宋高昂,賀甜甜,劉建,杜三明,張永振

(1.河南科技大學(xué)，河南 洛陽 471003；2.高端軸承摩擦學(xué)技術(shù)與應(yīng)用國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471023)

軸承是機(jī)器順利運(yùn)行的關(guān)鍵基礎(chǔ)部件之一,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和尖端裝備等行業(yè)的驅(qū)動，軸承面臨一些極為苛刻的工況[1-4](摩擦副接觸面間潤滑狀態(tài)的改變，重載荷的交替等)，會使軸承處于干摩擦狀態(tài)，造成致命損傷。因此，提高軸承的摩擦學(xué)性能具有重要意義，也是近年來研究的熱點(diǎn)之一[5-8]。

許多學(xué)者對軸承材料的摩擦學(xué)問題做了相關(guān)研究：文獻(xiàn)[9]研究了M50鋼在高滑動速度下機(jī)油潤滑的摩擦磨損性能，結(jié)果表明油膜厚度和表面粗糙度的計(jì)算值是較好的失效指標(biāo)；文獻(xiàn)[10]探索了M50鋼摩擦件的磨損極限，并探討了不同滑動速度對磨損極限的影響，結(jié)果表明滑動速度為40 m/s時的損傷與滾動軸承內(nèi)滾道在打滑作用下的損傷相似；文獻(xiàn)[11]研究了在不同溫度下固體潤滑劑MoS2對M50鋼摩擦性能的影響，結(jié)果表明在350 ℃時MoS2有優(yōu)異的潤滑性能，但溫度(450 ℃)過高會降低潤滑效果；文獻(xiàn)[12] 計(jì)算了潤滑狀態(tài)改變時接觸表面的彈流壓力，分析了潤滑狀態(tài)對疲勞裂紋擴(kuò)展的影響，發(fā)現(xiàn)表面潤滑狀態(tài)改變時疲勞裂紋的擴(kuò)展方向也有明顯改變。

M50鋼具有良好的高溫耐磨性、高溫接觸疲勞強(qiáng)度和優(yōu)異的熱穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空主軸軸承中[13]。航空軸承在使用過程中可能會出現(xiàn)短時潤滑油斷供情況，本文通過模擬M50鋼的斷油狀態(tài)，對其在不同潤滑狀態(tài)下的摩擦學(xué)性能進(jìn)行對比分析，揭示其摩擦磨損機(jī)理。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

所用試驗(yàn)材料為M50鋼棒，主要化學(xué)成分見表1。使用電火花線切割機(jī)將M50鋼棒切成φ24 mm×8 mm的試樣，然后在真空熱處理爐中進(jìn)行熱處理，其工藝為850 ℃×40 min(預(yù)熱)+ 1 090 ℃×20 min(真空淬火)+550 ℃三次回火(每次2 h)。

表1 M50鋼主要化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

熱處理后的M50鋼微觀組織和X射線衍射(XRD)如圖1所示：回火后M50鋼的顯微組織由碳化物、馬氏體和殘留奧氏體(體積分?jǐn)?shù)為2.82%)組成；XRD圖譜中也能發(fā)現(xiàn)奧氏體、馬氏體的衍射峰。

圖1 熱處理后M50鋼的微觀組織和XRD圖譜

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)開始前用無水乙醇對試樣表面進(jìn)行超聲波清洗15 min去除雜質(zhì)，吹風(fēng)機(jī)吹干后在HL-R7000型重載往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)儀上進(jìn)行摩擦磨損性能試驗(yàn)，配副材料為直徑φ11.5 mm的GCr15鋼球，摩擦方式為球-盤點(diǎn)與面接觸。試驗(yàn)條件：載荷為300 N，溫度為25 ℃，往復(fù)距離為6 mm，往復(fù)速度為24 mm/s，振幅為6 mm，潤滑劑為4050#合成航空潤滑油。

