25CrNi2MoV鋼的微動磨損性能

(華南理工大學，國家金屬材料近凈成形工程技術研究中心，廣州 510640)

0 引 言

微動磨損是指在相互壓緊的金屬表面間因小振幅(振幅小于1 mm)振動而產生的一種復合式磨損，通常發生在緊配合的軸頸處[1]。隨著高速重載車輛功率密度的提高，作為車輛動力輸出重要零部件之一的齒輪傳動軸的服役環境越來越惡劣。傳動系統的扭振失穩振動導致傳動軸運轉均勻性差，使得傳動軸與軸承過盈配合的軸頸和軸肩表面、與輪轂過盈配合的輪座表面發生微動磨損[2-3]。嚴重的微動磨損將造成傳動軸的疲勞斷裂，因此提高抗微動磨損能力是保證傳動軸安全高效運行的有效途徑之一。郝慧嬌[4]利用ANSYS軟件研究了徑向載荷和摩擦因數對中碳鋼軸類構件微動磨損接觸面狀態以及裂紋萌生危險點的影響。賈國海[5]通過建立的數值計算模型，研究了傳遞功率、轉速和預緊力矩等因素對齒輪軸軸肩微動磨損性能的影響。JIA等[6]采用ABAQUS軟件建立齒輪軸有限元模型，研究了過盈配合對齒輪軸肩微動磨損性能的影響。ZENG等[7]利用有限元模型研究了應力釋放槽對鐵路車軸微動磨損性能和疲勞性能的影響，發現增加槽深或減小槽半徑均可消除鐵路車軸上的應力集中，從而降低微動磨損程度，提高微動疲勞強度。綜上可知，目前主要采用數值模擬的方法來研究軸用鋼的微動磨損性能，而通過試驗研究微動磨損規律的報道相對較少。研究表明，載荷和頻率是影響微動磨損性能的重要因素[1,8]。因此，作者以新型高速重載傳動軸用25CrNi2MoV鋼為研究對象，采用SRV-Ⅳ型摩擦磨損試驗機進行微動磨損試驗，對不同載荷和頻率下的摩擦副摩擦因數、磨痕輪廓、磨損體積以及磨損形貌進行分析，研究了25CrNi2MoV鋼的微動磨損性能。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為25CrNi2MoV鋼，由中國鋼鐵研究總院提供，其化學成分如表1所示。試驗鋼經880 ℃淬火1 h后迅速油冷，再經180 ℃×2 h低溫回火處理，空冷。回火處理后25CrNi2MoV鋼的抗拉強度為1 644 MPa，屈服強度為1 527 MPa，斷后伸長率為13%，硬度為486 HV。在回火處理后的試驗鋼上截取尺寸為8 mm×8 mm×10 mm的試樣，用砂紙磨光并用酒精溶液超聲清洗后，待用。

表1 25CrNi2MoV鋼的化學成分(質量分數)

圖1 摩擦磨損試驗原理示意Fig.1 Diagram of friction and wear test principle

采用SRV-Ⅳ型摩擦磨損試驗機進行室溫微動磨損試驗，試驗原理如圖1所示，采用球-平面的點接觸形式，切向式微動模式。上試樣為GCr15鋼球，直徑為10 mm，硬度為60～63 HRC，下試樣為25CrNi2MoV鋼。試驗時下試樣由夾具固定，上試樣在伺服電機帶動下做直線往復運動，磨損行程為200 μm，磨損時間為1 800 s，試驗條件為干摩擦。采用單一變量法研究試驗過程中不同載荷(50，100，150，200 N)和頻率(15，20，25，30 Hz)下,試驗鋼的摩擦因數、磨損量、磨損形貌等。當載荷為變量時，頻率固定為20 Hz；當頻率為變量時，載荷固定為30 N。

微動磨損試驗結束后，采用RTEC Up Dual-Mode型3D光學輪廓儀觀察不同試驗條件下磨痕的三維輪廓，由三維輪廓可以測得表面橢圓形磨痕的長軸與短軸(即沿微動方向上的磨痕寬度ds與垂直于微動方向上的磨痕寬度dq),以及磨痕的深度h，如圖2所示。通過簡化積分運算方法得到試樣的磨損體積[9]，計算公式為

