潤滑條件對M50鋼摩擦磨損性能的影響

宋高昂,賀甜甜,劉建,杜三明,張永振

(1.河南科技大學，河南 洛陽 471003；2.高端軸承摩擦學技術與應用國家地方聯(lián)合工程實驗室，河南 洛陽 471023)

軸承是機器順利運行的關鍵基礎部件之一,隨著科學技術的發(fā)展和尖端裝備等行業(yè)的驅動，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，提高軸承的摩擦學性能具有重要意義，也是近年來研究的熱點之一[5-8]。

許多學者對軸承材料的摩擦學問題做了相關研究：文獻[9]研究了M50鋼在高滑動速度下機油潤滑的摩擦磨損性能，結果表明油膜厚度和表面粗糙度的計算值是較好的失效指標；文獻[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，結果表明滑動速度為40 m/s時的損傷與滾動軸承內滾道在打滑作用下的損傷相似；文獻[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[12] 計算了潤滑狀態(tài)改變時接觸表面的彈流壓力，分析了潤滑狀態(tài)對疲勞裂紋擴展的影響，發(fā)現(xiàn)表面潤滑狀態(tài)改變時疲勞裂紋的擴展方向也有明顯改變。

M50鋼具有良好的高溫耐磨性、高溫接觸疲勞強度和優(yōu)異的熱穩(wěn)定性等優(yōu)點，被廣泛應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)下的摩擦學性能進行對比分析，揭示其摩擦磨損機理。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

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

表1 M50鋼主要化學成分的質量分數

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(體積分數為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 試驗方法

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

試驗開始時使用移液槍加注0.5 μL潤滑油至M50鋼表面, 試驗過程中不再補充潤滑油，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原理書中摩擦因數的典型值[14](圖2)決定。試驗中摩擦因數由摩擦磨損試驗儀的主控計算機程序每2 s自動采集一個平均值。

圖2 摩擦因數典型值

磨損率計算公式為

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鋼計算階段檢測點截面積的平均值減去上一階段檢測點截面積的平均值，mm2；L為磨損往復距離， mm；v為往復速度，mm/s；Δt為所測階段中檢測點的磨損時間減去上一階段檢測點對應的磨損時間，s。

試驗后用無水乙醇對試樣進行超聲波清洗15 min去除磨屑和雜質，吹風機吹干后用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，最后綜合試驗結果對M50鋼的磨損機理進行分析。

2 試驗結果與討論

2.1 摩擦因數

當載荷為300 N時，不同潤滑狀態(tài)下摩擦因數的變化如圖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

試驗開始時，摩擦副接觸面之間處于乏油潤滑狀態(tài)，互相接觸的點被一層油膜隔開，受到的阻力不大，摩擦因數相對較小，穩(wěn)定在0.08附近；隨著摩擦時間的延長，摩擦副接觸面間的油膜逐漸被破壞，接觸點的數目和尺寸增加，摩擦因數突增至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，使摩擦因數波動[15]；隨著摩擦時間的延長，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，進而使摩擦因數出現(xiàn)增大的趨勢；經過一段時間的跑和后，新產生的磨屑溢出而不是被壓入基體中，摩擦副實際接觸面積逐漸趨于穩(wěn)定，最終摩擦因數在0.46上下波動。

當載荷為300 N時，平均摩擦因數隨著潤滑狀態(tài)的改變而改變，由乏油潤滑時的0.08增大到干摩擦時的0.42，這是因為在干摩擦時磨損處幾乎無潤滑油存在，對磨球與M50鋼之間的實際接觸面積和表面粗糙度遠大于乏油階段，相互阻礙運動的程度加深，使摩擦力顯著增加，從而使摩擦因數增大[16]。

2.2 磨損率

當載荷為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，隨著摩擦的進行，磨痕的深度和寬度呈上升趨勢。

當載荷為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)，這是因為對磨面被具有法向承載能力的油膜隔開，極大程度地減小了摩擦阻力并增強了材料的耐磨性，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充[17]，油膜被破壞且有少量摩擦熱產生，使?jié)櫥宛ざ冉档?，導致潤滑效果下降；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，對磨面間接觸點的尺寸和數目劇增，實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，實際接觸面積增加導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，實際接觸面的面積增加并發(fā)生黏著，細微凸起之間在發(fā)生相對滑動時被撕裂，磨損進一步加劇；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致接觸應力略有下降，接觸點間的磨損和塑性形變導致材料表層出現(xiàn)加工硬化[19]使材料的強度、硬度有所提高，使磨損程度減輕。對干摩擦穩(wěn)定階段M50鋼磨痕的截面進行硬度檢測并與磨損前的硬度進行對比(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 磨損機理

當載荷為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 (質量分數)

乏油階段(圖7a)磨損表面經歷了從相對平滑到有輕微切削痕跡產生的演變，這是磨粒磨損的典型表現(xiàn)。因為在乏油條件下對磨面之間接觸點的尺寸和數目較少，摩擦行為會導致顆粒脫落并被壓進摩擦表面，在切向力的作用下脫落的顆粒對表面產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，這是因為對磨面之間的油量不斷減少導致更多的磨粒直接與試樣表面接觸，隨著滑動摩擦的進行，磨粒一部分被壓入材料表面，另一部分被運送到磨痕邊沿形成磨屑。摩擦表面受到磨粒的壓入而產生壓痕和裂紋，然后在循環(huán)接觸應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。這是因為此時已經進入干摩擦穩(wěn)定階段，大量摩擦熱的產生導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，對磨面間接觸點的尺寸和數量快速增加，實際接觸面積增加，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)；延長摩擦時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，實際接觸點所受壓力達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生，變形層厚度最大為18.1 μm(圖8c)，嚴重的塑性變形和大量位錯塞積導致有明顯的裂紋產生；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時間的延長，一部分碎化區(qū)域被磨掉，導致變形層厚度的下降。這也印證了文獻[22-24]的相關結論。

3 結論

對M50鋼進行摩擦磨損試驗，得到以下結論：

1)隨著潤滑的狀態(tài)改變(乏油潤滑→干摩擦)摩擦因數發(fā)生突變，平均摩擦因數從乏油階段的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。