試驗(yàn)開始時使用移液槍加注0.5 μL潤滑油至M50鋼表面, 試驗(yàn)過程中不再補(bǔ)充潤滑油，研究有油到無油的過程對M50鋼摩擦磨損性能的影響。因摩擦過程中油膜厚度不易測量，各潤滑階段由摩擦學(xué)原理書中摩擦因數(shù)的典型值[14](圖2)決定。試驗(yàn)中摩擦因數(shù)由摩擦磨損試驗(yàn)儀的主控計(jì)算機(jī)程序每2 s自動采集一個平均值。

圖2 摩擦因數(shù)典型值

磨損率計(jì)算公式為

ΔV=LΔA，

式中：w為磨損率， mm3·m-1； ΔV為磨損體積，mm3；A為三維形貌儀測得的3個不同M50鋼磨痕截面積的平均值，mm2；ΔA為M50鋼計(jì)算階段檢測點(diǎn)截面積的平均值減去上一階段檢測點(diǎn)截面積的平均值，mm2；L為磨損往復(fù)距離， mm；v為往復(fù)速度，mm/s；Δt為所測階段中檢測點(diǎn)的磨損時間減去上一階段檢測點(diǎn)對應(yīng)的磨損時間，s。

試驗(yàn)后用無水乙醇對試樣進(jìn)行超聲波清洗15 min去除磨屑和雜質(zhì)，吹風(fēng)機(jī)吹干后用Nanofocus AG型三維形貌輪廓儀、JSM-5610LV型掃描電鏡 (SEM) 和能譜儀 (EDS) 觀察試樣表面磨痕形貌，然后沿磨痕切開使用掃描電鏡觀察截面的組織演變，最后綜合試驗(yàn)結(jié)果對M50鋼的磨損機(jī)理進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 摩擦因數(shù)

當(dāng)載荷為300 N時，不同潤滑狀態(tài)下摩擦因數(shù)的變化如圖3所示：在潤滑狀態(tài)不斷改變的過程中，摩擦因數(shù)呈先穩(wěn)定后劇增再稍有下降最終趨于平穩(wěn)的趨勢，由摩擦因數(shù)的典型值(圖2)可將潤滑過程分為乏油、過渡、干摩擦初期和干摩擦穩(wěn)定階段。

圖3 載荷為300 N時不同潤滑狀態(tài)下的摩擦因數(shù)

試驗(yàn)開始時，摩擦副接觸面之間處于乏油潤滑狀態(tài)，互相接觸的點(diǎn)被一層油膜隔開，受到的阻力不大，摩擦因數(shù)相對較小，穩(wěn)定在0.08附近；隨著摩擦?xí)r間的延長，摩擦副接觸面間的油膜逐漸被破壞，接觸點(diǎn)的數(shù)目和尺寸增加，摩擦因數(shù)突增至0.38左右；一段時間后，大量磨屑聚積在摩擦副之間和氧化膜共同起到一定的減摩作用，使摩擦因數(shù)波動[15]；隨著摩擦?xí)r間的延長，磨屑持續(xù)增加且在法向載荷的作用下壓入摩擦副接觸面，使切向阻力和摩擦溫度增加，進(jìn)而使摩擦因數(shù)出現(xiàn)增大的趨勢；經(jīng)過一段時間的跑和后，新產(chǎn)生的磨屑溢出而不是被壓入基體中，摩擦副實(shí)際接觸面積逐漸趨于穩(wěn)定，最終摩擦因數(shù)在0.46上下波動。

當(dāng)載荷為300 N時，平均摩擦因數(shù)隨著潤滑狀態(tài)的改變而改變，由乏油潤滑時的0.08增大到干摩擦?xí)r的0.42，這是因?yàn)樵诟赡Σ習(xí)r磨損處幾乎無潤滑油存在，對磨球與M50鋼之間的實(shí)際接觸面積和表面粗糙度遠(yuǎn)大于乏油階段，相互阻礙運(yùn)動的程度加深，使摩擦力顯著增加，從而使摩擦因數(shù)增大[16]。

