系泊鏈鋼的摩擦磨損研究

毛振東 彭昂

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

隨著人類(lèi)資源日益趨向短缺或枯竭，世界各國(guó)加速對(duì)海洋資源進(jìn)行開(kāi)發(fā)，海洋工程平臺(tái)、大型海洋工程輔助船舶快速發(fā)展。海洋工程平臺(tái)、海洋工程船處在波浪滔天、海況十分復(fù)雜的惡劣條件下工作，海上油氣的開(kāi)采可望達(dá)到水深為2500 m(8200英尺)以上的所謂極深水海域[1]。高級(jí)別的系泊鏈?zhǔn)呛Ｑ蠊こ唐脚_(tái)及其裝備在海洋中系泊固定的主要方式[2]。系泊鏈服役條件惡劣[3]，除承受平臺(tái)的靜載荷作用外，還承受環(huán)境載荷作用，如風(fēng)力、波浪力和流力，其中波浪及浮游物的沖擊是環(huán)境載荷的主要成分。在這些力的作用下，使錨鏈產(chǎn)生摩擦磨損，從而可能導(dǎo)致錨鏈的失效，直接影響海洋工程平臺(tái)及其裝備的安全性、可靠性[5]。本文對(duì)國(guó)內(nèi)用于制備R4級(jí)系泊鏈的22MnCrNiMo鋼的熱處理工藝、靜摩擦磨損性能進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試樣的制備及處理

本實(shí)驗(yàn)所用材料為江陰興澄特種鋼鐵有限公司和正茂集團(tuán)有限公司聯(lián)合研制的專(zhuān)用于高級(jí)別系泊鏈的低碳低合金鋼22MnCrNiMo。其化學(xué)成分：C：0.24-0.30，Si：0.15-0.30，Mn：1.20-1.60，Cr：0.80-1.30，Ni：0.70-1.30，Mo：0.40-0.80，Nb：0.02-0.06，Cu≤0.20，S≤0.025，P≤0.025。材料熱處理工藝的選擇方面，根據(jù)生產(chǎn)企業(yè)的實(shí)際處理工藝，同時(shí)依據(jù)課題組對(duì)系泊鏈鋼熱處理組織與性能的詳細(xì)研究結(jié)果，本實(shí)驗(yàn)中采用固定淬火工藝及回火溫度，只改變回火時(shí)間，研究不同回火時(shí)間下材料的摩擦磨損特性。材料經(jīng)過(guò)930×30℃ min二次淬火，將二次淬火后的試樣在630℃回火，回火時(shí)間選擇30 min，45 min和60 min，回火后采用水冷。

1.2 磨損試驗(yàn)

采用宣化科華試驗(yàn)機(jī)制造有限公司生產(chǎn)的ML-100型靜載磨料磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行磨損試驗(yàn)。磨損試驗(yàn)機(jī)如圖1所示，該設(shè)備可進(jìn)行靜載磨料磨損實(shí)驗(yàn)。磨料磨損試樣尺寸均為 φ6 mm×12 mm。每組選用 2個(gè)試樣，實(shí)驗(yàn)結(jié)果取 2個(gè)試樣的平均值。本試驗(yàn)?zāi)チ蠟?20目Al3O2水砂紙，轉(zhuǎn)速60 r／min。試驗(yàn)選用：1）載荷為3 N時(shí)，磨損時(shí)間分別為30 s、60 s、90 s；2）磨損時(shí)間為60 s時(shí)，載荷分別為3 N，8 N，13 N。磨損試驗(yàn)在干摩擦，空氣環(huán)境及室溫下進(jìn)行，試驗(yàn)前后分別將沖擊試樣(22MnCrNiMo鋼)放入酒精中用超聲波清洗15 min，吹干后在精度為0.1 mg的電子天平上稱(chēng)重，計(jì)算其磨損質(zhì)量損失，取三次試驗(yàn)結(jié)果的平均值。

圖1 ML-100磨料磨損試驗(yàn)機(jī)

1.3 磨損形貌觀察

試驗(yàn)結(jié)束后，采用JEOL-JSM-6480型掃描電子顯微鏡觀察試樣(22MnCrNiMo鋼)的磨損表面形貌。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 摩擦磨損特性

