苜蓿草粉對(duì)不同金屬材料的磨損試驗(yàn)

李曉康, 丁立利, 吳勁鋒

(1.甘肅省機(jī)械科學(xué)研究院有限責(zé)任公司, 甘肅 蘭州 730030; 2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué), 甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

動(dòng)物的飼料加工和新型生物質(zhì)燃料的制備需要將原材料加工成顆粒狀的物料，而環(huán)模制粒機(jī)是加工生產(chǎn)顆粒物料的核心機(jī)械，應(yīng)用廣泛。環(huán)模為環(huán)模制粒機(jī)的關(guān)鍵部件，在加工生產(chǎn)中環(huán)模失效主要由磨損造成，在進(jìn)行苜蓿草粉制粒時(shí)，環(huán)模的機(jī)械磨損大，壽命縮短嚴(yán)重，并且僅有壓制配合飼料時(shí)的1/4[1]。為了減少環(huán)模的更換次數(shù)，需對(duì)環(huán)模制粒系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)環(huán)模的材料進(jìn)行深入研究，以提高環(huán)模制粒機(jī)的工作效率和產(chǎn)品壽命。

在材料的相互磨損中，相互摩擦材料之間具有不同的硬度，故根據(jù)磨料和材料之間硬度比值的不同，將磨料磨損進(jìn)一步分為三種類型，為軟磨料磨損、過渡型磨損以及硬磨料磨損和[2]。苜蓿草粉是一種植物磨料，對(duì)環(huán)模材料的磨損是一種軟磨料磨損[3]。目前國內(nèi)外關(guān)于農(nóng)業(yè)機(jī)械摩擦磨損性能的研究主要集中于土壤對(duì)金屬材料摩擦磨損性能的影響[4-8]，對(duì)于以植物材料為磨料的軟磨料磨損研究鮮有報(bào)道[9-12]。Richardson研究發(fā)現(xiàn)，磨料磨損過程中，磨料和材料之間的相對(duì)硬度會(huì)發(fā)生改變，少部分軟磨料的硬度會(huì)增加，甚至?xí)^材料的硬度，這時(shí)軟摩料磨損轉(zhuǎn)變?yōu)橛材チ夏p，加劇了磨損程度[13]。Wang Ning研究發(fā)現(xiàn)，在磨料磨損過程中，由于摩擦產(chǎn)生大量的熱量得不到及時(shí)發(fā)散，致使摩擦熱堆積在硬介質(zhì)表面，使材料硬度下降，從而改變了材料硬度與磨料硬度的比值，將軟磨料磨損轉(zhuǎn)變?yōu)橛材チ夏p[14]。Rabinowicz通過試驗(yàn)研究指出，軟磨料中存在著一定比例硬度較大的顆粒，并且硬質(zhì)材料存在局部硬度較低的現(xiàn)象，在摩擦過程中，軟磨料中硬度較大的顆粒會(huì)對(duì)硬材料硬度較低區(qū)域產(chǎn)生嚴(yán)重磨損[15]。目前在生產(chǎn)中一般選用耐磨性較好的3Cr13、4Cr13、9SiCr等材料，將其作為環(huán)模選材，但成本較高，在實(shí)際生產(chǎn)過程中耐磨程度沒有達(dá)到預(yù)期效果[16-17]。

筆者選用與環(huán)模制粒工況相似的磨料磨損試驗(yàn)機(jī)，以苜蓿草粉為磨料，對(duì)4種不同金屬進(jìn)行磨料磨損試驗(yàn)，通過對(duì)磨損后磨料的金相組織進(jìn)行分析，探究苜蓿草粉對(duì)4種不同金屬材料的磨損機(jī)制，以期對(duì)環(huán)模的研發(fā)制造提供理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 材料與試驗(yàn)設(shè)備

磨料選用甘農(nóng)三號(hào)紫花苜蓿，金屬材料為HT200、9SiCr鋼、3Cr13鋼和45號(hào)鋼，試件規(guī)格為58 mm×25 mm×6.5 mm。

試驗(yàn)設(shè)備：MLS-225型濕砂橡膠輪式磨料磨損試驗(yàn)機(jī)、洛氏硬度計(jì)、電熱鼓風(fēng)干燥箱、精度為0.1 mg的分析天平、JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡(SEM)。

