王小飛

(河南工業(yè)貿易職業(yè)學院機電工程系,河南鄭州 450002)

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等徑角轉角擠壓處理GCr15鋼摩擦磨損機制研究

王小飛

(河南工業(yè)貿易職業(yè)學院機電工程系,河南鄭州 450002)

對經ECAE處理的GCr15鋼進行摩擦磨損機制分析,發(fā)現晶粒顯著細化，磨粒尺寸隨之減小，這樣兩接觸摩擦表面間的磨粒壓入軟基體的深度也降低了，摩擦磨損過程中摩擦表面磨損體積減小就會使試樣的磨損量顯著減小，從而使GCr15鋼試樣的耐磨性能大大提高。

GCr15鋼；摩擦磨損機制； 等徑角轉角擠壓

0　引言

GCr15鋼具有優(yōu)異的摩擦磨損性能，是一種理想的摩擦材料，廣泛應用于機械制造、鐵路運輸、汽車制造、國防工業(yè)等領域。試樣在摩擦磨損過程中摩擦系統(tǒng)中內、外部多種因素包括材料的微觀組織、硬度、載荷、滑動速度、退火等對GCr15鋼的摩擦學性能產生一定的影響。通過分析GCr15鋼的摩擦學性能的影響規(guī)律及作用機制的影響因素來豐富和發(fā)展金屬合金材料的摩擦學理論。

通過觀察分析GCr15鋼試樣經高溫ECAE工藝處理前后磨損表面的顯微照片，闡述了GCr15鋼試樣的摩擦磨損作用機制，說明了試樣經高溫ECAE工藝處理后隨著載荷、滑動速度、退火等方面變化從而影響GCr15鋼摩擦學性能的作用機制，得到了GCr15鋼試樣摩擦磨損性能經高溫ECAE工藝處理后顯著提高的作用機制。

1　GCr15鋼試樣經ECAE處理后的摩擦學性能

1.1ECAE處理后GCr15鋼摩擦學性能的主要影響因素

GCr15鋼的摩擦學性能不僅與GCr15鋼自身的性質有關，而且載荷、速度、摩擦副的匹配等工況條件與之也有密切的關系。圖1顯示出了影響GCr15鋼試樣的摩擦學性能各個主要因素。

1.2GCr15鋼的磨損特征

通過分析GCr15鋼試樣表面磨損形貌(如圖2所示)可以知道：在整個摩擦磨損實驗過程中，GCr15鋼試樣主要存在磨粒磨損、粘著磨損兩種磨損形式。這兩種磨損形式在GCr15鋼試樣的磨損過程中同時存在，但是隨著試驗條件各方面影響因素的變化，兩種磨損形式的出現程度也有所差異。

GCr15鋼對磨時，剛開始主要是由磨粒磨損。外界硬質顆粒或硬表面的微峰在摩擦副對偶表面相對運動過程中引起表面擦傷與表面材料脫落的現象，稱為磨粒磨損。其特征是在摩擦副對偶表面沿滑動方向形成劃痕。在GCr15鋼試樣摩擦磨損過程中，磨粒磨損的磨粒是硬度很高的硬質顆粒，主要是由粘著磨損形成的磨屑在摩擦面間反復碾壓硬化而形成的，接著還有第二相從試樣組織中脫落而來的。試樣由于沒有經過ECAE擠壓處理所以其強度較低，并且脫落下來的第二相顆粒也比較粗大，粗大顆粒在磨損過程中對其磨損表面容易產生較寬較深的犁溝；但是當試樣經過ECAE擠壓處理后，摩擦接觸表面不容易發(fā)生剝落，并且脫落的第二相顆粒也較小，這樣就出現犁溝深度與寬度與擠壓前相比均明顯減小現象。

隨著磨損的繼續(xù)，出現了粘著磨損。粘著磨損又稱咬合磨損，它是指滑動摩擦時摩擦副接觸面局部發(fā)生金屬粘著，在隨后相對滑動中粘著處被破壞，有金屬屑粒從零件表面被拉拽下來或零件表面被擦傷的一種磨損形式。在干摩擦條件下，由于 GCr15鋼試樣與摩擦幅表面接觸兩表面不平整，所以兩接觸表面之間發(fā)生的是點接觸。這樣隨著兩者之間相對滑動和對試樣表面施加高載荷，導致了在試樣接觸點處產生塑性變形或剪切變形，但是由于壓強過大，容易在接觸表面產生粘著磨損。GCr15鋼試樣由于未經ECAE擠壓處理所以自身強度較低，在進行摩擦磨損時容易產生磨粒，當試樣受到的載荷增大，試樣表面磨粒數量就會增多，這樣磨粒數量多并在載荷作用下就會對GCr15鋼試樣表面產生犁削作用，從而加劇了試樣表層的剝落。所以，GCr15鋼試樣未進行擠壓處理其磨損形式表現為嚴重的磨粒磨損及粘著磨損。GCr15鋼試樣經ECAE擠壓處理后組織明顯地被細化，從而顯著提高了GCr15鋼試樣的屈服強度及硬度，這樣GCr15鋼在磨損過程中不容易產生大量磨粒，磨粒減少了，那么試樣的耐磨性能就提高了。

