（机械设计及理论专业论文）zm5镁合金及其微弧氧化陶瓷层的冲击磨损特性研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 作为最轻的金属结构材料，近年来镁合金在汽车、航空航天、家用电器 等行业得到了广泛运用，其各种摩擦磨损问题也日益凸现，然而目前有关其 磨损机理的研究还主要集中在滑动磨损，对法向冲击下磨损机理的研究几乎 还未见报道。目前已有由镁合金制造的发动机箱体和变速箱等汽车零部件， 本文拟模拟此类镁合金零部件可能遇到的振动冲击现象，研究镁合金在冲击 条件下的损伤机理，探讨影响镁合金冲击磨损性能的因素，具有重要的实际 意义和理论意义。 本文利用自制的冲击磨损试验机，对z m 5 镁合金及其微弧氧化陶瓷层进 行了试验研究。系统地考察了载荷及冲击次数对冲击磨损行为的影响：借助 激光共焦显微镜、x 射线衍射仪、扫描电子显微镜、能谱仪及表面轮廓仪等 对磨损深度、面积及表面形貌进行测量分析，探讨了冲击磨损机理，得出如 下主要结论： 1 冲击磨损是磨损与疲劳的复合过程。对镁合金基体而言，其损伤主要 表现出疲劳的特征，磨损深度及面积随冲击次数的增加而非线性增加。冲击 磨损初期的主要损伤形式是塑性变形和塑性堆积，且变形深度增加较快；随 着冲击次数的增加，在冲击坑边缘和中心之间开始出现粘着磨损，并伴有撕 裂的特征；后期由于材料表层产生加工硬化，深度增加速率减缓，表面及次 表层裂纹萌生，裂纹扩展相交后导致材料发生疲劳剥层失效，由l c s m 测得 的剥层厚度约为0 7g m 。 2 镁合金微弧氧化陶瓷层由最外层疏松层、中间层致密层及界面层组 成。冲击过程初期，疏松层中大量微凸体首先与冲头接触，在反复冲击力作 用下被破坏，表面材料或剥落，或向对磨件转移，造成初期磨损量较大，磨 损深度曲线增加较快；随后过程中，试样间接触应力减小，磨屑层形成以及 基体塑性变形抗力提高等因素使得后期磨损深度及面积增加减缓。陶瓷层损 伤是磨损与疲劳交替作用造成的，即其冲击磨损呈现这样一个过程：磨屑形 成一磨屑层形成磨屑层疲劳剥落一新的磨屑形成新磨屑层形成磨屑层再剥 落。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 | 页 3 在本试验的两种冲击载荷下，镁合金微弧氧化陶瓷层的磨损深度及面 积均大于镁合金基体，并且，陶瓷层的磨损速率比基体的磨损速率快。试验 结果表明，与滑动磨损情况不同，法向冲击下，原位生长的微弧氧化陶瓷层 的存在并没有起到减轻冲击磨损的作用。 关键词：冲击磨损；z m 5 镁合金；微弧氧化：陶瓷涂层 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 a b s t r a c t a st h el i g h t e s ts t r u c t u r a lm e t a l l i cm a t e r i a l s ，m a g n e s i u ma l l o y sh a v eb e e nu s e d b r o a d l yi nt h ea u t o m o b i l e ，a e r o s p a c ea n dh o u s e h o l da p p l i a n c e si n d u s t r i e s ，a tt h e s a m et i m e ，k i n d so ff r i c t i o na n dw e a rp r o b l e m sa r ea l s oe m e r g i n g w h i l eu pt o n o w ，t h er e s e a r c ho nt h ew e a l m e c h a n i s mo fm a g n e s i u ma l l o y sh a sb e e nf o c u s e d o ns l i d i n gw e a r , f e wp u b l i c a t i o n so nt h ew e a rm e c h a n i s mu n d e rn o r m a li m p a c t a r ef o u n di n l i t e r a t u r e s n o w a d a y s 。t h e r eh a v eb e e na u t o m o t i v ep a r t sa n d c o m p o n e n t sm a d eo fm a g n e s i u ma l l o y s ，s u c ha se n g i n ec a s ea n dg e a r b o x t h e r e f o r e ，s i m u l a t i n gt h ev i b r a t i o ni m p a c tp h e n o m e n o nw h i c ha p p e a r sw h e nt h e e n g i n e sw o r k ，t h ed a m a g em e c h a n i s mo fm a g n e s i u ma l l o y su n d e ri m p a c t c o n d i t i o nh a sb e e ni n v e s t i g a t e di nt h i st h e s i s ，a n dt h