海洋工程用系泊鏈鋼的動摩擦磨損研究

喻濟兵

（中國人民解放軍海軍駐九江軍事代表室，九江 332000）

隨著陸上及淺海油氣資源日益貧乏，向深海發展已成為必然趨勢。幾十年來，研究人員對此做出了不懈努力，已成功在3000 m的超深海域進行油氣鉆探，并向著更深、條件更惡劣的海域發展。我國的深海油氣開發技術取得了很大的進步，但與國外仍存在很大差距[1-4]。海洋工程平臺、船舶與浮式儲油輪（FPSO）及半潛式鉆井船在海況十分復雜[5]。在深達數百米至數千米的海洋中固定，主要方式是系泊鏈系泊[6]。系泊鏈在指定海域進行作業，長期在海水中作業，工作環境特別惡劣。平臺除承受靜載荷作用外，還承受環境載荷作用，如風力、波浪力和流力，其中波浪力是環境載荷的主要成分。在這些力的作用下，使錨鏈產生摩擦磨損，從而導致錨鏈的失效，直接影響海洋工程平臺及其裝備的安全性、可靠性。本文對系泊鏈22MnCrNiMo鋼的熱處理工藝、動摩擦磨損性能進行了比較系統的研究。對海洋工程系泊鏈的生產過程和質量控制具有重要的研究意義和很高的實際應用價值。

1 試驗材料與方法

1.1 試樣的制備及處理

本實驗所用材料為江陰興澄特種鋼鐵有限公司和正茂集團有限公司聯合研制的專用于高級別系泊鏈的低碳低合金鋼22MnCrNiMo。其化學成分為：C:0.24-0.30，Si：0.15-0.30，Mn：1.20-1.60，Cr：0.80-1.30，Ni：0.70-1.30，Mo：0.40-0.80，Nb：0.02-0.06，Cu≤0.20，S≤0.025，P≤0.025。材料熱處理工藝的選擇方面，根據生產企業的實際處理工藝，同時依據課題組對系泊鏈鋼熱處理組織與性能的詳細研究結果，本實驗中采用固定淬火工藝及回火溫度，只改變回火時間，研究不同回火時間下材料的摩擦磨損特性。材料經過930℃×30 min二次淬火，將二次淬火后的試樣在630℃回火，回火時間選擇30 min，45 min和60 min，回火后采用水冷。

1.2 磨損試驗

采用宣化科華試驗機制造有限公司生產的MLD-10型動載磨料磨損試驗機進行磨損試驗。磨損試驗機如圖1所示，該設備可進行靜載滑動磨損實驗、動載滑動磨損實驗、動載磨料磨損等實驗。沖擊功選擇范圍為1-4 J。本試驗沖擊功分別選用0 J、2 J、3 J、4 J，磨損時間選擇30 min，磨損試驗在干摩擦，空氣環境及室溫下進行。試驗前后分別將試樣侵入丙酮中用超聲波清洗 15 min，用感度為0.1 mg的分析天平檢測磨損質量損失，最終取三次試驗結果的平均值。

試驗時系泊鏈用鋼加工成 10×10×30的方形試樣，磨損面為了與對偶材料緊密接觸，用線切割的方法加工成R25的光滑圓弧，試驗前用金相砂紙研磨，試樣形狀尺寸如圖1所示。磨損對偶材料選用具有較高淬火硬度的高碳鉻軸承鋼GCr15（C：0.95-1.05，Cr：1.30-1.65，Mn:0.20-0.40，Si：0.15-0.35，S≤0.020，P≤0.020），試驗前把軸承鋼進行淬火加低溫回火處理，使其硬度控制在HRC60±1，然后加工成直徑50 mm，長度50 mm的圓柱體試樣，外表面用磨床研磨以確保實驗條件的一致性。

圖1 沖擊磨損試樣尺寸

2 實驗結果與分析

2.1 沖擊載荷對磨損量的影響

沖擊載荷與磨損量的關系如圖2所示。由圖2可知：回火態試樣總的磨損規律為單位時間磨損量隨沖擊載荷的增加先減小后增加。這時因為：當沖擊功增加到2 J時，在沖擊載荷的作用下，材料發生加工硬化，但加工硬化不夠充分，硬度增加不大，材料流失嚴重。當沖擊功增加到 3J時，回火態試樣的加工硬化充分，加工硬化層變厚，材料表面的硬度增加，使材料耐磨性變好，因而磨損量降低。當沖擊功增加到4 J時，雖然回火態試樣的加工硬化充分，但硬度基本上不增加，由于沖擊載荷是一種動載荷，沖擊接觸會在材料表層及亞表層產生較大的接觸應力，同時引起接觸表面的能量擾動及擴散。材料吸收沖擊能量后產生塑性變形，材料的缺陷或兩相夾雜物在反復的沖擊作用下形成空洞或微裂紋[48]，隨著載荷的增加，空洞或微裂紋形核的深度增加，使得剝層磨損的磨屑厚度增加，磨損量增加。

