載荷對Cr4Mo4V 軸承鋼高溫干摩擦特性的影響

劉 建， 郭 浩， 王 浩， 趙孟晨， 王 培

(1. 洛陽軸承研究所有限公司， 河南 洛陽 471039；2. 河南科技大學(xué)高端軸承摩擦學(xué)技術(shù)與應(yīng)用國家地方聯(lián)合工程實驗室， 河南 洛陽 471023；3. 河南工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 河南 鄭州 450001)

0 前 言

Cr4Mo4V 軸承鋼是我國于20 世紀60 年代研制出的高溫軸承鋼，類似美國M50 鋼。 Cr4Mo4V 是典型的含鉬系高速鋼，基體為α-Fe，增強相是Cr、Mo、V 的碳化物。 除具有GCr15 軸承鋼的常見的高硬度、高耐磨性能優(yōu)點外，還能耐高溫，具有較好的尺寸穩(wěn)定性以及較優(yōu)的高溫接觸疲勞性能，極限工作溫度高達316 ℃，至今仍是我國航空發(fā)動機主軸軸承的主要材料[1-3]。但Cr4Mo4V 軸承鋼在冷卻凝固的過程中區(qū)域富碳且其含有與碳有很強的親和力的置換溶質(zhì)，最終形成較多的一次共晶碳化物。 這些碳化物包含富鉬M2C、富釩MC 和富鉻M6C，在奧氏體化的過程中難溶解，降低Cr4Mo4V 軸承鋼的強度與疲勞韌性，進而縮短軸承的使用壽命[4]。 另外，有研究[5]表明斷裂韌性與材料的C 含量及硬度成反比，Cr4Mo4V 軸承鋼也存在因C 含量及硬度較高而韌性相對較差的不足。 最后，Cr4Mo4V軸承鋼因含有較多合金元素，其冶煉過程中及后續(xù)熱加工過程中容易產(chǎn)生化學(xué)偏析進而形成晶粒尺寸差異，這也是YB/T 4105-2000“航空發(fā)動機軸承用鋼”規(guī)定必須檢驗材料是否有混晶的原因[6]。 以上不足，限制了Cr4Mo4V 軸承鋼的使用范圍，但其仍是我國航空發(fā)動機軸承的主要材料之一。

航空發(fā)動機主軸軸承雖然主要在潤滑狀態(tài)下工作，但其存在乏油甚至無油的特殊工況，如戰(zhàn)機急變速、轉(zhuǎn)機空中翻轉(zhuǎn)、油箱無油等[7，8]。 同時，航空發(fā)動機軸承本身存在較多滑動狀態(tài)，如滾動體與保持架的滑動摩擦、滾動體與套圈擋邊的滑動摩擦，滾動體的自旋摩擦等。另外，航空發(fā)動機的瞬時打滑失效日益成為其主要的失效方式之一[9]。 發(fā)動機軸承的瞬時干摩擦狀態(tài)往往嚴重影響著軸承的最終失效，進而造成重大事故的發(fā)生。

載荷是軸承運轉(zhuǎn)的重要參數(shù)之一，研究載荷對軸承鋼瞬時干摩擦性能的影響對預(yù)防軸承失效、減少重大事故發(fā)生、保護機組人員生命具有重大意義。 基于此，本工作探究了干摩擦滑動及環(huán)境溫度300 ℃條件下，載荷對Cr4Mo4V 軸承鋼摩擦特性的影響規(guī)律，以期為軸承設(shè)計及軸承性能提升提供研究基礎(chǔ)。

1 材料制備及試驗方法

1.1 材料制備

試驗材料選用國內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)的規(guī)格為φ60 mm的熱軋態(tài)Cr4Mo4V 軸承鋼棒料，采用MP9 直讀光譜儀檢驗試樣的化學(xué)成分，測試結(jié)果為89.41%(質(zhì)量分數(shù)，下同)Fe， 0.78%C， 1.01%V， 4.01%Cr， 4.15%Mo，0.27%Si， 0.28%Mn，Ni+P+Cu 為余量。 依據(jù)JB/T 2850-2007，Cr4Mo4V 鋼熱處理工藝見圖1。