R=(dqds/4+h2)/(2h)

(1)

Vs=πh2(3R-h)/3

(2)

圖2 磨痕三維輪廓示意Fig.2 Schematic of wear scar three-dimensional profile:(a) surface of wear scar and (b) cross section of wear scar

式中：R為磨痕曲率半徑；Vs為磨損體積。

采用Quanta200型環境掃描電子顯微鏡(SEM)對磨痕形貌進行觀察,采用附帶的INKA80型能譜儀(EDS)對磨損表面的微區化學成分進行分析。

2 試驗結果與討論

2.1 摩擦因數

圖3 不同載荷下試驗鋼的摩擦因數隨時間的變化曲線以及平均摩擦因數Fig.3 Curves of friction coefficient vs time (a) and average friction coefficients (b) of test steel under different loads

由圖3可知，不同載荷下試驗鋼均經歷了初始階段的不穩定磨損期和隨后的穩定磨損期。在磨損時間短于200 s的不穩定磨損期，摩擦因數先急劇上升，而后迅速下降，隨后摩擦因數小幅增大，這是由于在磨損初期，上下試樣發生粗糙峰的相互接觸導致的。隨著磨損過程的進行，上下試樣間相互磨合，磨屑生成后瞬間被困在接觸區內，經過幾次摩擦循環后，上下試樣間的接觸由二體接觸轉變為三體接觸，并形成第三體保護層，微動磨損由二體磨損轉變為三體磨損[10-11]，磨屑參與承載；隨后第三體粒子從接觸區排出，隨著磨損的進行，接觸區的磨屑含量保持穩定，形成動態平衡，因此試驗鋼的摩擦因數趨于穩定。當載荷由50 N增至200 N時，試驗鋼的平均摩擦因數由0.766減小為0.661。當載荷增大時，摩擦副接觸面溫度升高，表面材料軟化，導致摩擦因數減小。此外，上下試樣之間的接觸為彈塑性接觸，因此上下試樣之間的載荷與實際接觸面積呈非線性關系，載荷的增加速率大于實際接觸面積的增加速率，使得上下試樣間粗糙峰的冷焊減少，從而導致摩擦因數減小[1]。

由圖4可知：在初始磨損階段，上下試樣間的接觸為兩表面粗糙峰之間的接觸，實際接觸面積遠小于表觀接觸面積[1]，摩擦主要出現在粗糙峰之間，因此該階段試驗鋼的摩擦因數急劇上升；之后隨著磨損的進行，粗糙峰產生變形甚至被磨掉，摩擦副接觸面逐漸趨于光滑，同時接觸面溫度升高，表面材料軟化，剪切強度降低，導致摩擦因數迅速降低[12-13]。磨屑經過生成、參與承載、排出的過程，最后磨屑的生成與排出形成動態平衡，使得試驗鋼的摩擦因數趨于穩定。當頻率由15 Hz增至30 Hz時，試驗鋼的平均摩擦因數由0.790增至0.905。當頻率增大時，單位時間內磨損次數增加，摩擦副接觸面溫度升高，導致試驗鋼表面破損加劇，磨損的阻礙作用增強，黏滯力增大，從而導致試驗鋼的摩擦因數增大。

圖4 不同頻率下試驗鋼的摩擦因數隨時間的變化曲線以及平均摩擦因數Fig.4 Curves of friction coefficient vs time (a) and average friction coefficients (b) of test steel at different frequencies

2.2 磨痕輪廓和磨損體積

圖5 不同載荷下試驗鋼的磨痕截面輪廓Fig.5 Cross section profile of wear scar of test steel under different loads

圖6 計算得到不同載荷下試驗鋼的磨損體積Fig.6 Wear volumes of test steel under different loads obtained by calculation

