堆焊司太立合金加速磨損研究

張健鑫

在機械泵關鍵零部件的表面堆焊司太立合金以提高耐磨性，為了驗證堆焊司太立合金的磨損壽命是否滿足可靠性設計要求，需要進行磨損試驗。司太立合金具有較強的抗磨性能，為了節約試驗時間與試驗成本，采用加速磨損試驗進行研究。以載荷為加速應力在MM-W1A 立式萬能摩擦磨損試驗機進行加速磨損試驗，得到不同應力水平的磨損壽命。預測了機械泵運行40 年堆焊司太立合金的可靠度為0.92，置信度為90%，證明其滿足可靠性設計要求。研究表明，對于耐磨性能較強的堆焊司太立合金，加速磨損試驗可以有效的縮短試驗時間與經費。

磨損是機械零件失效的常見故障模式，對于一些有較高可靠性要求的設備，為了提高其關鍵零部件的耐磨損性能，常常會在關鍵零部件的表面堆焊一層具有較強耐磨損性能的硬質合金，例如在機械泵關鍵零部件的表面堆焊司太立合金以提高其耐磨性能。為了防止堆焊層在使用過程中因為過度磨損而突然失效，需要對其磨損壽命進行預測。

本文針對機械泵關鍵零部件的堆焊司太立合金進行加速磨損試驗研究，并對堆焊司太立合金在使用條件下的磨損壽命進行預測，從而驗證其是否滿足可靠性設計要求。

試驗方案

試驗裝置與加速應力

磨損試驗采用銷盤磨損，在MM-W1A 立式萬能摩擦磨損試驗機上進行干磨損，使用TB-215D 分析天平測量磨損質量。

加速磨損試驗的常用加速應力為滑動速度和載荷。高轉速對于磨損樣件和磨損試驗機都有非常高的要求，由于堆焊司太立合金的實際磨損環境具有很高的滑動速度，為了簡化試驗，不宜將滑動速度作為加速應力。載荷是比較常用的加速磨損應力，且容易實現，因此選擇載荷作為加速應力。

可靠性統計模型

磨損是一種損傷自耗型的時間歷程，通常采用威布爾分布來描述磨損壽命。兩參數威布爾分布的概率密度函數為：

式中：t——壽命；

m——形狀參數；

η——尺度參數（特征壽命）。

他們不住地點頭，我不忘給他們潑冷水：“挑戰才剛剛開始，你們要有心理準備哦！”他們信心滿滿地說：“老師放心，我們會努力的！”“好樣的！”我稱贊他們。“你們隨時可以來找我，我是你們堅強的后盾。”

以載荷為加速應力的加速壽命試驗滿足逆冪率模型，則壽命數據與加速應力的關系為：

式中：iT——樣本的壽命數據；

a、b——常數；

vi——加速應力水平。

司太立合金磨損加速壽命試驗基本假定如下：

（1）司太立合金在正常應力水平和加速應力水平下的磨損壽命都服從威布爾分布。即應力水平的改變不會改變司太立合金的磨損壽命分布類型；

（2）司太立合金在加速應力水平下的失效機理與正常應力水平下的失效機理相同。由于威布爾分布的形狀參數反映故障機理的變化，因此該假定意味著在各應力水平下壽命分布的形狀參數保持不變。

（3）特征壽命與試驗應力滿足如下加速模型：

最高應力水平的確定

圖1 正常應力水平磨損表面形貌

圖2 36N 磨損表面形貌

圖3 50N 磨損表面形貌

磨損表面形貌是直接反映磨損失效機制的最主要判據，故可通過掃描電鏡觀察磨損表面形貌來判定磨損失效機制。在司太立合金磨損機理不變的前提下，可以盡可能提高載荷，從而縮短試驗時間，節約試驗成本。為確定最高應力，對試驗樣品施加步進載荷，觀察不同應力水平的磨損表面形貌，判斷磨損機理是否發生變化。不同應力水平的磨損表面形貌如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5 所示，其磨損機理都是以疲勞剝落為主，并伴有輕微的粘著磨損，磨損機理基本一致。由于磨損試驗采用干磨損，力矩較大，出于保護試驗機的目的，不再繼續增加載荷，將最高應力確定為96N。

樣品分配

為了獲得較多的試驗信息和較高的外推精度，加速磨損試驗選取恒定應力加速壽命試驗。對于恒定應力加速壽命試驗，應力水平數不低于4 個，每個應力水平的樣品數不低于5 個。由于試驗時間與經費的限制，加速磨損試驗選擇4 個應力水平，每個應力水平的樣品數5 個。

圖4 70N 磨損表面形貌

圖5 96N 磨損表面形貌

試驗數據

加速磨損試驗數據

加速應力水平的確定參考國標，保證各應力水平的對數變換是等間距的。司太立合金加速磨損試驗的四個應力水平確定為：36N（樣品號1，2，3，4，5），50N（樣品號6，7，8，9，10），70N（樣品號11，12，13，14，15），96N（樣品號16，17，18，19，20）。機械泵每運行一年，司太立合金磨損50min，磨損試驗進行2000min，相當于機械泵運行40 年，不同運行時間的磨損厚度如表1 所示，磨損厚度由分析天平測得的磨損質量換算得來。

圖6 樣品1 磨損過程曲線

表1 磨損厚度數據（μm）

表2 偽失效壽命數據

偽失效壽命

司太立合金的磨損厚度與時間大致呈線性關系，例如樣品1 的磨損過程曲線（見圖6）。對磨損過程曲線進行線性擬合，根據司太立合金的最大允許磨損厚度，可以求出每個樣本的偽失效壽命（見表2）。

威布爾分布參數估計

對不同應力水平的偽失效壽命進行檢驗，各應力水平的壽命數據都服從顯著性水平為0.1 的威布爾分布。利用線性無偏估計獲得各應力水平威布爾分布的相關參數，其結果如表3 所示。四種應力水平威布爾分布的形狀參數接近，證明四種應力水平磨損機理基本一致。

表3 威布爾分布參數估計

圖7 堆焊司太立合金可靠度曲線

壽命預測

利用線性無偏估計獲得加速方程的參數估計，從而外推得到正常應力水平的可靠度函數（見圖7）。利用可靠度函數進行壽命預測：置信度90%，機械泵運行40 年，堆焊司太立合金的可靠度為0.92，滿足可靠性設計要求。

結語

機械泵運行40 年堆焊司太立合金的可靠度為0.92，置信度為90%，證明其滿足可靠性設計要求。對于耐磨性能較強的堆焊司太立合金，加速磨損試驗可以有效的縮短試驗時間并節省經費。