（材料学专业论文）精铸热锻模具钢高温磨损性能的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 精铸热锻模具由于性能好、寿命长，在国外已经得到实际应用，而国内由于精 铸热锻模具钢高温耐磨性差，导致模具寿命低，使精铸热锻模的应用受到限制。本 文研究了成分、工艺、组织和性能及温度、载荷和滑动速度等因素对高温磨损率的 影响规律，并对磨损表面和磨屑的形貌、成分和结构及氧化物膜的形态和剥落方式 进行了分析，探讨了精铸热锻模具钢的高温磨损机理，为其高温磨损性能的提高提 供了理论依据，具有重要的理论意义和实际应用价值。 研究结果表明：精铸热锻模铸钢的磨损率对硬度的变化不敏感，其高的耐磨性 对热强性的要求范围较宽，而显微组织对高温耐磨性有明显的影响。研究发现，回 火屈氏体的高温耐磨性优于回火马贝复相组织和回火索氏体。含4 0 w t m o 的铸钢 6 0 0 c 回火后沿原奥氏体晶界或马氏体板条界连续析出的链球状c r 2 s c 6 及r e 加入量 过高时出现的大量的粗大稀土夹杂物( r e ) 2 0 2 s ，均降低钢的强韧性，使得磨损率急 剧增加，恶化了高温磨损性能。说明高温耐磨性不仅需要基体具有一定的热强性， 还需要具有一定的韧性。在高温和摩擦作用下，磨面上形成氧化物膜和氧化物颗粒， 氧化物以f e 3 0 4 为主，还有一定量的f e 2 0 3 ；磨屑为f e 和f e 3 0 4 、f e 2 0 3 的混合物。 精铸热锻模具钢的高温磨损机理为氧化磨损和疲劳剥层磨损。当基体中第二相细小 弥散分布时，氧化膜从内部剥落或界面剥落，属于正常的氧化磨损，磨损率较低， 此种情况适用于q u i n n 和w i l s o n 等理论，磨损率几乎与基体的组织和韧性没有关系； 当基体中第二相较粗大时，裂纹在基体与粗大第二相界面处萌生，并在基体内部扩 展，导致基体与其上的氧化物膜一同剥落，这时磨损率与基体组织及韧性密切相关。 关键词：铸钢，热锻模具， 高温磨损，磨损率，磨损机理 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t c a s th o t f o r g i n gd i e sh a v eb e e nu s e dp r a c t i c a l l ya ta b r o a d ，b e c a u s eo ft h e i rg o o d p r o p e r t i e sa n dl o n gl i v e s h o w e v e r , t h ea p p l i c a t i o no fd o m e s t i cc a s td i es t e e l si sc o n f i n e d o w i n gt ot h e i rp o o re l e v a t e dt e m p e r a t u r ew e a l - p e r f o r m a n c ea n ds h o r tl i v e s i nt h i ss t u d y , t h ee f f e c t so f c o m p o s i t i o n s ，p r o c e s s e s ，m i c r o s t r u c t u r e s ，p e r f o r m a n c e s ，a m b i e n tt e m p e r a t u r e s ， l o a d sa n ds l i d i n gv e l o c i t i e so nw e a rr e s i s t a n c ew e r es t u d i e d m o r e o v e r , b yu s i n gs e m ， x r a ya n de d s ，t h ei m a g e s ，c o m p o s i t i o na n ds t r u c t u r eo fw o r ns u r f a c e sa n dw o r nd e b d s w e r ei n v e s t i g a t e d t h ee l e v a t e dt e m p e r a t u r ew e a l m e c h a n i s mo fc a s th o t f o r g i n gd i es t e e l s w a sd i s c u s s e dt h r o u g ha n a l y z i n gt h em o r p h o l o g i e sa n dd e l a m i n a t i n gp a t t e r n so fo x i d e f i l m so nw o ms u r f a c e s ，i no r d e rt oo f f e rs o m et h e o 西g r 0 1 a g l sf o ru ki m p r o v e m e n to _ ft h e i r h i g h - t e m