非晶金属材料由于具有优异的物理、化学和力学性能，引起了人们对非晶材料的极大兴趣。到目前为止，已开发出Ｌａ基［１］、Ｍｇ基［２］、Ｚｒ基［３］和
Ｐｄ基［４］等一系列非晶材料。Ｃｕ基块状非晶以其优
异的力学性能以及低廉的价格越来越成为人们研究的热点，本文选用成分为（Ｃｕ５０Ｚｒ４２Ａｌ８）９８（Ｃｒ２Ｎｉ）２的块状非晶合金，对其摩擦磨损性能进行分析。本课题组在以前的研究中已经得出，该块状非晶合金在３．５％ＮａＣｌ水溶液中发生自钝化现象，腐蚀速度降低，耐腐蚀性能优良［５］。而Ｃｕ基大块非晶本身就具有高强高韧等力学性能，所以研究
（Ｃｕ５０Ｚｒ４２Ａｌ８）９８（Ｃｒ２Ｎｉ）２块状非晶合金的摩擦磨损性
能对Ｃｕ基块状非晶的工程应用具有十分重要的意义。
本文是通过磁悬浮铜模吸铸制备出
（Ｃｕ５０Ｚｒ４２Ａｌ８）９８（Ｃｒ２Ｎｉ）２块状非晶合金，在拴－盘式
摩擦试验机上，通过改变滑动速度来分析其摩擦系数、磨损率的变化，并探讨其磨损机制。
１实验材料及方法
１．１块状非晶试样的制备
本实验所用合金样品的名义成分（原子百分
比）为（Ｃｕ５０Ｚｒ４２Ａｌ８）９８（Ｃｒ２Ｎｉ）２。将纯度为９９．９％块状或棒状Ｃｕ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｃｒ和Ｎｉ按上述成分配制，在磁悬浮水冷铜坩埚中反复熔炼４￣５次制成母合金，以保证成分均匀；熔炼时先在高真空的气氛下进行，待合金开始熔化时充氩气保护以防飞溅、氧化；再将熔化的母合金利用铜模吸铸法制成!３ｍｍ×７５ｍｍ的非晶圆棒；将制得的非晶棒在金刚石切片机上制成!３ｍｍ×１３ｍｍ的试样，用来做摩擦磨损试验。
１．２摩擦磨损试验
收稿日期：２００７－０６－２９
基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０３７１０１６）作者简介：寇生中（１９６２－），男，甘肃天水人，教授，博士生导师；
电话：０９３１－２９７３９４２；Ｅ－ｍａｉｌ：ｋｏｕｓｚ＠ｌｕｔ．ｃｎ
（Ｃｕ５０Ｚｒ４２Ａｌ８）９８（Ｃｒ２Ｎｉ）２块状非晶合金的
摩擦磨损性能研究
寇生中１，２，屠鹏１，高忙忙１，丁雨田１，２
（１．兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室，甘肃兰州７３００５０；
２．兰州理工大学有色金属合金省部共建教育部重点实验室，甘肃兰州７３００５０）
摘
要：利用铜模吸铸法制备了直径为３ｍｍ的（Ｃｕ５０Ｚｒ４２Ａｌ８）９８（Ｃｒ２Ｎｉ）２块状非晶合金圆棒。在拴－盘磨擦试验机
上对该非晶合金的磨擦磨损性能作了测试，得出，在滑动速度增大的过程中，其磨损机理由轻微摩损向严重磨损转变，在滑动速度低于１．０ｍ／ｓ下，该非晶合金表现出良好的耐磨性。
关键词：大块非晶；摩擦磨损；磨损机制中图分类号：ＴＧ１３９＋．８
文献标识码：Ａ
文章编号：１００１－３８１４（２００７）２２－０００５－０３
