液壓泵用球墨鑄鐵材料的對比研究

張艷濤，陳宗斌，廖健，王迎春

(1.海軍工程大學振動與噪聲研究所，湖北武漢 430033；2.海軍工程大學，船舶振動噪聲國家重點實驗室，湖北武漢 430033)

0 前言

摩擦副良好的減摩耐磨性能可有效降低液壓泵泄漏、減少摩擦、提高工作壽命，國內外液壓泵研發廠家為了提高摩擦副的壽命，做了大量的研究工作。唐仁輝等在MD-320環盤摩擦試驗機上對ZQA19-4鋁鐵青銅/氮化的38CrMoAlA鋼摩擦副、自制BF銅合金/氮化的38CrMoAlA鋼摩擦副的摩擦特性進行了研究，結果表明自制BF銅合金減摩耐磨性能遠遠優于ZQA19-4鋁鐵青銅，可作為液壓泵殼體材料。焦素娟等在MM-200摩擦磨損試驗機上用環塊試驗法對5種不同的柱塞泵摩擦副配對材料進行摩擦特性研究，為柱塞泵摩擦副配對材料的確定提供了參考。LEE和HONG用自潤滑涂層材料CrSiN作為柱塞泵的摩擦材料，研究了其摩擦磨損性能，結果表明其涂層缸套可有效提高抗擦傷能力。MURRENHOFF團隊在活塞試驗機上進行了柱塞與柱塞套摩擦副的摩擦磨損試驗研究，試驗表明進行物理氣相淀積(Physical Vapor Deposition，PVD)表面涂層的摩擦副配對材料的抗磨性能明顯提高。姜繼海和高麗新運用往復式摩擦磨損試驗機，基于正交試驗法對軸向柱塞泵常用硬質材料(38CrMoAl、20CrMoTi、30CrMoVA)與軟質材料(HMn58-3、QA19-4、QT500-7)組成的摩擦副的磨損情況進行研究，根據摩擦因數和磨損量得出HMn58-3和20CrMoTi配合時摩擦副磨損情況最好。WU等研究了高壓噴涂WC-10Co-4Cr涂層和添加5%SiC的SiN摩擦副的摩擦學特性，設計了水下超高壓泵的材料匹配方案。

通過以上研究可知，由于優異的抗黏著磨損性能，目前液壓泵關鍵摩擦副常用硬基材與軟基材配對。但毛衛秀和龍光濤研究了柱塞泵關鍵摩擦副材料軟/硬匹配與軟/軟匹配的摩擦磨損性能，指出軟/硬匹配方案的材料磨粒磨損嚴重，減摩耐磨性能比軟/軟匹配方案差。球墨鑄鐵因良好的耐磨耐壓特性、機加工特性而被用作液壓泵材料。進口齒輪液壓泵的齒圈/殼體摩擦副、齒輪/殼體摩擦副、齒輪/齒圈摩擦副等關鍵摩擦副都使用了球墨鑄鐵自配對材料，并表現出良好的綜合性能。但國內現有球墨鑄鐵材料因硬度較低，通常作為摩擦副軟基材料。本文作者通過分析國外某液壓泵用球墨鑄鐵材料成分，制備出一種與之相近的國產球墨鑄鐵材料。通過試驗測試對比2種材料的減摩耐磨性能，觀察磨損表面形貌確定磨損機制；通過分析2種材料的機械性能、顯微結構與熱學性能，指出2種材料的差異，并分析原因以及對液壓泵性能產生的影響,為推動液壓泵基礎材料特性研究以及國內液壓泵的發展提供參考。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗用進口材料直接從某進口液壓泵泵體上取樣，主要元素成分如表1所示，國內無對應牌號。該球墨鑄鐵材料的含碳量小于3.4%，且由表1可知，硅含量大于碳含量，屬于高硅低碳型球墨鑄鐵，俗稱第二代球墨鑄鐵，充分利用硅元素的固溶強化作用，比常規球墨鑄鐵具有更高的抗拉強度、屈服強度等，更優的機械性能可使大部分厚壁鑄件減小壁厚、減輕質量；高硅含量能使鑄件的抗拉強度和硬度分布比較均勻，提高加工性能。球墨鑄鐵中的碳、硅含量還可以調整基體中鐵素體與珠光體體積分數。圖 1所示為鑄件體積/鑄件散熱表面積為0.79 cm時，球墨鑄鐵件中碳、硅含量與鐵素體體積分數的關系。可知：隨著碳、硅含量的降低，鐵素體體積分數降低，有利于提高材料的疲勞強度和減摩耐磨性能。基于進口球墨鑄鐵材料元素含量特點以及優異的綜合性能，保持硅碳比并提高硅碳元素含量，現制備出一種相近的球墨鑄鐵材料(QT400-18)，其元素成分如表 1所示。