2　GCr15鋼經ECAE擠壓摩擦磨損性能影響的作用機制

2.1晶粒細化對GCr15鋼試樣摩擦磨損性能影響的作用機制

GCr15鋼試樣在磨損過程中由于應力低所以首先發(fā)生彈性變形，但是當試樣受到的應力超過試樣的屈服強度時，試樣就開始出現塑性變形。試樣在外力作用下在滑移面上發(fā)生滑動變形時，當移動變形到與鄰近晶粒接觸時，滑移線由于在一般情況下不穿越晶界就會在晶界附近終止，這樣就會導致在試樣的晶界附近發(fā)生的塑性變形受到阻礙，從而在晶界附近產生較高的集中應力。當試樣的應力集中區(qū)域所積累的應變能足夠大到破壞原子結合鍵時，就會在應力集中區(qū)域產生裂紋生核。試樣裂紋在循環(huán)變形應力的作用下隨著磨損過程的進行開始逐漸長大、剝落，結果就出現了GCr15鋼試樣摩擦磨損。試樣在摩擦過程中出現了滯留在摩擦副間剝落的磨粒，這些顆粒使得摩擦副間的運動阻力提高了，從而加重試樣的磨粒磨損。

由Hall-Petch公式可知：一方面，晶粒細化可以使試樣的屈服強度提高，屈服強度提高就使試樣產生滑移變形的臨界應力增大，也就使試樣抵抗塑性變形的能力增強了，這樣塑性變形程度減輕了，從而降低了應力集中區(qū)域的應力集中，裂紋產生的概率也就減小了,由此試樣的耐磨性提高了；另一方面，晶粒細化也使試樣的硬度提高了，從而提高了試樣抵抗變形的能力，這樣試樣接觸表面微凸體的犁溝作用就會減弱，從而減輕了試樣磨粒磨損程度。

試樣經高溫ECAE工藝后其微觀組織顯著細化了，晶粒細化與屈服強度之間關系可用Hall-Petch關系式(1)來說明：

σs=σ0+kd-1/2

(1)

式中：σs為屈服強度,σ0為常數,k為晶界對強度影響程度系數,d為晶粒直徑。

試樣的晶粒越細小，晶粒數目就越多，晶界面積就越大。并且晶界兩邊的晶粒走向完全不相同且無規(guī)則可言，同時由于晶界是原子排列面缺陷，所以當一個晶粒穿過晶界進入另一個晶粒發(fā)生塑性形變時，由于晶界處存在大的阻力，晶粒在晶界處受阻穿過就比較困難；另一方面，晶粒穿過晶界后需改變滑移方向。這種既要穿過晶界又要改變方向的形變與晶內的形變相比將要消耗的能量很大，所以晶界面積增加也將使試樣的強度得到提高。由此可知晶粒細化提高了試樣的屈服強度。

GCr15鋼試樣經高溫ECAE工藝處理后微觀組織比處理前了細小，GCr15鋼試樣屈服強度和硬度較未經ECAE擠壓處理提高了，這也說明了經ECAE工藝處理后的GCr15鋼試樣組織發(fā)生了細化，試樣產生滑移變形的臨界應力和抵抗塑性變形能力也提高了，結果就使裂紋產生的概率減小了,從根本上使試樣的耐磨性提高了。

2.2顯微硬度對GCr15鋼摩擦學性能影響的作用機制

由于試樣與對偶件兩個表面由許多不同形狀的微凸峰和凹谷組成，均具有一定的粗糙度，所以當GCr15鋼表面與對偶件表面接觸時實際接觸面積很小。由于凸峰和凹谷存在相接觸兩個粗糙表面出現彈性塑性兩種變形，峰點較高時接觸面產生塑性變形，峰點較低時產生彈性變形。兩個表面摩擦時由于受到的載荷增加導致兩表面法向載荷增大，也就導致出現塑性變形的峰點數相應增加，即加劇了塑性變形。

