100Cr6軸承材料摩擦磨損試驗(yàn)研究

宋 強(qiáng)，范華濤，趙飛虎，羅 升

(中國船舶科學(xué)研究中心 深海載人裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214082)

0 引 言

100Cr6是一種碳含量為1%、鉻含量為1.5%的軸承鋼，由于自身的抗摩擦性能和高疲勞強(qiáng)度性能被用作軸承鋼，100Cr6相當(dāng)于我國的GCr15。100Cr6材料在作為傳動(dòng)部件的支撐時(shí)往往會(huì)產(chǎn)生一定程度的磨損，磨損嚴(yán)重會(huì)影響傳動(dòng)部件的性能。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，世界能源的1/3～1/2消耗于摩擦，而機(jī)械零件80%失效原因是磨損，可見對(duì)于材料摩擦磨損的研究十分重要。

摩擦往往是一種非線性行為，一般會(huì)引起設(shè)備的穩(wěn)態(tài)誤差和性能下降[1]，大多數(shù)摩擦磨損研究是依據(jù)宏觀方程或通過多功能圓球光盤摩擦試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)研究。目前，國內(nèi)外學(xué)者采用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)針對(duì)軸承的摩擦性能做了大量的研究，Liu等[2]通過銷盤試驗(yàn)方法對(duì)尼龍（PA）/超高分子量聚乙烯（UHMWPE）復(fù)合材料在干摩擦和濕摩擦的摩擦性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，研究表明PA/UHMWPE復(fù)合材料的動(dòng)摩擦系數(shù)隨滑動(dòng)距離的增大逐漸減小。Tevrüz[3,4]針對(duì)黃銅填充PTFE和碳纖維填充PTFE的摩擦性能開展試驗(yàn)研究，研究了摩擦因數(shù)與軸承壓力、摩擦因數(shù)與滑動(dòng)速度、摩擦因數(shù)與滑動(dòng)距離、磨損與軸承壓力、溫度與滑動(dòng)距離、磨損與滑動(dòng)速度、磨損與滑動(dòng)距離的關(guān)系，研究表明通過降低軸承溫度可以減小軸承壓力和滑動(dòng)速度對(duì)軸承磨損的影響。Godfrey[5]通過銷盤試驗(yàn)機(jī)研究摩擦與振動(dòng)的關(guān)系，結(jié)果表明振動(dòng)是由于材料表面不平和潤滑不充足造成的，在沒有潤滑的條件下材料的滑動(dòng)摩擦因數(shù)是一組波動(dòng)的值而不是固定的值。黃霞等[6]通過多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)酚醛樹脂基水軸承材料的摩擦磨損性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，研究其在水介質(zhì)下的摩擦性能，研究表明聚四氟乙烯和六鈦酸鉀晶須有利于提高酚醛樹脂的摩擦學(xué)性能，而納米氧化鋁的添加會(huì)降低酚醛樹脂的摩擦學(xué)性能。吳鑄新等[7]采用MMW-1立式萬能磨損試驗(yàn)機(jī)研究水潤滑軸承推力瓦塊的摩擦磨損性能，研究表明干摩擦?xí)r載荷與轉(zhuǎn)速對(duì)材料的摩擦因數(shù)具有明顯的影響，磨損量隨載荷的增大而增大。

100Cr6用于機(jī)床傳動(dòng)軸上的軸套，此種軸套在實(shí)際運(yùn)行中充分體現(xiàn)了其優(yōu)異性能，但運(yùn)行長時(shí)間后會(huì)表面發(fā)現(xiàn)其摩擦表面有明顯的磨損痕跡。為了研究100Cr6軸承材料在干摩擦狀態(tài)下的摩擦磨損性能，基于Archard磨損計(jì)算公式，通過多功能圓球光盤摩擦試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，研究100Cr6材料的摩擦因數(shù)、磨損深度、試件溫度、磨損量隨法向載荷和滑動(dòng)直徑的變化規(guī)律。

