分享：位移幅值对ZG230-450铸钢微动磨损行为的影响

刘 宇1,谯建春1,李明生2,亓 伟1

(1.成都工业职业技术学院,成都 610000;2.西南大学工程技术学院,重庆 400700)

摘 要:在不同位移幅值(60~140μm)下对ZG230-450铸钢进行微动磨损试验,研究了位移幅值对摩擦因数、磨损体积和磨损机制的影响。结果表明:随着位移幅值增大,铸钢的微动磨损行为由混合滑移转变为完全滑移,耗散能逐渐增大;混合滑移状态下,摩擦因数经过上升阶段后就迅速进入稳定阶段,而完全滑移状态下的摩擦因数经历了上升阶段、波动阶段和趋于稳定阶段,位移幅值越大,进入稳定阶段需要的往复运动次数越多;随着位移幅值增大,磨痕面积和磨损体积均增加,磨损机制由黏着磨损和剥层磨损向磨粒磨损和剥层磨损过渡。

关键词:ZG230-450铸钢;微动磨损;位移幅值;磨损机制中图分类号:TG223 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2021)07-0046-05

0 引 言

铸钢具有强度高,塑性、韧性好,成本低等优点,广泛用于制造铁道车辆、船舶、电站设备、矿山冶金设备、油井设备、化工设备中的机械零部件[1]。这些机械零部件在服役过程中承受高温、高压以及高交变载荷作用[2]。在安装过程中,机械零部件如轴与孔零件间多要求过盈装配,配合界面在交变载荷作用下会发生微米级的相对运动(微动磨损),随着微动磨损循环次数的增加,配合界面处材料的磨损加剧,这会导致裂纹萌生并扩展,缩短零部件的使用寿命[3],因此对铸钢微动磨损行为的研究很有必要。微动磨损是因外界原因产生小幅度相对运动而发生的磨损,其主要影响因素有接触预应力、加载频率、循环次数、位移幅值等[4]。目前,关于不同位移幅值下材料微动磨损行为的研究较多。李杰等[5]研究了位移幅值对Inconel600合金微动磨损性能的影响,发现随着位移幅值增大,合金的摩擦因数和磨损体积增大,微动磨损行为由部分滑移转变为完全46刘 宇,等:位移幅值对ZG230-450铸钢微动磨损行为的影响滑移,磨损机制由黏着磨损转变为氧化磨损和剥层磨损。袁新璐等[6]研究表明,随着位移幅值增大,铜镁合金的磨损体积增大,微动磨损行为由部分滑移转变为完全滑移,部分滑移的磨损机制为磨粒磨损和氧化磨损,完全滑移的磨损机制为剥层磨损和氧化磨损。唐攀等[7]对690合金管/405不锈钢进行了15~200μm 位移幅值下的切向微动磨损试验,发现随着位移幅值增大,690合金的磨损加剧,磨损体积增大,微 动 磨 损 行 为 由 部 分 滑 移 转 变 为 混合滑移后再 转 变 为 完 全 滑 移,部 分 滑 移 的 磨 损 机制为黏着磨 损 和 剥 层 磨 损,混 合 滑 移 的 磨 损 机 制为剥层磨损,完 全 滑 移 的 磨 损 机 制 为 剥 层 磨 损 和磨粒磨损。作 者 以 ZG230-450 铸 钢 为 研 究 对 象,研究了不同 位 移 幅 值 下 铸 钢 的 摩 擦 因 数、磨 损 体积以及磨损 机 制 的 变 化 规 律,为 实 际 工 程 应 用 提供参考。

1 试样制备与试验方法

试验材料为ZG230-450铸钢,由某铁道机车车辆零件厂提供,化学成分见表1。表1 ZG230-450铸钢的化学成分 质量分数Table1 ChemicalcompositionofZG230-450caststeel massfraction %C Si Mn S P Ni Cr Cu Mo V0.30 0.60 0.90 0.035 0.035 0.40 0.35 0.40 0.20 0.05采用线切割截取尺寸为10mm×10mm×8mm的试样,依次用400# ,800# ,1000# ,2000# 砂纸打磨后用金刚石抛光膏抛光至镜面,在无水乙醇中超声清洗10min,吹干备用。在自主组装的多功能滑动型摩擦磨损试验机上进行微 动 磨 损 试 验,采 用 球/平 面 接 触 形 式,对磨球为直 径 9.52 mm、硬 度 760 HV 的 GCr15 钢球。将试样与对磨球贴合,如图1所示,法向载荷为10N,试样以50 mm·s-1的速度做往复直线运动,往复运动次数分别为100,1000,5000次。通过压电陶瓷 促 动 器 实 现 不 同 位 移 幅 值 的 加 载,微动位移幅值采用光栅位移传感器采集,分别为60,80,100,120,140μm。通过试验机上的力学传 感器记录磨损过程中试样受到的切向摩擦力(F),该切向摩擦力与法向载荷的比值即为摩擦因数。采用ContourGT 型3D白光干涉仪测磨痕面积、磨损体积及三维表面磨痕轮廓尺寸。采用JSM6610LV 型扫描电镜(SEM)观察磨损表面形貌。图1 多功能滑动型摩擦磨损试验装置示意Fig.1 Diagramofmultifunctionalslidingfrictionandweartestdevice

