鑄錫青銅表面軟氮化前后/40CrNiMo的摩擦磨損性能研究

王智鳳

（1.江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 江蘇無(wú)錫214122；2.江陰市華姿中等專(zhuān)業(yè)學(xué)校 江蘇江陰214401）

磨損是機(jī)械運(yùn)動(dòng)副中的主要失效形式之一。如何減少摩擦磨損并提高機(jī)械和零件的使用壽命是摩擦學(xué)研究領(lǐng)域共同關(guān)心的問(wèn)題之一。鑄錫青銅ZCuSn10Pb1是機(jī)械工程中常用的耐磨材料之一，常用于連桿、襯套、軸瓦、齒輪、蝸輪等機(jī)械零件，鑄錫青銅ZCuSn10Pb1摩擦副的摩擦磨損特性是直接影響機(jī)器機(jī)械性能和使用壽命的重要因素之一。

本研究作者旨在通過(guò)在摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上對(duì)鑄錫青銅ZCuSn10Pb1涂層與40CrNiMo摩擦副進(jìn)行模擬實(shí)際工況的摩擦、磨損試驗(yàn)，分析摩擦磨損表面形貌，來(lái)研究其摩擦磨損機(jī)制，便于指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。

1.試驗(yàn)說(shuō)明

1.1 試樣制備

本實(shí)驗(yàn)采用試驗(yàn)基體為鑄錫青銅ZCuSn10Pb1，其尺寸為長(zhǎng)30mm，寬10mm，高7mm。將試樣在型號(hào)為SZ2-4-10的箱式電阻爐進(jìn)行表面軟氮化處理，工藝參數(shù)見(jiàn)表1。

1.2 摩擦磨損試驗(yàn)

所有試驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行，摩擦試樣為長(zhǎng)30mm，寬10mm高7mm的長(zhǎng)方體，在M-2000磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)前后試樣均在超聲波清洗器中清洗并干燥。摩擦副軸轉(zhuǎn)速400轉(zhuǎn)/分，試樣做來(lái)回往復(fù)運(yùn)動(dòng)，載荷為 100N，200N，300N，400N，500N。分別在干摩擦條件下進(jìn)行滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)。

試驗(yàn)時(shí)，讀出摩擦力矩值，通過(guò) 計(jì)算出摩擦系數(shù)，涂層試樣的磨損由EN1878型電子天平測(cè)定，進(jìn)而計(jì)算其磨損率。

2.結(jié)果與討論

2.1 涂層硬度

應(yīng)用MH-3型顯微硬度計(jì)對(duì)其進(jìn)行顯微硬度測(cè)試時(shí)，載荷為25mg（0.25N），壓痕放大400倍。為能獲得真實(shí)的軟氮化涂層硬度，分別選擇不同區(qū)域的6點(diǎn)，測(cè)量出該點(diǎn)的復(fù)合硬度，其值大致維持在HV318.5。

表1 不同材料表面軟氮化工藝參數(shù)

2.2 載荷對(duì)摩擦性能的影響

鑄錫青銅 ZCuSn10Pb1、ZCuSn10Pb1涂層與40CrNiMo之間的摩擦系數(shù)對(duì)比曲線(xiàn)見(jiàn)圖1。

由圖1分析可得出，在固定轉(zhuǎn)速400r/min，干摩擦條件下，ZCuSn10Pb1隨著載荷的增加摩擦系數(shù)也增大，載荷從100N增大到200N時(shí)，摩擦系數(shù)從0.353增大到0.515，此后變化不大，分析認(rèn)為，載荷為200N時(shí)，ZCuSn10Pb1材料部分轉(zhuǎn)移（圖3-6），導(dǎo)致摩擦系數(shù)迅速升高。ZCuSn10Pb1涂層的摩擦系數(shù)隨著載荷的增加摩擦系數(shù)也增大，在相同試驗(yàn)條件下，ZCuSn10Pb1涂層的摩擦系數(shù)均低于ZCuSn10Pb1。這說(shuō)明在ZCuSn10Pb1表面軟氮化處理，有利于改善材料的摩擦性能。

