25CrNi2MoV鋼的微動(dòng)磨損性能

(華南理工大學(xué)，國家金屬材料近凈成形工程技術(shù)研究中心，廣州 510640)

0 引 言

微動(dòng)磨損是指在相互壓緊的金屬表面間因小振幅(振幅小于1 mm)振動(dòng)而產(chǎn)生的一種復(fù)合式磨損，通常發(fā)生在緊配合的軸頸處[1]。隨著高速重載車輛功率密度的提高，作為車輛動(dòng)力輸出重要零部件之一的齒輪傳動(dòng)軸的服役環(huán)境越來越惡劣。傳動(dòng)系統(tǒng)的扭振失穩(wěn)振動(dòng)導(dǎo)致傳動(dòng)軸運(yùn)轉(zhuǎn)均勻性差，使得傳動(dòng)軸與軸承過盈配合的軸頸和軸肩表面、與輪轂過盈配合的輪座表面發(fā)生微動(dòng)磨損[2-3]。嚴(yán)重的微動(dòng)磨損將造成傳動(dòng)軸的疲勞斷裂，因此提高抗微動(dòng)磨損能力是保證傳動(dòng)軸安全高效運(yùn)行的有效途徑之一。郝慧嬌[4]利用ANSYS軟件研究了徑向載荷和摩擦因數(shù)對中碳鋼軸類構(gòu)件微動(dòng)磨損接觸面狀態(tài)以及裂紋萌生危險(xiǎn)點(diǎn)的影響。賈國海[5]通過建立的數(shù)值計(jì)算模型，研究了傳遞功率、轉(zhuǎn)速和預(yù)緊力矩等因素對齒輪軸軸肩微動(dòng)磨損性能的影響。JIA等[6]采用ABAQUS軟件建立齒輪軸有限元模型，研究了過盈配合對齒輪軸肩微動(dòng)磨損性能的影響。ZENG等[7]利用有限元模型研究了應(yīng)力釋放槽對鐵路車軸微動(dòng)磨損性能和疲勞性能的影響，發(fā)現(xiàn)增加槽深或減小槽半徑均可消除鐵路車軸上的應(yīng)力集中，從而降低微動(dòng)磨損程度，提高微動(dòng)疲勞強(qiáng)度。綜上可知，目前主要采用數(shù)值模擬的方法來研究軸用鋼的微動(dòng)磨損性能，而通過試驗(yàn)研究微動(dòng)磨損規(guī)律的報(bào)道相對較少。研究表明，載荷和頻率是影響微動(dòng)磨損性能的重要因素[1,8]。因此，作者以新型高速重載傳動(dòng)軸用25CrNi2MoV鋼為研究對象，采用SRV-Ⅳ型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行微動(dòng)磨損試驗(yàn)，對不同載荷和頻率下的摩擦副摩擦因數(shù)、磨痕輪廓、磨損體積以及磨損形貌進(jìn)行分析，研究了25CrNi2MoV鋼的微動(dòng)磨損性能。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為25CrNi2MoV鋼，由中國鋼鐵研究總院提供，其化學(xué)成分如表1所示。試驗(yàn)鋼經(jīng)880 ℃淬火1 h后迅速油冷，再經(jīng)180 ℃×2 h低溫回火處理，空冷?；鼗鹛幚砗?5CrNi2MoV鋼的抗拉強(qiáng)度為1 644 MPa，屈服強(qiáng)度為1 527 MPa，斷后伸長率為13%，硬度為486 HV。在回火處理后的試驗(yàn)鋼上截取尺寸為8 mm×8 mm×10 mm的試樣，用砂紙磨光并用酒精溶液超聲清洗后，待用。