2.2 磨損率

當(dāng)載荷為300 N時，不同潤滑狀態(tài)下M50鋼磨痕的三維形貌和輪廓曲線如圖4所示，隨著摩擦的進(jìn)行，磨痕的深度和寬度呈上升趨勢。

當(dāng)載荷為300 N時，不同潤滑條件下M50鋼的磨損率如圖5所示，M50鋼的磨損率隨潤滑狀態(tài)的改變呈先增大后減小的趨勢：M50鋼在乏油時期磨損率最小(0.2×10-3mm3·m-1)，這是因?yàn)閷δッ姹痪哂蟹ㄏ虺休d能力的油膜隔開，極大程度地減小了摩擦阻力并增強(qiáng)了材料的耐磨性，降低了磨損；過渡階段磨損率開始增大，增大到1.0×10-3mm3·m-1，此時潤滑油得不到補(bǔ)充[17]，油膜被破壞且有少量摩擦熱產(chǎn)生，使?jié)櫥宛ざ冉档?，?dǎo)致潤滑效果下降；干摩擦初期，磨損率為摩擦過程中的最大值(3.9×10-3mm3· m-1)，且增加幅度大于乏油到過渡階段，這是由于干摩擦初期對磨面上覆蓋的油膜幾乎全部被破壞，對磨面間接觸點(diǎn)的尺寸和數(shù)目劇增，實(shí)際接觸面的面積大于上一階段；摩擦阻力是由對磨面之間微凸峰的互相阻礙引起的[18]，載荷不變，實(shí)際接觸面積增加導(dǎo)致摩擦阻力增加和磨損加劇[19]，同時，隨著摩擦程度的加劇，對磨面間的溫度升高使其塑性變形抗力降低，實(shí)際接觸面的面積增加并發(fā)生黏著，細(xì)微凸起之間在發(fā)生相對滑動時被撕裂，磨損進(jìn)一步加??；隨著磨損時間的延長，干摩擦穩(wěn)定階段的磨損率減小到1.3×10-3mm3·m-1，摩擦過程中磨痕的寬度和深度不斷增加導(dǎo)致接觸應(yīng)力略有下降，接觸點(diǎn)間的磨損和塑性形變導(dǎo)致材料表層出現(xiàn)加工硬化[19]使材料的強(qiáng)度、硬度有所提高，使磨損程度減輕。對干摩擦穩(wěn)定階段M50鋼磨痕的截面進(jìn)行硬度檢測并與磨損前的硬度進(jìn)行對比(圖6)，發(fā)現(xiàn)近表面處材料的硬化現(xiàn)象較為明顯，最高硬度比基體硬度提高了10%，進(jìn)一步提升了材料的耐磨性能[20-21]。

圖5 載荷為300 N時不同潤滑條件下M50鋼的磨損率

圖6 干摩擦穩(wěn)定階段和磨損前M50鋼的截面硬度

2.3 磨損機(jī)理

當(dāng)載荷為300 N時， M50鋼在不同潤滑條件下的磨損形貌如圖7所示， M50 鋼摩擦磨損后的能譜結(jié)果見表2。

圖7 載荷為300 N時不同潤滑條件下M50鋼的磨損形貌

表2 M50 鋼摩擦磨損后的能譜分析 (質(zhì)量分?jǐn)?shù))

乏油階段(圖7a)磨損表面經(jīng)歷了從相對平滑到有輕微切削痕跡產(chǎn)生的演變，這是磨粒磨損的典型表現(xiàn)。因?yàn)樵诜τ蜅l件下對磨面之間接觸點(diǎn)的尺寸和數(shù)目較少，摩擦行為會導(dǎo)致顆粒脫落并被壓進(jìn)摩擦表面，在切向力的作用下脫落的顆粒對表面產(chǎn)生切削和剪切作用從而存在輕微的犁溝現(xiàn)象，由表2(區(qū)域1)可知此時氧含量較低，磨損表面氧化不明顯。