1 摩擦磨損方法研究

磨損過程一般分為3個(gè)階段：跑合階段，穩(wěn)定磨損階段和劇烈磨損階段，其磨損曲線如圖1所示。其中OA段為跑合階段，AB段為穩(wěn)定磨損階段，BC段為劇烈磨損階段。在跑合階段機(jī)件表面被磨平，實(shí)際接觸面積不斷增大，表面應(yīng)變硬化，形成氧化膜，磨損速率減小；在穩(wěn)定磨合階段斜率就是磨損速率，唯一穩(wěn)定值；大多數(shù)機(jī)件在穩(wěn)定磨損階段服役，磨損性能是根據(jù)機(jī)件在此階段的表現(xiàn)來評(píng)價(jià)的；在劇烈磨損階段隨磨損的增長，磨耗增加，表面間隙增大，表面質(zhì)量惡化，機(jī)件快速失效。

圖 1 磨損曲線圖Fig. 1 Scheme of wear curve

在穩(wěn)定磨損階段，Archard磨損理論公式可適用，其公式如下[8-9]。

式中：V為磨損體積，m3；K為磨損系數(shù)，m2/N；F為法向載荷，N；S是滑動(dòng)距離，m。

磨損系數(shù)K反映了磨損的快慢，其值并不是固定的值，而是與法向載荷、滑動(dòng)距離、表面粗糙度、接觸壓力等有關(guān)的一個(gè)函數(shù)，其值分為7個(gè)等級(jí)（見表1），其中等級(jí)0～3為硬磨損。

表 1 磨損系數(shù)K的值Tab. 1 K value of wear coefficient

由于磨損體積無法直接測(cè)量，但可通過磨損質(zhì)量和材料密度計(jì)算得到，將Archard磨損計(jì)算公式變形如下：

式中：m為磨損量，kg；ρ為材料密度，kg/m3。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于試件材料的摩擦磨損試驗(yàn)，往往采用球盤摩擦試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，其原理如圖2所示。其中可以改變滑動(dòng)半徑、法向載荷、滑動(dòng)速度和滑動(dòng)距離等參數(shù)研究材料的摩擦磨損性能。

圖 2 摩擦試驗(yàn)方法Fig. 2 Method of friction testing

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)中，控制滑動(dòng)距離和滑動(dòng)表面速度不變，滑動(dòng)距離取1 000 m，滑動(dòng)表面速度取0.377 m/s，室溫保持在23.8 ℃，空氣濕度保持在34.2，改變滑動(dòng)直徑和法向載荷的值，接觸條件為干摩擦，試驗(yàn)共分10組進(jìn)行，研究摩擦因數(shù)、磨損深度、試件溫度和磨損量隨滑動(dòng)直徑和法向載荷的變化關(guān)系，試驗(yàn)輸入條件見表2。

表 2 試驗(yàn)輸入條件Tab. 2 Test input conditions

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

100Cr6材料的摩擦磨損試驗(yàn)在多功能圓球光盤摩擦試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用球-面摩擦形式，試驗(yàn)設(shè)備如圖3所示。試件固定在壓板的下面，壓板由螺釘固定住，將ZrO球固定在球架上，球架固定在懸臂上。通過平衡物來調(diào)節(jié)懸臂的平衡以消除施加載荷的不準(zhǔn)確性，調(diào)節(jié)完成后將法向載荷施加到懸臂上，將鎖扣解鎖，然后進(jìn)行不同條件下的試驗(yàn)，通過軟件設(shè)備來記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

對(duì)100Cr6材料試樣在測(cè)試前用丙酮進(jìn)行清洗后再稱重，試驗(yàn)結(jié)束后，將試件清洗干凈烘干后進(jìn)行再次稱重，計(jì)算其磨損量，電子秤精度為0.000 1 g。

圖 3 圓球光盤摩擦試驗(yàn)機(jī)Fig. 3 Friction testing machine of ball-disk

3 結(jié)果和討論

3.1 摩擦因數(shù)