2 试验结果与讨论

2.1 切向摩擦力-位移曲线

试样往复运动过程中的切向摩擦力-位移(FD)曲线形状分为3种[8-12]:当试样受到较大的接触压力作用或位移幅值极小时,试样与钢球仅在接触边缘发生相对滑动,接触中心处于黏着状态,此时试样的微动磨损行为为部分滑移,F-D 曲线呈直线封闭状;当试样与钢球接触面发生较大位移幅值的相对滑动时,试样的微动磨损行为为完全滑移,此时F-D 曲线打开呈平行四边形;当试样的微动磨损行为介于部分滑移和完全滑移之间即为混合滑移时,F-D 曲线呈直线和平行四边形的混合形状,此时试样接触表层常伴有塑性变形[12]。F-D 曲线围 成 的 面 积 为 耗 散 能[13-15]。由 图 2可以看出,在相同往复运动次数下,位移幅值越大,F-D 曲线围成的面积越大,耗散能越多,能量损失越大。试样在位移幅值为60,80,100μm 下往复运动100次时,F-D 曲线呈直线和平行四边形的混合形状,说明试样的微动磨损行为为混合滑移,位移幅值为120,140μm 时F-D 曲线呈平行四边形,说明试样的微动磨损行为为完全滑移。当往复运动次数增至1000次时,位移幅值为60,80μm 的 F-D 曲线呈直线和平行四边形的混合形状,试样的微动磨损行为为混合滑移;位移幅值为100μm 时,F-D 曲线转变为平行四边形,微动磨损行为转变为完全滑移。随着往复运动次数的继续增加,试样在位移幅值为120,140μm 的摩擦力差值减小,摩擦力趋于稳定。47刘 宇,等:位移幅值对ZG230-450铸钢微动磨损行为的影响

2.2 摩擦因数

由图3可以看出,位移幅值分别为 60,80μm时,试样的摩擦因数先上升,随后迅速进入稳定阶段;位移幅值分别为100,120,140μm 时,试样的摩擦因数先上升再呈波动变化,最后趋于稳定,位移幅值越大,趋于稳定所需的往复运动次数越多。

2.3 磨损形貌

由图4可以看出:位移幅值为60μm 时,试样往复运动5000次后的表面分布有少量微裂纹,同时出现剥落坑和磨屑堆积现象,说明主要磨损机制为黏着磨损和剥层磨损[16-17];位移幅值为80μm 时,试样表面磨损区域光滑,表面存在分层现象,说明主要磨损机制为剥层磨损[18];位移幅值为100μm 时,试样表面出现剥落坑和分层现象,并且出现了平行于运动方向的犁沟,推断此时的主要磨损机制为剥图3 不同位移幅值下试样的摩擦因数变化Fig.3 Variationoffrictioncoefficientofsamplewithdifferentdisplacementamplitudes层磨损和磨粒磨损;位移幅值为120μm 时,犁沟数量增多,磨痕边缘存在磨屑分层堆积现象,此时主要磨损机制为磨粒磨损和剥层磨损。综上,随着位移幅值增大,试样的磨损机制由黏着磨损和剥层磨损逐渐向磨粒磨损和剥层磨损过渡。48刘 宇,等:位移幅值对ZG230-450铸钢微动磨损行为的影响

2.4 磨痕轮廓

由图5可以看出,随着位移幅值增加,磨痕中间均存在一定深度的凹坑,凹坑周围有明显的红色堆积物,这是磨屑堆积造成的[17]。由图6可以看出:位移幅值为60μm 时,磨痕深度较浅,最深为0.88μm,磨痕宽度约为0.22mm;位移幅值为80μm 时,磨痕最深为2.15μm,磨痕宽度约为0.31mm;位移幅值为100μm 时,磨痕最深为4.80μm,磨 痕 宽 度 约 为 0.35 mm;位 移 幅 值 为120μm 时,磨 痕 最 深 为 5.48μm,磨 痕 宽 度 约 为0.42mm。随着位移幅值增大,磨痕深度和宽度增大,这是由于随着位移幅值增大,磨损机制由黏着磨损和剥层磨损向磨粒磨损和剥层磨损过渡,磨损加剧,产生的磨屑越容易被排出。图5 不同位移幅值下试样往复运动5000次后表面磨痕的三维形貌Fig.5 3Dmorphologyofwearscaronsurfaceofsampleafterreciprocationfor5000timeswithdifferentdisplacementamplitudes图6 不同位移幅值下试样往复运动5000次后的表面磨痕轮廓Fig.6 Surfacewearscarprofileofsampleafterreciprocationfor5000timeswithdifferentdisplacementamplitudes由图7可以看出,随着位移幅值增大,磨痕面积和磨损体积增大。随着位移幅值增大,磨损加剧,磨屑不断从试样表面剥离而排出,磨痕深度和宽度增加,导致磨痕面积和磨损体积增加。

3 结 论

(1)随着位移幅值增大,ZG230-450 铸钢的微动磨损行为由混合滑移转变为完全滑移,耗散能增图7 不同位移幅值下试样往复运动5000次后的磨痕面积和磨损体积Fig.7 Wearscarareaandwearvolumeofsampleafterreciprocationfor5000timeswithdifferentdisplacementamplitudes大;混合滑移状态下,摩擦因数经过上升阶段后迅速进入稳定阶段,而完全滑移状态下的摩擦因数经历了上升阶段、波动阶段和趋于稳定阶段,位移幅值越大,进入稳定阶段需要的循环次数越多。(2)随着位移幅值增大,铸钢的磨损机制由黏着磨损和剥层磨损逐渐向磨粒磨损和剥层磨损过渡,磨损加剧,磨痕面积和磨损体积增加。

来源：材料与测试网