表1 25CrNi2MoV鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

圖1 摩擦磨損試驗(yàn)原理示意Fig.1 Diagram of friction and wear test principle

采用SRV-Ⅳ型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫微動(dòng)磨損試驗(yàn)，試驗(yàn)原理如圖1所示，采用球-平面的點(diǎn)接觸形式，切向式微動(dòng)模式。上試樣為GCr15鋼球，直徑為10 mm，硬度為60～63 HRC，下試樣為25CrNi2MoV鋼。試驗(yàn)時(shí)下試樣由夾具固定，上試樣在伺服電機(jī)帶動(dòng)下做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，磨損行程為200 μm，磨損時(shí)間為1 800 s，試驗(yàn)條件為干摩擦。采用單一變量法研究試驗(yàn)過程中不同載荷(50，100，150，200 N)和頻率(15，20，25，30 Hz)下,試驗(yàn)鋼的摩擦因數(shù)、磨損量、磨損形貌等。當(dāng)載荷為變量時(shí)，頻率固定為20 Hz；當(dāng)頻率為變量時(shí)，載荷固定為30 N。

微動(dòng)磨損試驗(yàn)結(jié)束后，采用RTEC Up Dual-Mode型3D光學(xué)輪廓儀觀察不同試驗(yàn)條件下磨痕的三維輪廓，由三維輪廓可以測得表面橢圓形磨痕的長軸與短軸(即沿微動(dòng)方向上的磨痕寬度ds與垂直于微動(dòng)方向上的磨痕寬度dq),以及磨痕的深度h，如圖2所示。通過簡化積分運(yùn)算方法得到試樣的磨損體積[9]，計(jì)算公式為

R=(dqds/4+h2)/(2h)

(1)

Vs=πh2(3R-h)/3

(2)

圖2 磨痕三維輪廓示意Fig.2 Schematic of wear scar three-dimensional profile:(a) surface of wear scar and (b) cross section of wear scar

式中：R為磨痕曲率半徑；Vs為磨損體積。

采用Quanta200型環(huán)境掃描電子顯微鏡(SEM)對磨痕形貌進(jìn)行觀察,采用附帶的INKA80型能譜儀(EDS)對磨損表面的微區(qū)化學(xué)成分進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 摩擦因數(shù)

圖3 不同載荷下試驗(yàn)鋼的摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化曲線以及平均摩擦因數(shù)Fig.3 Curves of friction coefficient vs time (a) and average friction coefficients (b) of test steel under different loads

由圖3可知，不同載荷下試驗(yàn)鋼均經(jīng)歷了初始階段的不穩(wěn)定磨損期和隨后的穩(wěn)定磨損期。在磨損時(shí)間短于200 s的不穩(wěn)定磨損期，摩擦因數(shù)先急劇上升，而后迅速下降，隨后摩擦因數(shù)小幅增大，這是由于在磨損初期，上下試樣發(fā)生粗糙峰的相互接觸導(dǎo)致的。隨著磨損過程的進(jìn)行，上下試樣間相互磨合，磨屑生成后瞬間被困在接觸區(qū)內(nèi)，經(jīng)過幾次摩擦循環(huán)后，上下試樣間的接觸由二體接觸轉(zhuǎn)變?yōu)槿w接觸，并形成第三體保護(hù)層，微動(dòng)磨損由二體磨損轉(zhuǎn)變?yōu)槿w磨損[10-11]，磨屑參與承載；隨后第三體粒子從接觸區(qū)排出，隨著磨損的進(jìn)行，接觸區(qū)的磨屑含量保持穩(wěn)定，形成動(dòng)態(tài)平衡，因此試驗(yàn)鋼的摩擦因數(shù)趨于穩(wěn)定。當(dāng)載荷由50 N增至200 N時(shí)，試驗(yàn)鋼的平均摩擦因數(shù)由0.766減小為0.661。當(dāng)載荷增大時(shí)，摩擦副接觸面溫度升高，表面材料軟化，導(dǎo)致摩擦因數(shù)減小。此外，上下試樣之間的接觸為彈塑性接觸，因此上下試樣之間的載荷與實(shí)際接觸面積呈非線性關(guān)系，載荷的增加速率大于實(shí)際接觸面積的增加速率，使得上下試樣間粗糙峰的冷焊減少，從而導(dǎo)致摩擦因數(shù)減小[1]。