1.2 試驗(yàn)步驟及方法

使用洛氏硬度計(jì)分別測(cè)量4種試樣金屬試件的硬度，每個(gè)試樣金屬測(cè)量三個(gè)不同位置，取3點(diǎn)測(cè)量值的平均值作為該金屬的硬度值。磨料原料首先經(jīng)粉碎機(jī)粉碎成指定規(guī)格大小，用分級(jí)篩進(jìn)一步選取直徑為6.0 mm的磨料顆粒，通過干燥降低磨料含水率至6.0%。設(shè)置一磨程為10 000 ram，本次實(shí)驗(yàn)總計(jì)5個(gè)磨程，本實(shí)驗(yàn)通過控制因素水條件平相同對(duì)不同金屬材料進(jìn)行磨損試驗(yàn)。

所有試樣在實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)保證表面無雜質(zhì)，故全部試樣在實(shí)驗(yàn)前均采用浸入丙酮溶液中進(jìn)行超聲清洗的操作，經(jīng)過上述處理后將利用分析天平對(duì)試樣進(jìn)行稱重并記錄，磨損實(shí)驗(yàn)后再次稱重，磨損前后試樣的質(zhì)量之差即為磨損失重，通過計(jì)算將磨損失重轉(zhuǎn)換為磨損體積。每一條件下進(jìn)行3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，取測(cè)量結(jié)果的平均值。試驗(yàn)后清理試樣表面殘屑，用掃描電鏡(SEM)觀測(cè)金屬試樣的表面形貌，并分析探討不同磨損條件下苜蓿草粉對(duì)以上四種金屬材料的的磨損機(jī)制。

1.3 試驗(yàn)指標(biāo)

磨損試驗(yàn)指標(biāo)選取磨損率與磨損系數(shù)，分別通過式(1)、(2)計(jì)算：

(1)

(2)

式中：Q為磨損率，mm3/m；V為體積磨損，mm3；d為滑動(dòng)距離，m；k為磨損系數(shù)，mm3/Nm；W為磨損試驗(yàn)施加載荷，N。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 磨損特性分析

4種金屬材料的洛氏硬度如圖1所示。由圖可知4種材料的硬度由大到小依次為3Cr13>9SiCr>45#鋼>HT200，其中HT200的硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于于其它3種材料。

圖1 四種同金屬材料的硬度

圖2表示試并苜蓿草粉含水率為6.0%，驗(yàn)載荷為250 N、轉(zhuǎn)速為200 r/min、物料粒度為6 mm時(shí)，苜蓿草粉對(duì)4種金屬材料磨損率與磨損系數(shù)影響的變化曲線。

圖2 四種金屬材料的磨損率與磨損系數(shù)

由圖可知，實(shí)驗(yàn)中HT200的磨損程度最大，并且可以觀察到，根據(jù)磨損率與磨損系數(shù)的曲線，能夠?qū)⒄麄€(gè)磨損過程劃分為三個(gè)階段：①磨損初始階段為滑動(dòng)距離小于1 000 m，此階段磨損現(xiàn)象較為嚴(yán)重；②相對(duì)穩(wěn)定磨損階段，該階段摩擦磨損曲線呈線性變化；③激增磨損階段一般是當(dāng)滑動(dòng)距離大于4 000 m時(shí)發(fā)生的，磨損率和磨損系數(shù)都有不同程度的增加，該階段說明在摩擦磨損的過程中隨著材料磨損情況的改變化，改變了苜蓿草粉和HT200最初的磨損機(jī)制。通過實(shí)驗(yàn)得出3Cr13的磨損率與磨損系數(shù)最小，抗耐磨性更好；9SiCr與45號(hào)鋼對(duì)苜蓿草粉的耐磨性較為接近，兩者磨損曲線相差較小，甚至在不同的磨損階段有所交叉。

結(jié)合4種材料的硬度進(jìn)行分析得出：金屬材料抗苜蓿草粉的磨損性能與基本于材料的硬度呈正相關(guān)，但硬度明顯低于其它3種金屬材料的HT200，其磨損率與磨損系數(shù)均顯著高于其它3種金屬材料，同時(shí)3Cr13的硬度最高，具有最好的磨損性能。因此金屬材料的硬度與其耐植物磨料的磨損性能不完全呈正相關(guān)關(guān)系，以45號(hào)剛和9SiCr為例，45號(hào)鋼的硬度明顯低于9SiCr，但45鋼的磨損性能卻與9SiCr較為相似，甚至磨損后期隨著滑動(dòng)距離的逐步增加45號(hào)鋼的耐磨性反而優(yōu)于9SiCr。說明金屬材料的耐磨性并非只取決于金屬的硬度(但通常硬度高的金屬材料具有較高的耐磨性)，還受到材料的一些其它力學(xué)特性(如接觸疲勞強(qiáng)度、斷裂韌性)的影響。此外，材料的顯微結(jié)構(gòu)組織不同會(huì)導(dǎo)致硬度相近材料耐磨性出現(xiàn)較大差異。

