李曉康, 丁立利, 吳勁鋒

(1.甘肅省機械科學研究院有限責任公司, 甘肅 蘭州 730030; 2.甘肅農業(yè)大學, 甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

動物的飼料加工和新型生物質燃料的制備需要將原材料加工成顆粒狀的物料，而環(huán)模制粒機是加工生產顆粒物料的核心機械，應用廣泛。環(huán)模為環(huán)模制粒機的關鍵部件，在加工生產中環(huán)模失效主要由磨損造成，在進行苜蓿草粉制粒時，環(huán)模的機械磨損大，壽命縮短嚴重，并且僅有壓制配合飼料時的1/4[1]。為了減少環(huán)模的更換次數(shù)，需對環(huán)模制粒系統(tǒng)的結構進行優(yōu)化設計，對環(huán)模的材料進行深入研究，以提高環(huán)模制粒機的工作效率和產品壽命。

在材料的相互磨損中，相互摩擦材料之間具有不同的硬度，故根據(jù)磨料和材料之間硬度比值的不同，將磨料磨損進一步分為三種類型，為軟磨料磨損、過渡型磨損以及硬磨料磨損和[2]。苜蓿草粉是一種植物磨料，對環(huán)模材料的磨損是一種軟磨料磨損[3]。目前國內外關于農業(yè)機械摩擦磨損性能的研究主要集中于土壤對金屬材料摩擦磨損性能的影響[4-8]，對于以植物材料為磨料的軟磨料磨損研究鮮有報道[9-12]。Richardson研究發(fā)現(xiàn)，磨料磨損過程中，磨料和材料之間的相對硬度會發(fā)生改變，少部分軟磨料的硬度會增加，甚至會超過材料的硬度，這時軟摩料磨損轉變?yōu)橛材チ夏p，加劇了磨損程度[13]。Wang Ning研究發(fā)現(xiàn)，在磨料磨損過程中，由于摩擦產生大量的熱量得不到及時發(fā)散，致使摩擦熱堆積在硬介質表面，使材料硬度下降，從而改變了材料硬度與磨料硬度的比值，將軟磨料磨損轉變?yōu)橛材チ夏p[14]。Rabinowicz通過試驗研究指出，軟磨料中存在著一定比例硬度較大的顆粒，并且硬質材料存在局部硬度較低的現(xiàn)象，在摩擦過程中，軟磨料中硬度較大的顆粒會對硬材料硬度較低區(qū)域產生嚴重磨損[15]。目前在生產中一般選用耐磨性較好的3Cr13、4Cr13、9SiCr等材料，將其作為環(huán)模選材，但成本較高，在實際生產過程中耐磨程度沒有達到預期效果[16-17]。

筆者選用與環(huán)模制粒工況相似的磨料磨損試驗機，以苜蓿草粉為磨料，對4種不同金屬進行磨料磨損試驗，通過對磨損后磨料的金相組織進行分析，探究苜蓿草粉對4種不同金屬材料的磨損機制，以期對環(huán)模的研發(fā)制造提供理論指導。

1 試驗材料與方法

1.1 材料與試驗設備

磨料選用甘農三號紫花苜蓿，金屬材料為HT200、9SiCr鋼、3Cr13鋼和45號鋼，試件規(guī)格為58 mm×25 mm×6.5 mm。

試驗設備：MLS-225型濕砂橡膠輪式磨料磨損試驗機、洛氏硬度計、電熱鼓風干燥箱、精度為0.1 mg的分析天平、JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡(SEM)。

1.2 試驗步驟及方法

使用洛氏硬度計分別測量4種試樣金屬試件的硬度，每個試樣金屬測量三個不同位置，取3點測量值的平均值作為該金屬的硬度值。磨料原料首先經粉碎機粉碎成指定規(guī)格大小，用分級篩進一步選取直徑為6.0 mm的磨料顆粒，通過干燥降低磨料含水率至6.0%。設置一磨程為10 000 ram，本次實驗總計5個磨程，本實驗通過控制因素水條件平相同對不同金屬材料進行磨損試驗。

所有試樣在實驗時應保證表面無雜質，故全部試樣在實驗前均采用浸入丙酮溶液中進行超聲清洗的操作，經過上述處理后將利用分析天平對試樣進行稱重并記錄，磨損實驗后再次稱重，磨損前后試樣的質量之差即為磨損失重，通過計算將磨損失重轉換為磨損體積。每一條件下進行3次重復實驗，取測量結果的平均值。試驗后清理試樣表面殘屑，用掃描電鏡(SEM)觀測金屬試樣的表面形貌，并分析探討不同磨損條件下苜蓿草粉對以上四種金屬材料的的磨損機制。

1.3 試驗指標

磨損試驗指標選取磨損率與磨損系數(shù)，分別通過式(1)、(2)計算：

(1)

(2)

式中：Q為磨損率，mm3/m；V為體積磨損，mm3；d為滑動距離，m；k為磨損系數(shù)，mm3/Nm；W為磨損試驗施加載荷，N。

2 試驗結果與分析

2.1 磨損特性分析

4種金屬材料的洛氏硬度如圖1所示。由圖可知4種材料的硬度由大到小依次為3Cr13>9SiCr>45#鋼>HT200，其中HT200的硬度遠遠低于于其它3種材料。

圖1 四種同金屬材料的硬度

圖2表示試并苜蓿草粉含水率為6.0%，驗載荷為250 N、轉速為200 r/min、物料粒度為6 mm時，苜蓿草粉對4種金屬材料磨損率與磨損系數(shù)影響的變化曲線。

圖2 四種金屬材料的磨損率與磨損系數(shù)