由圖4可知：在初始磨損階段，上下試樣間的接觸為兩表面粗糙峰之間的接觸，實(shí)際接觸面積遠(yuǎn)小于表觀接觸面積[1]，摩擦主要出現(xiàn)在粗糙峰之間，因此該階段試驗(yàn)鋼的摩擦因數(shù)急劇上升；之后隨著磨損的進(jìn)行，粗糙峰產(chǎn)生變形甚至被磨掉，摩擦副接觸面逐漸趨于光滑，同時(shí)接觸面溫度升高，表面材料軟化，剪切強(qiáng)度降低，導(dǎo)致摩擦因數(shù)迅速降低[12-13]。磨屑經(jīng)過生成、參與承載、排出的過程，最后磨屑的生成與排出形成動(dòng)態(tài)平衡，使得試驗(yàn)鋼的摩擦因數(shù)趨于穩(wěn)定。當(dāng)頻率由15 Hz增至30 Hz時(shí)，試驗(yàn)鋼的平均摩擦因數(shù)由0.790增至0.905。當(dāng)頻率增大時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)磨損次數(shù)增加，摩擦副接觸面溫度升高，導(dǎo)致試驗(yàn)鋼表面破損加劇，磨損的阻礙作用增強(qiáng)，黏滯力增大，從而導(dǎo)致試驗(yàn)鋼的摩擦因數(shù)增大。

圖4 不同頻率下試驗(yàn)鋼的摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化曲線以及平均摩擦因數(shù)Fig.4 Curves of friction coefficient vs time (a) and average friction coefficients (b) of test steel at different frequencies

2.2 磨痕輪廓和磨損體積

圖5 不同載荷下試驗(yàn)鋼的磨痕截面輪廓Fig.5 Cross section profile of wear scar of test steel under different loads

圖6 計(jì)算得到不同載荷下試驗(yàn)鋼的磨損體積Fig.6 Wear volumes of test steel under different loads obtained by calculation

由圖5可知，隨著載荷由50 N增大至200 N，磨痕深度由34.0 μm增加到53.9 μm，磨痕寬度由1.45 mm增加到2.62 mm。由圖6可以看出：當(dāng)載荷由50 N增至200 N時(shí)，試驗(yàn)鋼的磨損體積由19.65×10-3mm3增至75.83×10-3mm3，增大了285.90%?？梢姡S著載荷的增大，磨損體積增加，這也與不同載荷下試驗(yàn)鋼在微動(dòng)方向上的磨痕截面輪廓深度和寬度的變化趨勢一致。隨著載荷的增大，上下試樣初始接觸面積增大，磨痕的面積和深度增大，磨損程度加劇，導(dǎo)致磨屑脫落，同時(shí)脫落的磨屑又作為磨粒在摩擦力作用下對試驗(yàn)鋼表面產(chǎn)生切削作用，形成犁溝，從而導(dǎo)致磨損程度的進(jìn)一步加??；另外在較大的載荷作用下，生成的磨粒使得試驗(yàn)鋼表面受力不均勻，產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，促進(jìn)表面微裂紋的形成，隨著磨損過程的進(jìn)行，裂紋逐漸向次表層擴(kuò)展，導(dǎo)致材料脫落，因此磨損量增加[14-15]。

圖7 不同頻率下試驗(yàn)鋼的磨痕截面輪廓Fig.7 Cross section profile of wear scar of test steel at different frequencies

圖8 計(jì)算得到不同頻率下試驗(yàn)鋼的磨損體積Fig.8 Wear volumes of test steel at different frequencies obtained by calculation

由圖7可以看出，當(dāng)微動(dòng)頻率由15 Hz增大到30 Hz時(shí)，磨痕深度由20.0 μm增加到33.0 μm，磨痕寬度由1.22 mm增加到1.40 mm。由圖8可知，當(dāng)頻率由15 Hz增至30 Hz時(shí)，試驗(yàn)鋼的磨損體積由11.43×10-3mm3增至23.88×10-3mm3，增大了108.92%?？梢?，隨著頻率的增大，試驗(yàn)鋼的磨損體積增加。隨著頻率的增大，單位時(shí)間內(nèi)上下試樣間的磨損次數(shù)增加，摩擦副表面溫度升高，試驗(yàn)鋼表面發(fā)生軟化，導(dǎo)致硬度降低，黏著磨損增強(qiáng)；同時(shí)，由于試驗(yàn)鋼表面發(fā)生軟化，磨屑充當(dāng)磨粒的切削作用增強(qiáng)，試驗(yàn)鋼表面犁溝增多，溝槽加深，從而導(dǎo)致大面積材料從試驗(yàn)鋼表面脫落，因此試驗(yàn)鋼的磨損體積增加[16]。

