高頻往復(fù)條件下M42高速鋼干摩擦特性研究

包磊，周燕飛

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院， 江蘇 南京 210016)

0 引言

M42(W2Mo9Cr4VCo8)高速鋼是鎢鉬系高速鋼的代表型號(hào)，經(jīng)熱處理后硬度可達(dá)68～70HRC，其鈷含量高，約有8%。鈷元素提高了二次硬度和高溫硬度，改善了韌性和碳化物的穩(wěn)定性[1]。M42高速鋼的紅硬性和耐磨性非常好，有比硬質(zhì)合金更好的韌性及切削加工性，因此主要用途是制作成各種精密且形狀復(fù)雜的刀具以及各種沖壓模具。目前研究工作主要集中在M42高速鋼的制備工藝[2-3]、熱處理工藝[4-5]和磨損行為[6-7]等方面。

斯特林制冷機(jī)是一種基于逆向斯特林熱力循環(huán)的低溫冷卻器，為了滿足空間探測(cè)的需要和防止工質(zhì)被潤(rùn)滑油污染，活塞與氣缸必須采用干摩擦。由于其密封間隙≤5μm，并且活塞以50Hz工作頻率作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，沖擊和振動(dòng)較大，磨損問(wèn)題比較嚴(yán)重。目前主要采取在活塞表面噴涂涂層以減小磨損，但是涂層噴涂存在結(jié)合強(qiáng)度低、線膨脹系數(shù)大和噴涂質(zhì)量不穩(wěn)定等問(wèn)題，并且磨屑以粉末形式自行脫落污染工質(zhì)和阻塞回?zé)嵬ǖ?，影響制冷效率。?guó)外有資料表明，以M42高速鋼作為活塞與氣缸材料，熱處理后硬度為65HRC，珩磨、拋光后表面粗糙度0.2以下，可以減少磨損，提高可靠性[8-9]。

由于受到研究背景與試驗(yàn)條件的限制，以往對(duì)M42高速鋼在高頻往復(fù)滑動(dòng)條件下的摩擦磨損特性鮮有報(bào)道。因此本文旨在研究高頻往復(fù)干滑動(dòng)條件下M42高速鋼的摩擦磨損特性，探討法向載荷、工作溫度、往復(fù)頻率和表面滲氮處理對(duì)M42高速鋼摩擦磨損性能的影響，以摩擦系數(shù)、磨損量為表征參數(shù)，通過(guò)觀察摩擦表面的微觀形貌，進(jìn)而推斷出磨損機(jī)制，為金屬摩擦副技術(shù)在斯特林制冷機(jī)的應(yīng)用提供基礎(chǔ)試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)部分

試驗(yàn)材料選用M42高速鋼，生產(chǎn)廠家為日本某會(huì)社，密度為8.1g/cm3，彈性模量為220GPa，泊松比為0.3，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示。

表1 M42高速鋼質(zhì)量分?jǐn)?shù) 單位：%

為了模擬斯特林制冷機(jī)活塞與氣缸的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，設(shè)計(jì)了一套圓柱-內(nèi)凹圓柱面接觸副，如圖1所示。氣缸試件固定不動(dòng)，活塞試件受到法向載荷作用擠壓氣缸試件并在其中往復(fù)滑動(dòng)?；钊嚰粗睆溅?0mm加工，氣缸試件內(nèi)徑按φ22mm加工，外徑按φ30mm加工。為了提高表面質(zhì)量，活塞外圓面和氣缸內(nèi)孔面珩磨后拋光，最終表面粗糙度為Ra0.02，圓柱度≤φ5μm?；钊嚰蜌飧自嚰捎肕42高速鋼。為了減小黏著傾向，氣缸試件熱處理后硬度為65HRC。活塞試件分別采用兩種強(qiáng)化方式，其中1#活塞采用常規(guī)熱處理，硬度為68HRC；2#活塞表面采用滲氮處理，滲氮層厚度10～15μm，硬度>70HRC。