由圖5可知，隨著載荷由50 N增大至200 N，磨痕深度由34.0 μm增加到53.9 μm，磨痕寬度由1.45 mm增加到2.62 mm。由圖6可以看出：當載荷由50 N增至200 N時，試驗鋼的磨損體積由19.65×10-3mm3增至75.83×10-3mm3，增大了285.90%。可見，隨著載荷的增大，磨損體積增加，這也與不同載荷下試驗鋼在微動方向上的磨痕截面輪廓深度和寬度的變化趨勢一致。隨著載荷的增大，上下試樣初始接觸面積增大，磨痕的面積和深度增大，磨損程度加劇，導致磨屑脫落，同時脫落的磨屑又作為磨粒在摩擦力作用下對試驗鋼表面產生切削作用，形成犁溝，從而導致磨損程度的進一步加劇；另外在較大的載荷作用下，生成的磨粒使得試驗鋼表面受力不均勻，產生應力集中現象，促進表面微裂紋的形成，隨著磨損過程的進行，裂紋逐漸向次表層擴展，導致材料脫落，因此磨損量增加[14-15]。

圖7 不同頻率下試驗鋼的磨痕截面輪廓Fig.7 Cross section profile of wear scar of test steel at different frequencies

圖8 計算得到不同頻率下試驗鋼的磨損體積Fig.8 Wear volumes of test steel at different frequencies obtained by calculation

由圖7可以看出，當微動頻率由15 Hz增大到30 Hz時，磨痕深度由20.0 μm增加到33.0 μm，磨痕寬度由1.22 mm增加到1.40 mm。由圖8可知，當頻率由15 Hz增至30 Hz時，試驗鋼的磨損體積由11.43×10-3mm3增至23.88×10-3mm3，增大了108.92%。可見，隨著頻率的增大，試驗鋼的磨損體積增加。隨著頻率的增大，單位時間內上下試樣間的磨損次數增加，摩擦副表面溫度升高，試驗鋼表面發生軟化，導致硬度降低，黏著磨損增強；同時，由于試驗鋼表面發生軟化，磨屑充當磨粒的切削作用增強，試驗鋼表面犁溝增多，溝槽加深，從而導致大面積材料從試驗鋼表面脫落，因此試驗鋼的磨損體積增加[16]。

2.3 磨損形貌和磨損表面微區化學成分

觀察發現，在不同工況下試驗后，試驗鋼的磨損表面均堆積了暗紅色的磨屑，說明試樣發生了氧化磨損[17]。由表2可知：微動磨損試驗前，試驗鋼表面未發現氧元素，而微動磨損試驗后，試驗鋼表面的氧原子分數為52.42%62.13%，說明試驗鋼表面發生了嚴重的氧化磨損；隨著載荷和頻率的增加，試驗鋼表面的氧原子分數增加，說明氧化磨損程度加劇。

由圖9可以看出，隨著載荷的增大，試驗鋼表面磨損程度加劇，磨痕邊緣處均存在由磨粒磨損造成的犁溝。當載荷為50 N時，試驗鋼磨損表面出現較多平行于微動方向的犁溝，這是由于剝落的磨粒在與對磨鋼球的相對運動過程中嵌入試驗鋼表面，隨著磨損的進行磨粒在試驗鋼表面犁出溝槽[1]；同時試驗鋼磨損表面出現較多黏著坑，這是由于在磨損初期上試樣表面粗糙峰嵌入較軟的下試樣表面，產生較大的接觸應力而導致的[16,18]。可知，當載荷為50 N時，試驗鋼的磨損機制為黏著磨損和磨粒磨損。當載荷增至100 N時，黏著磨損程度加劇，黏著坑面積較大，磨粒磨損程度減輕，試驗鋼的磨損機制為黏著磨損和磨粒磨損，這是由于隨著載荷的增大，上下試樣的接觸面更容易產生黏著導致的。當載荷為150，200 N時，試驗鋼磨損表面出現大量剝落坑，表面材料發生大面積脫落，且隨著載荷的增大，單個剝落坑的面積增大，甚至出現明顯的裂紋分層現象，說明磨損程度加劇。當載荷為150，200 N時，試驗鋼的磨損機制為疲勞磨損和磨粒磨損，而疲勞磨損是磨損體積增加的主要原因。綜上可知，在不同載荷下，試驗鋼磨損表面均出現了氧化和犁溝現象，表明試驗鋼表面發生的磨損包括氧化磨損和磨粒磨損。在50，100 N載荷下，試驗鋼表面出現嚴重黏著坑，以黏著磨損為主，隨著載荷的增大，試驗鋼表面磨損程度加重，在150，200 N載荷下主要磨損機制為疲勞磨損。