ＳｔｕｄｙｏｎＦｒｉｃｔｉｏｎａｎｄＷｅａｒＰｒｏｐｅｒｔｙｏｆＢｕｌｋＡｍｏｒｐｈｏｕｓ
Ａｌｌｏｙ（Ｃｕ５０Ｚｒ４２Ａｌ８）９８（Ｃｒ２Ｎｉ）２
ＫＯＵＳｈｅｎｇ－ｚｈｏｎｇ１，２，ＴＵＰｅｎｇ１，ＧＡＯＭａｎｇ－ｍａｎｇ１，ＤＩＮＧＹｕ－ｔｉａｎ１，２
（１．ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂ．ｏｆＧａｎｓｕＡｄｖａｎｃｅｄＮｏｎ－ｆｅｒｒｏｕｓＭｅｔａｌＭａｔｅｒ．，ＬａｎｚｈｏｕＵｎｉｖ．ｏｆＴｅｃｈ．，Ｌａｎｚｈｏｕ７３００５０，Ｃｈｉｎａ；２．ＫｅｙＬａｂ．ｏｆＮｏｎ－ｆｅｒｒｏｕｓＭｅｔａｌＡｌｌｏｙｓ，ＴｈｅＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，ＬａｎｚｈｏｕＵｎｉｖ．ｏｆＴｅｃｈ．，Ｌａｎｚｈｏｕ７３００５０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅａｍｏｒｐｈｏｕｓａｌｌｏｙｒｏｄｓｗｉｔｈａｄｉａｍｅｔｅｒｏｆ３．０ｍｍｏｆ（Ｃｕ５０Ｚｒ４２Ａｌ８）９８（Ｃｒ２Ｎｉ）２ｗｅｒｅｐｒｅｐａｒｅｄｂｙｃｏｐ－ｐｅｒｍｏｌｄｗｉｔｈｓｕｃｋｉｎｇｃａｓｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｗｅａｒｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆ（Ｃｕ５０Ｚｒ４２Ａｌ８）９８（Ｃｒ２Ｎｉ）２ｂｕｌｋａｍｏｒｐｈｏｕｓａｌｌｏｙｗｅｒｅｔｅｓｔｅｄｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｐｉｎ－ｏｎ－ｄｉｓｃｆｒｉｃｔｉｏｎｔｅｓｔｅｒ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔ，ｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｓｌｉｄｉｎｇｓｐｅｅｄ，ｔｈｅｗｅａｒｍｅｃｈａｎｉｓｍｃｈａｎｇｅｓｆｒｏｍｌｉｇｈｔｗｅａｒｔｏｓｅｒｉｏｕｓｗｅａｒ，ａｎｄｔｈｅａｍｏｒｐｈｏｕｓａｌｌｏｙｓｈｏｗｓｔｈｅｂｅｔｔｅｒｗｅａｒ－ｒｅｓｉｓｔｅｎｃｅｗｈｅｎｔｈｅｓｐｅｅｄｉｓｂｅｌｏｗ１．０ｍ／ｓ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｕｌｋａｍｏｒｐｈｏｕｓａｌｌｏｙ；ｆｒｉｃｔｉｏｎａｎｄｗｅａｒ；ｗｅａｒｍｅｃｈａｎｉｓｍ
本实验在瑞士ＴＨＴ０７－１３５高温摩擦磨损试
验机上进行。将!３ｍｍ×１３ｍｍ的非晶圆棒用夹具夹在摩擦机的上部，在摩擦过程中，安装有试样的上部结构处于相对静止不动，安装有对偶的下部结构在垂直于纸面的平面内做高速圆周运动，行程为２０００ｍ，对偶件选用ＧＣｒ１５圆块（回火硬度