表1 2種材料的主要化學成分的質量分數 單位：%

圖1 碳、硅含量對鐵素體體積分數的影響

1.2 試驗設備和原理

采用如圖 2(a)所示MRH-3G型環塊摩擦磨損試驗機進行環塊摩擦磨損試驗，試驗機包括驅動系統、加載系統和測試系統。圖 2(b)所示為試驗機的工作原理，驅動系統由伺服控制器、電動機、同步帶、傳力軸、下環件組成，電機由伺服控制器控制，轉速在一定范圍內無級調節；加載系統由電動機、施力杠桿等組成，電動機運動帶動傳力軸同步旋轉，使杠桿產生向上或向下的力，通過鉸接支座傳遞到安裝試塊的橫梁上，從而在試環與試塊之間產生壓力；測試系統主要由傳感器組成，測量加載力、摩擦力、溫度和速度。

摩擦副接觸形式為面接觸，圖 2(c)為環塊示意圖，圖 2(d)所示為試驗環塊實物。試環隨著電動機驅動的軸旋轉，試塊固定不動，試驗腔內充滿潤滑介質，由加載系統對摩擦副進行加載，試驗力可通過計算機控制系統進行預置、反饋，實現自動控制。摩擦力通過一個頂桿作用在摩擦力傳感器上，經過采集處理得到摩擦力數據。

圖2 環塊摩擦磨損試驗機

試驗用環件與塊件為2種材料的自配件，其中塊件外形尺寸為19.05 mm×12.32 mm×12.32 mm，與環件接觸部分凹陷，環件外徑尺寸為49.22 mm。利用1×10g精度的電子天平稱量磨損前后試樣的質量。試驗條件為油潤滑，所用潤滑油為HM46高壓抗磨液壓油，環境溫度為16～20 ℃。

試驗完成后用掃描電子顯微鏡觀察磨損表面形貌，并用能譜儀分析磨損表面成分。將試樣用線切割機加工成20 mm×20 mm的圓柱體金相試樣，采用HBE-3000A電子布氏硬度計測量材料的硬度。金相試樣采用4%的硝酸酒精腐蝕，用DMI8-C徠卡金相顯微鏡觀察2種材料的金相組織。用線切割機加工成12.6 mm×3 mm的圓柱片試樣，采用HFM436型導熱系數儀測量2種材料的導熱系數。用線切割機加工成6 mm×25 mm的圓柱體試樣，采用TMA402F3型熱機械分析儀測量2種材料的熱膨脹系數。

2 結果與討論

2.1 機械性能

圖3所示為2種材料的布氏硬度測量結果，國產材料與進口材料的平均硬度分別為183.1HBW、142.17HBW，國產材料的硬度提高了28.79%。如圖 4所示，碳含量提高會降低材料硬度，但硅對鐵素體有固溶強化作用，能提高鐵素體的硬度，并且在此元素配比下，硅元素對球墨鑄鐵材料硬度的影響強于碳元素，因此表現為國產材料的硬度更高。

圖3 試驗材料硬度

圖4 元素含量對球墨鑄鐵硬度的影響

圖5所示為2種材料的金相組織，2種材料的石墨大小等級同為6級，珠光體數量等級為10級，進口球墨鑄鐵的球化程度優于國產球墨鑄鐵。雖然2種材料珠光體占比相當，但是進口材料鐵素體含量明顯低于國產材料，這是因為通過碳、硅含量調整了基體中鐵素體與珠光體體積分數，提高了材料的摩擦磨損性能與熱性能。球化級別越高，材料的潤滑性能越好，越有利于提高摩擦副的減摩耐磨性能。

圖5 2種材料金相組織

2.2 熱性能

圖6所示為2種材料的導熱系數測試結果，進口球墨鑄鐵材料的導熱系數明顯大于國產材料。一般情況下，基體中鐵素體含量與碳元素含量越高，導熱系數越大，但是硅元素對導熱系數的降低作用更為顯著。國產材料的硅元素含量明顯高于進口材料，導致其導熱系數小于進口材料。高導熱系數有利于摩擦熱及時散發，減小材料熱應力，提高摩擦副的耐熱性能。熱膨脹系數主要影響摩擦副間隙，較小的熱膨脹系數有利于高溫下保持材料的高尺寸精度，保持潤滑油膜厚度，減小摩擦磨損。圖7所示為2種材料相對伸長量與溫度的關系，曲線斜率為熱膨脹系數。由圖7可計算出國產材料和進口材料的熱膨脹系數分別為1.238 29×10、1.259 51×10K，國產材料的熱膨脹系數降低了1.68%。溫度升高也會影響液壓泵的容積效率。圖8所示為TGC2800型齒輪泵在50 r/min轉速試驗條件下，空載容積效率與黏度的關系。試驗油溫為15～45 ℃，根據液壓油的黏溫特性，該潤滑油動力黏度由30 Pa·s降低到15.75 Pa·s，由圖8可知，泵容積效率將降低0.75%。