表2 微動磨損試驗前后試驗鋼表面的EDS分析結果(原子分數)

圖9 不同載荷下試驗鋼的表面磨損形貌Fig.9 Surface wear morphology of test steel under different loads

圖10 不同頻率下試驗鋼的表面磨損形貌Fig.10 Surface wear morphology of test steel at different frequencies

由圖10可知，試驗鋼磨損表面均存在由磨粒磨損造成的犁溝。當頻率為15 Hz時，試驗鋼磨損表面存在明顯的剝落坑和犁溝，說明試驗鋼的主要磨損機制為磨粒磨損。這是因為磨損過程中產生的磨屑在兩摩擦表面之間形成磨粒，作用于試驗鋼表面，并隨著相對運動的進行而產生犁溝[19-20]；同時隨著磨損過程的進行，部分未排出的磨屑在上下試樣間被碾壓而附在磨損表面上，在載荷作用下，磨屑處產生應力集中，導致裂紋的生成，使得表面材料發生剝落[21-22]。當頻率增至20 Hz時，試驗鋼表面主要發生磨粒磨損。對試驗鋼磨損表面的A區進行EDS分析可知，該區域主要由氧和鐵元素組成，這是因為在磨損過程中，摩擦表面的磨屑不斷被碾壓，并與空氣中的氧氣結合形成鐵的氧化物[23]。當頻率為25 Hz時，試驗鋼表面以磨粒磨損為主，磨損表面上零散分布著條狀磨屑，并存在磨屑被碾壓的現象。當頻率增至30 Hz時，試驗鋼的磨損機制為疲勞磨損和磨粒磨損，且表面剝落坑面積更大。這是因為隨著磨損過程的進行，在載荷作用下，裂紋在試驗鋼表層內部應力集中處形成，然后沿著微動方向平行于表面擴展，最后延伸到試驗鋼次表面，導致材料呈片狀剝落，最終形成剝落坑[1]。隨著頻率的增加，單位時間內上下試樣的磨損次數增加，這加速了試驗鋼表面微裂紋的萌生與擴展，導致試驗鋼表面材料的剝落程度加劇[24-25]。綜上可知，在不同頻率下，試驗鋼磨損表面均出現了氧化和犁溝現象，表明試驗鋼表面發生的磨損包括氧化磨損和磨粒磨損。在15，20，25 Hz頻率下，試驗鋼的磨損機制以磨粒磨損為主，當頻率增至30 Hz時，試驗鋼的磨損機制以疲勞磨損為主。

3 結 論

(1) 在頻率為20 Hz條件下，當載荷由50 N增至200 N時，微動磨損試驗后25CrNi2MoV鋼的平均摩擦因數由0.766減至0.661，磨損體積由19.65×10-3mm3增至75.83×10-3mm3；在載荷為30 N條件下，當頻率由15 Hz增至30 Hz時，平均摩擦因數由0.790增至0.905，磨損體積由11.43×10-3mm3增至23.88×10-3mm3。

(2) 在不同試驗參數下，25CrNi2MoV鋼磨損表面均出現了氧化和犁溝現象，磨損機制包含氧化磨損和磨粒磨損。在頻率為20 Hz條件下，載荷為50，100 N時，25CrNi2MoV鋼的磨損機制以黏著磨損為主，載荷為150，200 N時，主要磨損機制為疲勞磨損；在載荷為30 N條件下，頻率為15～25 Hz時，磨損機制以磨粒磨損為主，當頻率增至30 Hz時，磨損機制以疲勞磨損為主。