ef a c t o r si n f l u e n c i n gt h ew e a r p e r f o r m a n c e sh a v eb e e nd i s c u s s e d s ot h es t u d yh a sb o t hp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e a n da c a d e m i cv a l u e t h ei m p a c tw e a rt e s t so fz m 5m a g n e s i u ma l l o ya n di t sm i c r o a r co x i d a t i o n ( m a o ) c e r a m i cc o a t i n g s h a v eb e e np e r f o r m e db ya s p e c i a l l yd e s i g n e d b a l l o n f l a ti m p a c tt e s t e r t h ei n f l u e n c e so ft e s tl o a da n di m p a c tn u m b e ro n i m p a c tw e a rb e h a v i o r sw e r ei n v e s t i g a t e d ，a n dt h ew e a rd e p t h , w e a ra r e aa n d s u r f a c ep a t t e r nw e r em e a s u r e da n da n a l y z e db ym e a n so fl a s e rc o n f o c a ls c a n n i n g m i c r o s c o p e ( l c s m ) ，x - r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) ，s c a n n i n ge l e c t r i c a lm i c r o s c o p e ( s e m ) ，e n e r g yd i s p e r s i v es p e c t r o s c o p e ( e d s ) a n d s u r f a c ep r o f i l e r m a i n c o n c l u s i o n sw e r oo b t a i n e da sf o l l o w s ： 1 t h ep r o c e s so fi m p a c tw e a rw a sac o m p o u n dp r o c e s so fw e a ra n df a t i g u e t l l ed a m a g eo f m a g n e s i u ma l l o ym a i n l yp u t su pt h ec h a r a c t e r so f f a t i g u e a n dt h e w e a rd e p t ha n da r e ai n c r e a s e dn o n l i n e a rw i t ht h ei n c r e a s eo fi m p a c tn u m b e r d u r i n gt h ee a r l i e rs t a g eo fi m p a c tw e a r , p l a s t i cd e f o r m a t i o na n da c c u m u l a t i o n w e r et h em a i nf o r mo fd a m a g e s ，a n dt h ew e a rd e p t hi n c r e a s e dr a p i d l y w i t ht h e p r o c e e d i n g o fi m p a c tp r o c e s s ，t h ep h e n o m e n o no fa d h e s i v ew e a ra p p e a r e d b e t w e e nt h ec e n t e ra n de d g eo fi m p a c tw e a rs c a r d u r i n gt h el a t e rs t a g e ，b e c a u s e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 v 页 o ft h ew o r k - h a r d e n i n go fs u r f a c el a y e r , c r a c k si n i t i a t e da tt h es u r f a c ea n d s u b s u r f a c e ，t h e nd e l a m i n a t i o no c c u r r e dd u et ot h ep r o p a g a t i o na n di n t e r s e c t i o no f c r a c k s t h et h i c k n e s so fd e l a m i n a t e dl a y e rm e a s u r e db yl c s