圖1 摩擦副樣件實(shí)物圖

試驗(yàn)在MGW-02型高頻往復(fù)疲勞摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，該試驗(yàn)機(jī)由往復(fù)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、加載機(jī)構(gòu)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、微機(jī)控制系統(tǒng)、摩擦副及專用夾具組成。試驗(yàn)機(jī)原夾具用來(lái)裝夾球-平面接觸副，為了能裝夾圓柱-凹面接觸副，在保持原運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，根據(jù)原夾具接口，重新設(shè)計(jì)了一套新的夾具，用于裝夾摩擦副試件，如圖2所示。

圖2 夾具設(shè)計(jì)

2 結(jié)果與討論

本次試驗(yàn)變量為有法向載荷、工作溫度、往復(fù)頻率和表面是否滲氮處理。由于試驗(yàn)因素較多，采用正交試驗(yàn)法設(shè)計(jì)試驗(yàn)，對(duì)M42高速鋼進(jìn)行L9(34)的正交試驗(yàn)，每組試驗(yàn)時(shí)間為5h。試驗(yàn)前仔細(xì)檢查摩擦表面質(zhì)量，測(cè)量表面粗糙度和圓柱度、硬度等參數(shù)，滿足精度要求進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。將加工好的活塞試件用丙酮超聲清洗，放入真空干燥箱烘干，稱重并記錄。根據(jù)設(shè)備的操作規(guī)程進(jìn)行操作，設(shè)置法向載荷、運(yùn)動(dòng)頻率、位移和工作溫度等工況參數(shù)，

表2 正交試驗(yàn)因素與水平表

當(dāng)工作溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)開(kāi)始試驗(yàn)。試驗(yàn)環(huán)境為空氣，相對(duì)濕度為40%～50%，無(wú)潤(rùn)滑劑。試驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)機(jī)可實(shí)時(shí)采集正壓力和摩擦力，計(jì)算并繪制摩擦系數(shù)變化曲線。采用精度為0.1mg的FA2104N型分析天平稱量材料在磨損前后的質(zhì)量，計(jì)算質(zhì)量損失。使用蔡司sigma500型掃描電鏡(SEM)拍攝活塞表面的磨損痕跡，觀察磨損特征，并使用能譜分析功能(EDS)統(tǒng)計(jì)磨痕微區(qū)的所有元素種類及含量，推斷磨損機(jī)制。

2.1 摩擦磨損特性

由圖3可知，在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，摩擦系數(shù)首先經(jīng)歷不穩(wěn)定的磨合期，然后進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段，摩擦系數(shù)趨于平穩(wěn)。這是因?yàn)槟Σ帘砻鎸?shí)際接觸發(fā)生在微凸體上，實(shí)際接觸區(qū)域也只占摩擦表面很小的一部分。磨合開(kāi)始時(shí)，相互接觸的微凸體將發(fā)生擠壓變形和剪切破壞，摩擦系數(shù)不穩(wěn)定。隨著試驗(yàn)進(jìn)行，表面質(zhì)量得以改善，摩擦系數(shù)變化逐漸平穩(wěn)。

圖3 摩擦系數(shù)變化曲線

正交試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，使用極差分析法對(duì)摩擦系數(shù)進(jìn)行分析，其中Ki表示各因素中第i水平對(duì)應(yīng)的摩擦系數(shù)之和，ki表示各因素第i水平對(duì)應(yīng)的摩擦系數(shù)均值，R為極差，根據(jù)R的大小分析各因素對(duì)摩擦系數(shù)影響的主次程度。從表4極差分析結(jié)果可知，影響M42高速鋼摩擦系數(shù)的主次因素依次為往復(fù)頻率、工作溫度、滲氮處理和法向載荷。同理影響磨損量的主次因素依次為滲氮處理、法向載荷、往復(fù)頻率和工作溫度。

表3 正交試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果

表4 摩擦系數(shù)極差分析

根據(jù)表4的極差分析結(jié)果得到摩擦系數(shù)隨因素水平變化趨勢(shì)，如圖4所示?？梢钥闯觯?/p>

1) 摩擦系數(shù)基本隨著法向載荷增大而增大，法向載荷的大小直接決定了摩擦接觸表面的尺寸、應(yīng)力場(chǎng)與變形程度。但是法向載荷從5N增長(zhǎng)至15N，摩擦系數(shù)的增長(zhǎng)幅度比較小，這說(shuō)明在較小的法向載荷范圍內(nèi)，摩擦系數(shù)受法向載荷的影響有限。因?yàn)镸42高速鋼的硬度非常大，當(dāng)名義法向載荷增大時(shí)，作用到摩擦表面的真實(shí)法向應(yīng)力引起接觸面積和變形程度增長(zhǎng)有限。

