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摘 要 i 论文题目：与 gcr15 钢配副的铸铁高速干摩擦学性能研究 专 业：材料加工工程 研 究 生：黄滢玉 指导教师：陈跃 教授 摘 要 本文以高速干滑动摩擦为背景，以灰铁、蠕铁 a、蠕铁 b、球铁和 gcr15 钢为配副，利用 mms- g 型高速摩擦磨损试验机，研究了不同石墨形态、不同 基体组织铸铁的高速干滑动摩擦学性能。用显微镜、扫描电子显微镜(sem)、 edax 能谱分析仪(eds)对铸铁组织、磨损表面形貌、元素进行了分析，阐述了 铸铁高速干滑动摩擦的主要磨损机理，并探讨了摩擦表面特征与材料摩擦学特性 之间的关系。 本文的主要结论如下：随着滑动速度的增加，铸铁的摩擦系数呈现降低趋 势。载荷不同时，随着滑动速度的增加，铸铁的磨损率表现出不同的速度特性； 低载荷时，随着速度的增加，铸铁的磨损率大体呈现增加的趋势；高载荷时，随 着速度的增加，铸铁的磨损率先降低后增加。 石墨形态和基体组织对铸铁的摩擦学性能有重要影响。蠕铁由于导热性能优 于球铁，石墨形态对基体的影响优于灰铁，所以有良好的综合摩擦磨损性能。随 着珠光体含量增加，铸铁的摩擦系数减小，磨损率也降低；基体组织对铸铁的摩 擦系数影响不显著，但对磨损率影响较大。 不同石墨形态和基体组织的铸铁，其磨损机制也不同。灰铁的磨损机制主要 以磨粒磨损为主；蠕铁的磨损机制主要以磨粒磨损和氧化磨损为主；球铁的磨损 机制为磨粒磨损、氧化磨损和剥落磨损为主。铁素体含量高时，磨损机制以磨粒 磨损为主；随着珠光体含量的增加，磨损机制转变为磨粒磨损和氧化磨损共同作 用，氧化磨损程度加重。 关 键 词：铸铁；高速干滑动；基体组织；石墨形态；摩擦学特性；磨损机制 论文类型：应用基础研究 摘要 ii subject: study on tribological behaviors of cast irons against gcr15 steel under high speed dry sliding condition specialty: materials processing engineering name: huang ying- yu supervisor: prof. chen yue abstract the tribological behaviors of cast iron of different graphite morphology and matrix structure (dry sliding against gcr15 steel) were investigated on the mms- g high speed under the conditions of velocity (1090m/s) and contact load (0.33 and 0.67mpa). at the same time, with the help of microscope, sem, edax, tribo- metallographic phases, the microstructure and morphologies of worn surface had been studied. the relation- ship between tribological behaviors and friction surface features were discussed. the results indicated that friction coefficient of cast irons declines with the increase of sliding velocity. the wear rate increases in general as the the contact load is 0.33mpa while it declines as the contact load is 0.66mpa with the increase of sliding velocity. graphite morphology and matrix structure have an obvious effect on friction and wear characteristics of cast irons. due to thermal conductivity superior to spheroidal graphite cast iron and graphite morphology on the impact of the matrix structure better than ?ake graphite cast iron, compacted vermicular cast iron has good tribological properties. friction coefficient and wear rate decline with the