載荷與溫度對20CrMnTi合金鋼磨蝕行為的影響

摘要：【目的】鉆機動力頭中齒輪材料常選用20CrMnTi合金鋼，該材料硬度和耐磨性優異，被廣泛應用于制備各種傳動裝置中的關鍵零部件，如齒輪、軸承和傳動軸等。但由于鉆機動力頭在工作過程中常常需承受大的轉矩，且施工條件惡劣、服役工況復雜苛刻，需遭受各種復雜的磨蝕行為，久之必將影響其服役性能。掌握20CrMnTi合金鋼在實際服役過程中表面的磨蝕損傷失效機制就顯得十分重要。【方法】基于磨損試驗裝置和電化學腐蝕工作站，研究了20CrMnTi合金鋼在不同溫度（25 ℃/100 ℃）和載荷（35 N/55 N/75 N）工況下磨蝕界面的損傷行為和腐蝕動力學響應。【結果】試驗結果表明，磨損溫度及法向載荷的增大均會加劇材料的磨損，進而降低其表面的電化學腐蝕抗性；此外，20CrMnTi合金鋼的磨蝕損傷機制主要表現為磨粒磨損和疲勞剝落。

關鍵詞：20CrMnTi合金鋼；齒輪；溫度；載荷；電化學腐蝕

中圖分類號：TG14 DOI：10. 16578/j. issn. 1004. 2539. 2025. 01. 014

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隨著現代工業技術的不斷發展，齒輪變速箱在各種機械設備中發揮著重要的作用。在地質鉆探行業，動力頭作為鉆機的核心部件，用來輸出轉速和轉矩，從而帶動孔內鉆具旋轉，刻取巖心。其齒輪材料的選擇和性能優化對于其使用壽命、可靠性以及設備的整體性能具有決定性的影響[1-3]。20CrMnTi作為一種常見的變速箱齒輪材料，因其具有良好的強度、硬度、耐磨性以及抗疲勞性能，被廣泛應用于各種鉆機動力頭齒輪或其他變速箱齒輪的制造。然而，在實際應用中，鉆機動力頭齒輪的磨損行為受多種因素影響，如載荷、溫度、潤滑條件、使用工況等。因此，研究20CrMnTi在不同載荷和不同溫度下的磨損行為，對于優化齒輪變速箱的設計、提高設備效率和降低維護成本具有重要意義[4-6]。

為有效認知鉆機動力頭齒輪用20CrMnTi合金在不同工況下的損傷失效行為，國內外研究學者基于試驗、理論和數值模擬等研究手段，開展了大量的研究工作。黃友庭等[7]揭示了20CrMnTi鋼在滲硫處理后的摩擦磨損性能變化情況，結果表明，低溫電解滲硫能夠顯著提高20CrMnTi鋼的耐磨性能，降低摩擦因數，提高其使用壽命。馬君蓓等[8]通過疲勞裂紋擴展試驗和數值模擬，研究了20CrMnTi齒輪鋼的疲勞裂紋擴展行為，得出20CrMnTi齒輪鋼的疲勞裂紋擴展速率與應力強度因子幅度之間存在冪律關系。焦麗等[9]通過對20CrMnTi鋼凸輪軸表面的磨損失效研究發現，20CrMnTi的鋼凸輪軸表面磨損失效主要是由凸輪軸材料與凸輪襯套材料之間的摩擦腐蝕作用引起，且這種摩擦腐蝕作用會導致凸輪軸表面材料逐漸流失，進而影響發動機的性能和壽命。HU等[10]采用生物仿生的方法在20CrMnTi鋼表面制備了非光滑單元，研究發現，經過生物仿生處理的鋼表面具有較好的抗磨損性能，可顯著提高鋼的耐磨性和使用壽命。馬素娟等[11]通過試驗研究揭示了不同表面處理工藝對車用20CrMnTi鋼磨損行為的影響，試驗結果表明，滲碳處理工藝可有效提高20CrMnTi鋼的耐磨損性能。WANG 等[12]通過干摩擦磨損試驗和微觀結構分析的方法，研究了T10鋼對20CrMnTi鋼摩擦磨損過程中納米晶結構的形成及其對摩擦性能的影響，研究表明，納米晶結構的形成能夠提高材料的硬度和耐磨性能，降低摩擦因數，改善其摩擦學性能。賈森等[13]通過數值模擬和試驗驗證的方法，對磷化涂層表面改性齒輪的溫度場特性進行了研究，得出涂層表面改性齒輪能有效降低齒輪溫度的結論。總體而言，當前針對20CrMnTi合金鋼微動磨損行為的研究大多集中于利用不同的表面改性工藝來優化其磨蝕抗性；針對在實際服役過程中不同力學與環境因素對其損傷行為的影響機制研究還不夠深入。因此，揭示齒輪在不同工況下的磨蝕行為，對深度認知齒輪所用材料的損傷機制具有重要的指導價值。