蘇冰，張碩，楊伯原

(河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003)

軸承是當(dāng)今裝備制造業(yè)應(yīng)用最為廣泛的零部件之一，其工作原理相對(duì)簡(jiǎn)單，然而摩擦磨損機(jī)理卻尤為復(fù)雜[1-2]。GCr15鋼是目前應(yīng)用最為廣泛的高碳鉻軸承鋼，其合金含量較少，但卻具有較高的淬透性，熱處理后可獲得較高的硬度、均勻的組織、良好的耐磨性以及高的接觸疲勞性能[3-6]。多年來(lái)，GCr15鋼摩擦特性的研究受到很多學(xué)者的關(guān)注[7-9]。但有關(guān)GCr15鋼與不同偶件配副在不同工況下的摩擦學(xué)性能的研究卻很少報(bào)道。軸承在苛刻條件下或使用不當(dāng)?shù)那闆r下滾動(dòng)體出現(xiàn)打滑的現(xiàn)象非常普遍，因此，對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)研究非常重要，不僅可以為軸承失效分析提供依據(jù)，也可以更深入地了解普通軸承、混合陶瓷軸承的摩擦與潤(rùn)滑性能。

下文采用GCr15鋼盤(pán)分別與GCr15鋼球和Si3N4陶瓷球組成滑動(dòng)摩擦副，在干摩擦狀態(tài)和脂潤(rùn)滑條件下進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，以便從其摩擦因數(shù)、磨損量及磨痕表面微觀形貌等方面分析研究2種摩擦副的摩擦磨損特性，為研發(fā)高性能軸承提供數(shù)據(jù)支持。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用HSR-2M型往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，其主要由加載升降裝置(安裝鋼球或陶瓷球試樣)和往復(fù)裝置(安裝夾具和鋼盤(pán)試樣)構(gòu)成，如圖1a所示。由于試驗(yàn)涉及潤(rùn)滑工況，故自行設(shè)計(jì)和加工了如圖1b所示可盛裝潤(rùn)滑劑的夾具，其上壓片與底座為間隙配合。試驗(yàn)過(guò)程中將試樣、上壓片依次置于底座中，然后用螺栓將夾具固定于往復(fù)裝置的樣品臺(tái)上。

1—加載升降組件；2—曲軸連桿；3—裝球夾具；4—樣品臺(tái)；5—滑動(dòng)導(dǎo)軌；6—可變半徑曲軸；7—調(diào)整塊固定螺釘；8—電動(dòng)機(jī)

試驗(yàn)載荷、往復(fù)速度及試驗(yàn)周期等參數(shù)可以事先輸入到試驗(yàn)程序中，可自動(dòng)控制試驗(yàn)機(jī)完成試驗(yàn)工作。摩擦因數(shù)變化曲線(xiàn)在軟件界面上同步顯示，試驗(yàn)測(cè)得的磨損量為體積磨損量，由專(zhuān)用的測(cè)量組件對(duì)磨痕形貌進(jìn)行測(cè)量，并經(jīng)過(guò)軟件計(jì)算后得到。圖2所示為磨損量測(cè)量裝置簡(jiǎn)圖。

1—固定手柄；2—升降桿；3—傳感器支架；4—位移傳感器

1.2 試驗(yàn)方案

試樣盤(pán)為GCr15鋼盤(pán)，規(guī)格為φ30 mm×3 mm，熱處理后其硬度為61～64 HRC，試樣表面經(jīng)拋光后，表面粗糙度Ra=0.04 μm；試樣球?yàn)槭惺跥Cr15鋼球和Si3N4陶瓷球，直徑為6 mm；試驗(yàn)用脂為SKF公司生產(chǎn)的中低速重載潤(rùn)滑脂，型號(hào)為L(zhǎng)GHB2，該脂在中低速重載工況下具有良好的極壓性能。