increase of pearlite content. matrix structure has an insignificant effect on the friction coefficient of cast iron, but has a greater impact on the wear rate. because of the difference of the graphite morphology and matrix structure of cast iron, the wear mechanism is different. the wear mechanisms of ?ake graphite cast iron is mainly abrasive wear; that of compacted vermicular cast iron is mainly abrasive wear and oxidative wear; that of spheroidal graphite cast irons is mainly abrasive wear and oxidative wear and spalling wear. the w ear mechanisms changed from abrasive wear to abrasive wear and oxidative wear with the increase of the content of pearlite, the level of oxidative wear increased. 摘要 iii key words: cast iron; high speed dry sliding; matrix structure; graphite morphology; friction and wear characteristics; wear mechanism dissertation type: application fundamental research 第 1 章 前言 1 第1 章 前言 摩擦学(tribology)的定义是：研究在相对运动中相互作用着的表面的科学和 技术。它研究工程表面的摩擦、润滑和磨损，目的是详细地了解表面的相互作 用，而后在特定的应用中提出改进的办法。摩擦学是属于跨学科的，它含的学科 有物理、化学、力学、热力学和材料科学，并包括一个涉及有关表面间相对运动 的机械设计可靠性和工作性能的、庞大复杂并交缠在一起的领域1,2。 任何一个技术系统的功能以至自然界的许多过程，都取决于固体、液体和气 体的运动学性质和动力学性质。所有的运动过程都有一个共同的特征，就是在运 动过程的同时出现阻碍运动的效应。物体和物体紧密接触，来回移动，即当一个 物体和另一物体或上下或平行地紧密接触相对运动时，两个物体表面之间会产生 阻碍运动的效应, 这就是摩擦3。由于出现摩擦，系统的运动学和动力学性质受 到影响和干扰，使系统的一部分能量以热量形式发散和以噪音形式消失。同时， 摩擦效应还往往伴随着表面材料的逐渐消失，这就是磨损4。现在，摩擦学领域 扩展的非常广大，已深入到生物学领域，开始形成了生物摩擦学并成为生物力学 的一个重要分支，研究材料的生物摩擦学功能也已经引起了人们的重视。 摩擦学的研究对于国民经济具有重要意义。据统计，全世界每年大约有 1/31/2 的能源消耗在各种形式的摩擦上，除腐蚀与断裂外，由摩擦导致的磨损 是机械设备、零件失效的主要原因，大约有 80%的设备损坏是由磨损引起的5。 因此控制摩擦、减少磨损、改善润滑性能、提高耐磨性能已成为节约能源和原材 料、提高产品质量、延长设备使用寿命和增加设备可靠性的重要措施。由于摩擦 学对工农业生产和人类生活影响巨大，而且有些高速运转工程领域材料摩擦磨损 过程的控制，直接关系到人们的生命财产及设备的安全运行，所以引起世界各国 的普遍重视，它已成为近三十年来发展迅猛的技术学科，并得到了广泛地应用。 1.1 磨擦学基本概念 1.1.1 磨擦学的提出 摩擦学(tribology)的语源希腊字“ tribos” 是摩擦的意思。1966 年乔斯特 (h.p.jost)对英国当时的摩擦、磨损和润滑的教育与研究现状作了调查与分析，在 调查组的报告中指出6，过去普遍忽视摩擦学或润滑这门学科的主要原因有两 个，其一是因为忽视这是一门边沿科学，以致未能注意到它的内容上的多学科之 河南科技大学硕士学位论文 2 间的相关性和重要性，其二是人们往往把“润滑”一词过于通俗地并局限地理解 为加“油工”和“黄油嘴”等类简单概念，而妨碍了人们去充分理解这门学科的 经济意义和技术意义。为了消除上述误解以及由其所带来的不利影响，乔斯特建 议将这一跨学科的边沿科学称为摩擦学(tribology)，它是研究相互运动表面之间 的作用及其有关理论和实践的一门综合性科学技术，是摩擦、磨损和润滑的统 称，也是一门既传统却又十分年轻的新兴学科7。 1.1.2 摩擦学的基本概念及理论 1.摩擦的定义及理论 摩擦是指两个物体表面作相对运动时，实际接触区域内界面上的切向阻抗现 象。