GCr15轴承钢的复合微动磨损行为研究
2003-03-07 00:00 来源： 我的钢铁 作者：mysteel
摘要：对GCr15轴承钢球/平面接触方式，在倾角分别为30°和45°进行复合微动磨损试验。分析了该微动接触条件下的动力学特性；利用光学显微镜、轮廊仪和扫描电子显微镜对磨痕进行了分析，根据复合微动运行的三个阶段，提出了GCr15钢的复合微动磨损的物理模型。
关键词：微动磨损；切向微动；径向微动；复合微动
中图分类号：TG142.33;TG115.5 文献标识码：A 文章编号：1000-3738(2003)02-0010-04
1、引言
紧配合部件在机械振动、电磁振动、疲劳载荷或热循环等工况下，通常发生接触界面间微米量级的相对运动，并造成材料磨损或产生疲劳裂纹，这称为微动损伤，是造成机械部件灾难性事故的元凶之一[1-3]。工业中微动现象十分普遍和复杂，接触副的相对运动方式可简化为四种基本模式，即切向（也称平移式）、径向、滚动和扭动微动[4]。至今，微动摩擦学研究还主要集中在切向微动，而其+它模式的研究[5，6]却相当少。实际的微动现象往往不是以单一的微动模式进行，而是两种或两种以上的基本模式的复合，如燕尾槽、齿型紧配合面等[7-9]。作者[10，11]的前期研究在径向微动试验装置上实现了切向与径向微动的复合，这不仅深化了微动摩托车擦学的基础研究，还为复杂微动现象的试验模拟提供了重要手段。作者此项工作是在复合微动试验装置上研究轴承钢复合微动磨损机制。
2、试验材料和方法
复合微动试验采用球/平面接触方式，试验装置参见文献[10，11]。球和平面试样都取自相同的GCr15滚珠轴承钢，其化学成分（质量分数，%）为：1.0 C、1.5 Cr、0.25 Si、0.30 Mn、0.20 Ni、0.05 Mo、0.15 V、≤0.02 P和≤0.02 S，其主要力学性能为：σ0.2=1700MPa、σb=2000MPa、E=210GPa、硬度为870-890HV。球试样直径为60mm，平面试样由线切割加工成10mm*10mm*20mm立方体，并在试验前机械研磨和抛光至粗糙度Ra=0.04μm。
所有试样在试验前用丙酮进行超声波清洗，试验环境条件为：大气气氛，室温（23±2）℃，相对湿度60%±10%。复合微动在θ=30°和45°两种倾角（θ为平面试样与水平方向的夹角）下，以控制载荷和恒加载速度方式进行试验，其主要参数为：最大外加载荷（Fmax）分别取200N和800N，最小载荷（Fmax，非零值以维持接触副始终接触）50N，试验加载速度12mm/min，循环周次10到105次。
微动试验后，用 Surfascan Somicronic S-M2 型表面轮廊仪分析轮廊形貌，并在Olympus光学显微镜和Philips型扫描电子显微镜（SEM）下观察磨痕和磨屑的形貌。
3、结论
对GCr15轴承钢在倾斜30°和45°时进行复合微动试验，增大倾斜角度和载荷，磨损明显增加。结果显示磨损过程可根据载荷-位移曲线的特征（准四边形、椭圆形和直线形）分为三个阶段。
复合微动磨损的机制，即：阶段Ⅰ，表现明显滑动特征，磨损机制主要为磨料磨损和粘着磨损；阶段Ⅱ，微动处于混合滑移状态，磨损以剥层方式进行，伴随有明显氧化特征；阶段Ⅲ，微动处于部分滑移状态，中心完全粘着，出现三区域的形貌特征，微滑区磨损以剥层机械进行。
参考文献：
[1] Waterhouse R B. Fretting Fatigue [M]. London: Applied Science, 1981.
[2] Waterhouse R B. Fretting Wear [M]. Cleveland, OH: ASM International, 1992, 233-256.
[3] Zhou Z R, Vincent L. Cracking induced by fretting of aluminium alloys [J]. Transaction of the ASME, Journal of Tribology, 1997,119: 36-42.
[4] 周仲荣，罗唯力，刘家浚. 微动摩擦学的发展现状与趋势[J]. 摩擦学学报，1997，17（3）： 272-280.
[5] 朱晏昊，周仲荣，石心余，等. 新型径向微动装置[J]. 摩擦学学报，2000，20（1）： 102-105.
[6] Zhu M H, Zhou Z R. An experimental study on radial fretting behaviour [J]. Tribology International, 2001,34: 321-326.
[7] Robert R. An experimental study of fretting wear in gear tooth flexible couplings [J]. ASLE Transaction, 1961,4: 197-212.
[8] Ruiz C, Boddington B, Chen C. An investigation of fatigue and fretting in a dovetail joint [J]. Experimental Mechanics, 1984, 208-217.
[9] Hattori T. Fretting Fatigue Problems in structural design [A]. Waterhouse R B, Lindley T C. Fretting Fatigue, ESIS 18 [C]. London: Mechanical Engineering Publication, 1994, 437-451.
[10] 朱晏昊，周仲荣. 关于复合式微动的研究 [J]. 摩擦学学报，2001，21（3）： 182-186.