摩擦磨損試驗(yàn)在室溫20 ℃環(huán)境中進(jìn)行，試驗(yàn)前試驗(yàn)機(jī)預(yù)熱15 min。試驗(yàn)中往復(fù)速度為0.05 m/s，往復(fù)長(zhǎng)度為10 mm；試驗(yàn)載荷為10，20和30 N，分別對(duì)應(yīng)的最大接觸應(yīng)力為1.35，1.71和1.96 GPa；試驗(yàn)時(shí)間分別為20，40和60 min；計(jì)算機(jī)采樣頻率為1 Hz。試驗(yàn)后用丙酮清洗鋼盤(pán)，并用磨損量測(cè)量裝置測(cè)量其磨損量；采用JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡觀察鋼盤(pán)表面的磨損狀況。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 GCr15鋼摩擦學(xué)特性分析

圖3給出了干摩擦狀態(tài)下鋼盤(pán)/鋼球和鋼盤(pán)/陶瓷球2種摩擦副的滑動(dòng)摩擦因數(shù)隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)。從中可以看出，在相同載荷下，鋼盤(pán)/陶瓷球的摩擦因數(shù)明顯小于鋼盤(pán)/鋼球。經(jīng)計(jì)算可知，在載荷分別為10，20和30 N時(shí)，鋼盤(pán)/鋼球的滑動(dòng)摩擦因數(shù)平均值分別為0.613，0.546和0.492，而鋼盤(pán)/陶瓷球的滑動(dòng)摩擦因數(shù)平均值分別為0.528，0.463和0.405，較前者分別降低了13.8%，15.2%和17.7%，說(shuō)明鋼盤(pán)/陶瓷球摩擦副具有一定的減摩性能。

圖4給出了脂潤(rùn)滑狀態(tài)下鋼盤(pán)/鋼球和鋼盤(pán)/陶瓷球2種配副的摩擦因數(shù)隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)。由圖可以看出，相同工況下(10和20 N)，鋼盤(pán)/鋼球、鋼盤(pán)/陶瓷球的摩擦因數(shù)相差不大。隨著載荷的增大,2種摩擦副的摩擦因數(shù)均逐漸減小。與干摩擦狀態(tài)相比，總體摩擦因數(shù)有所降低，且比較穩(wěn)定，波動(dòng)顯著減小。10和20 N載荷下，2種摩擦副的摩擦因數(shù)隨時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸增大是乏油潤(rùn)滑的正常表現(xiàn)。但由圖4b可以看出，當(dāng)載荷為30 N(接觸應(yīng)力為1.96 GPa)時(shí)，鋼盤(pán)/陶瓷球摩擦副大約于15 min后摩擦因數(shù)變得不穩(wěn)定，出現(xiàn)較大波動(dòng)。這表明較大載荷時(shí)鋼盤(pán)/陶瓷球摩擦副更容易發(fā)生磨損，這與2種材料的硬度、熱膨脹系數(shù)及熱效應(yīng)狀況等不同有關(guān)。

圖3 干摩擦下2種摩擦副滑動(dòng)摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化圖

2.2 磨損性能分析

表1列出了不同工況下試驗(yàn)1 h后鋼盤(pán)的磨損量，圖5所示為干摩擦狀態(tài)下鋼盤(pán)的磨損量隨時(shí)間的變化圖。

圖4 脂潤(rùn)滑時(shí)2種摩擦副滑動(dòng)摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化圖