摩擦可以按照不同的方式来分类。按照摩擦副的运动状态可以分为静摩擦和 动摩擦，按照摩擦副的运动形式可以分为滑动摩擦和滚动摩擦，按照摩擦副表面 的润滑状况可以分为纯净摩擦、干摩擦、流体摩擦、边界摩擦以及混合摩擦。本 课题研究中，铸铁/gcr15 钢摩擦副的摩擦属于干滑动摩擦。 为了研究铸铁/gcr15 钢摩擦副的摩擦学特性，需要用摩擦的理论来论述， 目前各国的科学家和技术人员经过几个世纪的不断努力，对摩擦现象以及本质的 研究取得了相当大的进展，但对于产生摩擦的机理问题认识并不统一，主要存在 了六种理论：机械啮合理论、分子吸附理论、分子- 机械理论、静电力理论、粘 附理论、摩擦的能量理论8。 (1)机械啮合理论 机械啮合理论认为摩擦起源于表面粗糙度，滑动摩擦中 的能量损耗于粗糙峰的相互啮合、碰撞、以及弹塑性变形。因此，在通常情况 下，表面凸凹程度越小，就越不容易磨损。但是该理论解释不了在特别光滑的两 个摩擦表面之间的摩擦系数反而剧增，这是该理论的一个不足之处9。 (2)分子吸附理论 当摩擦面上的原子间的引力和斥力大小相等、方向相反 时，它们处于平衡态，而当摩擦副产生相对滑动时，原子即进入斥力场范围以 内，但是它们力图回到平衡位置，这种原子的这种斥力与复位的内聚力构成了与 外力相反的摩擦阻力。根据这种理论，界面之间的接触应该是弹性的，而实际 上，界面之间可以产生弹- 塑性变形、或者完全塑性变形。对于这种情况，用分 子吸附理论是无法解释的10。 (3)分子- 机械理论 在相当高载荷的作用下，接触表面的相互作用可以分成 两部分，即机械作用(取决于接触处的变形)和分子作用(取决于两个表面之间的 相互作用)，而且这两者又是相互影响的。摩擦是一个混合过程，它既要克服接 触表面之间分子相互作用力，又要克服机械变形阻力，在接触处总的阻力就是摩 第 1 章 前言 3 擦力11。 (4)静电力理论 两摩擦金属表面出现的粘附现象是由于电子流动效应所 致，这种电子流动会在界面上引起诱导极性的电荷聚集，这些电荷通过静电吸引 作用把两表面吸附在一起。接点断开就是要使异号电荷分开，所以摩擦力增加 12。 (5)粘附理论 这个新理论是 1950 年英国学者鲍登(bowden)和泰博(tabor)提 出的，现在己经得到普遍承认。两金属接触时接触点会因高压和塑性流动而冷焊 起来，物体要滑移必须先剪断这些焊接点，此剪切力是构成摩擦力的主要原因之 一13。 (6)摩擦的能量理论 表面能量理论认为，在材料的滑动过程中，粘结点的 尺寸不仅取决于塑性变形过程，而且受到表面吸引力的影响14,15。目前，对于摩 擦的能量理论的研究主要有两种看法：一种是以表面能量的观点为出发点来分析 摩擦磨损机理；另一种是以能量的平衡观点为出发点来综合分析摩擦磨损过程。 固体之间的摩擦是一个非常复杂的表面物理化学现象，多数摩擦理论只是简 单地从力学角度进行研究的，而没有考虑到摩擦过程中可能产生的各种物理的、 化学的、电学的、热学的等现象，因此都不能深入地揭示摩擦的本质，而近年来 发展的摩擦的能量理论，则是从能量平衡的观点综合分析摩擦过程。虽然这个理 论目前还不够成熟，只限于定性的分析，但它确实能够帮助研究者更深入和全面 地探讨了摩擦的本质问题。 2.磨损的定义及理论 摩擦副两对偶表面因相对运动而出现的材料不断迁移或损失的过程，称为磨 损。欧洲经济合作和发展组织(oecd)的工程材料摩擦磨损研究小组编写的摩 擦学术语及定义汇编一书给磨损(wear)下的定义为：由于表面相互运动使物体 工作表面上逐渐损失的物质16。磨损的分类方法很多，可以从不同的角度进行 分类，但比较常用的方法是根据磨损机理将磨损分为粘着磨损、磨料磨损、表面 疲劳磨损、剥层磨损理论、腐蚀磨损、冲刷磨损六种基本类型。此外，有些磨损 形式是基本类型的派生和复合，如侵蚀磨损是一种派生形式的磨损，微动磨损是 一种复合形式的磨损。 (1)粘着磨损 当两个相互作用表面进行接触时，接触仅在少数几个孤立的 微凸体顶尖上发生，在这些接触面积上产生很高的压力，接触面上出现塑性流 动，形成材料从一个表面转移到另一个表面，继续摩擦时，一部分转移材料脱 离，成为游离的磨屑，这就是粘着磨损的机理17。 (2)磨料磨损 一般是指硬的磨粒或突出物在对零件表面的摩擦过程中，使 河南科技大学硕士学位论文 4 表面材料发生磨损的现象或过程18- 20。一个零件表面和磨料接触所产生的磨 损，一般可认为是两体磨料磨损；磨屑比其中一个表面甚至两个表面都硬时，磨 料介于两物体表面之间所产生的磨损，成为三体磨料磨损。 (3)表面疲劳磨损 两接触表面做滚动或滑动复合摩擦时，在摩擦表面围观 体积上周期性的接触载荷或交变应力作用下，使表面或次表面形成裂纹，裂纹可 以沿着与表面平行或垂直的方向扩展，导致表面材料成细片状剥落，产生表面疲 劳磨损。表面疲劳磨损可以分为两大类：(一)非扩展性的表面疲劳磨损。当两个 新的摩擦副在开始运转时，表面上的接触点较少，压应力大而容易造成小麻点， 随着接触面积的扩大，接触应力下降，小麻点不再扩大，零件可保持正常工作。 对于塑性较好的金属表面，因加工硬化提高了表面强度而使点蚀不再继续发生。 (二)扩展性的表面疲劳磨损。当作用在接触面上的压应力较大时，由于材料的塑 性较差或润滑不多，在磨合时就出现小麻点，以致扩展成为痘斑状的凹坑，使零 件失效。 (4)腐蚀磨损 摩擦表面在液体或气体的环境中或在润滑剂中发生化学或电 化学的反应，产生表层材料的损失或迁移的现象成为腐蚀磨损。腐蚀磨损是腐蚀 和磨损同时起作用的一种磨损，在各类金属零件中经常见到的是氧化磨损。腐蚀 磨损是极为复杂的，环境、温度、滑动速度、载荷或润滑条件稍微有变化，即会 使磨损发生较大的变化。 (5)剥层磨损理论 金属磨损的剥层理论是由 suh 提出的21，这一理论建立 在弹塑性力学分析和比较充分的实验基础之上，并总结了大量的研究成果，所以 是相对比较完整的磨损理论。 当两个滑动表面相接触时，较软表面的微凸体易于变形或在重复载荷作用下 发生断裂，从而形成较光滑的表面，这样当较硬表面的微凸体对软表面相对摩擦 时，较软表面上的每一个接触点都要承受周期性载荷，变形随载荷重复而累积。 施加于软表面上的摩擦牵引力使其表面和亚表面发生塑性剪切变形，随着亚表面 变形的累积，裂纹在表面下形核。裂纹一旦出现，在外界载荷作用下扩展，当这 些裂纹向表面或某些薄弱位置剪切时，导致长而薄的磨损薄片脱落，这种片状磨 屑的厚度受亚表面裂纹生长的位置控制，该位置受表面的切向载荷和法向载荷的 控制。 (6)冲蚀磨损 冲蚀磨损一般是指含有固体粒子的流体冲击固体表面时使用 表面发生磨损的一种磨损形式。早期的冲蚀理论依据为表面的磨粒对表面的磨损 是因显微切削而引起，认为磨损与磨粒的冲击速度平方成正比。1963 年比特 (bitter)提出理论，认为材料吸收外能后以内能形式储存起来，内能密度达到一定 第 1 章 前言 5 极限后，材料就发生破坏22。 以上是根据机理的不同进行磨损分类的。在实际工况下，往往是多种磨损机 理同时存在，但是其中必有一、二种机理在起主要作用。而且，由于磨损工况的 复杂性，条件稍有改变时，磨损的主要机理就可能有原来的一种转变为另一种。 因此，在解决抗磨问题时，应当首先调查研究，对零件失效进行分析，找出造成 磨损的主要原因和机理，然后相应地考虑改变材料、表面处理工艺、润滑以致改 变设计等，从而提高机器的寿命。 1.2 材料摩擦磨损的研究现状及其发展趋势 1.2.1 摩擦磨损的研究现状 摩擦与磨损的研究工作是随着生产技术和自然科学的发展而逐渐深入的，从 总体来看，可分为理论研究、实验研究和材料研究三个方面。 在理论研究方面，十五世纪，达 芬奇(leonado da vinci)于 1508 年第一次提 出了，摩擦力与法向载荷成正比，而与接触面积无关。法国的阿蒙顿 (g.amontons)于 1699 年通过实验也发现了这两条摩擦规律。约在 1785 年，库仑 23(c.a.coulomh)提出摩擦力与滑动速度无关。这三条摩擦定律也能适用于多种 多样的工况条件，所以一直为人们所沿用，并统称为阿蒙顿- 库仑定律，阿蒙顿- 库仑所研究的领域，人们今天称之为干摩擦和边界摩擦。鲍登(bowdon) 等人 1935 年开始应用材料粘着概念来进行摩擦和磨损研究，接着又于 1950 年提出了 粘着理论24。之后，疲劳磨损理论、磨损剥层理论等也相继出现25。19 世纪 末，科学家提出了流体动力润滑理论，在(19191933)年哈伦(hary)提出了对压力 加工过程有重要意义的边界润滑理论。与干摩擦和润滑摩擦有关理论的发展则是 在二十世纪 40 年代，自 1940 年以后，对摩擦理论的系统研究得到了迅速发展。 同时随着生产的发展、驱动能力的提高，要求具有高生产率、高滑动速度、高变 形率，这就对润滑剂提出更加严格的要求，进而使人们对摩擦学这个领域产生了 更大的兴趣，进行广泛地研究，同时相关领域技术的发展也推动了摩擦学的发 展。 在试验研究方面，常采用的试验方法有模拟性台架试验、实验室试件实验和 实际应用试验三类，其中试件试验主要用于各种类型磨损机理和影响因素的研究 性实验，以及摩擦副材料、工艺和润滑性能的评定性试验；台架试验则用于校验 试件试验数据的可靠性和零件磨损性能设计的合理性；实际使用试验用作检验前 两种试验数据的一种手段。针对不同工况的磨损试验机相继见诸报道；光谱技 河南科技大学硕士学位论文 6 术、放射性示踪技术、电子显微镜、图像分析、俄歇谱、能谱和纤维技术等的应 用，大大加快了研究的步伐；对由于磨损引起的表面损坏用干涉仪进行全息照相 己有成效；尤其是在扫描电子显微镜内装置特殊的磨损试验机，以便直接观察磨 损过程，并装有测量摩擦力和载荷的装置。另外，近年来采用不同特点的表面分 析仪进行动态观察，如利用低能电子衍射(leed)和俄歇电子能谱(aes)、场发射 电子显微镜(fim)、二次质谱仪(sims)、光激外逸电子检测仪(psee)和原子力显 微镜(afm)等，在测定摩擦磨损的同时，还可以测量微观力学变化以及物理和化 学的微观信息，以便研究摩擦磨损机理并验证理论的正确性。近年来，多机联用 表面技术迅速发展，提供了更多的表面信息，显著促进了摩擦磨损理论的研究和 耐磨材料的发展。 