2) 摩擦系數(shù)與工作溫度呈負(fù)相關(guān)，在摩擦過(guò)程中環(huán)境熱、接觸熱、變形熱和摩擦熱積累使材料發(fā)生軟化，塑性變形抗力降低，摩擦阻力更小，摩擦系數(shù)下降。

3) 摩擦系數(shù)受往復(fù)頻率影響顯著，隨往復(fù)頻率增大而減小。因?yàn)楫?dāng)往復(fù)頻率增加時(shí)，摩擦副相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度加快，摩擦表面相互擠壓時(shí)間與變形程度減小，導(dǎo)致實(shí)際接觸面積較小。同時(shí)，往復(fù)頻率增加使磨屑容易被帶出摩擦表面，磨屑作為磨粒參與二次磨損概率降低。

圖4 摩擦系數(shù)隨因素水平變化趨勢(shì)

2.2 表面微觀形貌分析

為了進(jìn)一步地分析M42高速鋼的磨損機(jī)制，利用掃描電子顯微鏡觀察了活塞試件表面磨損痕跡的微觀形貌。圖5中因材料塑性堆積而形成大小不等的瘤，這是由于黏著結(jié)點(diǎn)被剪切破壞導(dǎo)致較軟的氣缸表面材料被撕裂，被剪切的材料以及剝落的磨屑遷移、黏附到硬度更大的活塞表面上，并且這些塑性堆積瘤會(huì)不斷犁削氣缸表面。圖6表面散布著大小不等的痘斑與點(diǎn)蝕，這是典型的疲勞磨損。在高頻往復(fù)滑動(dòng)與小幅度滾動(dòng)的合成運(yùn)動(dòng)下，試件表面承受接觸應(yīng)力與摩擦應(yīng)力的反復(fù)加載與卸載，隨后導(dǎo)致疲勞破壞。圖7表面中零散分布著鱗片狀磨屑，對(duì)其進(jìn)行EDS能譜分析如圖8所示，元素含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表5所示?？梢钥闯鲅踉睾繛?1.72%，這說(shuō)明在磨損過(guò)程中出現(xiàn)了氧化磨損現(xiàn)象。據(jù)此推斷活塞表面無(wú)滲氮層時(shí)，磨損機(jī)制是黏著磨損和疲勞磨損?；钊砻嬗袧B氮層時(shí)，滲氮處理能降低黏著效應(yīng)，磨損機(jī)制以疲勞磨損為主。

圖5 無(wú)滲氮試件表面形貌

圖6 滲氮試件表面形貌

圖7 磨屑微觀形貌

圖8 能譜分析結(jié)果

表5 元素含量統(tǒng)計(jì) 單位：%

3 結(jié)語(yǔ)

本文采用正交試驗(yàn)法，在高頻往復(fù)干滑動(dòng)條件下研究了法向載荷、工作溫度、往復(fù)頻率和表面滲氮對(duì)M42高速鋼的摩擦磨損性能的影響，得出了如下結(jié)論：

1) 通過(guò)極差分析發(fā)現(xiàn)：往復(fù)頻率是影響摩擦系數(shù)主要因素，表面有滲氮層對(duì)磨損量的影響最顯著，摩擦系數(shù)和磨損量與工作溫度和往復(fù)頻率呈負(fù)相關(guān)，與法向載荷呈正相關(guān)。

2) 在高頻往復(fù)干滑動(dòng)條件下，M42高速鋼常規(guī)熱處理基體的磨損機(jī)制是黏著磨損和疲勞磨損，對(duì)M42高速鋼表層進(jìn)行滲氮處理后，磨損機(jī)制以疲勞磨損為主，磨損過(guò)程中有氧化現(xiàn)象。