[11] Zhu M H, Zhou Z R, Kapsa Ph, et al. An experimental investigation on compostie fretting mode [J]. Tribology International, 2001,34: 733-738.
（西南交通大学摩擦学研究所，朱晏昊，周仲荣)
关键词：微动磨损；切向微动；径向微动；复合微动
中图分类号：TG142.33;TG115.5 文献标识码：A 文章编号：1000-3738(2003)02-0010-04
1、引言
紧配合部件在机械振动、电磁振动、疲劳载荷或热循环等工况下，通常发生接触界面间微米量级的相对运动，并造成材料磨损或产生疲劳裂纹，这称为微动损伤，是造成机械部件灾难性事故的元凶之一[1-3]。工业中微动现象十分普遍和复杂，接触副的相对运动方式可简化为四种基本模式，即切向（也称平移式）、径向、滚动和扭动微动[4]。至今，微动摩擦学研究还主要集中在切向微动，而其+它模式的研究[5，6]却相当少。实际的微动现象往往不是以单一的微动模式进行，而是两种或两种以上的基本模式的复合，如燕尾槽、齿型紧配合面等[7-9]。作者[10，11]的前期研究在径向微动试验装置上实现了切向与径向微动的复合，这不仅深化了微动摩托车擦学的基础研究，还为复杂微动现象的试验模拟提供了重要手段。作者此项工作是在复合微动试验装置上研究轴承钢复合微动磨损机制。
2、试验材料和方法
复合微动试验采用球/平面接触方式，试验装置参见文献[10，11]。球和平面试样都取自相同的GCr15滚珠轴承钢，其化学成分（质量分数，%）为：1.0 C、1.5 Cr、0.25 Si、0.30 Mn、0.20 Ni、0.05 Mo、0.15 V、≤0.02 P和≤0.02 S，其主要力学性能为：σ0.2=1700MPa、σb=2000MPa、E=210GPa、硬度为870-890HV。球试样直径为60mm，平面试样由线切割加工成10mm*10mm*20mm立方体，并在试验前机械研磨和抛光至粗糙度Ra=0.04μm。
所有试样在试验前用丙酮进行超声波清洗，试验环境条件为：大气气氛，室温（23±2）℃，相对湿度60%±10%。复合微动在θ=30°和45°两种倾角（θ为平面试样与水平方向的夹角）下，以控制载荷和恒加载速度方式进行试验，其主要参数为：最大外加载荷（Fmax）分别取200N和800N，最小载荷（Fmax，非零值以维持接触副始终接触）50N，试验加载速度12mm/min，循环周次10到105次。
微动试验后，用 Surfascan Somicronic S-M2 型表面轮廊仪分析轮廊形貌，并在Olympus光学显微镜和Philips型扫描电子显微镜（SEM）下观察磨痕和磨屑的形貌。
3、结论
对GCr15轴承钢在倾斜30°和45°时进行复合微动试验，增大倾斜角度和载荷，磨损明显增加。结果显示磨损过程可根据载荷-位移曲线的特征（准四边形、椭圆形和直线形）分为三个阶段。
复合微动磨损的机制，即：阶段Ⅰ，表现明显滑动特征，磨损机制主要为磨料磨损和粘着磨损；阶段Ⅱ，微动处于混合滑移状态，磨损以剥层方式进行，伴随有明显氧化特征；阶段Ⅲ，微动处于部分滑移状态，中心完全粘着，出现三区域的形貌特征，微滑区磨损以剥层机械进行。
参考文献：
[1] Waterhouse R B. Fretting Fatigue [M]. London: Applied Science, 1981.
[2] Waterhouse R B. Fretting Wear [M]. Cleveland, OH: ASM International, 1992, 233-256.
[3] Zhou Z R, Vincent L. Cracking induced by fretting of aluminium alloys [J]. Transaction of the ASME, Journal of Tribology, 1997,119: 36-42.
[4] 周仲荣，罗唯力，刘家浚. 微动摩擦学的发展现状与趋势[J]. 摩擦学学报，1997，17（3）： 272-280.
[5] 朱晏昊，周仲荣，石心余，等. 新型径向微动装置[J]. 摩擦学学报，2000，20（1）： 102-105.
[6] Zhu M H, Zhou Z R. An experimental study on radial fretting behaviour [J]. Tribology International, 2001,34: 321-326.
[7] Robert R. An experimental study of fretting wear in gear tooth flexible couplings [J]. ASLE Transaction, 1961,4: 197-212.
[8] Ruiz C, Boddington B, Chen C. An investigation of fatigue and fretting in a dovetail joint [J]. Experimental Mechanics, 1984, 208-217.
[9] Hattori T. Fretting Fatigue Problems in structural design [A]. Waterhouse R B, Lindley T C. Fretting Fatigue, ESIS 18 [C]. London: Mechanical Engineering Publication, 1994, 437-451.
[10] 朱晏昊，周仲荣. 关于复合式微动的研究 [J]. 摩擦学学报，2001，21（3）： 182-186.
[11] Zhu M H, Zhou Z R, Kapsa Ph, et al. An experimental investigation on compostie fretting mode [J]. Tribology International, 2001,34: 733-738.
（西南交通大学摩擦学研究所，朱晏昊，周仲荣)