1.2.2 摩擦磨损的发展趋势 摩擦与磨损的发展总趋势为26：由静态特性研究转变为动态过程研究；由 定性关系研究转变为定量关系研究；由宏观现象分析深入到微观机理研究；由单 一学科分散研究逐渐扩展到对摩擦学系统诸多影响因素进行多学科的综合研究。 1.3 高速干摩擦磨损性能的研究 材料的干摩擦磨损是一个非常复杂的过程，材料物理特性、周围环境、工矿 条件等都直接或间接影响到材料的摩擦磨损性能8,27。随着机械设备，交通运输 向高速、安全化方向发展，许多摩擦副处于高速、高温等特殊工况下，它们的摩 擦特性不同于一般工况下的摩擦特性。如在航空、化工、机械、军工等行业中， 摩擦表面的相对滑动速度常超过 40m/s，某些武器发射系统中滑动速度每秒可高 达数百米或更高3,28。而运行速度的提高所涉及的问题不仅是单位时间内摩擦副 相对运动距离的增加，还包含了摩擦热效应的显著影响、材料变形响应速度与运 动速度的不匹配、摩擦表面膜特性改变等一系列复杂的物理化学过程29- 34。上述 三个方面的耦合作用使在高速摩擦条件下的材料表现行为更加复杂，研究高速条 件下材料的摩擦磨损行为具有重要的理论与工程价值。为此，国内外的摩擦学研 究者纷纷展开了材料高速干摩擦性能的研究。 国外学者 chang c c35等认为，渗透到接触表层的金属颗粒浓度影响摩擦 系数的大小，摩擦系数与接触能量或接触温度参数有关，并提出磨损率与摩擦能 参数 flv 有关，f 表示平均摩擦系数，l 表示法向载荷，v 表示滑动速度。 国外 sever in d 36学者认为在高速干摩擦条件下，摩损机理与摩擦表面温 度、摩擦剧烈程度、热接触阻抗、热变形相关。 第 1 章 前言 7 日本大阪产业大学k. hirasata 37等对铸铁在苛刻条件干滑动摩擦磨损的研究 表明：在苛刻的干滑动条件下产生大量的摩擦热，使铸铁表面硬度迅速下降，在 滑动表面铸铁和配副低碳钢的硬度关系决定性地影响着铸铁的摩擦磨损性能。 张永振38- 43等针对蠕铁/40cr钢摩擦副，考察了珠光体数量与摩擦学性能的 关系，随着组织中珠光体相对含量的增加，摩擦副摩擦系数呈现降低趋势，同时 磨损率降低，此外粒状珠光体蠕铁的磨损率是片状的10倍。同时还指出，石墨相 形态是影响铸铁导热能力与力学性能最为敏感的组织因素。石墨形态变化时，铸 铁的摩擦学特性呈现出不同的变化规律。 马东辉等通过对铝基复合材料和蠕铁分别与gcr15钢组成的摩擦副的研究可 知44,45：当接触压力(0.130.73mpa)一定时，随着速度(40100m/s)的增加，蠕铁 和铝基复合材料的摩擦磨损性能表现出不同的速度特性。蠕铁的摩擦系数随速度 的增加先显著降低，之后趋于相对稳定值，而铝基复合材料的摩擦系数则随速度 的增加呈近似线性降低；蠕铁和铝基复合材料的磨损率则表现出完全不同的特 性，蠕铁的磨损率随速度的增加显著增大，而铝基复合材料的磨损率则随着速度 的增加表现降低趋势。当速度(40100m/s)一定时，随着接触压力(0.130.73mpa) 的增加，蠕铁和铝基复合材料的摩擦系数降低、磨损率增大；接触压力愈高，不 同材料之间的摩擦磨损性能差异愈小。 杨建恒等通过对 ti6al4v 的研究表明46,47：采用 ti6al4v 的销试样，摩擦 表面轴向温度、径向温度在摩擦初期迅速上升，大约经过 10 秒左右，摩擦表面 的温度达到动态平衡，仅在一定的温度范围内波动。随着摩擦功的增加，摩擦热 也显著增加，当进入稳定摩擦状态时，摩擦表面的温度处于稳定的波动状态，销 试样摩擦表面的出端温度大于轴端温度大于入端温度。当摩擦表面的温度为 650700时，销试样接触面磨损形貌表现为“ 蘑菇效应” ，而摩擦表面温度最高 可以达到 1044。通过研究还发现48,49，在滑动速度为 3060m/s、接触压力为 50200n 时，钛合金 tc4 和紫铜构成的组合销试样，其表面温度要比纯 tc4 合 金销试样低，两者的平均温度差值达到 309.44,可见使用紫铜强化导热起到了 降低摩擦表面温度的作用，所以摩擦配副材料的优良导热能力(传热性)将使摩擦 表面的温度降低。 从微观上看，摩擦热是由接触区域内许多微凸峰接触而产生的50。由于摩擦 磨损的动态特性和接触面的微峰其变形部分的微区都在表层，故无法解决表面温 度的直接测量。两个运动物体表面所产生的摩擦能量损失，主要是以热的形式表 现出来，这样在摩擦副周围形成一个不稳定的温度场51。温度场的分布情况与接 触物体表面几何形状(表面粗糙度和波纹度)、摩擦副材料的热物理性能(热容量、 河南科技大学硕士学位论文 8 导热性)、结构尺寸、工艺条件及散热条件有关52。张永振53等在试验测定宏观 温度场的基础上，应用摩擦接触表面形貌分析模型，通过模拟计算，分析接触峰 在干摩擦稳定态的温度场特点，结果认为，摩擦接触时，接触峰处的温度梯度 大，热应力高，微区热应力是造成接触峰疲劳剥落的主要原因之一。 材料在干摩擦过程中，摩擦表面产生的大量摩擦热的绝大部分热量很难及时 有效地从摩擦面上导出，而在摩擦表面造成热积累，使摩擦面的温度升高，导致 摩擦表面氧化和塑性变形54, 55，甚至有可能发生固态相变和产生低熔点组织 磷共晶的熔化56, 57。