100Cr6軸承材料摩擦磨損試驗研究

宋 強，范華濤，趙飛虎，羅 升

(中國船舶科學研究中心 深海載人裝備國家重點實驗室，江蘇 無錫 214082)

0 引 言

100Cr6是一種碳含量為1%、鉻含量為1.5%的軸承鋼，由于自身的抗摩擦性能和高疲勞強度性能被用作軸承鋼，100Cr6相當于我國的GCr15。100Cr6材料在作為傳動部件的支撐時往往會產生一定程度的磨損，磨損嚴重會影響傳動部件的性能。據不完全統計，世界能源的1/3～1/2消耗于摩擦，而機械零件80%失效原因是磨損，可見對于材料摩擦磨損的研究十分重要。

摩擦往往是一種非線性行為，一般會引起設備的穩態誤差和性能下降[1]，大多數摩擦磨損研究是依據宏觀方程或通過多功能圓球光盤摩擦試驗機進行試驗研究。目前，國內外學者采用摩擦磨損試驗機針對軸承的摩擦性能做了大量的研究，Liu等[2]通過銷盤試驗方法對尼龍（PA）/超高分子量聚乙烯（UHMWPE）復合材料在干摩擦和濕摩擦的摩擦性能進行試驗研究，研究表明PA/UHMWPE復合材料的動摩擦系數隨滑動距離的增大逐漸減小。Tevrüz[3,4]針對黃銅填充PTFE和碳纖維填充PTFE的摩擦性能開展試驗研究，研究了摩擦因數與軸承壓力、摩擦因數與滑動速度、摩擦因數與滑動距離、磨損與軸承壓力、溫度與滑動距離、磨損與滑動速度、磨損與滑動距離的關系，研究表明通過降低軸承溫度可以減小軸承壓力和滑動速度對軸承磨損的影響。Godfrey[5]通過銷盤試驗機研究摩擦與振動的關系，結果表明振動是由于材料表面不平和潤滑不充足造成的，在沒有潤滑的條件下材料的滑動摩擦因數是一組波動的值而不是固定的值。黃霞等[6]通過多功能摩擦磨損試驗機對酚醛樹脂基水軸承材料的摩擦磨損性能進行試驗研究，研究其在水介質下的摩擦性能，研究表明聚四氟乙烯和六鈦酸鉀晶須有利于提高酚醛樹脂的摩擦學性能，而納米氧化鋁的添加會降低酚醛樹脂的摩擦學性能。吳鑄新等[7]采用MMW-1立式萬能磨損試驗機研究水潤滑軸承推力瓦塊的摩擦磨損性能，研究表明干摩擦時載荷與轉速對材料的摩擦因數具有明顯的影響，磨損量隨載荷的增大而增大。

100Cr6用于機床傳動軸上的軸套，此種軸套在實際運行中充分體現了其優異性能，但運行長時間后會表面發現其摩擦表面有明顯的磨損痕跡。為了研究100Cr6軸承材料在干摩擦狀態下的摩擦磨損性能，基于Archard磨損計算公式，通過多功能圓球光盤摩擦試驗機進行試驗，研究100Cr6材料的摩擦因數、磨損深度、試件溫度、磨損量隨法向載荷和滑動直徑的變化規律。

1 摩擦磨損方法研究

磨損過程一般分為3個階段：跑合階段，穩定磨損階段和劇烈磨損階段，其磨損曲線如圖1所示。其中OA段為跑合階段，AB段為穩定磨損階段，BC段為劇烈磨損階段。在跑合階段機件表面被磨平，實際接觸面積不斷增大，表面應變硬化，形成氧化膜，磨損速率減小；在穩定磨合階段斜率就是磨損速率，唯一穩定值；大多數機件在穩定磨損階段服役，磨損性能是根據機件在此階段的表現來評價的；在劇烈磨損階段隨磨損的增長，磨耗增加，表面間隙增大，表面質量惡化，機件快速失效。