表1 試驗(yàn)1 h后GCr15鋼盤(pán)的磨損量

綜合表1和圖5可知，潤(rùn)滑脂在一定程度上起到了良好的抗磨、減磨作用，降低了鋼盤(pán)的磨損量。鋼盤(pán)/陶瓷球摩擦副在試驗(yàn)進(jìn)行1 h后，鋼盤(pán)磨損量比鋼盤(pán)/鋼球摩擦副的大。這與GCr15和Si3N42種材料的物理性能，如硬度、熱膨脹系數(shù)以及2種摩擦副在摩擦過(guò)程中熱效應(yīng)狀況等不同有關(guān)。由圖5可知，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，鋼盤(pán)磨損量呈增大趨勢(shì)，然而其增加幅度(磨損率)卻逐漸減小，這是因?yàn)槟Σ粮北砻骈_(kāi)始摩擦?xí)r實(shí)際接觸峰點(diǎn)壓力很高，所以磨損劇烈，但當(dāng)摩擦副度過(guò)磨合階段進(jìn)入正常磨損階段后，其磨損量逐漸減小。

圖5 干摩擦?xí)r鋼盤(pán)磨損量隨時(shí)間的變化圖

2.3 磨損表面形貌分析

圖6給出了干摩擦狀態(tài)下載荷30 N、試驗(yàn)1 h后的鋼盤(pán)磨損表面SEM圖。由圖6a可以看出，摩擦副為鋼盤(pán)/鋼球時(shí)，鋼盤(pán)表面出現(xiàn)了褶皺和淺槽狀磨痕以及許多脫落的磨屑，這些均與磨粒磨損特征相符。而摩擦副為鋼盤(pán)/陶瓷球時(shí)(圖6b)，鋼盤(pán)表面出現(xiàn)了明顯的塑性流動(dòng)和較多的犁溝。由于陶瓷球具有較高的硬度，當(dāng)接觸應(yīng)力較大時(shí)，鋼盤(pán)表面被陶瓷球表面微凸峰切入后推擠，形成塑性變形和犁溝效應(yīng)。

圖6 干摩擦狀態(tài)下鋼盤(pán)磨損后的SEM圖

圖7給出了脂潤(rùn)滑下載荷30 N、試驗(yàn)1 h后2種摩擦副的鋼盤(pán)磨損表面的SEM圖。由圖7a可以看出，當(dāng)摩擦副為鋼盤(pán)/鋼球時(shí)，鋼盤(pán)表面僅出現(xiàn)了輾壓痕跡，幾乎沒(méi)有磨損。從圖7b可以看出，當(dāng)摩擦副為鋼盤(pán)/陶瓷球時(shí)，鋼盤(pán)磨痕明顯，且表面出現(xiàn)疲勞剝落現(xiàn)象。分析認(rèn)為，這是由于接觸應(yīng)力較大，以及摩擦面之間溫升較高，GCr15鋼的屈服極限和剪切強(qiáng)度下降，硬度較高的Si3N4陶瓷球切入鋼盤(pán)表面，在乏油狀態(tài)下致使鋼盤(pán)表面磨損，最終出現(xiàn)疲勞剝落。

圖7 脂潤(rùn)滑時(shí)鋼盤(pán)磨損后的SEM圖像

3 結(jié)論

(1)GCr15軸承鋼的滑動(dòng)摩擦因數(shù)隨載荷的增大而減小，磨損量隨時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增大，磨損率隨時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸降低。與GCr15鋼盤(pán)/GCr15鋼球摩擦副相比，GCr15鋼盤(pán)/Si3N4陶瓷球摩擦副具有較低的摩擦因數(shù)和較大的磨損量。

(2)干摩擦狀態(tài)下，摩擦副為鋼盤(pán)/鋼球時(shí)，鋼盤(pán)表面主要為磨粒磨損；而摩擦副為鋼盤(pán)/陶瓷球時(shí)，鋼盤(pán)表面存在明顯的塑性流動(dòng)和犁溝效應(yīng)。

(3)添加中低速重載潤(rùn)滑脂可以有效減小GCr15鋼的摩擦因數(shù)和磨損量。但當(dāng)接觸應(yīng)力較大時(shí)，鋼盤(pán)/陶瓷球摩擦副的磨損較嚴(yán)重，鋼盤(pán)表面出現(xiàn)了較明顯的疲勞剝落現(xiàn)象。