2.3 載荷對(duì)磨損性能的影響

在轉(zhuǎn)速400r/min，干摩擦，載荷分別為100N、200N、300N、400N、500N 的情況下，鑄錫青銅 ZCuSn10Pb1、ZCuSn10Pb1涂層與40CrNiMo之間的磨損率隨載荷變化對(duì)比曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。

由圖2可以看出，在固定轉(zhuǎn)速400r/min，干摩擦條件下，ZCuSn10Pb1的磨損率隨載荷的增加成上升趨勢(shì)，隨著載荷從100N增大到500N時(shí)，磨損率分別為0.06g/萬(wàn) 轉(zhuǎn) 、0.2525g/萬(wàn) 轉(zhuǎn) 、0.415g/萬(wàn) 轉(zhuǎn) 、0.4925g/萬(wàn)轉(zhuǎn)、0.515g/萬(wàn)轉(zhuǎn)，ZCuSn10Pb1 涂層的磨損率隨載荷的增加也成上升趨勢(shì)，載荷為100N和200N時(shí)，磨損率分別為0.0015g/萬(wàn)轉(zhuǎn)和 0.05g/萬(wàn)轉(zhuǎn)，在 300N和400N時(shí)，磨損率增至0.3225g/萬(wàn)轉(zhuǎn)和0.4g/萬(wàn)轉(zhuǎn)，在500N時(shí)，磨損率迅速增至0.5g/萬(wàn)轉(zhuǎn)。這是因?yàn)殡S著載荷增大，摩擦副的真實(shí)接觸面積和接觸的微凸體數(shù)增加，從而使粘著磨損增加；表面損傷增加，磨損增大；另外由于載荷直接影響涂層的磨損機(jī)制，所以隨著載荷增大，使得涂層磨損加劇，磨損增大。當(dāng)載荷增大到500N，此時(shí)涂層的磨損最嚴(yán)重，造成磨損率迅速升高。另在相同載荷下，ZCuSn10Pb1涂層的磨損率均小于ZCuSn10Pb1。

由此可知，對(duì)ZCuSn10Pb1表面軟氮化處理有利于提高材料的耐磨性。

圖1

圖2

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)對(duì)鑄錫青銅表面軟氮化前后/40CrNiMo的摩擦磨損性能研究得出以下結(jié)論：

（1）載荷對(duì)摩擦系數(shù)和磨損量都有影響，隨著載荷從100N增大到300N ZCuSn10Pb1的摩擦系數(shù)也增大，載荷從300N增大到500N摩擦系數(shù)先減小后增大，ZCuSn10Pb1磨損量也隨著載荷增大而增大。

（2）ZCuSn10Pb1涂層的摩擦系數(shù)與磨損量隨著載荷增大而增大，綜合分析可知，相同條件下 ZCuSn10Pb1涂層的摩擦系數(shù)和磨損量均小于ZCuSn10Pb1。

[1]賈均紅，呂晉軍.鎳基復(fù)合材料在水環(huán)境中的摩擦學(xué)性能及磨損機(jī)理研究[J].材料科學(xué)與工程，2004,22（1）：28-32.

[2]溫詩(shī)鑄.材料磨損研究的進(jìn)展與思考[J].摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2008.

[3]宋玉才，金曉鵬.45鋼摩擦副摩擦磨損性能的試驗(yàn)分析[J].遼東學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，17（1）：53-55.

[4]馬靜波，李楠，安偉等.《Al2o3-40%Tio2涂層/錫青銅的摩擦磨損性能研究》[J].潤(rùn)滑與密封，2007，32（2）：135-137.

[5]LudemaKC.Mechanism-basedmodeling offriction and wear[J].Wear，1996，200：1_7.

[6]StachowiakGW,StachowiakGB.Metallicfilmtransferduringmetal-ceramicsunlubricated sliding,wear,1989 （132）：361-381.