圖2所示為22MnCrNiMo鋼與120目Al3O2水砂紙對(duì)磨時(shí)單位時(shí)間磨損量隨磨損時(shí)間和載荷變化的曲線?？梢?jiàn)：?jiǎn)挝幻娣e磨損量隨著磨損時(shí)間和荷載的增加而增家。當(dāng)載荷較小(3 N)時(shí)，隨著磨損時(shí)間從30 s增加到90 s，單位時(shí)間磨損量從(1.056～1.389)×10-6g·mm-2增 加 到 (1.481～1.731)×10-6g·mm-2，但增量較小。當(dāng)磨損時(shí)間為60 s時(shí)，隨著載荷從較小載荷(3N)增加到較高載荷(13N)，單位時(shí)間磨損量從(1.185～1.444)×10-6g·mm-2增加到(6.556～6.203) ×10-6g·mm-2，增量較大。

2.2 磨損形貌分析

圖2 單位面積磨損量隨磨損時(shí)間和載荷變化的情況

圖3所示為載荷為3 N，不同磨損時(shí)間下軋制態(tài)試樣磨痕表面形貌SEM照片?？梢?jiàn)，當(dāng)磨損時(shí)間30 s時(shí)，軋制態(tài)試樣的磨損形貌為窄而淺的磨溝[見(jiàn)圖3(a)]，當(dāng)磨損時(shí)間為60 s時(shí)，軋制態(tài)試樣的磨損形貌也為窄而淺的磨溝[見(jiàn)圖3(b)]，但同時(shí)出現(xiàn)較大的深坑。當(dāng)磨損時(shí)間為90 s時(shí)，軋制態(tài)試樣的磨損形貌為較深的犁溝或深坑[見(jiàn)圖3(c)]。這是由于在磨損的初期，軋制態(tài)試樣硬度較高，磨損機(jī)理主要為微觀切削機(jī)理，因此軋制態(tài)試樣的磨損形貌為窄而淺的磨溝；隨著磨損時(shí)間的增加，材料表面軟化，材料中的第二相粒子（或夾渣物）與基體的結(jié)合力下降，容易在第二相粒子周?chē)纬闪鸭y，發(fā)生微觀斷裂磨損，因此軋制態(tài)試樣的磨損形貌也為窄而淺的磨溝，但同時(shí)出現(xiàn)較大的深坑；隨著磨損時(shí)間的繼續(xù)增加，材料表面進(jìn)一步軟化，第二相粒子（或夾渣物）與基體的結(jié)合力繼續(xù)下降，此時(shí)磨損機(jī)理為犁溝變形機(jī)理。在磨粒的鑿削式的高應(yīng)力作用下，材料表面撕出較大的顆粒和碎塊，表面形成較深的犁溝或深坑[5-7]。

圖4所示為磨損時(shí)間為60 s，不同載荷下軋制態(tài)試樣磨痕表面形貌 SEM 照片?？梢?jiàn)，當(dāng)載荷為3 N時(shí)，軋制態(tài)試樣的磨損形貌為窄而淺的磨溝，但同時(shí)出現(xiàn)較大的深坑[見(jiàn)圖 4(a)]。原因如上段所述。當(dāng)載荷增加到8 N和13 N時(shí)，試樣的磨損形貌均為較深的犁溝或深坑[見(jiàn)圖 4(b和c)]。這是由于載荷的增加，使磨粒壓入的深度增加，材料表面發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形，同時(shí)塑性變形產(chǎn)生變形熱。由于載荷的增加產(chǎn)生的變形熱遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于由磨損時(shí)間增加產(chǎn)生變形熱，使材料的表面硬度迅速下降，磨粒的犁削作用更加明顯，此時(shí)軋制態(tài)試樣的磨損形貌為較深的犁溝或深坑。

圖3 載荷為3 N，不同磨損時(shí)間下軋制態(tài)的磨損形貌

圖4 磨損時(shí)間為60 s，不同載荷下軋制態(tài)的磨損形貌

3 結(jié)論

1）磨損時(shí)間和荷載對(duì)單位時(shí)間磨損量都有影響，單位面積磨損量隨著磨損時(shí)間和荷載的增加而增加，但載荷的影響大于磨損時(shí)間的影響

2）在載荷較小，磨損時(shí)間較短時(shí)，材料磨損機(jī)理為微觀切削機(jī)理，磨損表面為窄而淺的磨溝。隨著磨損時(shí)間和載荷的增加，磨損表面發(fā)生較為嚴(yán)重的塑性變形，其磨損為犁溝變形。

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