圖1 Cr4Mo4V 鋼的熱處理工藝Fig. 1 Heat treatment process of Cr4Mo4V steel

1.2 摩擦試驗設(shè)備及方法

摩擦試驗儀器為MFT-5000 Rtec 萬能摩擦試驗機。其測試原理如下:將圓盤狀試樣固定在旋轉(zhuǎn)裝置上，由電機帶動旋轉(zhuǎn)裝置旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速可調(diào)；通過壓桿施加載荷在與圓盤試樣接觸的鋼球上，外圍溫度通過密閉的溫度腔調(diào)節(jié)，具體見圖2。

圖2 球盤摩擦試驗示意Fig. 2 Schematic diagram of ball disk friction test

干摩擦試驗中配副為氮化硅球，精度等級為G10，規(guī)格為φ9.5 mm，批次為2018-1。 采用同批次原材料制備Cr4Mo4V 軸承鋼摩擦盤試樣，按上述熱處理工藝對試樣進行熱處理(淬回火)，然后統(tǒng)一經(jīng)磨削(粗磨、精磨)工序光整加工。 具體摩擦試驗參數(shù)見表1。 摩擦試驗過程中，摩擦系數(shù)由摩擦磨損試驗機自帶的計算機自動記錄。 采用Nanofocus AG 三維表面輪廓儀測量試驗塊的磨痕橫截面積輪廓并計算磨痕橫截面積，每個試樣的磨痕橫截面積均為依次測量4 次磨痕位置后求得的平均值。 試驗塊的磨損體積由磨痕橫截面積乘滑動周長求得，試驗塊的體積磨損率由磨損體積除以滑動距離再除以載荷所得。 每組試樣摩擦系數(shù)和磨損率均為至少重復(fù)2～3 次摩擦磨損試驗結(jié)果的平均值。

表1 Cr4Mo4V 軸承鋼的干摩擦試驗參數(shù)Table 1 Dry friction test parameters of Cr4Mo4V bearing steel

1.3 試驗表征

采用JSM-6380LV 掃描電子顯微鏡(SEM)分析試樣的磨損形貌、剖面形貌、磨屑形貌及面掃描成分。 采用INCA7582 能譜分析儀(EDS)分析磨損表面及磨屑的化學(xué)成分。 采用DXR Microscope Raman 激光拉曼散射儀對磨損表面的物相組成進行檢測，激光波長為532 nm。 采用EPMA-8050G 掃面電子探針分析摩擦表面的物相結(jié)構(gòu)，加速電壓30 kV，背散射電子像分辨率20 nm。

2 試驗結(jié)果及討論

圖3 為在環(huán)境溫度300 ℃、速度0.3 m/s、不同載荷條件下Cr4Mo4V 軸承鋼的摩擦系數(shù)與磨損率。 由圖3a 可以看出，不同載荷條件下，Cr4Mo4V 鋼的摩擦系數(shù)波動較小；載荷從1.2 GPa 增加到2.4 GPa，Cr4Mo4V 軸承鋼的摩擦系數(shù)從0.89 逐漸減少到0.42 左右。 但隨著載荷增加，磨損率從2.05×10-6mm3/(N·m)增加到2.68×10-6mm3/(N·m)，如圖3b 所示。 不同載荷條件下，Cr4Mo4V 軸承鋼磨損表面的SEM 形貌及EDS 面掃描結(jié)果見圖4～7。

圖3 不同載荷條件下Cr4Mo4V 軸承鋼摩擦性能曲線Fig. 3 Friction property curves of Cr4Mo4V bearing steel under different load conditions

圖4 在載荷1.2 GPa 條件下，Cr4Mo4V 軸承鋼磨損表面SEM 形貌及圖4a 對應(yīng)的EDS 面掃描結(jié)果Fig. 4 SEM morphologies of wear surface of Cr4Mo4V bearing steel under 1.2 GPa load and plane scanning results of EDS corresponding to Fig. 4a

圖5 在載荷1.6 GPa 條件下，Cr4Mo4V 軸承鋼磨損表面SEM 形貌及圖5a 對應(yīng)的EDS 面掃描結(jié)果Fig. 5 SEM morphologies of wear surface of Cr4Mo4V bearing steel under 1.6 GPa load and plane scanning results of EDS corresponding to Fig. 5a