2.2 磨損形貌分析

圖3表示不同金屬材料下的磨損形貌。通過電鏡觀察發(fā)現(xiàn)45號(hào)鋼的磨痕為較深的犁溝并有不同深度的鑿坑如圖3(a)所示，同時(shí)由于塑性變形犁溝兩側(cè)形成的犁脊并未被完全擠壓剝落，但在犁溝延伸方向上發(fā)現(xiàn)塑變疲勞剝落和脆化剝落的痕跡，同時(shí)磨損表面存在眾多淺而細(xì)劃痕。通過觀測(cè)可知，苜蓿草粉對(duì)45號(hào)鋼的磨損機(jī)制為顯微切削+粘著磨損(顯微切削+粘著磨損為主導(dǎo)機(jī)制)并結(jié)合機(jī)械拋光。

圖3 四種同金屬材料的磨損形貌圖

3Cr13的磨損形貌如圖3(b)所示，其磨痕形式較45號(hào)鋼有所差異，3Cr13的耐磨性能更好，其表面磨損程度明顯低于45號(hào)鋼。磨損表面平整，形成的淺而細(xì)的犁溝狀條紋，兩側(cè)塑變凸緣整齊，存在少量塊狀或條狀剝落但總體痕跡并不明顯。由于3Cr13的綜合機(jī)械性能優(yōu)于45號(hào)鋼，造成磨損時(shí)軟磨料作用下對(duì)3Cr13的碾壓和犁削效果小于45號(hào)鋼。因此粘著效果較弱，由此引起的疲勞剝落幾乎不可見，但3Cr13表面有較為明顯的淺細(xì)劃痕，說明軟膜料對(duì)3Cr13的機(jī)械拋光現(xiàn)象較為嚴(yán)重，因此其磨損的主導(dǎo)機(jī)制為機(jī)械拋光+顯微切削。

9SiCr的磨損形貌如圖3(c)所示。由于9SiCr具有良好的硬度和韌性，磨損表面主要呈現(xiàn)顯出由微切削造成的淺而細(xì)的磨痕形貌，并且基體組織中廣泛存在的碳化物質(zhì)點(diǎn)均勻地分布于強(qiáng)韌的貝氏體基體中，進(jìn)一步提高了摩擦表面金屬的硬度，減輕了磨料對(duì)基體的作用，因此犁皺較45號(hào)鋼少，從而由塑變疲勞脆化剝落引起的磨損程度降低。同時(shí)由于塑性流變現(xiàn)象較為嚴(yán)重，磨損的局部區(qū)域出現(xiàn)嚴(yán)重的碳化物剝落。顯微切削+粘著磨損為9SiCr的主要磨損機(jī)制。

HT200的磨損形貌如圖3(d)所示，由于苜蓿草粉磨料中存在的較硬顆粒，一定比例的硬顆粒對(duì)試件表面進(jìn)行撞擊和鑿削，在金屬表面形成眾多大小不均的鑿坑，由于HT200的機(jī)械性大幅低于其它3種金屬材料，由于產(chǎn)生的眾多鑿坑及犁溝，在后續(xù)磨料反復(fù)作用下產(chǎn)生疲勞裂紋，這些裂紋會(huì)在與表面平行的兩端擴(kuò)展，最后在裂紋接觸的兩端斷裂，造成鱗剝，材料呈片狀脫落，從而形成許多淺而大的凹坑，因此HT200的主導(dǎo)磨損機(jī)制為顯微切削+疲勞磨損。

3 結(jié) 論

為探討環(huán)模制粒機(jī)關(guān)鍵部件環(huán)模的磨損機(jī)理，本文以甘農(nóng)三號(hào)紫花苜蓿為磨料，以濕砂橡膠輪磨料磨損試驗(yàn)機(jī)模擬環(huán)模制粒機(jī)工況，對(duì)4種金屬材料進(jìn)行磨料磨損試驗(yàn)，研究結(jié)論如下：

(1) 在本試驗(yàn)條件下, 4 種材料的磨損程度由小到大依次是 3Cr13 、9SiCr 、45號(hào)鋼、HT200。

(2) 苜蓿草粉磨料對(duì)45號(hào)鋼、9SiCr的磨損機(jī)制以顯微切削和粘著磨損為主；對(duì)3Cr13磨損機(jī)制以機(jī)械拋光+顯微切削為主；對(duì)HT200以顯微切削+疲勞磨損為主。

(3) 在本試驗(yàn)條件下，材料的硬度、塑性、韌度和材料的顯微結(jié)構(gòu)組織對(duì)金屬材料耐磨性有較大的影響，金屬硬度本身與耐磨性不成正比。