2.3 磨損形貌和磨損表面微區(qū)化學(xué)成分

觀察發(fā)現(xiàn)，在不同工況下試驗(yàn)后，試驗(yàn)鋼的磨損表面均堆積了暗紅色的磨屑，說明試樣發(fā)生了氧化磨損[17]。由表2可知：微動(dòng)磨損試驗(yàn)前，試驗(yàn)鋼表面未發(fā)現(xiàn)氧元素，而微動(dòng)磨損試驗(yàn)后，試驗(yàn)鋼表面的氧原子分?jǐn)?shù)為52.42%62.13%，說明試驗(yàn)鋼表面發(fā)生了嚴(yán)重的氧化磨損；隨著載荷和頻率的增加，試驗(yàn)鋼表面的氧原子分?jǐn)?shù)增加，說明氧化磨損程度加劇。

由圖9可以看出，隨著載荷的增大，試驗(yàn)鋼表面磨損程度加劇，磨痕邊緣處均存在由磨粒磨損造成的犁溝。當(dāng)載荷為50 N時(shí)，試驗(yàn)鋼磨損表面出現(xiàn)較多平行于微動(dòng)方向的犁溝，這是由于剝落的磨粒在與對磨鋼球的相對運(yùn)動(dòng)過程中嵌入試驗(yàn)鋼表面，隨著磨損的進(jìn)行磨粒在試驗(yàn)鋼表面犁出溝槽[1]；同時(shí)試驗(yàn)鋼磨損表面出現(xiàn)較多黏著坑，這是由于在磨損初期上試樣表面粗糙峰嵌入較軟的下試樣表面，產(chǎn)生較大的接觸應(yīng)力而導(dǎo)致的[16,18]?？芍?dāng)載荷為50 N時(shí)，試驗(yàn)鋼的磨損機(jī)制為黏著磨損和磨粒磨損。當(dāng)載荷增至100 N時(shí)，黏著磨損程度加劇，黏著坑面積較大，磨粒磨損程度減輕，試驗(yàn)鋼的磨損機(jī)制為黏著磨損和磨粒磨損，這是由于隨著載荷的增大，上下試樣的接觸面更容易產(chǎn)生黏著導(dǎo)致的。當(dāng)載荷為150，200 N時(shí)，試驗(yàn)鋼磨損表面出現(xiàn)大量剝落坑，表面材料發(fā)生大面積脫落，且隨著載荷的增大，單個(gè)剝落坑的面積增大，甚至出現(xiàn)明顯的裂紋分層現(xiàn)象，說明磨損程度加劇。當(dāng)載荷為150，200 N時(shí)，試驗(yàn)鋼的磨損機(jī)制為疲勞磨損和磨粒磨損，而疲勞磨損是磨損體積增加的主要原因。綜上可知，在不同載荷下，試驗(yàn)鋼磨損表面均出現(xiàn)了氧化和犁溝現(xiàn)象，表明試驗(yàn)鋼表面發(fā)生的磨損包括氧化磨損和磨粒磨損。在50，100 N載荷下，試驗(yàn)鋼表面出現(xiàn)嚴(yán)重黏著坑，以黏著磨損為主，隨著載荷的增大，試驗(yàn)鋼表面磨損程度加重，在150，200 N載荷下主要磨損機(jī)制為疲勞磨損。

表2 微動(dòng)磨損試驗(yàn)前后試驗(yàn)鋼表面的EDS分析結(jié)果(原子分?jǐn)?shù))

圖9 不同載荷下試驗(yàn)鋼的表面磨損形貌Fig.9 Surface wear morphology of test steel under different loads

圖10 不同頻率下試驗(yàn)鋼的表面磨損形貌Fig.10 Surface wear morphology of test steel at different frequencies