圖2 不同沖擊載荷下回火態試樣的磨損量

2.2 不同處理工藝對磨損量的影響

圖3為磨損時間為30 min時，不同回火時間下回火態試樣的單位時間磨損量。其中試樣的熱處理狀態為930+930×30℃ min二次淬火后，在回火溫度 630℃下分別保溫 30 min，45 min和 60 min。從圖 3可以看出，在相同的沖擊載荷和相同的磨損時間下，回火態試樣的磨損量隨著回火時間的增加而增加。這是由于，在沖擊功為 2J時，回火30 min，45 min，60 min試樣表面硬度分別為350.19 HV，341.73 HV，330.68 HV，隨著回火時間的增加，表面硬度降低，耐磨性變差，磨損量增加。在沖擊功為3J時，回火30 min，45 min，60 min試樣表面硬度分別為 375.16 HV，371.02 HV，361.18 HV，表面硬度降低，耐磨性變差，磨損量增加。在沖擊功為 4J時，回火 30 min，45 min，60 min試樣表面硬度分別為383.08 HV，375.61 HV，368.43 HV，表面硬度降低，耐磨性變差，磨損量增加。

2.3 沖擊功對磨損形貌的影響

圖4為不同沖擊載荷下回火30 min試樣表面磨損形貌。從圖4a）可以看出，當沖擊功為2 J時，回火 30 min試樣的磨損表面有大量的片狀剝落坑，但剝落坑面積小，厚度淺。從圖 4b）可以看出，當沖擊功為3 J時，試樣的磨損表面剝落坑數量非常少，剝落坑變大，厚度淺。從圖 4c）可以看出，當沖擊功為4 J時，磨損表面剝落坑數量增加，剝落坑面積進一步變大。這說明當沖擊功為2 J時，材料表面加工硬化程度不夠，還不能有效抵抗剝層磨損，剝落坑雖然面積小，但是數量多，材料流失嚴重。當沖擊功為3 J時，材料加工硬化程度充分，表面硬度高，剝層磨損輕微，材料耐磨性好。當沖擊功為4 J時，材料加工硬化程度充分，但表面硬度幾乎不再增加，而隨著沖擊載荷的增加，使磨損表面剝落坑數量增加，剝落坑面積變大，因此材料耐磨性變差。

圖3 處理狀態與單位時間磨損量的關系

圖4 不同沖擊載荷下回火30 min試樣表面磨損形貌

圖5 不同回火時間下試樣表面磨損形貌

圖5為沖擊功為2J時，不同回火時間下試樣磨損形貌。其中試樣的熱處理狀態為930+930×30℃ min二次淬火后，在回火溫度630℃下分別保溫30 min，45 min和60 min。從圖5看出，總的看來，在沖擊功為2J時，回火態試樣表面剝落坑面積小，但數量非常多，磨損嚴重，這說明在沖擊功為2 J作用下，加工硬化程度不夠，材料表面硬度增加不大，還不能抵抗嚴重的剝層磨損。隨著回火時間的增加，剝落坑面積變大，材料的磨損增加，耐磨性變差。

圖6 不同回火時間下試樣表面磨損形貌

圖7 不同回火時間下試樣表面磨損形貌

圖6為沖擊功為3 J時，不同回火時間下試樣磨損形貌。其中試樣的熱處理狀態為930+930×30℃ min二次淬火后，在回火溫度630℃下分別保溫30 min，45min和60 min。從圖6看出，總的看來，在沖擊功為3 J時，回火態試樣表面剝落坑數量少，磨損輕微，這說明在沖擊功為3J作用下，加工硬化程度充分，材料表面硬度增加不大。從圖6a）可見，回火30 min試樣磨損表面出現非常淺的片狀剝落坑。從圖6b）可見，當回火時間為45 min時，試樣磨損表面的片狀剝落坑變厚。從圖6c）可見，當回火時間為60 min時，試樣磨損表面的片狀剝落面積顯著增加。

這說明隨著回火時間的增加，材料的流失越來越嚴重，耐磨性變差，磨損量增加。

圖7為沖擊功為4J時，不同回火時間下試樣磨損形貌。其中試樣的熱處理狀態為930+930 ℃ × 30min 二次淬火后，在回火溫度630℃下分別保溫30 min，45 min和60 min。從圖7看出，總的看來，在沖擊功為4J時，回火態試樣表面剝落坑面積大于沖擊功為3J時的，此時，回火態試樣磨損加重。從圖 7a）可見，回火 30min試樣磨損表面的片狀剝落坑尺寸相對較小。從圖7b）可見，當回火時間為45min時，試樣磨損表面的片狀剝落坑面積顯著增大。從圖 7c）可見，當回火時間為60min時，片狀剝落坑的數量增加，并且厚度變深。這說明隨著回火時間的增加，材料的流失越來越嚴 重，磨損量增加。

3 結論

（1）在沖擊滑動摩擦試驗中，試樣總的磨損規律為單位時間磨損量隨沖擊載荷的增加先減小后增加。在相同的沖擊載荷和相同的磨損時間下，試樣的磨損量隨著回火時間的增加而增加。

（2）在沖擊滑動摩擦試驗中，隨著沖擊載荷的增加，試樣的磨損形貌生了明顯的變化，當沖擊載荷為 2J時，試樣的磨損表面有大量的剝落坑，但剝落坑淺而小，材料流失嚴重。當沖擊載荷為3J時，試樣的磨損表面基本上沒有剝落坑或剝落坑較少，材料耐磨性變好。當沖擊載荷為4J時，軋試樣的磨損表面剝落坑面積較大，數量增加，材料的磨損量增加。

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