圖6 在載荷2.0 GPa 條件下，Cr4Mo4V 軸承鋼磨損表面SEM 形貌及圖6a 對應(yīng)的EDS 面掃描結(jié)果Fig. 6 SEM morphologies of wear surface of Cr4Mo4V bearing steel under 2.0 GPa load and plane scanning results of EDS corresponding to Fig. 6a

圖7 在載荷2.4 GPa 條件下，Cr4Mo4V 軸承鋼磨損表面SEM 形貌及圖7a 對應(yīng)的EDS 面掃描結(jié)果Fig. 7 SEM morphologies of wear surface of Cr4Mo4V bearing steel under 2.4 GPa load and plane scanning results of EDS corresponding to Fig. 7a

可以看出，Cr4Mo4V 軸承鋼磨損試樣表面磨痕清晰可見，磨損表面均有較多片狀灰色轉(zhuǎn)移物質(zhì)產(chǎn)生，表現(xiàn)出黏著磨損特征。 隨著載荷增加，片狀灰色物質(zhì)逐漸增多變大且逐漸被壓實。 由磨損面主要元素掃描結(jié)果可知，這些灰色物質(zhì)為摩擦過程中磨屑及其氧化物被反復(fù)摩擦產(chǎn)生的壓實磨屑層，主要化學(xué)成分為O、Cr、Si、Mo、V、Fe，具有較明顯的氧化現(xiàn)象。 因此，該摩擦表面的磨損機制為黏著磨損和氧化磨損。 為明確摩擦壓實層的氧化物成分，對其進行拉曼光譜分析。

圖8 為不同載荷時，摩擦表面上連續(xù)摩擦壓實層的拉曼光譜(位移范圍為100～1 200 cm-1)。

由圖8 可以看出，不同載荷條件下連續(xù)摩擦壓實層的衍射峰位極為相似，表明不同載荷條件下Cr4Mo4V 軸承鋼表面產(chǎn)生的連續(xù)摩擦壓實層類似。 在拉曼位移約為300 cm-1處出現(xiàn)了一個強度較高的衍射峰，對應(yīng)Fe2+與Fe3+的拉曼光譜，表明此時摩擦表面已發(fā)生氧化，并形成Fe2O3氧化物。 同時，位于400 cm-1處的衍射峰則表明有MoO3產(chǎn)生。 衍射峰最高處出現(xiàn)在拉曼位移660～680 cm-1處，對應(yīng)MoO3，F(xiàn)e3O4，Cr2O3共3 種氧化物，同理，830 cm-1處的衍射峰也為Fe2O3。 不同載荷下， 摩擦壓實層均由Fe2O3和MoO3組成，其中在最高載荷(2.4 GPa)處衍射峰最高，表明該條件下摩擦表面氧化物最多。 摩擦壓實層可以起到隔離摩擦副、減少磨損的作用，進而改善摩擦狀況。 因此，隨著載荷增加，Cr4Mo4V 試樣的摩擦系數(shù)逐漸減小。

圖8 不同載荷條件下Cr4Mo4V 鋼磨擦表面壓實層的拉曼光譜Fig. 8 Raman spectra of compacted layer on Cr4Mo4V steel surface under different loading conditions

圖9 為當載荷為2.4 GPa 時，Cr4Mo4V 摩擦表面上壓實層的SEM 形貌及EPMA 測試結(jié)果。 其中Mo 元素區(qū)域的尺寸為微納米級別，與O 元素的EPMA 測試結(jié)果沒有對應(yīng)，表明大多元素Cr 和Mo 未發(fā)生氧化。 O主要集中在灰色物質(zhì)區(qū)，表明摩擦壓實層主要為磨屑的氧化物。 Fe 的含量在灰色物質(zhì)區(qū)較少而在灰色物質(zhì)區(qū)周圍較高，結(jié)合圖8 拉曼光譜結(jié)果可知，灰色物質(zhì)物質(zhì)主要為MoO3，F(xiàn)e3O4，Cr2O3，F(xiàn)e2O3，周圍主要為鋼基體成分，因而Fe 含量較高。 這也驗證了，壓實層物質(zhì)為摩擦產(chǎn)物，即Fe 和Mo 的氧化物。