選取試驗(yàn)編號(hào)1～8進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，滑動(dòng)直徑為6 mm和12 mm，法向載荷為5 N，10 N，15 N和20 N，研究摩擦因數(shù)隨法向載荷和滑動(dòng)直徑的關(guān)系?；瑒?dòng)直徑為6 mm時(shí)摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化曲線圖如圖4所示，滑動(dòng)直徑為12 mm時(shí)摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化曲線圖如圖5所示，穩(wěn)定狀態(tài)下摩擦因數(shù)隨法向載荷的變化曲線圖如圖6所示。

圖 4 滑動(dòng)直徑為6 mm時(shí)摩擦因數(shù)隨時(shí)間變化Fig. 4 Variation of friction coefficient with time when sliding diameter is 6 mm

圖 5 滑動(dòng)直徑為12 mm時(shí)摩擦因數(shù)隨時(shí)間變化Fig. 5 Variation of friction coefficient with time when sliding diameter is 12 mm

圖 6 穩(wěn)定狀態(tài)下摩擦因數(shù)隨法向載荷變化Fig. 6 Variation of friction coefficient with normal load in stable state

由圖4可知，隨著時(shí)間的變化，4種法向載荷工況下，摩擦因數(shù)在大約500 s時(shí)達(dá)到穩(wěn)定值，之后處于微小的波動(dòng)狀態(tài)，在500 s之前摩擦因數(shù)一直處于波動(dòng)狀態(tài)，此階段稱為跑合階段。由圖6可知，在摩擦因數(shù)達(dá)到穩(wěn)定階段，將法向載荷由5 N增大到20 N過程中，摩擦因數(shù)隨法向載荷的增大而增大，滑動(dòng)直徑為12 mm時(shí)的摩擦因數(shù)整體上大于滑動(dòng)直徑為6 mm時(shí)的摩擦因數(shù)，在法向載荷為5 N時(shí)，差值較小，法向載荷為10～20 N時(shí)，差值較大。由圖5可知，滑動(dòng)直徑為12 mm時(shí)的摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律與圖4基本一致。基于以上分析可知，當(dāng)法向載荷較小時(shí)，滑動(dòng)直徑對(duì)摩擦因數(shù)影響較小，當(dāng)法向載荷較大時(shí)，影響較大。

3.2 磨損深度

為了避免初始的誤差，在后續(xù)的試驗(yàn)選取50 s以后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，且后續(xù)提取的磨損深度定義為最大磨損深度減去最小磨損深度的差值，測(cè)得法向載荷為5 N，10 N，15 N和20 N，滑動(dòng)直徑為6 mm時(shí)的磨損深度隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖7所示，滑動(dòng)直徑為12 mm時(shí)的磨損深度隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖8所示，穩(wěn)定狀態(tài)下磨損深度隨法向載荷的變化關(guān)系如圖9所示。

圖 7 滑動(dòng)直徑為6 mm時(shí)的磨損深度隨時(shí)間變化Fig. 7 Variation of penetration depth with time when sliding diameter is 6 mm

圖 8 滑動(dòng)直徑為12 mm時(shí)的磨損深度隨時(shí)間變化Fig. 8 Variation of penetration depth with time when sliding diameter is 12 mm

圖 9 穩(wěn)定狀態(tài)下的磨損深度隨法向載荷變化Fig. 9 Variation of penetration depth with normal load in stable state