当超过转变温度，引起材料结构上不可逆变化，反过来又会 影响摩擦磨损过程，钢铁材料能否产生相变取决于摩擦时的滑动速度与接触压力 条件以及摩擦副的传热条件。对于m2高速钢58，在摩擦过程中产生的大量摩擦 热使摩擦表面孪晶马氏体基体上析出细针状碳化物，而且随着摩擦热量的增加， 马氏体板条状较越来越不明显，析出的碳化物尺寸由小到大，数量由少到多。经 衍射斑点标定，析出碳化物类型主要为m6c 型，其长大方式为纳米级小颗粒 线状 条状 大颗粒状。不同气氛环境中，钢/铜配副摩擦表面生成的氧 化物不同，在氧气气氛环境中，crnimo钢销试样摩擦表面所形成的氧化物为 fe3o4，在二氧化碳气氛环境中其表面生成feo，氧化物的种类和数量影响材料 的磨损机理59,60。 这些研究都是涉及高速干滑动的摩擦磨损问题，多数是讨论了某一种材料在 具体工况下的摩擦学特性，没有系统地研究几种材料的高速和低速的摩擦学性 能。 1.4 课题的提出及意义 摩擦学是研究作相对运动的相互作用表面以及与之有关的实际应用的一门科 学与技术。虽然它形成始于 60 年代，是一门新兴的边缘技术科学，但由于它对 国民经济和科学技术的发展具有特别重要的意义，从而引起了各个方面的重视， 得到了迅猛发展，许多机械设计与生产中的实际问题亦正在逐步应用摩擦学加以 解决。 在摩擦学系统中，摩擦副是摩擦学系统的核心。不同的摩擦副具有不同的摩 擦学性能。干摩擦是指摩擦副相对运动时，双方表面间无任何润滑剂或保护膜的 纯固体接触的摩擦形式，多数条件下是摩擦表面的直接接触。在人们所研究的诸 多摩擦副中，以车辆制动器为实际应用背景的干滑动摩擦副受到人们的日益广泛 地关注，这不仅在于干滑动摩擦副本身的复杂性，而且由于它与国民经济基础产 业交通运输业能否健康发展紧密相关61。尤其在世界各国对交通运输业发展 第 1 章 前言 9 日益重视的今天，干滑动摩擦副基础性能的研究越来越具有重要的实际应用价 值。 高速干摩擦条件下的磨损是一个十分复杂的现象，虽然已有大量的研究，但 是大多数文章都局限于在具体的工矿条件下，人们很少讨论它的摩擦磨损机理， 并且很少有人讨论在干摩擦条件下摩擦磨损机理的相互联系，所以仍然还有很多 工作要做。本课题拟从石墨形态和基体组织对铸铁的干滑动摩擦学性能的影响出 发，通过研究石墨形态和基体组织不同的铸铁磨损的表面形貌，探求降低磨损的 措施。本课题研究不仅可以发展高速摩擦学理论，而且可以为实现铸铁高速干滑 动接触状态下的低磨损提供借鉴和参考。 1.5 课题的主要研究内容 本文以铸铁作为销试样，gcr15 钢作为盘试样组成配副，应用销- 盘式高速 摩擦磨损试验，研究不同滑动速度、接触载荷及石墨形态和基体组织对铸铁摩擦 学特性的影响规律。探讨高速干滑动摩擦磨损条件及石墨形态和基体组织对摩擦 系数、磨损率以及摩擦表面层显微组织的影响规律。应用 olympus pmg3 型 光学金相显微镜、hb- 3000b 型布氏硬度计、jsm- 5610lv 型扫描电子显微镜及 edax 能谱分析仪，分析销试样显微结构、宏观硬度、摩擦表面的磨损形貌、 表面成分，探讨不同石墨形态和基体组织的铸铁材料在高速干摩擦条件下的摩擦 磨损机理。 第 2 章 试验设备及方法 10 第2 章 试验设备及方法 2.1 试验装置 本文的摩擦磨损试验在由河南科技大学与济南试金集团有限公司合作研制的 新型“ mms- g 高速销盘式摩擦磨损试验机” 上进行。该试验机可测量的最大 摩擦力矩为 20n m，最大摩擦线速度为 100m/s，最大载荷为 450n，在试验过程 中可以实现自动加载、卸载，无级变速，转速及温度的数字显示。适用于金属材 料、复合材料、陶瓷材料、梯度功能材料等所有固体材料及表面涂层的高速摩擦 学性能试验研究，其结构示意图如图 2- 1 所示。 mms- g 试验机主要由主机、油箱、电控柜三部分组成，其结构简图如图 2- 1 所示，按其功能分为四个系统，即主轴转动系统、冷却系统、加载系统和测 试控制系统。 2.2 试验材料 2.2.1 销试样材料 销试样材料采用铸铁，不同石墨形态和基体组织的铸铁设计为相同的成分， 图 2- 1 mms- g 摩擦磨损试验机示意图 fig.2- 1 schematic diagram of experimental apparatus frame bearings pizeo- electric sensor main arbor test sample motor n pin 河南科技大学硕士学位论文 11 其主要化学成分如表 2- 1。 表 2- 1 销材料的化学成分(wt%) table2- 1 chemical composition of cast irons (wt%) 名称 c si mn 含量 3.6 2.5 0.6 铸铁熔炼在铸造实验室 150kg 无芯感应中频电炉中进行，炉料配比如表 2- 2 所示。 