mw a sa b o u to 7 u m 2 t h em a oc e r a m i cc o a t i n gw a sc o m p o s e do f t h r e el a y e r s ，f r o mo u t e rt oi n n e r , t h e ya r el o o s el a y e r , c o m p a c tl a y e ra n di n t e r f a c el a y e r f o rt h ee a r l i e rs t a g e ，a l a r g en u m b e ro fa s p e r i t i e si nt h el o o s el a y e rw e r ed a m a g e db yt h ei m p a c tf o r c e ， a n dt h e nt h es u r f a c em a t e r i a l sw e r ee i t h e rf l a k e do f fa sw e a rd e b r i so r t r a n s f o r m e dt ot h ec o u n t e r p a r t s w i t ht h ep r o c e e d i n go ft e s t t h ec o n t a c ts t r e s s b e t w e e nt h es p e c i m e n sd e c r e a s e d ，t h ew e a rd e b r i sl a y e rf o r m e d ，a n dt h e r e s i s t a n c eo fp l a s t i cd e f o r m a t i o ni n c r e a s e d a l lt h e s ef a c t o r sr e s u l t e di nt h e d e c r e a s eo fw e a rd e p t ha n da r e a i nt e r m so ft h ew h o l ei m p a c tw e a l p r o c e s so f c e r a m i cc o a t i n g s ，t h ew e a rm e c h a n i s mw a sc h a r a c t e r e db yt h ea l t e r n a t i o no fw e a r a n df a t i g u e ，n a m e l yt h ei m p a c tw e a rw a gs u c hac y c l i cp r o c e s s ：f o r m a t i o no f w e a r d e b r i s ，f o r m a t i o no fw e a rd e b r i sl a y e r f a t i g u ed e l a m i n a t i o no fw e a rd e b r i sl a y e r , f o r m a t i o no f n e ww e a rd e b r i s 3 c o n t r a s tt h ee x p e r i m e n tr e s u l t so fm a g n e s i u ma l l o y sw i t ht h a to fm a o c e r a m i cc o a t i n g s ，w ec o u l df o u n dt h a tu n d e rt w ok i n d so fi m p a c tl o a d s ，t h ew e a r d e p t h a n da r e ao fm a oc e r a m i c c o a t i n g s w e r eb o t h l a r g e r t h a nt h a to f m a g n e s i u ma l l o y t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a td i f f e r e n tf r o mt h es l i d i n gw e a r , t h e e x i s t e n c eo fi ns i t up r o d u c e dm a oc e r a m i cc o a t i n g sd i d n ta l l e v i a t et h ew e a ro f m a g n e s i u ma l l o y k e y w o r d s ：i m p a c tw e a r ；z m 5m a g n e s i u ma l l o y ；m i c r o - a r eo x i d a t i o n ； c e r a m i cc o a t i n g 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 冲击磨损概述 第1 章绪论 磨损是材料失效的三种主要形式之一，它所造成的经济损失是十分巨大 的。据不完全统计，世界上的能源有l ，3 1 2 消耗在各种形式的磨损上，一 般机械设备中约有8 0 的零件因磨损失效而报废【旧1 。