圖 1 磨損曲線圖Fig. 1 Scheme of wear curve

在穩定磨損階段，Archard磨損理論公式可適用，其公式如下[8-9]。

式中：V為磨損體積，m3；K為磨損系數，m2/N；F為法向載荷，N；S是滑動距離，m。

磨損系數K反映了磨損的快慢，其值并不是固定的值，而是與法向載荷、滑動距離、表面粗糙度、接觸壓力等有關的一個函數，其值分為7個等級（見表1），其中等級0～3為硬磨損。

表 1 磨損系數K的值Tab. 1 K value of wear coefficient

由于磨損體積無法直接測量，但可通過磨損質量和材料密度計算得到，將Archard磨損計算公式變形如下：

式中：m為磨損量，kg；ρ為材料密度，kg/m3。

國內外學者對于試件材料的摩擦磨損試驗，往往采用球盤摩擦試驗機進行，其原理如圖2所示。其中可以改變滑動半徑、法向載荷、滑動速度和滑動距離等參數研究材料的摩擦磨損性能。

圖 2 摩擦試驗方法Fig. 2 Method of friction testing

2 試驗

2.1 試驗條件

試驗中，控制滑動距離和滑動表面速度不變，滑動距離取1 000 m，滑動表面速度取0.377 m/s，室溫保持在23.8 ℃，空氣濕度保持在34.2，改變滑動直徑和法向載荷的值，接觸條件為干摩擦，試驗共分10組進行，研究摩擦因數、磨損深度、試件溫度和磨損量隨滑動直徑和法向載荷的變化關系，試驗輸入條件見表2。

表 2 試驗輸入條件Tab. 2 Test input conditions

2.2 試驗設備

100Cr6材料的摩擦磨損試驗在多功能圓球光盤摩擦試驗機上進行，采用球-面摩擦形式，試驗設備如圖3所示。試件固定在壓板的下面，壓板由螺釘固定住，將ZrO球固定在球架上，球架固定在懸臂上。通過平衡物來調節懸臂的平衡以消除施加載荷的不準確性，調節完成后將法向載荷施加到懸臂上，將鎖扣解鎖，然后進行不同條件下的試驗，通過軟件設備來記錄試驗數據。

對100Cr6材料試樣在測試前用丙酮進行清洗后再稱重，試驗結束后，將試件清洗干凈烘干后進行再次稱重，計算其磨損量，電子秤精度為0.000 1 g。

圖 3 圓球光盤摩擦試驗機Fig. 3 Friction testing machine of ball-disk

3 結果和討論

3.1 摩擦因數

選取試驗編號1～8進行摩擦磨損試驗，滑動直徑為6 mm和12 mm，法向載荷為5 N，10 N，15 N和20 N，研究摩擦因數隨法向載荷和滑動直徑的關系。滑動直徑為6 mm時摩擦因數隨時間的變化曲線圖如圖4所示，滑動直徑為12 mm時摩擦因數隨時間的變化曲線圖如圖5所示，穩定狀態下摩擦因數隨法向載荷的變化曲線圖如圖6所示。

圖 4 滑動直徑為6 mm時摩擦因數隨時間變化Fig. 4 Variation of friction coefficient with time when sliding diameter is 6 mm

圖 5 滑動直徑為12 mm時摩擦因數隨時間變化Fig. 5 Variation of friction coefficient with time when sliding diameter is 12 mm

圖 6 穩定狀態下摩擦因數隨法向載荷變化Fig. 6 Variation of friction coefficient with normal load in stable state