５９￣６４ＨＲＣ），每次实验之前摩擦副必须用丙酮溶
液在超声波仪器中把表面污渍清洗干净。磨损质量损失采用精密电子天平测量，在实验前后必须用丙酮溶液来清洗试样表面，测量时以磨损前后的质量损失来表征，精确值为０．０１ｍｇ，摩擦系数的数据直接从计算机上读取，试样的磨损形貌用
ＪＳＭ－６７００Ｆ扫描电镜观察，成分分析在
ＥＤＡＸ９１００能谱分析仪上进行。
本实验通过在一定的载荷下改变摩擦速率来研究其摩擦学性能，载荷为５Ｎ，速率分别取
０．６、０．８、１．０和１．２ｍ／ｓ，摩擦环境为干摩擦，相对
湿度为２０％。
２实验结果与分析
图１给出了（Ｃｕ５０Ｚｒ４２Ａｌ８）９８（Ｃｒ２Ｎｉ）２非晶合金在
５Ｎ载荷下，速率为１．０ｍ／ｓ时摩擦系数随滑动距
离的变化曲线。可看到，（Ｃｕ５０Ｚｒ４２Ａｌ８）９８（Ｃｒ２Ｎｉ）２非晶合金的摩擦系数从０．４左右开始，经过２００ｍ的
滑动距离后，摩擦系数趋于稳定，在０．７８左右波动。可见，在摩擦过程中，其跑合期比较短，这可能与该非晶合金自身的硬度有关，由于Ｃｒ、Ｎｉ元素的加入，提高了非晶合金的强度，使其在摩擦初期更容易将接触面的间断部分磨平，故其跑合期比较短。
图２是在载荷为５Ｎ下（Ｃｕ５０Ｚｒ４２Ａｌ８）９８（Ｃｒ２Ｎｉ）２
非晶合金摩擦系数随滑动速度变化曲线。从图中可看出，摩擦系数在０．６８～０．７９波动，摩擦系数随滑动速度的增加波动值较小，曲线呈先降低后逐渐增大趋势。
图３是在载荷为５Ｎ下（Ｃｕ５０Ｚｒ４２Ａｌ８）９８（Ｃｒ２Ｎｉ）２
块状非晶合金摩擦率随滑动速度变化图。可看出，随滑动速率的增加磨损率逐渐增大，在速度为
０．６￣０．８ｍ／ｓ时，磨损率变化不大；在速度为１．０￣１．２ｍ／ｓ时，磨损率变化也不大；但速度从０．８ｍ／ｓ增
加到１．０ｍ／ｓ时，磨损率变化较大，接下来我们结合磨痕形貌来分析引起这一变化的原因。
图４为（Ｃｕ５０Ｚｒ４２Ａｌ８）９８（Ｃｒ２Ｎｉ）２非晶合金在载荷为５Ｎ下不同滑动速度下的磨痕形貌。在滑动速度较低时（０．６ｍ／ｓ），合金中由于存在大量的硬质相，磨痕面有平行于滑动方向的塑性变形，并有少量未碾碎的片状磨粒粘附于浅沟边缘，肉眼观察到摩擦面为黑色，主要是Ｆｅ的氧化物粘着在摩擦面上，此摩擦过程属于轻微摩擦，为氧化磨损和磨粒磨损的混合磨损形式；在滑动速度为０．８ｍ／ｓ时，磨痕面犁沟变浅，大量Ｆｅ元素转移到摩擦面上（见图５），此时的磨损机制主要是粘着磨损和
０
０．５１．０１．５
２．０
１．３
１．２１．１１．００．９０．８０．７０．６０．５０．４０．３
Ｓｌｉｄｉｎｇｄｉｓｔａｎｃｅ／ｋｍ
Ｆｒｉｃｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ
ｔｅｓｔｅｄａｍｏｒｐｈｏｕｓａｌｌｏｙ：（Ｃｕ５０Ｚｒ４２Ａｌ８）９８（Ｃｒ２Ｎｉ）２ｌｏａｄ：５Ｎ