由圖10可知，試驗(yàn)鋼磨損表面均存在由磨粒磨損造成的犁溝。當(dāng)頻率為15 Hz時(shí)，試驗(yàn)鋼磨損表面存在明顯的剝落坑和犁溝，說明試驗(yàn)鋼的主要磨損機(jī)制為磨粒磨損。這是因?yàn)槟p過程中產(chǎn)生的磨屑在兩摩擦表面之間形成磨粒，作用于試驗(yàn)鋼表面，并隨著相對運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行而產(chǎn)生犁溝[19-20]；同時(shí)隨著磨損過程的進(jìn)行，部分未排出的磨屑在上下試樣間被碾壓而附在磨損表面上，在載荷作用下，磨屑處產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋的生成，使得表面材料發(fā)生剝落[21-22]。當(dāng)頻率增至20 Hz時(shí)，試驗(yàn)鋼表面主要發(fā)生磨粒磨損。對試驗(yàn)鋼磨損表面的A區(qū)進(jìn)行EDS分析可知，該區(qū)域主要由氧和鐵元素組成，這是因?yàn)樵谀p過程中，摩擦表面的磨屑不斷被碾壓，并與空氣中的氧氣結(jié)合形成鐵的氧化物[23]。當(dāng)頻率為25 Hz時(shí)，試驗(yàn)鋼表面以磨粒磨損為主，磨損表面上零散分布著條狀磨屑，并存在磨屑被碾壓的現(xiàn)象。當(dāng)頻率增至30 Hz時(shí)，試驗(yàn)鋼的磨損機(jī)制為疲勞磨損和磨粒磨損，且表面剝落坑面積更大。這是因?yàn)殡S著磨損過程的進(jìn)行，在載荷作用下，裂紋在試驗(yàn)鋼表層內(nèi)部應(yīng)力集中處形成，然后沿著微動(dòng)方向平行于表面擴(kuò)展，最后延伸到試驗(yàn)鋼次表面，導(dǎo)致材料呈片狀剝落，最終形成剝落坑[1]。隨著頻率的增加，單位時(shí)間內(nèi)上下試樣的磨損次數(shù)增加，這加速了試驗(yàn)鋼表面微裂紋的萌生與擴(kuò)展，導(dǎo)致試驗(yàn)鋼表面材料的剝落程度加劇[24-25]。綜上可知，在不同頻率下，試驗(yàn)鋼磨損表面均出現(xiàn)了氧化和犁溝現(xiàn)象，表明試驗(yàn)鋼表面發(fā)生的磨損包括氧化磨損和磨粒磨損。在15，20，25 Hz頻率下，試驗(yàn)鋼的磨損機(jī)制以磨粒磨損為主，當(dāng)頻率增至30 Hz時(shí)，試驗(yàn)鋼的磨損機(jī)制以疲勞磨損為主。

3 結(jié) 論

(1) 在頻率為20 Hz條件下，當(dāng)載荷由50 N增至200 N時(shí)，微動(dòng)磨損試驗(yàn)后25CrNi2MoV鋼的平均摩擦因數(shù)由0.766減至0.661，磨損體積由19.65×10-3mm3增至75.83×10-3mm3；在載荷為30 N條件下，當(dāng)頻率由15 Hz增至30 Hz時(shí)，平均摩擦因數(shù)由0.790增至0.905，磨損體積由11.43×10-3mm3增至23.88×10-3mm3。

(2) 在不同試驗(yàn)參數(shù)下，25CrNi2MoV鋼磨損表面均出現(xiàn)了氧化和犁溝現(xiàn)象，磨損機(jī)制包含氧化磨損和磨粒磨損。在頻率為20 Hz條件下，載荷為50，100 N時(shí)，25CrNi2MoV鋼的磨損機(jī)制以黏著磨損為主，載荷為150，200 N時(shí)，主要磨損機(jī)制為疲勞磨損；在載荷為30 N條件下，頻率為15～25 Hz時(shí)，磨損機(jī)制以磨粒磨損為主，當(dāng)頻率增至30 Hz時(shí)，磨損機(jī)制以疲勞磨損為主。