由圖4可知，隨著時間的變化，4種法向載荷工況下，摩擦因數在大約500 s時達到穩定值，之后處于微小的波動狀態，在500 s之前摩擦因數一直處于波動狀態，此階段稱為跑合階段。由圖6可知，在摩擦因數達到穩定階段，將法向載荷由5 N增大到20 N過程中，摩擦因數隨法向載荷的增大而增大，滑動直徑為12 mm時的摩擦因數整體上大于滑動直徑為6 mm時的摩擦因數，在法向載荷為5 N時，差值較小，法向載荷為10～20 N時，差值較大。由圖5可知，滑動直徑為12 mm時的摩擦因數隨時間的變化規律與圖4基本一致。基于以上分析可知，當法向載荷較小時，滑動直徑對摩擦因數影響較小，當法向載荷較大時，影響較大。

3.2 磨損深度

為了避免初始的誤差，在后續的試驗選取50 s以后的試驗數據，且后續提取的磨損深度定義為最大磨損深度減去最小磨損深度的差值，測得法向載荷為5 N，10 N，15 N和20 N，滑動直徑為6 mm時的磨損深度隨時間的變化關系如圖7所示，滑動直徑為12 mm時的磨損深度隨時間的變化關系如圖8所示，穩定狀態下磨損深度隨法向載荷的變化關系如圖9所示。

圖 7 滑動直徑為6 mm時的磨損深度隨時間變化Fig. 7 Variation of penetration depth with time when sliding diameter is 6 mm

圖 8 滑動直徑為12 mm時的磨損深度隨時間變化Fig. 8 Variation of penetration depth with time when sliding diameter is 12 mm

圖 9 穩定狀態下的磨損深度隨法向載荷變化Fig. 9 Variation of penetration depth with normal load in stable state

由圖7和圖9可知，在滑動直徑為6 mm時，隨著法向載荷由5 N增大到10 N，磨損深度由15 μm增大到25 μm，隨著法向載荷增大到15 N時，磨損深度減小到14 μm，之后法向載荷繼續增大，磨損深度也隨之增大，在法向載荷為15 N時，磨損深度隨時間的變化波動比較明顯。由圖8和圖9可知，在滑動直徑為12 mm時，隨著法向載荷由5 N增大到15 N，磨損深度由5 μm增大到30 μm，之后法向載荷繼續增大，磨損深度隨之減小。由圖9分析可知，當法向載荷小于10 N時，滑動直徑為12 mm的磨損深度小于滑動直徑為6 mm的磨損深度，并且這種差值越來越小，隨著法向載荷的增大，滑動直徑為12 mm的磨損深度超過了滑動直徑為6 mm的磨損深度。之后滑動直徑為12 mm的磨損深度又隨之減小，滑動直徑為6 mm的磨損深度隨之增大，2種工況的磨損深度最終達到相同的值，但整體上，磨損深度隨法向載荷的增大而增大，隨滑動直徑的增大而減小。基于以上分析可知，當法向載荷較小時，滑動直徑對磨損深度有顯著影響，當法向載荷達到一定值時，滑動直徑的變化對磨損深度的影響很小。

3.3 試件溫度

滑動直徑為6 mm時試件溫度隨時間的變化關系如圖10所示，滑動直徑為12 mm時試件溫度隨時間的變化關系如圖11所示，穩定狀態下試件溫度隨法向載荷的變化關系如圖13所示。

圖 10 滑動直徑為6 mm時試件溫度隨時間變化Fig. 10 Variation of specimen temperature with time when sliding diameter is 6 mm

圖 11 滑動直徑為12 mm時試件溫度隨時間變化Fig. 11 Variation of specimen temperature with time when sliding diameter is 12 mm

圖 12 穩定狀態下試件溫度隨法向載荷變化Fig. 12 Variation of specimen temperature with normal load in stable state