由圖7和圖9可知，在滑動(dòng)直徑為6 mm時(shí)，隨著法向載荷由5 N增大到10 N，磨損深度由15 μm增大到25 μm，隨著法向載荷增大到15 N時(shí)，磨損深度減小到14 μm，之后法向載荷繼續(xù)增大，磨損深度也隨之增大，在法向載荷為15 N時(shí)，磨損深度隨時(shí)間的變化波動(dòng)比較明顯。由圖8和圖9可知，在滑動(dòng)直徑為12 mm時(shí)，隨著法向載荷由5 N增大到15 N，磨損深度由5 μm增大到30 μm，之后法向載荷繼續(xù)增大，磨損深度隨之減小。由圖9分析可知，當(dāng)法向載荷小于10 N時(shí)，滑動(dòng)直徑為12 mm的磨損深度小于滑動(dòng)直徑為6 mm的磨損深度，并且這種差值越來越小，隨著法向載荷的增大，滑動(dòng)直徑為12 mm的磨損深度超過了滑動(dòng)直徑為6 mm的磨損深度。之后滑動(dòng)直徑為12 mm的磨損深度又隨之減小，滑動(dòng)直徑為6 mm的磨損深度隨之增大，2種工況的磨損深度最終達(dá)到相同的值，但整體上，磨損深度隨法向載荷的增大而增大，隨滑動(dòng)直徑的增大而減小?；谝陨戏治隹芍?dāng)法向載荷較小時(shí)，滑動(dòng)直徑對(duì)磨損深度有顯著影響，當(dāng)法向載荷達(dá)到一定值時(shí)，滑動(dòng)直徑的變化對(duì)磨損深度的影響很小。

3.3 試件溫度

滑動(dòng)直徑為6 mm時(shí)試件溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖10所示，滑動(dòng)直徑為12 mm時(shí)試件溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖11所示，穩(wěn)定狀態(tài)下試件溫度隨法向載荷的變化關(guān)系如圖13所示。

圖 10 滑動(dòng)直徑為6 mm時(shí)試件溫度隨時(shí)間變化Fig. 10 Variation of specimen temperature with time when sliding diameter is 6 mm

圖 11 滑動(dòng)直徑為12 mm時(shí)試件溫度隨時(shí)間變化Fig. 11 Variation of specimen temperature with time when sliding diameter is 12 mm

圖 12 穩(wěn)定狀態(tài)下試件溫度隨法向載荷變化Fig. 12 Variation of specimen temperature with normal load in stable state

由圖10可知，在法向載荷為5 N，10 N，15 N和20 N時(shí)，滑動(dòng)直徑為6 mm時(shí)，試件溫度隨時(shí)間的變化越來越高，最后趨于穩(wěn)定狀態(tài)。由圖11可知，法向載荷為5 N，10 N，15 N和20 N時(shí)，滑動(dòng)直徑為12 mm時(shí)，試件溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律與滑動(dòng)直徑為6 mm時(shí)的基本一致。由圖12可知，滑動(dòng)直徑為6 mm和12 mm時(shí)，穩(wěn)定狀態(tài)下的試件溫度隨法向載荷的增大而增大，并且試件溫度與法向載荷成一定比例的線性關(guān)系，主要是因?yàn)殡S著法向載荷的增大，試件表面的摩擦增大導(dǎo)致產(chǎn)生更多的熱量，進(jìn)而溫度升高。對(duì)于統(tǒng)一試驗(yàn)條件下，滑動(dòng)直徑為6 mm時(shí)試件溫度低于滑動(dòng)直徑為12 mm時(shí)的試件溫度，是因?yàn)橄嗤幕瑒?dòng)距離下，滑動(dòng)直徑為6 mm時(shí)滑動(dòng)單位長度摩擦所用的時(shí)間為2倍，這樣將會(huì)有更多的時(shí)間將熱量帶走?；谝陨戏治?，法向載荷對(duì)試件的溫度有正影響作用，滑動(dòng)直徑對(duì)試件的溫度也有一定的影響，滑動(dòng)直徑越大，溫度越高。

