GCr15軸承鋼的旋轉(zhuǎn)摩擦磨損性能研究

楊晨星，劉匯河，劉振威，董小波，王 超

(1.洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471039； 2.航空精密軸承國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471039)

軸承鋼通常用來制作軸承內(nèi)圈、外圈和滾珠，要求其具有很高的表面硬度、抗疲勞性和耐磨性[1-2]。磨損是軸承鋼失效的主要方式之一，在機(jī)械部件中由于摩擦磨損引起構(gòu)件擦傷、打滑等導(dǎo)致接觸表面破壞，從而使軸承零件使用壽命顯著降低[3-4]。其中，GCr15軸承鋼因其合金成分低、熱處理工藝簡單、硬度高和耐磨性好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用[5-8]。軸承在工作環(huán)境下內(nèi)外圈和滾珠相互接觸而產(chǎn)生摩擦，磨損是摩擦過程中產(chǎn)生的必然結(jié)果，據(jù)統(tǒng)計(jì)，機(jī)械零件失效中磨損失效占60%～80%。因而，研究磨損機(jī)理具有重大的意義[9-10]。

本文通過GCr15鋼球和GCr15鋼盤組成旋轉(zhuǎn)摩擦副，在干摩擦狀態(tài)下進(jìn)行不同荷載的摩擦磨損試驗(yàn)，從摩擦系數(shù)、磨損率和磨痕形貌等方面分析試驗(yàn)鋼的摩擦磨損特性，為其應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與制備

試驗(yàn)所用的上摩擦副和下摩擦副均為GCr15鋼，其中上摩擦副鋼球φ9.524 mm，化學(xué)成分見表1。試驗(yàn)鋼采用電渣重熔工藝冶煉，鑄錠在800～1130 ℃鍛造，霧冷至室溫。熱處理工藝為：845 ℃×30 min淬火，油冷，165 ℃×4 h回火，空冷，硬度為61～63 HRC，回火后的組織為回火馬氏體、均勻彌散析出的碳化物和殘余奧氏體，平均晶粒尺寸10.1 μm，見圖1。

表1 GCr15軸承鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of GCr15 bearing steel(mass fraction，%)

(a)OM；(b)SEM；(c)晶粒圖1 GCr15軸承鋼微觀形貌(a)OM；(b)SEM；(c)crystalline grainFig.1 Microstructure of GCr15 bearing steel

1.2 試驗(yàn)方法

將淬、回火后試驗(yàn)鋼加工成φ70 mm×6.35 mm的圓盤。對(duì)試樣表面磨拋，采用Hommel nanoscan 855納米級(jí)粗糙度輪廓儀對(duì)表面粗糙度進(jìn)行測試，測得Ra<0.01 μm，然后用酒精清洗試樣表面。圖2為MFT-5000Rtec磨損試驗(yàn)機(jī)工作原理示意圖。試樣圓盤在室溫下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，試驗(yàn)荷載分別為5、10、15、20、25和30 N，轉(zhuǎn)速v為60 rpm，旋轉(zhuǎn)半徑r為18 mm，試驗(yàn)時(shí)間t為10 min。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 摩擦系數(shù)

圖2 MFT-5000Rtec磨損試驗(yàn)機(jī)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the MFT-5000rtec wear testing machine

試驗(yàn)鋼旋轉(zhuǎn)摩擦磨損的摩擦系數(shù)見圖3，由轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)半徑可計(jì)算線速度為0.1131 m/s。摩擦系數(shù)的變化通常分為三個(gè)階段：起始階段、磨合階段和穩(wěn)定階段。起始階段，摩擦副之間以點(diǎn)接觸為主，摩擦副粗糙度小于0.01 μm，所受摩擦阻力較小，摩擦系數(shù)也較小，隨著時(shí)間的延長，摩擦副在摩擦過程中不斷磨平和脫落，點(diǎn)接觸轉(zhuǎn)變?yōu)槊娼佑|，實(shí)際接觸面積增大，摩擦系數(shù)迅速增大，起始階段約為20 s。磨合階段，大量磨屑的聚積起到一定的潤滑作用，摩擦系數(shù)逐漸回落，磨合階段約為130 s。穩(wěn)定階段，磨屑不斷的產(chǎn)生和溢出達(dá)到平衡狀態(tài)，摩擦阻力及摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定。

不同荷載條件下，磨損進(jìn)入穩(wěn)定階段的平均摩擦系數(shù)如圖3(a)所示。由圖3(a)可知，隨著荷載的增加，平均摩擦系數(shù)先增大后減小，載荷由5 N增至10 N時(shí)，平均摩擦系數(shù)由0.0667增至0.1387，增長了約108%；荷載為15 N時(shí)，平均摩擦系數(shù)達(dá)到0.2474，增長了約74%；荷載增至20 N時(shí)，平均摩擦系數(shù)達(dá)到0.2633，增長了約8%；當(dāng)荷載30 N時(shí)，平均摩擦系數(shù)逐步降低至0.1687，降低了約36%。