GCr15鋼試樣未經ECAE擠壓處理時硬度相對較低，所以GCr15鋼試樣抵抗塑性變形的能力相對較弱，這樣試樣在外力作用下容易發(fā)生滑移而產生塑性變形。但是試樣經高溫ECAE工藝處理后硬度相對處理前明顯提高了，硬度的提高就增強了GCr15鋼試樣抵抗塑性變形的能力，對偶件對GCr15鋼試樣表面的犁削磨損作用也就減輕，這樣試樣的摩擦磨損性能就得到了提高。而且GCr15鋼硬度的提高使其抵抗塑性變形的能力增強和滑移臨界應力提高，這就對其試樣的耐磨性提高起到了很大的作用。

2.3第二相脫落形成的磨粒對GCr15鋼摩擦學性能影響的作用機制

GCr15鋼中第二相的大小與分布對GCr15鋼的磨損性能有著重要影響。GCr15鋼試樣未進行ECAE擠壓時第二相為粗大顆粒。由于第二相晶粒粗大尺寸較大，在磨損過程中，GCr15鋼試樣在摩擦力作用下容易在其表面形成較大的應力，導致在晶界處產生裂紋；裂紋產生容易使第二相出現脆性斷裂，由于相對較軟基體組織對第二相不能起到有效的鑲嵌與保護作用，所以GCr15鋼試樣第二相很容易從軟基體中脫落下來形成磨粒。因為脫落的第二相磨粒尺寸較大，這樣在接觸表面容易造成較嚴重的磨粒磨損。但是試樣經ECAE擠壓后第二相尺寸明顯減小，細小的第二相顆粒彌散分布于基體之中，在摩擦力作用下細小的第二相在試樣表面形成的應力場較小，所以在晶界處不易產生裂紋，軟基體對第二相可以起到很好的鑲嵌與保護作用，這樣試樣中第二相不容易從中脫落下來。而且彌散分布的第二相對試樣也起到了表面強化作用，從而使GCr15鋼試樣的強度及承載能力得到提高，這樣就減少了磨損時試樣表面剝落也就減少了磨粒數量，接觸處磨粒磨損也就減輕，因此試樣的摩擦學性能得到提高。

3　載荷和滑動速度對GCr15鋼摩擦學性能影響的作用機制

兩接觸摩擦副表面溫度、材料表面狀況及性能和摩擦副材料的滑移等狀況都受GCr15鋼試樣摩擦載荷和滑動速度的變化而變化，這種變化也會使 GCr15鋼試樣的磨損量發(fā)生變化(如圖3所示)，在干摩擦條件下這種變化表現得尤為顯著。

首先，影響GCr15鋼試樣表面磨損的一個重要因素是受到的載荷，因為兩接觸摩擦表面實際接觸面積的大小將隨載荷的大小變化而變化，并且載荷大小還直接對摩擦和磨損過程中接觸摩擦表面的表面層厚度以及磨損的進程產生一定影響。當GCr15鋼試樣表面受到載荷較低時，摩擦時實際接觸面積較小，其磨損表面所承受壓強也較小，這時試樣摩擦因數也就較小。并且試樣磨損表面受到低載荷時，在摩擦磨損過程中受到的摩擦力也就較小，較小的摩擦力不容易造成試樣表層的剝落，從而也就使試樣中的磨粒磨損程度降低了。但是當試樣受到的載荷增加時，在摩擦磨損過程中GCr15鋼試樣實際接觸面積與接觸的微凸體數量隨之增加，這就導致接觸面間的摩擦因數增加。當受到的載荷較大時，在摩擦磨損過程中發(fā)生劇烈的塑性變形，使其摩擦表面損傷嚴重，摩擦面的剝落面積及剝層厚度隨之增大，這樣就使試樣出現的磨粒數量增加。隨著載荷的增加，剝落的磨粒壓入GCr15鋼試樣表面的深度也隨之增大，最后出現試樣加劇磨損。

接著，影響GCr15鋼試樣磨損另外一個重要因素是滑動速度。因為當滑動速度發(fā)生改變時可以使試樣摩擦表面層在摩擦時變形速度發(fā)生改變，因摩擦而產生的溫度也因此而改變。GCr15鋼磨損過程中產生的摩擦熱隨著滑動速度的增加而增加，導致摩擦副表面溫度升高。當摩擦副表面溫度升高到一定程度時，GCr15鋼試樣接觸表層就會出現軟化，這樣試樣抵抗剪切變形的能力也就下降，從而加劇了GCr15鋼粘著磨損發(fā)生和材料的轉移，磨損量上升。同時，磨損表面磨粒剝落的概率隨磨損表面塑性變形的加劇而增加，這樣試樣磨損量也就隨著GCr15鋼磨粒磨損增多而增多。

