硬質(zhì)合金-等溫淬火球墨鑄鐵摩擦磨損試驗(yàn)研究

李寶棟，唐林虎，易湘斌，沈建成，徐創(chuàng)文

（1. 蘭州工業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2. 蘭州工業(yè)學(xué)院 甘肅省高校綠色切削加工技術(shù)及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730050）

等溫淬火球墨鑄鐵（Austempered Ductile Iron，ADI）具有高強(qiáng)韌性、高耐磨以及生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已逐步應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域［1-3］。然而由于ADI的加工硬化系數(shù)高、熱傳導(dǎo)率低，使得ADI在加工過(guò)程中刀具磨損嚴(yán)重［4］。硬質(zhì)合金是最常用的切削ADI的刀具材料之一［5］。大量學(xué)者［6-8］進(jìn)行了硬質(zhì)合金刀具切削ADI的試驗(yàn)研究。Cakir M C等［8］進(jìn)行了K10硬質(zhì)合金刀具車削ADI的試驗(yàn)研究，和普通球墨鑄鐵相比，切削ADI的主切削力高出的最大值為23%，刀具磨損嚴(yán)重。本文通過(guò)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行硬質(zhì)合金-等溫淬火球墨鑄鐵摩擦副的摩擦磨損試驗(yàn)，模擬切削過(guò)程中刀具-工件的滑動(dòng)接觸狀態(tài)，深入研究刀具材料（YG6硬質(zhì)合金）和工件材料（ADI）組成的摩擦副的摩擦磨損性能。與真實(shí)的切削環(huán)境相比，摩擦磨損試驗(yàn)簡(jiǎn)單快捷，可實(shí)現(xiàn)的參數(shù)范圍更大且易于控制，對(duì)刀具材料磨損規(guī)律的研究更全面。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

摩擦磨損試驗(yàn)用的銷試樣材料為商用的YG6硬質(zhì)合金，其尺寸規(guī)格為Φ4×15mm。YG6為鎢鈷類材料，其中Co含量約為6%，硬度為HRA89.5。盤試樣材料為商用的ADI，直徑為43mm，厚度為3mm，其密度和力學(xué)性能見(jiàn)表1。

表1 ADI的密度和力學(xué)性能

1.2 試驗(yàn)方法

采用MMU-10G型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行YG6/ADI摩擦副摩擦磨損性能的研究，采用銷-盤裝置。摩擦磨損用的試樣表面經(jīng)1500#金相砂紙打磨，試驗(yàn)前用乙醇清洗并吹干。試驗(yàn)載荷選取100N、200N、300N、400N、500N 5組，滑動(dòng)速度選取40m/min、60m/min、80m/min、100m/min、120m/min 5組，滑動(dòng)摩擦距離均為3000m。每組試驗(yàn)均經(jīng)3次試驗(yàn)得出平均值。試驗(yàn)前后銷、盤試樣均在BSA224S-CW電子天平上稱重（分辨率為0.1mg），體積磨損率計(jì)算方法如下［9］

式中Δm為各試樣試驗(yàn)前、后質(zhì)量差，ρ為各試樣密度，S為摩擦距離，P為載荷。

采用FEI公司Inspect F50場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察試樣的磨損表面形貌，采用EDAX能譜儀對(duì)試樣磨損表面的化學(xué)成分進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 摩擦系數(shù)

圖1（a）為不同試驗(yàn)載荷時(shí)的摩擦系數(shù)曲線。由于該摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的數(shù)據(jù)采樣周期為10s，摩擦副跑合階段的摩擦系數(shù)未采集到。由圖中可以看出，試驗(yàn)載荷為100N時(shí)，摩擦系數(shù)最大，隨著載荷的增大，摩擦系數(shù)下降。同時(shí)，載荷越大，摩擦系數(shù)波動(dòng)越小。這是由于大載荷情況下，接觸面間的微凸體由于受到大的剪切力可能致使其脫落，微凸體數(shù)量減少，表面變得光滑，使得摩擦系數(shù)減小而且比較平穩(wěn)。由圖1（b）中可以看出，摩擦系數(shù)隨著滑動(dòng)速度的升高有下降趨勢(shì)，但變化不大?？傮w來(lái)說(shuō)，滑動(dòng)速度比試驗(yàn)載荷對(duì)平均摩擦系數(shù)的影響要小。

2.2 磨損率

由圖2（a）中可以看出，YG6銷試樣的磨損率在試驗(yàn)載荷小于200N時(shí)變化不大，當(dāng)試驗(yàn)載荷為300N時(shí)，磨損率快速上升，隨著載荷繼續(xù)增加到超過(guò)400N時(shí)，磨損率的增長(zhǎng)速度變慢。由圖2（b）中可以看出，磨損率隨著速度增大而增加，但是，速度在40～60m/min區(qū)間時(shí)磨損率急劇上升，速度在60～80m/min區(qū)間時(shí)磨損率比較平穩(wěn)，當(dāng)滑動(dòng)速度超過(guò)80m/min后，磨損率又快速上升。

