等徑角轉(zhuǎn)角擠壓處理GCr15鋼摩擦磨損機(jī)制研究

王小飛

(河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系,河南鄭州 450002)

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等徑角轉(zhuǎn)角擠壓處理GCr15鋼摩擦磨損機(jī)制研究

王小飛

(河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系,河南鄭州 450002)

對經(jīng)ECAE處理的GCr15鋼進(jìn)行摩擦磨損機(jī)制分析,發(fā)現(xiàn)晶粒顯著細(xì)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(huì)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(jī)制； 等徑角轉(zhuǎn)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(yīng)用于機(jī)械制造、鐵路運(yùn)輸、汽車制造、國防工業(yè)等領(lǐng)域。試樣在摩擦磨損過程中摩擦系統(tǒng)中內(nèi)、外部多種因素包括材料的微觀組織、硬度、載荷、滑動(dòng)速度、退火等對GCr15鋼的摩擦學(xué)性能產(chǎn)生一定的影響。通過分析GCr15鋼的摩擦學(xué)性能的影響規(guī)律及作用機(jī)制的影響因素來豐富和發(fā)展金屬合金材料的摩擦學(xué)理論。

通過觀察分析GCr15鋼試樣經(jīng)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(jī)制，說明了試樣經(jīng)高溫ECAE工藝處理后隨著載荷、滑動(dòng)速度、退火等方面變化從而影響GCr15鋼摩擦學(xué)性能的作用機(jī)制，得到了GCr15鋼試樣摩擦磨損性能經(jīng)高溫ECAE工藝處理后顯著提高的作用機(jī)制。

1　GCr15鋼試樣經(jīng)ECAE處理后的摩擦學(xué)性能

1.1ECAE處理后GCr15鋼摩擦學(xué)性能的主要影響因素

GCr15鋼的摩擦學(xué)性能不僅與GCr15鋼自身的性質(zhì)有關(guān)，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(guān)系。圖1顯示出了影響GCr15鋼試樣的摩擦學(xué)性能各個(gè)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(gè)摩擦磨損實(shí)驗(yàn)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(shí)存在，但是隨著試驗(yàn)條件各方面影響因素的變化，兩種磨損形式的出現(xiàn)程度也有所差異。

GCr15鋼對磨時(shí)，剛開始主要是由磨粒磨損。外界硬質(zhì)顆?；蛴脖砻娴奈⒎逶谀Σ粮睂ε急砻嫦鄬\(yùn)動(dòng)過程中引起表面擦傷與表面材料脫落的現(xiàn)象，稱為磨粒磨損。其特征是在摩擦副對偶表面沿滑動(dòng)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(zhì)顆粒，主要是由粘著磨損形成的磨屑在摩擦面間反復(fù)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(jīng)過ECAE擠壓處理所以其強(qiáng)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(chǎn)生較寬較深的犁溝；但是當(dāng)試樣經(jīng)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(xiàn)犁溝深度與寬度與擠壓前相比均明顯減小現(xiàn)象。

隨著磨損的繼續(xù)，出現(xiàn)了粘著磨損。粘著磨損又稱咬合磨損，它是指滑動(dòng)摩擦?xí)r摩擦副接觸面局部發(fā)生金屬粘著，在隨后相對滑動(dòng)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(diǎn)接觸。這樣隨著兩者之間相對滑動(dòng)和對試樣表面施加高載荷，導(dǎo)致了在試樣接觸點(diǎn)處產(chǎn)生塑性變形或剪切變形，但是由于壓強(qiáng)過大，容易在接觸表面產(chǎn)生粘著磨損。GCr15鋼試樣由于未經(jīng)ECAE擠壓處理所以自身強(qiáng)度較低，在進(jìn)行摩擦磨損時(shí)容易產(chǎn)生磨粒，當(dāng)試樣受到的載荷增大，試樣表面磨粒數(shù)量就會(huì)增多，這樣磨粒數(shù)量多并在載荷作用下就會(huì)對GCr15鋼試樣表面產(chǎn)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(jìn)行擠壓處理其磨損形式表現(xiàn)為嚴(yán)重的磨粒磨損及粘著磨損。GCr15鋼試樣經(jīng)ECAE擠壓處理后組織明顯地被細(xì)化，從而顯著提高了GCr15鋼試樣的屈服強(qiáng)度及硬度，這樣GCr15鋼在磨損過程中不容易產(chǎn)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(jīng)ECAE擠壓摩擦磨損性能影響的作用機(jī)制