p e r a t u r ew e a l p e r f o r m a n c e a n d t h i ss t u d yh a si m p o r t a n tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c e a n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o nv a l u e t h er e s u l t ss h o wt h a tw e a l r a t eo fc a s th o t f o r g i n gd i es t e e l si sn o ts e n s i t i v et ot h e c h a n g eo fh a r d n e s s t h ew i d e r a n g et h e r m a ls 打e n g t hw o u l dm e e tt h en e e do fl l i g h e r w e a l r e s i s t a n c e a n dt h eh i g h - t e m p e r a t u r ew e a l r e s i s t a n c es t r o n g l yd e p e n d so nv a r i a t i o n o fm i c r o s t r u c t u r e s i ti sf o u n dt h a tt h eh i g h t e m p e r a t u r ew e a l r e s i s t a n c eo ft e m p e r e d t r o o s t i t ei s s u p e r i o rt ot a m p e r e dm a r t e u s i t ea n db a l n i t ec o m p l e xm i c r o s t r u c t u r ea n d t e m p e r e ds o r b i t e t h ec a t e n u l a t ec r 2 3 c 6p r e c i p i t a t e sa l o n gg r a i nb o u n d a r i e so fa n s t e n i t eo r l a t hb o u n d a r i e so fm a r t e n s i t ei nt h ec a s th o t f o r g i n gd i es t e e lw i t h4 0 w t m o ，t e m p e r e d a t6 0 0 ，a n dc o a r s e ( r e ) 2 0 2 sa p p e a r si nt h ec a s th o t - f o r g i n gd i es t e e lw i t he x c e s s a d d i t i o no fr e b o t hl o w e rt h et o u g h n e s so ft h ec a s th o t f o r g i n gd i es t e e l sa n dd e t e r i o r a t e t h e i rh i g h - t e m p e r a t u r ew e a l p e r f o r m a n c e i tc a nb ec o n c l u d e dt h a tt h e r m a ls t r e n g t ha n d t o u g h n e s sb o t ha r en e e d e df o rh i g hw e a l r e s i s t a n c e d u r i n gh i g h t e m p e r a t u r ew e a r , o x i d e f i l m sa n do x i d eg r a n u l e sa r ef o u n dt of o r mo i lt h ew o r ns u r f a c e s t h eo x i d e sa r ec o m p o s e d o ff e 4 0 3a n df e 2 0 3 w e a rd e b r i so fc a s td i es t e e l si st h em i x t u r eo ff e ，f e 4 0 3a n df e 2 0 3 h i g h - t e m p e r a t u r ew e a rm e c h a n i s mo fc a s th o t f o r g i n gd i es t e e l si so x i d a t i o nw e a ra n d f a t i g u ed e s q u a m a t i o nw e a r w h e nt h es e c o n d p h a s ei sf i n e ，t h eo x i