圖 13 磨損量隨法向載荷變化Fig. 13 Variation of wear loss with normal load

3.4 磨損量

試驗(yàn)前后，通過電子秤來測(cè)量試件前后重量的變化，然后計(jì)算其磨損量，磨損量隨法向載荷的變化關(guān)系如圖13所示。

由圖13可知，滑動(dòng)直徑為6 mm時(shí)，磨損量隨法向載荷的增大穩(wěn)步增大；滑動(dòng)直徑為12 mm時(shí)，磨損量隨法向載荷的增大而增大，當(dāng)增大到10 N后，磨損量保持在一個(gè)波動(dòng)狀態(tài)。在同等法向載荷下，滑動(dòng)直徑為6 mm時(shí)的磨損量大于滑動(dòng)直徑為12 mm時(shí)的磨損量，是因?yàn)橥然瑒?dòng)距離下，滑動(dòng)直徑為6 mm時(shí)每單位長度的摩擦?xí)r間為2倍的滑動(dòng)直徑為12 mm時(shí)的摩擦?xí)r間，小的滑動(dòng)直徑會(huì)造成更嚴(yán)重的磨損，因此磨損量將會(huì)更大?；瑒?dòng)直徑較小時(shí)，法向載荷對(duì)磨損量具有顯著的影響。

為了研究K值與法向載荷和滑動(dòng)直徑的關(guān)系，通過磨損量公式（2）將圖13的數(shù)值進(jìn)行變化，其曲線圖如圖14所示。

圖 14 K值與法向載荷和滑動(dòng)直徑關(guān)系Fig. 14 The relation of K value with normal load and sliding diameter

由圖14可知，滑動(dòng)直徑為6 mm時(shí)的K值明顯大于滑動(dòng)直徑為12 mm時(shí)的K值，并且2種滑動(dòng)直徑下K值的變化有相似的趨勢(shì)，法向載荷小于10 N時(shí)，K值隨法向載荷的增大而增大，大于10 N后，隨法向載荷的增大而減小?；瑒?dòng)距離、滑動(dòng)速度和法向載荷相同時(shí)，滑動(dòng)直徑為6 mm時(shí)的K值比較大是因?yàn)橛懈鼑?yán)重的摩擦條件，從而表明小的滑動(dòng)直徑下有更嚴(yán)重的磨損。

4 結(jié) 語

通過多功能圓球光盤摩擦試驗(yàn)機(jī)，基于Archard磨損理論公式，開展了100Cr6軸承材料摩擦因數(shù)、磨損深度、試件溫度和磨損量等實(shí)驗(yàn)，主要結(jié)論如下：

1）100Cr6軸承材料摩擦因數(shù)不是一個(gè)定值，而是在初始階段發(fā)生較大的波動(dòng)，隨著時(shí)間的變化達(dá)到一定的穩(wěn)定值，且隨著法向載荷和滑動(dòng)直徑的增大而增大。當(dāng)法向載荷較小時(shí)，滑動(dòng)直徑對(duì)100Cr6軸承材料的摩擦因數(shù)影響較小，當(dāng)法向載荷較大時(shí)，滑動(dòng)直徑對(duì)摩擦因數(shù)影響較大。

2）100Cr6軸承材料的磨損深度隨法向載荷的增大而增大，隨滑動(dòng)直徑的增大而減小。當(dāng)法向載荷較小時(shí)，滑動(dòng)直徑對(duì)100Cr6軸承材料的磨損深度有顯著的影響，當(dāng)法向載荷達(dá)到一定的值后，法向載荷對(duì)100Cr6軸承材料磨損深度的影響越來越小。

3）100Cr6軸承材料的試件溫度隨法向載荷和滑動(dòng)直徑的增大而增大，且試件溫度隨時(shí)間緩慢增大，并不會(huì)出現(xiàn)很大波動(dòng)。在一定的滑動(dòng)直徑下，試件溫度與法向載荷成一定比例的線性關(guān)系。

4）100Cr6軸承材料在法向載荷和滑動(dòng)距離相同時(shí)，滑動(dòng)直徑對(duì)磨損量有明顯的影響，滑動(dòng)直徑越大，磨損量越小，當(dāng)滑動(dòng)直徑較小時(shí)，法向載荷對(duì)磨損量有明顯的影響；滑動(dòng)距離、滑動(dòng)速度和法向載荷相同時(shí)，滑動(dòng)直徑為6 mm的K值大于滑動(dòng)直徑為12 mm時(shí)的K值。