表 2- 2 制备铸铁试样的炉料配比(wt%) table2- 2 the furnace ratio of cast irons (wt%) 生铁 废钢 硅铁 mn 铁 孕育剂 蠕化剂 球化剂 89.5 10.5 0.64 0.78 1.0 1.0、1.2 1.2 生铁成分：c：4.0 %，si：1.4%，mn：0.2 % ，s：0.4% 废钢成分：c：0.2% ，si：0.3 % ，mn：0.105% 硅铁成分：si：73.1%，mn：0.5%，p：0.01%，s：0.02%，cr：0.5% 锰铁成分：mn：63.4%，si：2.6%，p：0.28%，s：0.01%，c：6.0% 蠕化剂成分：si：46.2%，re：2.6%，mg：5. 6%，ca：3.4%，ti：3.63% 球化剂成分：si：43.2%，re：1.3%，mg：5.4%，ca：2.0% 采用湿砂型铸造，浇注灰铁、蠕铁、球铁的毛坯试样，组织如图 2- 3(a- d)。 每种试样经过不同的热处理得到三种不同的基体组织，组织如图 2- 3(e- g)；具体 工艺如下：珠光体基体的试样经过 920 正火和 550高温回火处理，铁素体基 体的试样经过高温石墨化两段(920和 740) 退火处理，珠光体+铁素体基体的 试 样 经 过 880 正 火 和 550 高 温 回 火 处 理 ， 保 温 时 间 为 120 分钟 (2.4min/mm)。 第 2 章 试验设备及方法 12 (a)灰铁 (b) 蠕铁 a (c)蠕铁 b (d) 球铁 (e)珠光体基体 (f)铁素体基体 (g) 珠光体+铁素体基体 图 2- 2 铸铁销试样的金相组织光学显微照片 fig.2- 2 microstructres of sereral kinds of cast irons 最后通过线切割得到 ? 14mm 40mm 的销试样，销试样尺寸如图 2- 3 示， 其摩擦接触面积为 1.50 cm2。 图 2- 3 销试样尺寸示意图 fig.2- 3 schematic diagram of pin specimen 河南科技大学硕士学位论文 13 2.2.2 盘试样的成分和外形尺寸 配副材料采用 gcr15 材料，其主要成分如下表 2- 3。 表 2- 3 配副材料的化学成分(wt%) table2- 3 chemical composition of the pair (wt%) 元素 c si mn p s cr ni mo cu 含量 0.95 0.15 0.4 0.025 0.025 1.5 0.3 0.08 0.25 盘形试样的结构尺寸如图 2- 4 所示。 2.3 试验方法 2.3.1 摩擦学参数测定 摩擦磨损试验在 mms- g型高速干滑动摩擦磨损试验机上进行，在载荷、 速度一定的情况下，研究石墨形态、基体组织的不同对销试样的摩擦系数、磨损 率的影响，并得出与摩擦系数、磨损率的关系图。 摩擦力矩通过试验机上的摩擦力矩传感器测出，用摩擦力矩比力臂(力臂为 盘试样的半径 0.08m)得出摩擦力 f，用下列公式计算出摩擦系数 = f n (21) 图 2- 4 盘试样示意图 fig.2- 4 schematic diagram of disc specimen 第 2 章 试验设备及方法 14 式中：f 为摩擦力；n 为施加在销试样上的法向压力。 磨损量采用测量销试样质量变化方法得到。每次试验前、后销试样都经过酒 精清洗并烘干，用感量为 0.1mg 的 bs210s 电子分析天平，测定出销试样磨损前 后质量损失，按下列公式计算磨损率 w： w = w 2 rtn n (22) 其物理意义为单位摩擦功的磨损量45。式中：w 为磨损质量损失(g)；r 为平均摩擦半径，即销试样摩擦表面与盘试样旋转轴中心的距离(m)；t 为摩擦时 间(s)；n 为盘试样的转速(r/min)； 为摩擦系数；n 为施加在销试样上的法向压 力(n)。 在试验前要进行预磨，以销试样与盘试样接触良好且受力比较均匀为准。 2.3.2 试验参数设定 滑动速度、接触载荷是影响摩擦副摩擦学性能的重要因素，试验中选取滑动 速度范围为 1090m/s，载荷为 0.33mpa 和 0.67mpa，具体的滑动速度和载荷参 数水平如表 2- 4 所示。 表 2- 4 速度和载荷参数表 table2- 4 parameters of pressure and speed 速度 10m/s 30m/s 50m/s 70m/s 90m/s 载荷 0.33mpa 0.67mpa 2.3.3 铸铁销试样的基体组织测量 铸铁基体组织含量的测量一般用两种方法：划线法、剪纸测重法。 划线法是随机取视场划线，穿过目标基体的长度占所划线总长度的比例，就 是所求组织在基体中的比例。此方法要求大量数据统计，而且操作性不好，误差 大。 剪纸测重法是随机取视场，打印出金相照片，把所求组织的部分剪下并称重 量，该部分重量占整张照片重量的比例，就是所求组织在基体中的比例。此方法 操作性好，误差小。本课题采用的是剪纸测重法。 河南科技大学硕士学位论文 15 2.3.4 硬度测试和显微分析 铸铁硬度在 hb- 3000b 型布氏硬度计上测定，钢球压头的直径是 10 毫米， 载荷为 1725 公斤力。 