d ef i l mw o u l df l a k eo f f i i 江苏大学硕士学位论文 f r o mt h ei n s i d eo fo x i d eo rt h ei n t e r f a c eo fo x i d ef i l ma n dm a t r i x ，w h i c hi sc l a s s i f i e da s o r d i n a r yo x i d a t i o nw e a r , a n da c c o r d sw i t ht h et h e o r i e so fq u i n na n dw i l s o ne r e i nt h i s c a s e t h ew e a rr a t eh a sn o t h i n gt od ow i t i lt h es t r u c t u r ea n dt o u g h n e s so fm a t r i x h o w e v e r , w h e nt h es e c o n d p h a s ei sc o a r s e ，c r a c kw o u l di n i t i a t ef r o mt h ei n t e r f a c eo fs e c o n d p h a s e a n dm a t r i xa n dp r o p a g a t ei nt h em a t r i x ，s ot h a tt h em a t r i xa n do x i d ef i l mw o u l ds p a l l t o g e t h e r i nt h i sc a s es t r u c t u r ea n dt o u g h n e s so fm a t r i xw o u l dh a v eas t r o n ge f f e c to n w e a r r a t e k e yw o r d s ：c a s ts t e e l ，h o t - f o r g i n gd i e ，h i g h - t e m p e r a t u r ew e a r ，w e a rr a t e ，w e a r m e c h a n i s m 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密 学位论文作者签名：彦、j 、辛屯指导教师签名： 删亏 彬香年) 2 月j y 日砂j 年i2 月i 牛e t 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：苍。j 釉 日期：“年j l 月f y 日 江苏大学硕士学位论文 1 1 选题目的及意义 第一章绪论 热锻模具是机械、汽车、农机、国防等工业部门的重要工艺装备。随着工业发 展和科学技术水平的提高，其应用更加广泛，这就对其性能提出了更高的要求。但 目前我国热锻模具仍采用以锻材或型材进行机械加工为主的制备工艺，加工量大， 制造周期长，易产生锻造废品，同时材料利用率低，报废模具难以回收利用，导致 成本居高不下。因此，降低热锻模具制造成本，提高热锻模的使用寿命，简化生产 工序，缩短制造周期及废弃模具的再生回用等，是急需解决的重大技术难题。 精铸法是一种经济性的制模方法，采用此方法制造的模具具有材料利用率高、 切削加工量小、生产周期短、成本低、寿命高等优点。据报道【l 】在热锻生产中，7 5 锻模可以采用精铸锻模，从而可以大大降低成本，提高模具寿命。从4 0 年代末开始， 美国、前苏联、日本、西德、英国等发达国家相继开展了陶瓷型和热固树脂砂型等 精密铸造热锻模的研究和应用3 】；我国也从7 0 年代开始对陶瓷型精密铸造模具进 行研制与推广应用，取得了一定的效果【1 4 - 1 9 1 。然而从国内外的应用情况来看，仍有 一些不尽如人意的地方。虽然，文献 2 0 】研制的新型铸造热锻模具钢基本消除了铸造 模具的早期脆断，但其寿命距国外的先进水平尚待提高；而且发现高寿命模具的失 效形式为高温磨损。因此，改善铸造模具钢的高温抗磨性是提高铸造热锻模具寿命 的关键之一。高温磨损一直是摩擦磨损研究领域中一个重要的研究方向，但对热锻 模具钢，特别是精铸热锻模具钢的高温磨损的研究少见报道。特别是对钢的成分、 组织、性能等对高温磨损的影响规律和作用机制以及高温磨损机理还不是很清楚。 因此，无法对目前精铸热锻模具钢的合金成分设计和工艺提供足够的理论指导，精 铸热锻模具的磨损寿命难以提高。 本研究正是基于以上研究背景及工业需求，通过对精铸热锻模具钢的内、外部 影响因素及氧化物膜的形态和剥落方式的分析，探讨了精铸热锻模具钢的高温磨损 理论。为精铸热锻模具钢高温耐磨性的提高提供基础数据和理论根据，希望有助于 加速精铸热锻模具在国内的推广与应用。 江苏大学硕士学位论文 1 2 铸造模具的优点及铸造模具钢研究现状 1 2 1 铸造模具的优点 铸造模具的使用可追溯到本世纪4 0 年代，由于铸件本身固有的优点，人们也开 始尝试用铸造法生产模具，然而初期的尝试多是单个分散的实践，也没有出现系统 的研究及论证，没有引起人们的足够重视。