圖6 2種材料導熱系數

圖7 2種材料熱膨脹曲線 圖8 TGC2800齒輪泵空載容積效率ηv與黏度μ的關系

2.3 減摩耐磨性能及磨損形貌對比

以普通齒輪液壓泵的運轉工況為基礎，對2組材料進行摩擦磨損試驗。圖9所示為負載不變(450 N)，摩擦因數隨環件轉速的變化情況與環件轉速不變(1 000 r/min)時，摩擦因數隨負載的變化曲線。可知：2種材料在該試驗工況下摩擦因數相差不大，尤其定轉速試驗條件下，2種材料摩擦因數曲線重合。圖10所示為2種材料的磨損量。可知：相同試驗條件下國產材料磨損量明顯大于進口材料。

圖9 不同工況下的摩擦因數

圖10 2種材料磨損量

圖11所示為2種材料磨損表面的微觀形貌和能譜分析圖。由圖(a)(c)可以看出：2種材料磨損表面有大量沿滑動方向分布的犁溝和塑性變形產生的褶皺，同時存在材料剝落。結合圖(b)(d)中的能譜分析結果，該試驗條件下2種材料未發生氧化磨損，磨損機制主要為黏著磨損和磨粒磨損。這是因為初始轉速較低、載荷較小時，摩擦副兩表面的接觸峰點較少，磨損形式為黏著磨損，黏著結合點隨著表面的相對運動遭到破壞，材料發生表面轉移或產生表面剝落現象，形成磨粒，磨粒進入摩擦副中間，形成磨粒磨損，產生大量沿滑動方向分布的犁溝。

圖11 2種材料磨損表面的微觀形貌

滑動速度對摩擦力的影響主要取決于溫度狀況，摩擦副的發熱和溫度變化改變了材料表面層的性質以及摩擦過程中表面的相互作用和破壞條件，因而摩擦因數隨之變化。球墨鑄鐵的機械性質可在很寬的溫度范圍內保持不變，并且文中試驗溫度變化范圍較小(15～45 ℃)，未引起摩擦副表面層性質發生變化，摩擦因數幾乎不受滑動速度的影響。定負載條件下，隨著轉速的升高，試驗過程中出現摩擦振動現象，因此摩擦因數存在波動并且有上升趨勢。

載荷通過改變摩擦副接觸面積的大小和變形狀態影響摩擦力，當摩擦副表面是塑性接觸時，摩擦因數與載荷無關。該試驗摩擦副表面處于彈塑性接觸狀態，由于實際接觸面積與載荷的非線性關系，使摩擦因數隨著載荷的增加而降低。根據磨損機制，在試驗初期，該自配摩擦副主要是黏著磨損，而后產生材料剝落，磨粒進入摩擦副中間形成磨粒磨損。定轉速下，當載荷增加時，接觸面的間隙減小，從而使接觸面間的磨粒數量減少，導致在有限載荷范圍內，同轉速下摩擦因數隨載荷的增大而減小。

材料的耐磨性與其表面硬度有關，材料的硬度越高，磨粒在材料表面貫入度就比較淺，磨粒磨損對材料的刮傷程度就比較低。除此之外，材料中的高硬度碳化物可以阻礙磨粒對機體的刮削，對材料起保護作用。但試驗中硬度更高的國產材料磨損量明顯大于進口材料，尤其環件磨損量是進口材料的6倍。提高材料硬度能提高疲勞強度，但表面硬度過高會導致材料太脆，使其抗接觸疲勞破壞能力下降，這與一般硅系耐熱球墨鑄鐵的技術數據一致，硬度偏高，斷后伸長率低，存在脆性。并且國產球墨鑄鐵材料碳、硅含量較高，鐵素體體積分數高于進口材料，降低了材料的疲勞強度，從而使材料更容易產生疲勞破壞，加速了磨粒磨損進程。從材料的金相組織看，國產球墨鑄鐵材料的球化程度低于進口球墨鑄鐵材料，其潤滑性能較差。因此，國產材料磨損量明顯大于進口材料。

3 結論

本文作者使用高速摩擦磨損試驗機，研究了進口與自制球墨鑄鐵材料自配摩擦副的摩擦磨損性能，分析了元素含量、機械性能、基體成分、熱學性能等對其摩擦磨損性能的影響，得到如下結論：

(1)通過優化C、Si元素含量，制備出的國產球墨鑄鐵材料具有較高的硬度與較低的熱膨脹系數，硬度較進口材料提高了28.79%，熱膨脹系數降低了1.68%；

(2)球墨鑄鐵材料中Si、C元素含量比大于等于1時，能有效提高材料的機械性能，且隨Si、C元素含量的降低，基體中鐵素體體積分數減小；

(3)該摩擦磨損試驗條件下(一般齒輪液壓泵工作條件)，自配摩擦副主要發生黏著磨損與磨粒磨損，其耐磨性與材料硬度、疲勞強度、基體成分等有關，提高材料硬度可以提高其耐磨性，但硬度過高會導致材料接觸疲勞強度下降，不利于提高磨損性能；

(4)進口球墨鑄鐵材料的減摩耐磨性能略優于自制球墨鑄鐵材料，可以通過改善元素成分含量、提高球化程度等提高自制材料綜合性能。