应用 olympuspmg3 型光学金相显微镜、jsm- 5610lv 型扫描电子显微 镜、edax 能谱分析仪，分析销试样的显微组织、摩擦表面的磨损形貌和表面 成分；探讨高速干滑动摩擦条件下石墨形态和基体组织的不同对铸铁的摩擦系 数、磨损率的影响规律及铸铁的摩擦磨损机理。 第 3 章 试验结果与分析 16 第3 章 试验结果与分析 3.1 基体组织和石墨形态对铸铁硬度的影响 3.1.1 基体组织对铸铁的宏观硬度的影响 0 50 100 150 200 250 300 fp+fp 基体组织 硬度(hb) ht ruta rutb qt 图 3- 1 不同基体组织的铸铁的布氏硬度(hb) fig. 3- 1 brinell hardness (hb) of cast irons of different matrix structure 图 3- 1 为不同基体组织灰铁、蠕铁、球铁的硬度。由图可知：随着珠光体含 量的增加它们的硬度有不同程度的增大，基体中珠光体的含量对铸铁的硬度有重 要影响。所以可以通过热处理等工艺措施来改变铸铁中的珠光体含量，从而改变 铸铁的硬度，达到所需的性能要求。 河南科技大学硕士学位论文 17 3.1.2 石墨形态对铸铁的宏观硬度的影响 0 50 100 150 200 250 htrutarutbqt 石墨形态 硬度(hb) 图 3- 2 不同石墨形态的铸铁的布氏硬度(hb) fig.3- 2 brinell hardness (hb) of cast irons of different graphite morphology 图 3- 2 为不同石墨形态铸铁的硬度。由图可知：灰铁、蠕铁 a、蠕铁 b、球 铁（石墨形态由片状改变为蠕虫状、球状）的硬度逐渐增大；石墨形态对铸铁的 硬度有一定的影响。所以可以通过浇注时控制铸铁的成份来改变铸铁中的石墨形 态，从而改变铸铁的硬度，达到所需的性能要求。 3.2 低速条件下铸铁的摩擦学特性 3.2.1 概述 摩擦实际上是一个能量转换的过程，理论上认为，摩擦力所做的功等于材料 内能的增加和摩擦面及其表层能量消耗的总和。内能通过新表面的形成和弹性应 力场的变化而改变，能量消耗通过塑性变形、断裂能的释放和材料的脱落等形式 表现出来。摩擦速度与接触压力是摩擦工况条件中两个最基本的变量，摩擦速度 与接触压力的变化对摩擦副的接触状态、进而对摩擦学特性将产生显著的影响。 研究滑动速度、接触压力对摩擦磨损性能的影响具有重要意义，这不仅在于它对 摩擦磨损性能具有重要的影响，而且可以为实际工程应用提供一定的理论指导。 第 3 章 试验结果与分析 18 3.2.2 低速条件下蠕铁的摩擦学特性 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 36912151821 0.18 0.20 0.22 0.24 0.26 0.28 0.30 摩擦系数 滑动速度/m.s - 1 磨损率 摩擦系数 磨损率/g(kj) - 1 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 36912151821 0.18 0.20 0.22 0.24 0.26 0.28 0.30 摩擦系数 接触压力/mpa 磨损率 摩擦系数 磨损率g/(kj) - 1 图 3- 3 滑动速度与接触压力对铸铁摩擦学特性的影响 62 fig. 3- 3 influence of sliding velocity and contacting pressure on tribological behaviors of cast iron 图 3 - 3为蠕铁/ 4 0 c r 钢配副干滑动摩擦学特性与接触压力、摩擦速度之间的 关系 6 2 。由图可以看出：摩擦速度与接触压力的提高都使摩擦系数降低、蠕铁 的磨损率增大；但在不同的滑动速度与接触压力范围内，滑动速度与接触压力的 变化对摩擦系数与蠕铁的磨损率的影响程度不尽相同。由图可知，在接触压力与 滑动速度较小时，随着滑动速度与接触压力增加，摩擦系数急剧降低，而销试样 磨损率增加的幅度不大；而当速度与压力值达到一定值时，随着接触压力和滑动 速度的增加，摩擦系数降低幅度显著减小，并趋于一个相对稳定值，而销试样的 磨损率大幅度增加。 河南科技大学硕士学位论文 19 3.3 高速条件下铸铁的摩擦学特性 3.3.1 高速低载条件下铸铁的摩擦学特性 1.不同石墨形态铸铁随速度变化的摩擦学特性 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 020406080100 滑动速度/ms- 1 摩擦系数 ht p ruta p rutb p qt p 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 020406080100 滑动速度/ m s - 1 磨损率/10- 5mg(n.m) - 1 ht p ruta p rutb p qt p (a) friction coefficient (b) wear rate 图3- 4滑动速度对不同石墨形态的铸铁的摩擦学特性的影响(0.33mpa) fig.3