直n 6 0 年代，英国、前苏联、美国等工 业发达国家才开始对采用铸造方法制成的模具进行了集中的研究及工业性试验。经 过长期的实践证明，铸造模具具有一些锻造模具所无法比拟的优势。 ( 1 ) 降低模具成本，缩短制作周期。 传统机加工模具的制作工艺流程为： i _ ji _ j i 一1 _ j i i i ，医司 l 哐困 对比上面两个工艺流程图，虽然铸造模具制造技术中增加了铸型制备工序，会 使模具成本增加、周期延长。但相比较而言，铸造模具制造技术在降低模具制作成 本、缩短制作周期方面，仍然具有相当的优势。这是由于精密铸造模具制造技术可 直接成型模具，机加工量大大减少，而且也没有轧制或锻造工序，因而模具制造周 期大大缩短，制造成本也相应降低。此外，机加工模具在制造过程中，由于锻造或 2 江苏大学硕士学位论文 切削而使得相当数量的模具钢成为料头或切屑，降低了模具钢的利用率，增加了模 具成本。而铸造模具只需增加必要的浇道、浇口及冒口，材料消耗低于机加工模具。 表1 1 【2 1 】是几种机加工模具( m ) 与铸造模具( c ) 的成本对比。 表卜1 传统机加工方法制造的模具与铸造模具的成本对比( 单位：1 0 ，0 0 0 日元) t a b l e l l c o m p a r i s o no f c o s tb e t w e e nt r a d i t i o n a ld i e m a k i n gt e c h n o l o g ya n dc a s td i e m a k i n g 注：m 表示传统机加工模具c 表示铸造模具 从表1 1 可以看出，以上铸造模具的成本比机加工模具成本降低了2 0 3 0 。 对于大批量生产来说，铸型可多次使用，模具成本中还可减去铸型成本，这将进一 步降低铸造模具成本，据资料报道【捌，其成本可降低5 0 左右。 ( 2 ) 使用性能各向异性不显著 传统机加工模具制造技术多采用轧制或锻造的模具钢，其力学性能各向异性较 为显著。因此，在许多模具产品设计中往往要考虑材料在三个坐标轴方向的性能， 设计工作较为复杂，相比之下，铸造模具的各向同性具有明显优势。 ( 3 ) 选材自由度大 与机加工模具相比，铸造模具的选材自由度更大，基本上不受材料加工性能( 如 可切削性) 的限制，可选用更强更韧的材料做为模具材料。 ( 4 ) 成型性好 铸造模具易于按设计者的构思成型，具有合理的外形和内部轮廓，形状复杂且 应力集中不显著，特别是对于许多形状复杂、曲线多变而机加工又难以胜任的模具， 铸造模具制造技术可更见其优越性。 ( 5 ) 模具的性能改善，寿命提高 铸钢优于锻钢的突出点为其抗热裂性能高，模具不易出现裂纹，即使有了裂纹， 江苏大学硕士学位论文 铸造模具的热疲劳裂纹扩展较缓慢，寿命很长。不像普通机加工锻钢模具，一旦有 了裂纹便会迅速扩展报废。 1 2 2 铸造模具钢的研究现状 早在1 9 4 5 年，前苏联就开始用铸造热锻模毛坯代替锻造热锻模毛坯，早期主要 用锻造模具钢铸造热锻模具，适量添加孕育剂和变质剂。7 0 年代，试验了陶瓷型铸 造热锻模具。8 0 年代，铸造热锻模具得到较大发展，开发出一系列无钨铸造模具钢 4 c r 5 m o v s i n i 、2 5 c r 5 m 0 2 v s i ( 前苏联汽车工艺科学研究院研制) 、3 c r 5 m o v s i n i 和3 c r 6 m o n v ( 乌克兰科学院铸造研究所) 。原苏联汽车工业部认为，用铸造方法来制 造热锻模具是现代热锻模具制造与应用的发展趋势。原苏联汽车工业部在第1 2 个五 年计划期间及以后的五年计划期间，把用铸造方法制造热锻模具列为锻模制造主要 方法。在一些钢中加入合金元素和稀土元素进行合金化，以及用氮化钒强化，促进 组织细化，提高钢的耐回火性、热强性及抗热裂性能。据报道，这些铸造热锻模具 寿命比用传统5 c r m n m o 、5 c r n i m o 、3 c r 2 w 8 v 以及新钢种4 c r 5 m o v 、4 0 c r n i m o v 锻 钢制造的热锻模具高2 0 1 0 0 e 2 3 1 。美国自上世纪5 0 年代中期开始重视铸造热锻模 具的应用，应用范围遍及压铸模、注塑模、锻模及镶块。另外其它较早开展铸造模 具研究的国家是英国、捷克、日本 2 4 j 。据报道，在美国和日本，9 0 以上的热锻模 具均采用铸造技术生产。 国内5 0 代开始研究用5 c r m n m o 铸造热锻模具钢来代替5 c r m n m o 锻造热锻模具 钢，但由于多沿用锻造模具钢的材料，而且热处理也大致与锻造模具钢相同，所以 铸造模具钢的寿命没有提高。而且由于铸造模具钢强韧性低，使用过程中常因早期 开裂而失效，所以未能得到推广应用。7 0 年代，国内开始采用陶瓷型铸造柴油机摇 臂锻模、冲头锻模等，型腔只经钳工精修即可，大大缩短了制模周期，成本比机加 工模具降低了一半。