图１摩擦系数与位移的变化曲线
Ｆｉｇ．１Ｔｈｅｃｈａｎｇｅｏｆｆｒｉｃｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉａｎｔｗｉｔｈｓｌｉｄｉｎｇｄｉｓｔａｎｃｅ
■
■
■
■
０．６
０．７
０．８０．９１．０
１．１１．２
Ｓｐｅｅｄ／ｍ
?ｓ－１０．９００．８５０．８００．７５
０．７００．６５０．６０
Ｆｒｉｃｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ
ｔｅｓｔｅｄａｍｏｒｐｈｏｕｓａｌｌｏｙ：
（Ｃｕ５０Ｚｒ４２Ａｌ８）９８（Ｃｒ２Ｎｉ）２ｌｏａｄ：５Ｎ
图２摩擦系数随滑动速度变化曲线
Ｆｉｇ．２Ｔｈｅｃｈａｎｇｅｏｆｆｒｉｃｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉａｎｔｗｉｔｈｓｌｉｄｉｎｇｓｐｅｅｄ
Ｗｅａｒｒａｔｅ／×１０－４ｍｇ?ｍ－１
２２
２０１８１６１４１２１０８６
０．５０．６０．７０．８０．９１．０１．１１．２１．３
Ｓｐｅｅｄ／ｍ?ｓ－１
图３磨损率随滑动速度变化曲线
Ｆｉｇ．３Ｔｈｅｃｈａｎｇｅｏｆｗｅａｒｒａｔｅｗｉｔｈｓｌｉｄｉｎｇｓｐｅｅｄ
ｔｅｓｔｅｄａｍｏｒｐｈｏｕｓａｌｌｏｙ：（Ｃｕ５０Ｚｒ４２Ａｌ８）９８（Ｃｒ２Ｎｉ）
２
ｌｏａｄ：５Ｎ
轻微的磨粒磨损；在滑动速度为１．０ｍ／ｓ时，随着滑动速度的增加，在滑移面上的剪应力大于粘着层的结合强度，导致出现疲劳磨损，在图４（ｃ）中可以看到，磨损面上出现了剥落坑，这是其磨损率增加的主要原因，这时的磨损机制为粘着磨损和剥层磨损；在滑动速度为１．２ｍ／ｓ时，磨损面上剥落比较严重，磨损主要是严重剥离。
可见，随着滑动速度的增加，非晶试样的磨损由轻微磨损向严重磨损逐渐转变，图６为５Ｎ，
１．２ｍ／ｓ时，磨屑的形貌，其主要为大块片状磨屑
（十几微米）和粘着的细小磨粒，图中片状磨屑的主要成分是Ｆｅ元素，这也印证了在此速度下其磨损率较大。
３小结
（１）
通过铜模吸铸法制备出成分为
（Ｃｕ５０Ｚｒ４２Ａｌ８）９８（Ｃｒ２Ｎｉ）２的!３ｍｍ非晶圆棒。
（２）（Ｃｕ５０Ｚｒ４２Ａｌ８）９８（Ｃｒ２Ｎｉ）２非晶合金的摩擦系数随滑动速度的增大在０．６８～０．７９波动，磨损率
随滑动速度的增大而增大。
（３）在滑动速度增大的过程中，该非晶合金的磨损机理由轻微磨损向严重磨损转变，在滑动速度低于１．０ｍ／ｓ时，表现出良好的耐磨性。参考文献：
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ａｍｏｒｐｈｏｕｓａｌｌｏｙｓｗｉｔｈｈｉｇｈｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｎｇｔｈｐｒｏｄｕｃｅｄｂｙａｈｉｇｈ－ｐｒｅｓｓｕｒｅｄｉｅｃａｓｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］．Ｍａｔｅｒｉａｌｓｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ，１９９２，３３（１０）：９３７－９４５．