2.2 磨損率和磨損寬度

(a)平均摩擦系數(shù)；(b)瞬時(shí)摩擦系數(shù)圖3 試驗(yàn)鋼在不同荷載下的摩擦系數(shù) (a) average friction coefficient; (b) instantaneous friction coefficientFig.3 Friction coefficient of test steel under different loads

(a)5 N；(b)10 N；(c)15 N；(d)20 N；(e)25 N；(f)30 N圖4 試驗(yàn)鋼在不同荷載下的三維形貌Fig.4 Three-dimensional morphology of test steel under different loads

式中：ω為磨損率；A為白光干涉表征試驗(yàn)鋼的磨痕截面面積；L為旋轉(zhuǎn)磨痕周長113.6 mm；v為轉(zhuǎn)速；r為旋轉(zhuǎn)半徑；t為旋轉(zhuǎn)時(shí)間。

圖5(a)為不同荷載下的磨痕寬度柱狀圖。由圖5(a)可知，荷載為5 N時(shí)，磨痕寬度僅為654 μm，隨后逐漸由荷載為10 N時(shí)的796 μm增加至荷載為30 N時(shí)的922 μm。圖5(b)為不同荷載下的磨損率柱狀圖。由圖5(b)可知，荷載為5 N時(shí)，磨損率僅為2.33 mm3/m，摩擦副之間接觸點(diǎn)較少，實(shí)際接觸面積也較小，磨損較輕；隨著荷載的增大，磨損率迅速增大，當(dāng)荷載為15 N時(shí)，磨損率增加了5倍以上，摩擦阻力增大，摩擦副之間接觸點(diǎn)增多，實(shí)際接觸面積增大，磨損較重；荷載增至30 N時(shí)，磨損率相對(duì)于5 N時(shí)增加了10倍以上，隨著荷載的增大，摩擦副之間接觸面積增加的同時(shí)，接觸表面間的溫度也隨之升高，接觸表面硬度相應(yīng)降低，變形抗力減小，上下摩擦副發(fā)生嚴(yán)重變形，磨損加重。

2.3 磨損機(jī)制

圖6為不同荷載下試驗(yàn)鋼的磨損形貌。由圖6可知，荷載為5 N時(shí)，磨損表面存在少量灰黑色磨屑，磨損機(jī)制為氧化磨損為主、輕微黏著磨損為輔；荷載為10 N時(shí)，磨損表面存在大量片狀和絲狀的灰黑色磨屑，磨損機(jī)制主要為輕微黏著磨損和氧化磨損；載荷大于15 N后，隨著荷載的增加，由輕微黏著磨損和氧化磨損轉(zhuǎn)變?yōu)槠茐膰?yán)重的膠合磨損。在旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)過程中，接觸表面的磨屑產(chǎn)生黏著，隨后在滑動(dòng)過程中黏著結(jié)點(diǎn)破壞，在長時(shí)間的滑動(dòng)過程中，黏著、破壞、再黏著的交替就構(gòu)成了黏著磨損。隨著荷載的增加，磨屑產(chǎn)生的尺寸增大，同時(shí)伴隨接觸表面溫度的升高，黏著磨損加劇，并伴有氧化磨損。

(a)磨痕寬度；(b)磨損率圖5 試驗(yàn)鋼在不同荷載下的磨損率和磨痕寬度 (a)wear mark width；(b)wear rate Fig.5 Wear rate and wear mark width of test steel under different loads

(a)5 N；(b)10 N；(c)15 N；(d)20 N；(e)25 N；(f)30 N圖6 試驗(yàn)鋼在不同荷載下的磨損形貌Fig.6 Wear morphology of test steel under different loads

3 結(jié)論

1)旋轉(zhuǎn)摩擦磨損試驗(yàn)條件下，隨著荷載的增加，平均摩擦系數(shù)先增大后減小，荷載為20 N時(shí)達(dá)到最大值0.2633；隨著摩擦副間接觸面積增加，接觸表面間變形抗力減小，上下摩擦副發(fā)生嚴(yán)重變形，磨損加重，磨痕寬度和磨損率隨荷載的增加而增大。

2)荷載為5 N時(shí)，磨損機(jī)制主要為氧化磨損；荷載為10 N時(shí)，磨損機(jī)制主要為輕微黏著磨損和氧化磨損；荷載大于15 N后，隨著荷載的增加，由輕微黏著磨損和氧化磨損轉(zhuǎn)變?yōu)槠茐膰?yán)重的膠合磨損。