圖9 載荷2.4 GPa 時，Cr4Mo4V 軸承鋼摩擦表面上壓實層的SEM 形貌及EPMA 測試結(jié)果Fig. 9 SEM morphology and EPMA test results of compacted layer on friction surface of Cr4Mo4V bearing steel under load of 2.4 GPa

收集不同載荷摩擦試驗后的磨屑并觀察其SEM 形貌，結(jié)果如圖10 與表2 所示。 圖10 顯示當載荷為1.2 GPa 時磨屑的形貌，該條件下磨屑主要呈塊狀，磨屑尺寸小，局部有片狀磨屑產(chǎn)生，具有明顯磨粒磨損的特征。 當載荷為1.6 GPa 時(圖10b)時，片狀磨屑尺寸增大，伴有極其細小的粒狀磨屑。 載荷的增加引起摩擦表面溫度升高。 圖10c 為載荷為2.4 GPa 時磨屑的微觀形貌，片狀磨屑尺寸進一步增大，主要分為2 種:一種為微納米尺寸(1～20 μm)呈橢圓狀；另一種尺寸較大(大于50 μm)，呈鱗片狀，其成分主要為MoO3，F(xiàn)e3O4，Cr2O3，F(xiàn)e2O3氧化物，這些氧化物是在高溫(大于400 ℃)作用下因氧化與軟化黏著磨損后從摩擦表面脫落的。 因此，隨著載荷增加，Cr4Mo4V 試樣的磨損率不斷增加。

表2 不同載荷條件下Cr4Mo4V 軸承鋼的磨屑尺寸、形貌及成分Table 2 Size， morphology and composition of wear debris of Cr4Mo4V bearing steel under different loading coditions

圖10 不同載荷條件下Cr4Mo4V 軸承鋼試樣的磨屑形貌Fig. 10 Wear debris morphologies of Cr4Mo4V bearing steel sample under different loading conditions

摩擦表面的金屬氧化物主要為Fe2O3與Fe3O4，以及少量的MoO3與Cr2O3。 文獻[10]也有類似結(jié)論，在704 ℃條件下MoO3(熔點795 ℃)、Fe3O4(熔點1 528℃)、Cr2O3(熔點1 900 ℃)的起始摩擦系數(shù)均高于終點摩擦系數(shù)，金屬氧化物在高溫時會發(fā)生軟化，其剪切強度較低，常被認為是固體潤滑劑。 摩擦副在相對滑動過程中，氧化磨損是化學(xué)氧化與機械磨損2 種作用相繼進行的過程。 氧化磨損的程度取決于氧化膜的強度及氧化速度，脆性氧化膜與基體抗剪切能力差或者氧化膜生成速率低于磨損率時，磨損嚴重；當氧化膜韌性高于基體鏈接抗剪切強度或者氧化膜生成速率高于磨損率時，氧化物的形成起到減磨耐磨作用。 薄的氧化膜強度高，有利于降低摩擦系數(shù)和防止黏著磨損。 但如果摩擦表面嚴重氧化，氧化膜厚度的增加會降低其強度，引起氧化物脫落，作為磨粒將對摩擦副產(chǎn)生二次磨損，惡化磨損。 氧化膜的形成和生長達到一定厚度時，會將摩擦表面隔開，摩擦過程中表面生成的氧化膜發(fā)生脫落后，表面與氧化性介質(zhì)會很快形成新的氧化膜。 因此，隨著載荷增加，Cr4Mo4V 試樣的摩擦系數(shù)不斷降低，但磨損率與磨屑尺寸逐漸增加。

3 結(jié) 論

(1)隨著載荷增加，Cr4Mo4V 軸承鋼的平均摩擦系數(shù)從0. 89 降低為0. 42，但磨損率從2. 05 × 10-6mm3/(N·m)增加到2.68×10-6mm3/(N·m)。

(2)載荷的增加引起摩擦表面溫度升高，氧化膜的形成改善減摩性能，但導(dǎo)致氧化磨損加劇。

(3)不同載荷條件下，Cr4Mo4V 軸承鋼干摩擦過程中的磨損機制主要為氧化磨損和黏著磨損。