8 0 年代后期，上海桑塔纳汽车厂和上海工业大学的刘以宽、符 仁钰等人将h 1 3 钢的成分加以必要的调整( 即c h l 3 ) 直接铸成压铸模具，并将其成功 地应用于桑塔纳汽缸盒模具上，表面粗糙度r a1 2 5 5 0m i l l ，成本为进口模具的 2 5 。武汉机械工艺研究所在陶瓷精铸热锻模上也取得了较大的进展，其制作的 c a i o b 汽车前轴精铸热锻模重0 5 t ，型腔不必加工，仅需抛磨，精铸热锻模比锻造 热锻模节约加工时间约3 0 0 h 1 5 】。长春拖拉机厂用v 法铸造出1 2 马力拖拉机半轴法兰盘 4 江苏大学硕士学位论文 锤锻模，经热处理后，锤锻模的硬度为4 1 h r c ，平均冲击韧性为2 0 j c m 2 ，跟锻造模 具相比，使用寿命提高了一倍，抗热疲劳性能明显提高，且脱模性也优于 5 c r m n m o 1 9 1 。广东工业大学用薄壁陶瓷型精铸汽车万向节热锻模，试验结果表明： 模具寿命为l 1 2 万模次，而工厂机加工和电火花加工的模具，其寿命一般为0 6 0 7 万模次，模具的使用寿命明显提高 2 5 1 。 近年来，吉林大学开发了一种新型c r n i m o 系铸造热锻模具钢，该钢种主要成 分w t ( ) 为：c ：0 1 o 5 ，c r ：1 o 5 0 ，m o ：0 3 2 0 ，n i ：0 5 2 0 ，v ：0 3 1 0 ，s i ： 0 4 ，m n ： 0 4 ，p 0 0 3 ，s 0 0 3 。通过优化合金成分设计、稀土变质处理， 该铸造热锻模具钢抑制了粗大c r 的碳化物析出，促进细小、弥散的m 0 2 c 和v 4 c 3 的 析出。增加了一次高温预先热处理，采用中温回火热处理工艺后，有很好的强韧性和 高温热稳定性，现场使用表明铸造热锻模寿命明显高于机加工锻模，以铸代锻完全 可能【2 6 】。 1 2 3 影响铸造模具推广使用的因素 尽管铸造模具有许多显著的优点，但从目前情况来看，铸造模具的研究及其推 广使用情况仍较缓慢，其原因有以下几点。 ( 1 ) 铸造模具精度较差 铸造模具最基本的要求是要有较好的成型性，而成型性主要受模具铸造方法及 模具材料两个因素的影响。 目前，国内在采用陶瓷型精密铸造方法生产模具方面已取得了较好的效果，铸 造模具精度较高。而在我国大部分地区，陶瓷型精密铸造技术尚不过关，主要表现 在陶瓷型铸件的表面脱碳、陶瓷型型腔的变形等方面，许多单位生产的陶瓷型铸造 模具精度、表面光洁度均达不到要求，影响了铸造模具的使用推广。其次，简单采 用传统锻造模具钢化学成份做为铸造模具材料的成份，如5 c r n i m o 、5 c r m n m o 等。 由于多数锻造模具钢的铸造性能较差，从而严重影响了铸造模具的精度。 ( 2 ) 铸造模具钢的热疲劳和高温耐磨性尚待提高 目前，国内精铸热锻模具钢的寿命与国外相比较尚有差距，主要是由于精铸热 锻模具钢的热疲劳抗力和高温耐磨性较低的缘故。热疲劳裂纹过早出现，往往促进 精铸模具的早期断裂或疲劳裂纹，加速热磨损而使模具寿命降低。 5 江苏大学硕士学位论文 ( 3 ) 社会传统习惯的作用 传统观念认为，铸造模具不足以胜任高性能模具的要求，加上已有的机加工技 术及设备，使人们对铸造模具的应用推广持消极和怀疑的态度。 1 3 磨损 1 3 1 磨擦与磨损 摩擦学( t r i b o l o g y ) 名词是在1 9 6 6 年才出现的，摩擦学是研究相对运动的相互作 用表面的有关理论与实践的- - f j 科学与技术，是研究两表面摩擦、磨损、润滑相互 关联的科学与技术的总称鲫。磨损是由于物体表面相对运动，依靠机械的和化学的 作用致使表面的物质不断地去除，摩擦的结果一般会形成磨损，但在特定条件下( 如 流体润滑中，外摩擦转交为内摩擦) 有能量损失却不一定有材料损失，因此摩擦、磨 损与润滑是相互关联的。 意大利的d av i n c i ( 达芬奇) 、法国的a m o n t o n ( 阿蒙顿) 和c o u l o m b ( 库仑) 对摩 擦学的发展做出了极大的贡献，他们创立了三个摩擦定律，v i n c i 认为摩擦力是物体 重量或负载的i 4 ，且对于所有的材料都一样，即摩擦系数为0 2 5 ；a m o n t o n 毛e 1 6 9 9 年 发表的摩擦定律为：滑动摩擦阻力的大小与接触面间的法向负载成正比，与名义接 触面积无关。1 7 8 5 年c o u l o m b 在试验时得到的结论是：两个相对运动物体表面的界面 滑动摩擦阻力与滑动速度无关1 2 8 j 。 上述的三个摩擦定律是建立在刚性力学的基础上，且是在力学发展的初期，所 以有局限性；它无法解释摩擦过程能量的消耗，也与摩擦系数在运动过程中是变化 的相违背，它只能算是经验规则。在二十世纪以来，在阐明摩擦机理方面提出了各 种理论，如机械理论、分子吸附理论、粘着磨损理论、分子机械理论等。在解释磨 损起因方面，有粘着磨损理论、表面疲劳磨损理论、磨粒磨损理论等。在润滑理论 方面，有流体动压润滑理论、流体静压润滑理论和弹性流体动压润滑理论等。根据 各种不同条件，对摩擦和磨损的具体分类，分别见表1 2 和1 3 。 