2.1晶粒細(xì)化對GCr15鋼試樣摩擦磨損性能影響的作用機(jī)制

GCr15鋼試樣在磨損過程中由于應(yīng)力低所以首先發(fā)生彈性變形，但是當(dāng)試樣受到的應(yīng)力超過試樣的屈服強(qiáng)度時(shí)，試樣就開始出現(xiàn)塑性變形。試樣在外力作用下在滑移面上發(fā)生滑動(dòng)變形時(shí)，當(dāng)移動(dòng)變形到與鄰近晶粒接觸時(shí)，滑移線由于在一般情況下不穿越晶界就會(huì)在晶界附近終止，這樣就會(huì)導(dǎo)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(chǎn)生較高的集中應(yīng)力。當(dāng)試樣的應(yīng)力集中區(qū)域所積累的應(yīng)變能足夠大到破壞原子結(jié)合鍵時(shí)，就會(huì)在應(yīng)力集中區(qū)域產(chǎn)生裂紋生核。試樣裂紋在循環(huán)變形應(yīng)力的作用下隨著磨損過程的進(jìn)行開始逐漸長大、剝落，結(jié)果就出現(xiàn)了GCr15鋼試樣摩擦磨損。試樣在摩擦過程中出現(xiàn)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(yùn)動(dòng)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(xì)化可以使試樣的屈服強(qiáng)度提高，屈服強(qiáng)度提高就使試樣產(chǎn)生滑移變形的臨界應(yīng)力增大，也就使試樣抵抗塑性變形的能力增強(qiáng)了，這樣塑性變形程度減輕了，從而降低了應(yīng)力集中區(qū)域的應(yīng)力集中，裂紋產(chǎn)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(xì)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(huì)減弱，從而減輕了試樣磨粒磨損程度。

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

σs=σ0+kd-1/2

(1)

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

試樣的晶粒越細(xì)小，晶粒數(shù)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(shí)由于晶界是原子排列面缺陷，所以當(dāng)一個(gè)晶粒穿過晶界進(jìn)入另一個(gè)晶粒發(fā)生塑性形變時(shí)，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(nèi)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(qiáng)度得到提高。由此可知晶粒細(xì)化提高了試樣的屈服強(qiáng)度。

GCr15鋼試樣經(jīng)高溫ECAE工藝處理后微觀組織比處理前了細(xì)小，GCr15鋼試樣屈服強(qiáng)度和硬度較未經(jīng)ECAE擠壓處理提高了，這也說明了經(jīng)ECAE工藝處理后的GCr15鋼試樣組織發(fā)生了細(xì)化，試樣產(chǎn)生滑移變形的臨界應(yīng)力和抵抗塑性變形能力也提高了，結(jié)果就使裂紋產(chǎn)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(xué)性能影響的作用機(jī)制

由于試樣與對偶件兩個(gè)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(dāng)GCr15鋼表面與對偶件表面接觸時(shí)實(shí)際接觸面積很小。由于凸峰和凹谷存在相接觸兩個(gè)粗糙表面出現(xiàn)彈性塑性兩種變形，峰點(diǎn)較高時(shí)接觸面產(chǎn)生塑性變形，峰點(diǎn)較低時(shí)產(chǎn)生彈性變形。兩個(gè)表面摩擦?xí)r由于受到的載荷增加導(dǎo)致兩表面法向載荷增大，也就導(dǎo)致出現(xiàn)塑性變形的峰點(diǎn)數(shù)相應(yīng)增加，即加劇了塑性變形。

GCr15鋼試樣未經(jīng)ECAE擠壓處理時(shí)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(chǎn)生塑性變形。但是試樣經(jīng)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(qiáng)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(qiáng)和滑移臨界應(yīng)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(xué)性能影響的作用機(jī)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(jìn)行ECAE擠壓時(shí)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(yīng)力，導(dǎo)致在晶界處產(chǎn)生裂紋；裂紋產(chǎn)生容易使第二相出現(xiàn)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(hù)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?yàn)槊撀涞牡诙嗄チ３叽巛^大，這樣在接觸表面容易造成較嚴(yán)重的磨粒磨損。但是試樣經(jīng)ECAE擠壓后第二相尺寸明顯減小，細(xì)小的第二相顆粒彌散分布于基體之中，在摩擦力作用下細(xì)小的第二相在試樣表面形成的應(yīng)力場較小，所以在晶界處不易產(chǎn)生裂紋，軟基體對第二相可以起到很好的鑲嵌與保護(hù)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(qiáng)化作用，從而使GCr15鋼試樣的強(qiáng)度及承載能力得到提高，這樣就減少了磨損時(shí)試樣表面剝落也就減少了磨粒數(shù)量，接觸處磨粒磨損也就減輕，因此試樣的摩擦學(xué)性能得到提高。

