楊晨星，劉匯河，劉振威，董小波，王 超

(1.洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471039； 2.航空精密軸承國家重點實驗室，河南 洛陽 471039)

軸承鋼通常用來制作軸承內圈、外圈和滾珠，要求其具有很高的表面硬度、抗疲勞性和耐磨性[1-2]。磨損是軸承鋼失效的主要方式之一，在機械部件中由于摩擦磨損引起構件擦傷、打滑等導致接觸表面破壞，從而使軸承零件使用壽命顯著降低[3-4]。其中，GCr15軸承鋼因其合金成分低、熱處理工藝簡單、硬度高和耐磨性好等優(yōu)點被廣泛應用[5-8]。軸承在工作環(huán)境下內外圈和滾珠相互接觸而產生摩擦，磨損是摩擦過程中產生的必然結果，據(jù)統(tǒng)計，機械零件失效中磨損失效占60%～80%。因而，研究磨損機理具有重大的意義[9-10]。

本文通過GCr15鋼球和GCr15鋼盤組成旋轉摩擦副，在干摩擦狀態(tài)下進行不同荷載的摩擦磨損試驗，從摩擦系數(shù)、磨損率和磨痕形貌等方面分析試驗鋼的摩擦磨損特性，為其應用提供理論依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料與制備

試驗所用的上摩擦副和下摩擦副均為GCr15鋼，其中上摩擦副鋼球φ9.524 mm，化學成分見表1。試驗鋼采用電渣重熔工藝冶煉，鑄錠在800～1130 ℃鍛造，霧冷至室溫。熱處理工藝為：845 ℃×30 min淬火，油冷，165 ℃×4 h回火，空冷，硬度為61～63 HRC，回火后的組織為回火馬氏體、均勻彌散析出的碳化物和殘余奧氏體，平均晶粒尺寸10.1 μm，見圖1。

表1 GCr15軸承鋼的化學成分(質量分數(shù)，%)Table 1 Chemical composition of GCr15 bearing steel(mass fraction，%)

(a)OM；(b)SEM；(c)晶粒圖1 GCr15軸承鋼微觀形貌(a)OM；(b)SEM；(c)crystalline grainFig.1 Microstructure of GCr15 bearing steel

1.2 試驗方法

將淬、回火后試驗鋼加工成φ70 mm×6.35 mm的圓盤。對試樣表面磨拋，采用Hommel nanoscan 855納米級粗糙度輪廓儀對表面粗糙度進行測試，測得Ra<0.01 μm，然后用酒精清洗試樣表面。圖2為MFT-5000Rtec磨損試驗機工作原理示意圖。試樣圓盤在室溫下進行旋轉運動，試驗荷載分別為5、10、15、20、25和30 N，轉速v為60 rpm，旋轉半徑r為18 mm，試驗時間t為10 min。

2 試驗結果與分析

2.1 摩擦系數(shù)

圖2 MFT-5000Rtec磨損試驗機示意圖Fig.2 Schematic diagram of the MFT-5000rtec wear testing machine

試驗鋼旋轉摩擦磨損的摩擦系數(shù)見圖3，由轉速和旋轉半徑可計算線速度為0.1131 m/s。摩擦系數(shù)的變化通常分為三個階段：起始階段、磨合階段和穩(wěn)定階段。起始階段，摩擦副之間以點接觸為主，摩擦副粗糙度小于0.01 μm，所受摩擦阻力較小，摩擦系數(shù)也較小，隨著時間的延長，摩擦副在摩擦過程中不斷磨平和脫落，點接觸轉變?yōu)槊娼佑|，實際接觸面積增大，摩擦系數(shù)迅速增大，起始階段約為20 s。磨合階段，大量磨屑的聚積起到一定的潤滑作用，摩擦系數(shù)逐漸回落，磨合階段約為130 s。穩(wěn)定階段，磨屑不斷的產生和溢出達到平衡狀態(tài)，摩擦阻力及摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定。