6 江苏大学硕士学位论文 表1 - 2 摩擦的分类 1 曲1 2f h c t i o nc l a s s i f i c a t i o n 表1 - 3 磨损的分类b 1 口q t a b 1 - 3w e a l c l a s s i f i c a t i o n 7 江苏大学硕士学位论文 1 3 2 几种典型的磨损机制 1 3 2 1 粘着磨损机理 粘着是由于固相熔焊使接触表面的材料从一个表面转移到另一个表面去，这种 由于摩擦表面相对运动和粘着作用下引起的机械磨损，统称为粘着磨损口9 1 。粘着磨 损的一般过程是： ( 1 ) 当两摩擦表面相互接触时，较高的微凸体首先发生接触，由于真实接触 面积只占名义接触面积的很小部分，因此接触压力较高。高的压力使得微凸体产 生塑性变形并出现粘着现象。 ( 2 ) 当摩擦副相对运动时，滑动使得粘着点产生了剪切破坏，并把材料从较 软的表面转移到较硬的表面上去。 ( 3 ) 当进一步滑动时，由于摩擦的存在，使得转移到硬表面上的材料脱落下 来，从而形成磨粒。粘着过程的示意图见图1 - 1 。 图1 - 1 粘着磨损过程示意图 f i g 1 - 1 s k e t c hm a pf o rp r o c e s so f a d h e s i v ew e a r 然而对于粘着形成的原因，各国学者有不同的看法，如h o l mr 认为粘着是相互 接触的滑动表面由于摩擦的作用，一侧表面的原子被对方表面的原子所捕捉的现象； b o w d o nfp 认为粘着是在表面局部高压情况下引起接触微凸体的塑性变形和瞬时 高温使得材料熔化或软化而产生焊合的现象；x p y m o bmm 则认为粘着是高压下产 生的冷焊现象，不一定要求达到熔化程度。虽然各个学者的看法不同，但都脱离不 了粘着磨损的本质：材料的转移。 1 3 2 2 磨料磨损的机理 磨料磨损是指在摩擦过程中，由于外界硬颗粒或对磨表面上的硬凸起物引起表 面材料从起表面分离出来的现象。在工业中，因磨料磨损而造成的经济损失约占整 个磨损损失的一半，它是最常见的一种磨损形式。按照磨粒和表面的相互位置来划 8 江苏大学硕士学位论文 分，可以把磨料磨损分为二体磨料磨损( t w ob o d ya b r a s i v e ) 和三体磨料磨损( t h r e e b o d ya b r a s i v e ) ；按照摩擦表面所受的应力和冲击力来划分，可以将磨料磨损分为凿 削式磨料磨损( g o u g i n ga b r a s i v e ) 、高应力碾碎式磨料磨损( g r i n d i n ga b r a s i v e ) 和低应 力擦伤式磨料磨损( s c r a t c h i n ga b r a s i v e ) 3 0 1 。 根据磨料对基体表面磨削的条件不同，形成了磨科磨损的三种损伤机理：微切 削、疲劳破坏和压痕假说。 ( 1 ) 微切削：在这种导致损伤的过程中，由于磨料的几何形状可以产生完整的 切屑，表面损伤可能是犁沟，也可能是飞边，对于脆性材料，微切削将导致材料的 崩落。 ( 2 ) 疲劳破坏：因磨料颗粒的作用，基体表面产生交变的接触应力从而导致疲 劳破坏，同时犁沟的隆起也可能使基体产生多次应变而导致疲劳破坏。 ( 3 ) 压痕假说：对于塑性较大的基体表面，由于磨料颗粒在力的作用下压入基 体表面从而产生压痕，并从表面上挤压出剥落物。而实际中，磨料磨损往往是由几 种机理同时作用而产生的。 1 3 2 3 疲劳磨损机理 疲劳磨损是由于交变应力使得表面材料疲劳而其从表面脱落的现象。与粘着磨 损和磨料磨损不同的是，疲劳磨损一般不可避免，即便在良好的油膜润滑条件下。 疲劳磨损一般由两个阶段组成：裂纹萌生和裂纹扩展。两接触表面作滚动或滚滑复 合相对运动时，由于交变应力的作用使接触表层发生塑性变形，萌生裂纹，裂纹扩 展后产生材料的断裂剥落，而在基体表面上留下一个凹坑。接触疲劳没有疲劳极限， 疲劳寿命波动性很大，一般有收敛性和扩展性两种类型。收敛性疲劳磨损一般产生 于机器的跑合期，会随着跑合的结束而自动消失；扩展性疲劳磨损是初始的疲劳麻 点随着时间的推移而进一步不断扩大，直至零件失效p ”。 疲劳磨损有两种基本的形式：宏观疲劳磨损和微观疲劳磨损。宏观疲劳磨损是 指发生于滚动接触或滚滑接触时的疲劳磨损，如凸轮、齿轮、滚动轴承等高副接触 零件的表面；而微观疲劳磨损则指发生于滑动接触时的磨损，各个摩擦副都有可能 发生这种形式的磨损1 3 ”。 疲劳磨损按其磨粒形状来说有两种：点蚀( p i t t i n g ) 和剥落( s p a l l i n g ) 。凹坑小而深 且磨粒呈扇形称为点蚀；凹坑大而浅且磨粒呈片状的称为剥落。对于退火钢或调质 o 江苏大学硕士学位论文 钢以点蚀为主，对于渗碳钢以剥落为主。 1 3 2 4 氧化磨损机理 氧化磨损是发生在摩擦跑合阶段的严重粘着磨损之后，由粘着磨损形成的迁移 层发生硬化和表面氧化，形成一层保护性的外壳，防止了严重粘着磨损，以此降低 了摩擦磨损，所以产生氧化物并进而形成硬化层是氧化磨损为轻微磨损的本质。 轻微氧化磨损和严重粘着磨损的区别在于，粘着磨损过程中摩擦副之间摩擦接 触时出现塑性变形，而氧化磨损中摩擦副之间磨擦产生的是弹性变形；在氧化物形 成过程上也有区别，两种磨损机制都必须有氧化碎片的形成，而粘着磨损形成氧化 碎片的磨合阶段可以看成是形成足够氧化物以阻止金属表面发生粘着的轻微氧化磨 损的孕育期。