3　載荷和滑動(dòng)速度對GCr15鋼摩擦學(xué)性能影響的作用機(jī)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(dòng)速度的變化而變化，這種變化也會(huì)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(xiàn)得尤為顯著。

首先，影響GCr15鋼試樣表面磨損的一個(gè)重要因素是受到的載荷，因?yàn)閮山佑|摩擦表面實(shí)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(jìn)程產(chǎn)生一定影響。當(dāng)GCr15鋼試樣表面受到載荷較低時(shí)，摩擦?xí)r實(shí)際接觸面積較小，其磨損表面所承受壓強(qiáng)也較小，這時(shí)試樣摩擦因數(shù)也就較小。并且試樣磨損表面受到低載荷時(shí)，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(dāng)試樣受到的載荷增加時(shí)，在摩擦磨損過程中GCr15鋼試樣實(shí)際接觸面積與接觸的微凸體數(shù)量隨之增加，這就導(dǎo)致接觸面間的摩擦因數(shù)增加。當(dāng)受到的載荷較大時(shí)，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(yán)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(xiàn)的磨粒數(shù)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(xiàn)試樣加劇磨損。

接著，影響GCr15鋼試樣磨損另外一個(gè)重要因素是滑動(dòng)速度。因?yàn)楫?dāng)滑動(dòng)速度發(fā)生改變時(shí)可以使試樣摩擦表面層在摩擦?xí)r變形速度發(fā)生改變，因摩擦而產(chǎn)生的溫度也因此而改變。GCr15鋼磨損過程中產(chǎn)生的摩擦熱隨著滑動(dòng)速度的增加而增加，導(dǎo)致摩擦副表面溫度升高。當(dāng)摩擦副表面溫度升高到一定程度時(shí)，GCr15鋼試樣接觸表層就會(huì)出現(xiàn)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(zhuǎn)移，磨損量上升。同時(shí)，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(xué)性能影響的作用機(jī)制

經(jīng)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(xué)性能也隨之發(fā)生變化，導(dǎo)致試樣的摩擦學(xué)性能也發(fā)生變化。GCr15鋼試樣內(nèi)部組織經(jīng)500 ℃退火處理后僅部分發(fā)生了回復(fù)，試樣內(nèi)部應(yīng)力消除了，此時(shí)試樣摩擦表面的硬度相對有所降低，導(dǎo)致GCr15鋼試樣容易產(chǎn)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(chǎn)生犁削，GCr15鋼試樣摩擦因數(shù)和磨損量也隨之增加，試樣表面犁溝數(shù)量相對增加。GCr15鋼試樣經(jīng)過600 ℃退火處理后發(fā)生了再結(jié)晶,試樣的微觀組織由于再結(jié)晶完而出現(xiàn)了進(jìn)一步細(xì)化，并且試樣內(nèi)部由于第二相分布均勻，對試樣起到了彌散強(qiáng)化的作用，也就使試樣的強(qiáng)度及硬度提高了，進(jìn)而提高了GCr15鋼的摩擦學(xué)性能；GCr15鋼試樣經(jīng)過700 ℃退火處理后內(nèi)部晶粒出現(xiàn)了長大，這種現(xiàn)象削弱了ECAE熱擠壓對GCr15鋼晶粒細(xì)化的效果，試樣的硬度及屈服強(qiáng)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(shù)和磨損量的增加，GCr15鋼試樣因此而出現(xiàn)的磨粒磨損比較嚴(yán)重。

5　結(jié)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(jī)制，分析了GCr15鋼試樣的摩擦學(xué)性能受ECAE熱擠壓工藝、載荷和滑動(dòng)速度、退火溫度等因素影響的作用機(jī)制，由此得到以下結(jié)論：

(1)GCr15鋼試樣經(jīng)ECAE熱擠壓處理后顯觀組織顯著細(xì)化了，其屈服強(qiáng)度和硬度顯著提高了，磨損過程中裂紋產(chǎn)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(xiàn)程度降低，最終GCr15鋼的摩擦學(xué)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(shí)驗(yàn)條件及試驗(yàn)參數(shù)的變化，這3種磨損形式呈現(xiàn)程度也有差異。

(3)GCr15鋼試樣經(jīng)ECAE熱擠壓后晶粒顯著細(xì)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。

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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?yàn)樽詣?dòng)化裝備關(guān)鍵技術(shù)與制造。E-mail:651314910@qq.com。