圖1 摩擦系數(shù)曲線

由圖3（a）中可以看出，隨著試驗(yàn)載荷的增加，ADI盤的磨損率先小幅增加，載荷達(dá)到400N后，磨損率快速上升。由圖3（b）中可以看出，ADI盤的磨損率在速度為100m/min之前比較穩(wěn)定，速度超過(guò)100m/min后有上升趨勢(shì)。

2.3 磨損機(jī)理

當(dāng)試驗(yàn)載荷較低時(shí)（200N，圖4（a）），磨損表面有少量細(xì)小的磨屑和不明顯的轉(zhuǎn)移物，磨損形貌特征主要為微犁溝，這表明在200N時(shí)，磨損機(jī)理主要為磨粒磨損。當(dāng)載荷較高時(shí)（400N，圖4（b）），在銷YG6的磨損表面形成了轉(zhuǎn)移膜。能譜分析結(jié)果表明這些轉(zhuǎn)移膜為氧化物膜（圖4（d）），這可能是由于大部分轉(zhuǎn)移物、磨屑在較大壓力作用下被壓緊，在高載、高速摩擦下導(dǎo)致摩擦化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生而形成了氧化物。盡管這些氧化物膜局部不連續(xù)，但它的存在為摩擦系數(shù)的降低起了主要作用。此時(shí)，ADI盤產(chǎn)生了裂紋和剝落現(xiàn)象（圖5（a））。能譜分析（圖5（b））發(fā)現(xiàn)，載荷為400N時(shí)，摩擦表面W含量明顯升高，這表明對(duì)偶銷材料產(chǎn)生了比較嚴(yán)重的材料轉(zhuǎn)移，致使高載荷下的YG6銷磨損加劇。隨著載荷增加到500N（圖5（c）），因摩擦表面的氧化物膜太厚而導(dǎo)致在后續(xù)的摩擦剪切與高載荷作用下遭到嚴(yán)重破壞，出現(xiàn)大面積的脆性斷裂和剝落，可能會(huì)帶走部分YG6材料，形成粘結(jié)剝落。這表明在500N時(shí)，脆性斷裂和剝落是主要磨損機(jī)理。

圖2 YG6銷的磨損率

當(dāng)滑動(dòng)速度較小時(shí)（40m/min，圖6（a）），摩擦表面有大量的磨屑顆粒，磨損表面的主要特征是輕微的擦傷。當(dāng)滑動(dòng)速度為120m/min時(shí)（圖6（b）），YG6磨損面的大部分面積被轉(zhuǎn)移膜覆蓋，能譜分析顯示該轉(zhuǎn)移膜中的氧元素含量下降（圖6（c）），其成份與ADI的成份近似，說(shuō)明成片的ADI材料粘接轉(zhuǎn)移到Y(jié)G6銷表面。此時(shí)，ADI摩擦盤的磨損表面盡管有局部剝落，但總體來(lái)說(shuō)比較光滑（圖7（a））。通過(guò)對(duì)ADI摩擦盤的能譜分析發(fā)現(xiàn)（圖7（b）），摩擦表面W含量明顯升高，表面產(chǎn)生了比較嚴(yán)重的材料轉(zhuǎn)移，致使該速度下的YG6磨損加劇。

圖3 ADI盤的磨損率

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）硬質(zhì)合金-等溫淬火球墨鑄鐵摩擦副的摩擦系數(shù)都隨著試驗(yàn)載荷和速度的增加而下降，而滑動(dòng)速度對(duì)摩擦系數(shù)的敏感度較小。

（2）硬質(zhì)合金和等溫淬火球墨鑄鐵的磨損率都隨著試驗(yàn)載荷的增大而增大，等溫淬火球墨鑄鐵的磨損率隨速度的變化不明顯。

圖4 不同試驗(yàn)載荷時(shí)YG6銷磨損表面形貌及A區(qū)能譜分析

圖5 試驗(yàn)載荷為400N時(shí)ADI盤磨損表面形貌及B區(qū)能譜分析

圖6 不同滑動(dòng)速度時(shí)YG6銷磨損表面形貌及C區(qū)能譜分析

（3）試驗(yàn)載荷較低時(shí)，YG6磨損機(jī)理主要為磨粒磨損。隨著載荷的增大，出現(xiàn)轉(zhuǎn)移膜，直至轉(zhuǎn)移膜的破裂和剝落。滑動(dòng)速度較小時(shí)，YG6磨損表面的主要特征是輕微的擦傷，隨著速度的增大，出現(xiàn)轉(zhuǎn)移膜。同時(shí)，ADI摩擦盤表面W含量明顯升高，表面產(chǎn)生了比較嚴(yán)重的材料轉(zhuǎn)移，致使YG6磨損加劇。

圖7 滑動(dòng)速度為120m/min時(shí)ADI盤磨損表面形貌及D區(qū)能譜分析