从严重粘着磨损向轻微氧化磨损的转变必须具备两个条件：一是在金 属表面必须形成了足够多的氧化物；另外足够多的氧化物必须在压力的紧实后形成 一层保护膜才能阻止金属表面发生粘着磨损【3 3 1 。 氧化磨损是金属在大气中摩擦接触时最常见的摩擦磨损机理，一直受到人们的 关注和深入研究。在2 0 世纪6 0 年代，a r c h a r d 和h i r s t 就首先认识到氧化膜和钢表 面的磨损之间的联系，从那以后关于氧化膜的生长模型和磨损率的模型得到了广泛 的发展【3 4 1 。 q u i n n 的经典氧化磨损的模型公式为：国= 竺等窖筹【3 5 】。他研究了摩擦接 触温度在几百时，很高的滑移速度下轻微氧化磨损，他认为在磨损时金属表面闪 点温度升高，引起氧化膜生长，形成较厚的氧化膜，磨损速率发生显著降低，磨损 机理从严重粘着磨损转变为轻微氧化磨损。这种氧化膜在磨损时有一临界厚度，超 过这个厚度氧化膜和基体间的结合力减弱，在剪切应力的作用下氧化膜形成磨损碎 片被磨掉。因此，文献 3 6 研究得出了氧化膜厚度r 和磨损时间t 之间成抛物线关系； r 2 = k 。t + c o n s t a n t ，说明越厚的氧化膜，氧化速率就越小；另外氧气分压的大小也影响 氧化速率，氧气分压越小，氧化速率也越低。 w i l s o n 等人讨论了在非常低的滑移速度下，大气和环境温度对摩擦磨损影响的 磨损模型。他们认为摩擦磨损的开始阶段产生了氧化碎片，氧化碎片的积累，以及 在压力的作用下形成氧化膜，从而降低磨损率，提高了耐磨性。文献【3 7 基本支持了 w i l s o n 的理论，该文讨论了氧化物的形成和随之产生的玻璃态物质。认为在滑动金 1 0 江苏大学硕士学位论文 属和合金表面光滑玻璃态物质的形成包括三个阶段：氧化物的形成、氧化碎片的凝 聚以及氧化碎片的紧实。磨损碎片是由非常细而致密的氧化颗粒组成，这些颗粒要 么压入原来光滑的金属表面，要么迁移后紧实到对磨材料的光滑表面上，因而提高 了耐磨性，降低了磨损速率。这两种理论模型对于氧化膜形成的原因有不同的解释， 很有可能是因为两种理论研究的工况条件存在差异。 针对金属氧化膜有利于降低滑动摩擦磨损，人们在研究氧化膜发挥抗磨作用时 发现，氧化膜的韧性以及与亚表层的结合力和亚表层对氧化膜的支撑作用决定了氧 化膜在磨损中发挥抗磨的效果。只有在氧化膜具有一定的韧性，并且与亚表层之间 有良好的结合强度，亚表层也能够较好的支撑氧化膜时，氧化膜才能具有更好的抗 磨效果。另外，氧化膜的弹性模量e 和金属的硬度h 之问的比率越小，氧化膜的抗 磨性能也越好，因为e h 越小越有利于促进弹性变形和降低粘着磨损率口剐。金属氧 化膜的抗磨作用受到本身表层和亚表层物理性质的制约，而表层和亚表层在滑动摩 擦磨损中因温度变化而发生相变等，所以滑动摩擦磨损过程中最高温度( 即闪点温 度，由于它持续时间很短，产生范围很小，所以很难测定) 和亚表层温度的分布对 氧化磨损有一定的影响。a r c h a r d 通过前人的研究结果以及其长期的研究，提出闪点 温度的分布公式：( 以) 一= 1 6 4 0 , = e 。( 1 一事) “4 ，这里以为整个摩擦接触面的平均 温度，可以通过文献中的公式对其进行计算；e 。是闪点温度，( g ) 一是接触点附近 的温度1 3 9 。该文献还分别就低速摩擦和高速摩擦条件对亚表层的温度分布进行理论 化，并且在解释和说明共析钢表面单一摩擦接触发生相变处的温度分布时，理论估 计值和试验值有很好的匹配。所以可以根据闪点温度和亚表层温度的分布来预测氧 化膜的组成和性能。文献 4 0 】研究了低合金钢干摩擦磨损过程中形成的铁的氧化物随 着接触温度的变化，成分发生改变。在低于2 0 0 c 的情况下铁的氧化物主要是a f e 2 0 3 ，在2 0 0 到5 7 0 * ( 2 间，铁的氧化物主要为f e 3 0 4 ，在5 7 0 c 以上主要是f e o 。 当表面上形成的氧化物种类改变时，磨损行为的改变是不可避免的。该文献通过低 合金5 2 1 0 0 钢从室温到5 0 0 。c 之间系统性的研究磨损行为的转变。认为f e 3 0 4 比其它 两种氧化物a f e 2 0 3 和f e o 具有更好的保护性，而f e o 会增大磨损速率。所以总的 来说温度对于氧化磨损具有重要的决定作用。 江苏大学硕士学位论文 1 3 3 高温磨损 1 3 3 1 高温磨损机理 在早期的研究工作中，h s i n 和n s a k a t 4 1 】等强调了高温磨损中的粘着机理，认 为温度的升高会引起金属的软化。q u i n n 则看重氧化磨损机制m 】，s u h e 4 3 1 也试图把剥 层理论推广到高温磨损。随后人们发现在高温磨损中，温度的介入会导致摩擦表面 的吸附、氧化，以及材料机械性能的变化，因而是一种极为复杂的失效形式。