不同荷載條件下，磨損進入穩(wěn)定階段的平均摩擦系數(shù)如圖3(a)所示。由圖3(a)可知，隨著荷載的增加，平均摩擦系數(shù)先增大后減小，載荷由5 N增至10 N時，平均摩擦系數(shù)由0.0667增至0.1387，增長了約108%；荷載為15 N時，平均摩擦系數(shù)達到0.2474，增長了約74%；荷載增至20 N時，平均摩擦系數(shù)達到0.2633，增長了約8%；當荷載30 N時，平均摩擦系數(shù)逐步降低至0.1687，降低了約36%。

2.2 磨損率和磨損寬度

(a)平均摩擦系數(shù)；(b)瞬時摩擦系數(shù)圖3 試驗鋼在不同荷載下的摩擦系數(shù) (a) average friction coefficient; (b) instantaneous friction coefficientFig.3 Friction coefficient of test steel under different loads

(a)5 N；(b)10 N；(c)15 N；(d)20 N；(e)25 N；(f)30 N圖4 試驗鋼在不同荷載下的三維形貌Fig.4 Three-dimensional morphology of test steel under different loads

式中：ω為磨損率；A為白光干涉表征試驗鋼的磨痕截面面積；L為旋轉磨痕周長113.6 mm；v為轉速；r為旋轉半徑；t為旋轉時間。

圖5(a)為不同荷載下的磨痕寬度柱狀圖。由圖5(a)可知，荷載為5 N時，磨痕寬度僅為654 μm，隨后逐漸由荷載為10 N時的796 μm增加至荷載為30 N時的922 μm。圖5(b)為不同荷載下的磨損率柱狀圖。由圖5(b)可知，荷載為5 N時，磨損率僅為2.33 mm3/m，摩擦副之間接觸點較少，實際接觸面積也較小，磨損較輕；隨著荷載的增大，磨損率迅速增大，當荷載為15 N時，磨損率增加了5倍以上，摩擦阻力增大，摩擦副之間接觸點增多，實際接觸面積增大，磨損較重；荷載增至30 N時，磨損率相對于5 N時增加了10倍以上，隨著荷載的增大，摩擦副之間接觸面積增加的同時，接觸表面間的溫度也隨之升高，接觸表面硬度相應降低，變形抗力減小，上下摩擦副發(fā)生嚴重變形，磨損加重。

2.3 磨損機制

圖6為不同荷載下試驗鋼的磨損形貌。由圖6可知，荷載為5 N時，磨損表面存在少量灰黑色磨屑，磨損機制為氧化磨損為主、輕微黏著磨損為輔；荷載為10 N時，磨損表面存在大量片狀和絲狀的灰黑色磨屑，磨損機制主要為輕微黏著磨損和氧化磨損；載荷大于15 N后，隨著荷載的增加，由輕微黏著磨損和氧化磨損轉變?yōu)槠茐膰乐氐哪z合磨損。在旋轉滑動過程中，接觸表面的磨屑產生黏著，隨后在滑動過程中黏著結點破壞，在長時間的滑動過程中，黏著、破壞、再黏著的交替就構成了黏著磨損。隨著荷載的增加，磨屑產生的尺寸增大，同時伴隨接觸表面溫度的升高，黏著磨損加劇，并伴有氧化磨損。

(a)磨痕寬度；(b)磨損率圖5 試驗鋼在不同荷載下的磨損率和磨痕寬度 (a)wear mark width；(b)wear rate Fig.5 Wear rate and wear mark width of test steel under different loads

(a)5 N；(b)10 N；(c)15 N；(d)20 N；(e)25 N；(f)30 N圖6 試驗鋼在不同荷載下的磨損形貌Fig.6 Wear morphology of test steel under different loads

3 結論

1)旋轉摩擦磨損試驗條件下，隨著荷載的增加，平均摩擦系數(shù)先增大后減小，荷載為20 N時達到最大值0.2633；隨著摩擦副間接觸面積增加，接觸表面間變形抗力減小，上下摩擦副發(fā)生嚴重變形，磨損加重，磨痕寬度和磨損率隨荷載的增加而增大。

2)荷載為5 N時，磨損機制主要為氧化磨損；荷載為10 N時，磨損機制主要為輕微黏著磨損和氧化磨損；荷載大于15 N后，隨著荷載的增加，由輕微黏著磨損和氧化磨損轉變?yōu)槠茐膰乐氐哪z合磨損。