4　退火處理對GCr15鋼摩擦學性能影響的作用機制

經ECAE熱擠壓處理后，隨著退火溫度變化，GCr15鋼試樣的微觀組織形態(tài)及力學性能也隨之發(fā)生變化，導致試樣的摩擦學性能也發(fā)生變化。GCr15鋼試樣內部組織經500 ℃退火處理后僅部分發(fā)生了回復，試樣內部應力消除了，此時試樣摩擦表面的硬度相對有所降低，導致GCr15鋼試樣容易產生塑性變形。這種塑性變形使其在磨粒作用下容易在磨損表面產生犁削，GCr15鋼試樣摩擦因數和磨損量也隨之增加，試樣表面犁溝數量相對增加。GCr15鋼試樣經過600 ℃退火處理后發(fā)生了再結晶,試樣的微觀組織由于再結晶完而出現了進一步細化，并且試樣內部由于第二相分布均勻，對試樣起到了彌散強化的作用，也就使試樣的強度及硬度提高了，進而提高了GCr15鋼的摩擦學性能；GCr15鋼試樣經過700 ℃退火處理后內部晶粒出現了長大，這種現象削弱了ECAE熱擠壓對GCr15鋼晶粒細化的效果，試樣的硬度及屈服強度也就隨之降低了，因此GCr15鋼表面的剝落加劇了，造成摩擦因數和磨損量的增加，GCr15鋼試樣因此而出現的磨粒磨損比較嚴重。

5　結論

研究了GCr15鋼試樣的摩擦磨損性能因ECAE熱擠壓工藝而提高的作用機制，分析了GCr15鋼試樣的摩擦學性能受ECAE熱擠壓工藝、載荷和滑動速度、退火溫度等因素影響的作用機制，由此得到以下結論：

(1)GCr15鋼試樣經ECAE熱擠壓處理后顯觀組織顯著細化了，其屈服強度和硬度顯著提高了，磨損過程中裂紋產生的概率減小了，摩擦表面間的磨粒對試樣表面的犁削作用也就減弱了，所以試樣的磨粒磨損和表面疲勞磨損兩種磨損形式出現程度降低，最終GCr15鋼的摩擦學性能提高了。

(2)GCr15鋼試樣在摩擦磨損過程中主要有磨粒磨損、粘著磨損和表面疲勞磨損3種磨損形式，隨著實驗條件及試驗參數的變化，這3種磨損形式呈現程度也有差異。

(3)GCr15鋼試樣經ECAE熱擠壓后晶粒顯著細化，磨粒尺寸隨之減小，這樣兩接觸摩擦表面間的磨粒壓入軟基體的深度也就降低了，摩擦磨損過程中摩擦表面磨損體積減小，因此

試樣的磨損量顯著減小，從而使GCr15鋼試樣的耐磨性能大大提高。

【1】丁劍,張荻，閻廷，等.深冷處理工藝參數對GCr15鋼相對耐磨性的影響[J].熱加工工藝,2002(6)：3-6.

【2】鄒湘軍,婁燕，石世宏，等.GCr15 鋼藥物沖頭的磨損和工藝改進[J].金屬熱處理,2002,27(5)：50-52.

【3】劉世敏,張家鈺.表面處理對GCr15鋼耐磨性的影響[J].中國紡織大學學報,1999,25(6)：91-93.

【4】丁紅燕,章躍，周廣宏.GCr15 鋼過飽和碳氮共滲工藝及應用研究[J].機械工程材料,1999,23(1)：30-32.

【5】王和好，張光勝，趙建平.N+注入GCr15鋼摩擦磨損性能研究[J].安徽機電學院學報,2000,15(4)：35-40.

【6】許越,張勇,趙連城.稀土滲碳對GCr15鋼激光熔凝層摩擦行為的作用[J].材料科學與工藝，2004，12(2)：153-155.

【7】高彩橋.摩擦金屬學[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社,1988：15.

Research on Friction and Wear Mechanism of Steel GCr15 by Equal Channel Angular Extrusion

WANG Xiaofei

(The Desect1ment of Electrical Engineering,Henan Industry & Trade Vocational College，Zhengzhou Henan 450002,China)

Friction wear mechanism analysis was made for GCr15 steel which was processed by equal channel angular extrusion (ECAE).It is found that the grain is refined significantly, mill grain size is also reduced, so the depth of mill grain pressing into soft matrix between two contact friction surfaces is reduced; in the friction wear process, the reduction of wear volume on friction surface makes wear volume reduce significantly,so wear performance of GCr15 steel is improved greatly.

Steel GCr15; Friction and wear mechanism; Equal channel angular extrusion (ECAE)

2014-11-19

王小飛(1980—)，男，講師，主要研究方向為自動化裝備關鍵技術與制造。E-mail:651314910@qq.com。