在一 对摩擦副中，往往不止存在一种磨损形式，一般总是几种机制共存，或者，在一定 条件下会发生从一种形式到另一种形式的转化，所以用某一种固定不变的磨损形式 去解释所有的高温磨损显然是行不通的，因此，人们现在普遍愿意接受几种机理共 存的复合磨损机理。刘少光等人 4 4 1 研究了5 c r m n m o 钢b a 共渗，b z r 共渗及单纯 渗b 层的高温滑动磨损持性，结果表明上述渗层的高温磨损形式存在疲劳剥落、磨 粒磨损、氧化磨损和涂抹粘附等多种机制。据文献 4 5 】介绍，在研究热轧辊材料的高 温滑动磨损特征时，也发现摩擦面呈现犁沟或粘着两种特征。过荣一【4 6 1 等研究了热 加工用合金工具钢、特殊钢、耐热钢及碳素钢等材料的高温磨损特性，认为是粘着 磨损和氧化磨损共同作用的复合机制。l a n c a s t e r 4 7 】用6 0 4 0 黄铜销对淬火工具钢环在 不同温度下进行摩擦磨损试验，结果表明，在3 0 0 c 以下，磨损一时间关系曲线是一 条直线，有较高的磨损率，表征为粘着磨损，当试验温度高于3 0 0 c 时，磨损率陡降， 他认为这是由于在3 0 0 c 以上时，磨擦金属表面与环境气氛反应，而生成保护性氧化 膜的结果。王道元等 4 8 】研究了3 c r 2 w 8 v 钢的高温磨损，认为该钢的高温磨损特性为： 4 0 0 以下以磨粒磨损为主，5 0 0 时，基本上是氧化物组成的“形成层”磨损，6 0 0 时磨粒磨损与“形成层”磨损共存，7 0 0 时又转为磨粒磨损。 1 3 3 2 高温磨损的影响因素 金属的高温磨损行为，与材料服役的工况条件和本身的性质密切相关。 一、工况条件对金属高温磨损行为的影响 1 载荷的影响 高温磨损条件下，载荷对磨损率和摩擦系数的影响，并不是简单的线性递增关 系。很多文献报道了磨损量在某个负载下发生明显的剧增，国外的研究者们称之为 磨损突变【4 9 】。如：王树奇等研究了精铸热锻模具钢高温磨损行为，该铸钢在高温下 江苏大学硕士学位论文 随着载荷的增大在1 0 0 n 时出现了最大的磨损率，载荷进一步增加时，磨损率反而降 低。当载荷继续增大时，铸钢表面由于挤压和擦伤等机械作用使温度升高，表面更 易氧化，形成大量氧化物，磨损转为氧化磨损，所以磨损率降低【5 0 1 。而李志等人研 究发现3 c r 2 w s v 钢的摩擦系数随载荷增大而降低，摩擦系数随载荷变化的趋势平 缓，并不是线性递减。摩擦系数降低是因为载荷增大使微凸体接触点的温度即闪点 温度迅速升高，引起摩擦表面软化甚至熔化，因此微凸体接触点处剪切阻力大幅度 减小，摩擦系数明显下降”】。 2 滑移速度的影响 金属高温磨损时磨损率随滑移速度的变化也主要是由于磨损机制发生转变引起 的。文献 5 0 中研究的铸钢磨损率随滑移速度的增大而减小，主要是因为滑移速度增 大，铸钢表面温度升高，从而更易在铸钢表面形成大量的氧化物，使铸铜的磨损机 制从粘着磨损转为氧化磨损，所以磨损大大减轻。关于氧化在合金磨损中的作用s t o t t 也提到，n i 2 0 c r 合金在非常高的速度下单向滑动时，合金表面温度升高非常快， 可能使表面氧化物熔化，从而引起严重的氧化磨损；而在低速反复滑动时，即使合 金的环境温度高达8 0 0 c ，合金表面磨损的氧化碎片都会保留下来，并且压入合金表 面，形成保护层，起到非常好的抗磨效果p “。 3 滑动距离或时间的影响 滑动距离( 或时间) 对金属高温磨损行为的影响与金属摩擦磨损过程中的高温 氧化密切相关。在文献【5 0 】中，铸钢在高温磨损初期比磨损率大，磨损表面氧化物数 量少，磨损以粘着磨损为主；随着时间的增长，磨面氧化物数量增多，减轻了粘着 磨损，磨损率逐渐下降；随后磨损和氧化相互影响，高温磨损进入相对较稳定的状 态，磨损率趋于稳定。然而e t s u om a r u i 研究过共析钢的磨损行为发现，在4 0 0 c 高温 下过共析钢的磨损失重随滑动距离增长而增大，在摩擦滑动0 3 k m 左右，磨损失重出 现突变，磨损机制从轻微磨损转为严重磨损；而该过共析钢的高温摩擦系数并没有 随滑动距离而变化，也不受高温磨损机理从轻微磨损转变为严重磨损而影响【5 引。 二、内部因素对金属高温磨损行为的作用 1 硬度和韧性对金属高温磨损的影响 金属摩擦表面的硬度对耐磨性影响极大，但硬度并不是决定磨损量的唯一因素， 因为它既不能代表金属塑性流动的能力，也不能说明金属对裂纹产生和扩展的抵抗 江苏大学硕士学位论文 能力。因此并不是硬度高，金属的耐磨性能就好。金属的耐磨性还与自身的断裂韧 性密切相关【5 ”。材料的力学性能中硬度和断裂韧性是相互影响的，硬度高势必断裂 韧性低，硬度低断裂韧性就好。只有硬度和韧性之间达到最佳匹配，材料才有最好 的耐磨性。据文献 5 5 】对g x l 8 0 c r w v 一2 0 铸造合金高温磨损特性的研究表明，合金 在2 5 0 回火时具有最小的体积磨损量，此时合金高硬度和足够的韧性相匹配；在 3 8 0 c 回火时，合金的硬度下降，且组织中的m 3 c 型碳化物耐磨性差，所以磨损量 较大；而在4 8 0 回火，合金因碳化物的弥散强化硬度回升，韧性受到限制，但碳化 物的分布有利于抗磨，且高温磨损使合金硬度下降，所以此时合金的磨损量减少， 但比2 5 0 回火态的磨损量大；回火温度再