［３］ＰｅｋｅｒＡ，ＪｏｈｎｓｏｎＷＬ．Ａｈｉｇｈｌｙｐｒｏｃｅｓｓａｂｌｅｍｅｔａｌｌｉｃｇｌａｓｓ：
Ｚｒ４１．２Ｔｉ１３．８Ｃｕ１２．５Ｎｉ１０．０Ｂｅ２２．５［Ｊ］．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，１９９３，６３（１７）：２３４２－２３４４．
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Ｐｄ４０Ｎｉ１０Ｃｕ３０Ｐ２０ａｌｌｏｙｏｆ４０ｍｍｉｎｄｉａｍｅｔｅｒｂｙｗａｔｅｒｑｕｅｎｃｈｉｎｇ［Ｊ］．Ｍａｔｅｒ．Ｔｒａｎｓ．，１９９６，３７（２）：１８１－１８４．
［５］岳武．铜基块状非晶的制备及腐蚀性能研究［Ｄ］．兰州：兰州理
工大学，２００４．４７－５３．
１０μｍ１０μｍ１０μｍ１０μｍ
（ａ）０．６ｍ／ｓ
（ｂ）０．８ｍ／ｓ
（ｃ）１．０ｍ／ｓ（ｄ）１．２ｍ／ｓ
图４（Ｃｕ５０Ｚｒ４２Ａｌ８）９８（Ｃｒ２Ｎｉ）２非晶合金在不同滑动速率下的磨痕ＳＥＭ形貌（载荷５Ｎ）
Ｆｉｇ．４ＴｈｅＳＥＭｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｅｓｏｆｗｅａｒｓｕｒｆａｃｅｏｆａｍｏｒｐｈｏｕｓａｌｌｏｙ（Ｃｕ５０Ｚｒ４２Ａｌ８）９８（Ｃｒ２Ｎｉ）２ａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｌｉｄｉｎｇｓｐｅｅｄ（ｌｏａｄ：５Ｎ）
０２４６
８１０１２
１４１６１８
Ｅ／ｋｅＶ
ＣＰＳ
Ｆｅ（Ｋａ）
Ｚｒ（Ｌａ１）
Ｃｒ（Ｋａ）
Ｆｅ（Ｋｂ）Ｃｕ（Ｋａ）
Ｃｕ（Ｋｂ）
Ｚｒ（Ｋａ）
ｌｏａｄ：５Ｎ
ｓｌｉｄｉｎｇｓｐｅｅｄ：０．８ｍ／ｓ
图５（Ｃｕ５０Ｚｒ４２Ａｌ８）９８（Ｃｒ２Ｎｉ２）非晶合金磨损的ＥＤＳ图
Ｆｉｇ．５ＴｈｅＥＤＳｐａｔｔｅｒｎｏｆｗｅａｒｓｕｒｆａｃｅｏｆａｍｏｒｐｈｏｕｓ
ａｌｌｏｙ（Ｃｕ５０Ｚｒ４２Ａｌ８）９８（Ｃｒ２Ｎｉ２）
０２４
６８１０１２
Ｅ／ｋｅＶ
ＣＰＳ
Ａｌ（Ｋａ）
Ｚｒ（Ｌａ１）
Ｆｅ（Ｋａ）
Ｆｅ（Ｋｂ）Ｃｕ（Ｋａ）Ｃｕ（Ｋｂ）图６（Ｃｕ５０Ｚｒ４２Ａｌ８）９８（Ｃｒ２Ｎｉ）２非晶合金磨屑的
ＳＥＭ及ＥＤＳ图
Ｆｉｇ．６ＴｈｅＳＥＭｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙａｎｄＥＤＳｐａｔｔｅｒｎｏｆｗｅａｒｓｃｒａｐｓｏｆａｍｏｒｐｈｏｕｓａｌｌｏｙ（Ｃｕ５０Ｚｒ４２Ａｌ８）９８（Ｃｒ２Ｎｉ）２
ｌｏａｄ：５Ｎ
ｓｐｅｅｄ：１．２ｍ／ｓ