在過渡階段和干摩擦初期(圖7b、圖7c)，磨損區(qū)域存在剝落坑和裂紋，這是因?yàn)閷δッ嬷g的油量不斷減少導(dǎo)致更多的磨粒直接與試樣表面接觸，隨著滑動摩擦的進(jìn)行，磨粒一部分被壓入材料表面，另一部分被運(yùn)送到磨痕邊沿形成磨屑。摩擦表面受到磨粒的壓入而產(chǎn)生壓痕和裂紋，然后在循環(huán)接觸應(yīng)力的作用下表面出現(xiàn)鱗片狀的剝落。通過能譜分析可知此時氧含量明顯增加(表2中區(qū)域2和3)，磨損表面已經(jīng)出現(xiàn)了明顯氧化。

在干摩擦穩(wěn)定階段(圖7d)，磨損表面氧化磨損與黏著磨損加劇。這是因?yàn)榇藭r已經(jīng)進(jìn)入干摩擦穩(wěn)定階段，大量摩擦熱的產(chǎn)生導(dǎo)致接觸面的溫度急劇升高，使材料軟化，黏著磨損加劇，剝落減輕。由能譜分析可知，此時的磨損區(qū)域氧含量再次增加，磨損處有大量氧化物堆積，在相對滑動的過程中連續(xù)氧化膜的不斷形成使磨損程度相對干摩擦初期減弱。

2.4 磨損后截面組織演變

不同潤滑狀態(tài)下沿M50鋼磨痕垂直方向剖開后的截面組織形貌如圖8所示。由圖8可知，隨著潤滑狀態(tài)的改變M50鋼磨痕截面會形成塑性變形區(qū)域，從乏油到干摩擦階段，變形區(qū)域的厚度隨著潤滑狀態(tài)的改變而變化：乏油階段時對磨面被一層潤滑膜隔開，起到較好的潤滑效果，試樣表面與對磨球之間微凸峰相互阻礙作用不大，塑性變形程度較小，摩擦力也不大，僅表層1.1 μm厚度內(nèi)出現(xiàn)了塑性變形層(圖8a)，此時為整個摩擦過程中耐磨性最好的階段；過渡階段的油膜變薄，對磨面間接觸點(diǎn)的尺寸和數(shù)量快速增加，實(shí)際接觸面積增加，晶粒在摩擦剪切力和正壓力的作用下變形程度加深，變形層厚度為7.5 μm(圖8b)；延長摩擦?xí)r間到干摩擦初期時油膜幾乎完全消失，潤滑狀態(tài)突變，M50鋼與對磨球直接接觸，實(shí)際接觸點(diǎn)所受壓力達(dá)到整個摩擦過程中的頂峰，摩擦力明顯增加并伴隨有摩擦熱的產(chǎn)生，變形層厚度最大為18.1 μm(圖8c)，嚴(yán)重的塑性變形和大量位錯塞積導(dǎo)致有明顯的裂紋產(chǎn)生；干摩擦穩(wěn)定階段變形層厚度反而下降到8.3 μm(圖8d)，這是由于隨著摩擦力的增加和摩擦?xí)r間的延長，一部分碎化區(qū)域被磨掉，導(dǎo)致變形層厚度的下降。這也印證了文獻(xiàn)[22-24]的相關(guān)結(jié)論。

3 結(jié)論

對M50鋼進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

1)隨著潤滑的狀態(tài)改變(乏油潤滑→干摩擦)摩擦因數(shù)發(fā)生突變，平均摩擦因數(shù)從乏油階段的0.08增加至干摩擦穩(wěn)定階段的0.42，磨損率總體呈先增大后減小的趨勢;

2) 當(dāng)載荷為300 N時，乏油階段主要以磨粒磨損為主，過渡階段和干摩擦初期主要以氧化磨損和黏著磨損為主，隨著磨損時間延長氧化磨損和黏著磨損加劇;

3) M50鋼從乏油階段到干摩擦階段，表面磨損逐步加劇，磨損后磨痕截面會形成塑性變形區(qū)域且在干摩擦初期出現(xiàn)裂紋，塑性變形程度隨潤滑狀態(tài)的改變而改變。