由圖可知，實驗中HT200的磨損程度最大，并且可以觀察到，根據(jù)磨損率與磨損系數(shù)的曲線，能夠將整個磨損過程劃分為三個階段：①磨損初始階段為滑動距離小于1 000 m，此階段磨損現(xiàn)象較為嚴重；②相對穩(wěn)定磨損階段，該階段摩擦磨損曲線呈線性變化；③激增磨損階段一般是當滑動距離大于4 000 m時發(fā)生的，磨損率和磨損系數(shù)都有不同程度的增加，該階段說明在摩擦磨損的過程中隨著材料磨損情況的改變化，改變了苜蓿草粉和HT200最初的磨損機制。通過實驗得出3Cr13的磨損率與磨損系數(shù)最小，抗耐磨性更好；9SiCr與45號鋼對苜蓿草粉的耐磨性較為接近，兩者磨損曲線相差較小，甚至在不同的磨損階段有所交叉。

結合4種材料的硬度進行分析得出：金屬材料抗苜蓿草粉的磨損性能與基本于材料的硬度呈正相關，但硬度明顯低于其它3種金屬材料的HT200，其磨損率與磨損系數(shù)均顯著高于其它3種金屬材料，同時3Cr13的硬度最高，具有最好的磨損性能。因此金屬材料的硬度與其耐植物磨料的磨損性能不完全呈正相關關系，以45號剛和9SiCr為例，45號鋼的硬度明顯低于9SiCr，但45鋼的磨損性能卻與9SiCr較為相似，甚至磨損后期隨著滑動距離的逐步增加45號鋼的耐磨性反而優(yōu)于9SiCr。說明金屬材料的耐磨性并非只取決于金屬的硬度(但通常硬度高的金屬材料具有較高的耐磨性)，還受到材料的一些其它力學特性(如接觸疲勞強度、斷裂韌性)的影響。此外，材料的顯微結構組織不同會導致硬度相近材料耐磨性出現(xiàn)較大差異。

2.2 磨損形貌分析

圖3表示不同金屬材料下的磨損形貌。通過電鏡觀察發(fā)現(xiàn)45號鋼的磨痕為較深的犁溝并有不同深度的鑿坑如圖3(a)所示，同時由于塑性變形犁溝兩側形成的犁脊并未被完全擠壓剝落，但在犁溝延伸方向上發(fā)現(xiàn)塑變疲勞剝落和脆化剝落的痕跡，同時磨損表面存在眾多淺而細劃痕。通過觀測可知，苜蓿草粉對45號鋼的磨損機制為顯微切削+粘著磨損(顯微切削+粘著磨損為主導機制)并結合機械拋光。

圖3 四種同金屬材料的磨損形貌圖

3Cr13的磨損形貌如圖3(b)所示，其磨痕形式較45號鋼有所差異，3Cr13的耐磨性能更好，其表面磨損程度明顯低于45號鋼。磨損表面平整，形成的淺而細的犁溝狀條紋，兩側塑變凸緣整齊，存在少量塊狀或條狀剝落但總體痕跡并不明顯。由于3Cr13的綜合機械性能優(yōu)于45號鋼，造成磨損時軟磨料作用下對3Cr13的碾壓和犁削效果小于45號鋼。因此粘著效果較弱，由此引起的疲勞剝落幾乎不可見，但3Cr13表面有較為明顯的淺細劃痕，說明軟膜料對3Cr13的機械拋光現(xiàn)象較為嚴重，因此其磨損的主導機制為機械拋光+顯微切削。

9SiCr的磨損形貌如圖3(c)所示。由于9SiCr具有良好的硬度和韌性，磨損表面主要呈現(xiàn)顯出由微切削造成的淺而細的磨痕形貌，并且基體組織中廣泛存在的碳化物質點均勻地分布于強韌的貝氏體基體中，進一步提高了摩擦表面金屬的硬度，減輕了磨料對基體的作用，因此犁皺較45號鋼少，從而由塑變疲勞脆化剝落引起的磨損程度降低。同時由于塑性流變現(xiàn)象較為嚴重，磨損的局部區(qū)域出現(xiàn)嚴重的碳化物剝落。顯微切削+粘著磨損為9SiCr的主要磨損機制。

HT200的磨損形貌如圖3(d)所示，由于苜蓿草粉磨料中存在的較硬顆粒，一定比例的硬顆粒對試件表面進行撞擊和鑿削，在金屬表面形成眾多大小不均的鑿坑，由于HT200的機械性大幅低于其它3種金屬材料，由于產生的眾多鑿坑及犁溝，在后續(xù)磨料反復作用下產生疲勞裂紋，這些裂紋會在與表面平行的兩端擴展，最后在裂紋接觸的兩端斷裂，造成鱗剝，材料呈片狀脫落，從而形成許多淺而大的凹坑，因此HT200的主導磨損機制為顯微切削+疲勞磨損。

3 結 論

為探討環(huán)模制粒機關鍵部件環(huán)模的磨損機理，本文以甘農三號紫花苜蓿為磨料，以濕砂橡膠輪磨料磨損試驗機模擬環(huán)模制粒機工況，對4種金屬材料進行磨料磨損試驗，研究結論如下：

(1) 在本試驗條件下, 4 種材料的磨損程度由小到大依次是 3Cr13 、9SiCr 、45號鋼、HT200。

(2) 苜蓿草粉磨料對45號鋼、9SiCr的磨損機制以顯微切削和粘著磨損為主；對3Cr13磨損機制以機械拋光+顯微切削為主；對HT200以顯微切削+疲勞磨損為主。

(3) 在本試驗條件下，材料的硬度、塑性、韌度和材料的顯微結構組織對金屬材料耐磨性有較大的影響，金屬硬度本身與耐磨性不成正比。