强度远高于铝合金的三态。

(2)在整个摩擦磨损过程中，轧制2A12铝合金和17-4PH不锈钢在脂润滑条件下的摩擦系数明显小于干摩擦条件下的摩擦系数； 固溶态、固溶+时效2A12铝合金在脂润滑条件下的摩擦系数在摩擦磨损初期比干摩擦条件下小，中后期增大，与干摩擦条件下； 轧制2A12铝合金与17-4PH不锈钢之间的摩擦系数是在脂润滑条件下的。 脂润滑条件下的平均摩擦系数和轧制铝合金的平均体积磨损率均显着低于干摩擦条件下，且低于相同润滑条件下固溶和固溶+时效2A12铝合金。

(3)干摩擦和脂润滑条件下摩擦磨损后，3种状态的2A12铝合金表面划痕和粘连现象均较明显，磨损机制以磨粒磨损为主，粘着磨损为辅； 17-4PH不锈钢 表面划痕轻微，磨损机制为轻微磨粒磨损。

(4) 考虑到锁芯机构的使用要求和摩擦磨损性能研究成果，锁芯机构可选择轧制2A12铝合金与时效17-4PH不锈钢配对，并涂抹润滑脂以减少摩擦磨损粘着。