由圖10可知，在法向載荷為5 N，10 N，15 N和20 N時，滑動直徑為6 mm時，試件溫度隨時間的變化越來越高，最后趨于穩定狀態。由圖11可知，法向載荷為5 N，10 N，15 N和20 N時，滑動直徑為12 mm時，試件溫度隨時間的變化規律與滑動直徑為6 mm時的基本一致。由圖12可知，滑動直徑為6 mm和12 mm時，穩定狀態下的試件溫度隨法向載荷的增大而增大，并且試件溫度與法向載荷成一定比例的線性關系，主要是因為隨著法向載荷的增大，試件表面的摩擦增大導致產生更多的熱量，進而溫度升高。對于統一試驗條件下，滑動直徑為6 mm時試件溫度低于滑動直徑為12 mm時的試件溫度，是因為相同的滑動距離下，滑動直徑為6 mm時滑動單位長度摩擦所用的時間為2倍，這樣將會有更多的時間將熱量帶走。基于以上分析，法向載荷對試件的溫度有正影響作用，滑動直徑對試件的溫度也有一定的影響，滑動直徑越大，溫度越高。

圖 13 磨損量隨法向載荷變化Fig. 13 Variation of wear loss with normal load

3.4 磨損量

試驗前后，通過電子秤來測量試件前后重量的變化，然后計算其磨損量，磨損量隨法向載荷的變化關系如圖13所示。

由圖13可知，滑動直徑為6 mm時，磨損量隨法向載荷的增大穩步增大；滑動直徑為12 mm時，磨損量隨法向載荷的增大而增大，當增大到10 N后，磨損量保持在一個波動狀態。在同等法向載荷下，滑動直徑為6 mm時的磨損量大于滑動直徑為12 mm時的磨損量，是因為同等滑動距離下，滑動直徑為6 mm時每單位長度的摩擦時間為2倍的滑動直徑為12 mm時的摩擦時間，小的滑動直徑會造成更嚴重的磨損，因此磨損量將會更大。滑動直徑較小時，法向載荷對磨損量具有顯著的影響。

為了研究K值與法向載荷和滑動直徑的關系，通過磨損量公式（2）將圖13的數值進行變化，其曲線圖如圖14所示。

圖 14 K值與法向載荷和滑動直徑關系Fig. 14 The relation of K value with normal load and sliding diameter

由圖14可知，滑動直徑為6 mm時的K值明顯大于滑動直徑為12 mm時的K值，并且2種滑動直徑下K值的變化有相似的趨勢，法向載荷小于10 N時，K值隨法向載荷的增大而增大，大于10 N后，隨法向載荷的增大而減小。滑動距離、滑動速度和法向載荷相同時，滑動直徑為6 mm時的K值比較大是因為有更嚴重的摩擦條件，從而表明小的滑動直徑下有更嚴重的磨損。

4 結 語

通過多功能圓球光盤摩擦試驗機，基于Archard磨損理論公式，開展了100Cr6軸承材料摩擦因數、磨損深度、試件溫度和磨損量等實驗，主要結論如下：

1）100Cr6軸承材料摩擦因數不是一個定值，而是在初始階段發生較大的波動，隨著時間的變化達到一定的穩定值，且隨著法向載荷和滑動直徑的增大而增大。當法向載荷較小時，滑動直徑對100Cr6軸承材料的摩擦因數影響較小，當法向載荷較大時，滑動直徑對摩擦因數影響較大。

2）100Cr6軸承材料的磨損深度隨法向載荷的增大而增大，隨滑動直徑的增大而減小。當法向載荷較小時，滑動直徑對100Cr6軸承材料的磨損深度有顯著的影響，當法向載荷達到一定的值后，法向載荷對100Cr6軸承材料磨損深度的影響越來越小。

3）100Cr6軸承材料的試件溫度隨法向載荷和滑動直徑的增大而增大，且試件溫度隨時間緩慢增大，并不會出現很大波動。在一定的滑動直徑下，試件溫度與法向載荷成一定比例的線性關系。

4）100Cr6軸承材料在法向載荷和滑動距離相同時，滑動直徑對磨損量有明顯的影響，滑動直徑越大，磨損量越小，當滑動直徑較小時，法向載荷對磨損量有明顯的影響；滑動距離、滑動速度和法向載荷相同時，滑動直徑為6 mm的K值大于滑動直徑為12 mm時的K值。