按照磨损形式的不同， 磨损一般可分为滑动磨损、滚动磨损、冲击磨损、接触疲劳磨损、腐蚀磨损 等p 】。其中冲击磨损，由于在冲击过程中存在较大的冲击力，对材料的损伤 最为严重。矿山、冶金、能源和电力等行业中机械设备的磨损大多属于冲击 磨损，由此导致零件磨损失效而造成的经济损失每年数以亿计。因此近年来， 人们进行了不少关于冲击磨损的研究，但对于冲击磨损的机理仍不是很清楚， 冲击磨损机理的研究仍然是材料科学和摩擦学领域中重要的研究方向。 冲击磨损，一般是指一个固体表面与另一个固体表面反复动态接触、撞 击所造成的表面磨损【”，其典型失效过程一般表现为弹性变形塑性变形 开裂断裂。在实际工况下，两固体表面间通常还存在第三体磨 料，此时冲击过程比较复杂，磨损表面一般出现切削和凿削等特征，同时材 料的磨损表层产生加工硬化，形成裂纹，裂纹的连接与扩展将导致材料剥落 失效i ，j 。对于此种条件下的冲击磨损研究文献较多，同时由于影响因素也较 多，因而对于揭示冲击磨损的机理并不是十分有利。还有一种情况，只是单 纯的两个固体之间产生冲击，此种冲击过程一般较为简单，符合上述典型的 失效过程。通过模拟该条件下的冲击过程，控制影响冲击过程的各个因素， 有利于了解各种因素对冲击过程的影响并揭示冲击磨损的损伤机理。 1 1 1 研究现状 i 国外研究现状 ( 1 ) 冲击磨损的最初发展 冲击磨损概念的提出最早见于1 9 6 7 年，当时德国u e t z 和b r e e k e l 6 1 首先 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 提出钢材冲击磨损试验。1 9 7 2 年，美国学者b a y e r 和p a e n g e l 等研制出第 一台冲击磨损试验机【7 l ，建立了钢试样的冲击磨损模型【引，此外，他们还进 行了聚合物薄膜的冲击磨损试验【9 1 ，并认为磨损过程受撞击接触产生的热效 应以及表面应力状态的控制，前者是由两固体在接触瞬间的微动作用引起的， 而冲击应力的分布则与聚合物的塑性有关。1 9 7 8 年，p a e n g e l 【1 0 】又发现工 程领域中许多零部件存在冲击磨损现象，严重限制了零件的使用寿命，于是 他在试验结果的基础上，总结了工程中常用的冲击磨损理论。1 9 7 9 年，s t e p h e n l r i c e t l l 为研究材料微观结构在冲击磨损中的作用，选用2 0 1 1 t 3 及2 1 2 4 两种铝合金作为试验材料，采用纯法向冲击和复合冲击( 冲击+ 滑动) 两种 冲击方式。试验结果发现，2 0 1 1 - t 3 因断裂韧性较差，有利于裂纹的扩展， 因而表现出明显的剥层磨损特征，而2 1 2 4 因具有较高的断裂韧性，其磨损后 微观结构有很大不同。同时还发现，最大冲击应力及滑动速率对磨损率影响 较大。1 9 8 0 年，日本的t a d a a k is u g i t a 等 1 2 - 1 3 l 研究了单晶氧化镁的冲击磨损 特性。试验发现，在每种选定冲击载荷下，磨损过程可明显划分为两个阶段， 即零磨损阶段( z e r ow e a r ) 和可测量磨损阶段( m e a s u r a b l ew e a r ) 。在零磨损 阶段，没有磨屑产生，只出现塑性变形和疲劳裂纹；磨损阶段初期，冲击磨 痕周围产生表面及亚表层裂纹，冲击斑底部及侧表面区域出现磨损。冲击磨 痕上的裂纹有三种形式：平行于表面的亚表层裂纹、表面切向裂纹及表面发 射状裂纹。同时试验还发现，当冲击过程在水中进行时，含有磨屑的水介质 的腐蚀作用，加速了磨损过程。在这段时期，s t e p h e nl r i c e 等又进行了大 量的冲击磨损试验研究【悼o ”，借助s e m 及e d x ，首次用实验证实了冲击磨 损过程中的材料转移现象，并讨论了材料刚度对冲击磨损过程的影响。随后， p a e n g e l 1 8 1 利用接触式表面轮廓仪首次获得了冲击磨痕的轮廓形貌，为进 一步分析冲击试验结果提供了强有力的依据。到了1 9 8 5 年，新技术不断应用 到材料冲击磨损的研究中来，s h i h 1 9 1 率先研究了氮离子注入对不同硬度的金 属材料以及合金等的冲击磨损性能的影响，并第一次提出用磨损失重作为材 料耐磨性的指标。试验结果表明，氮离子注入可提高大部分材料的抗冲击磨 损性能，但是当冲击过程中两试样发生相对滑动时，氮离子注入对耐磨性的 影响较小。d h j o n e s 等【2 0 j 人和gl e v y 等【2 1 1 人分别考查了温度对材料冲击 磨损性能的影响，并都得出存在一临界温度使得磨损程度从严重向轻微转变， 磨损率几乎相差2 0 倍。弹性体材料具有高弹性和高韧性的特点，早期的研究 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 往往都是确定这些材料的极限应力值，超过此值，将导致整体磨损失效，而 对于低于极限应力值下的损伤过程却很少介绍。r gb a y e r 2 2 】在总结前人研 究的基础上，提出了弹性体材料的冲击磨损模型，并得出磨损过程可分为前 期和后期两个阶段：初期，没有材料损失，只发生压缩变形；后期，由于表 面材料疲劳剥落造成磨损。 ( 2 ) 2 0 世纪9 0 年代国外冲击磨损的进展 进入九十年代以来，表面改性技术的发展，使得冲击试验被广泛用来评 价各种涂层的抗磨损性能。1 9 9 2 年，o k n o t e k ”】提出涂层冲击载荷测试技术， 并开发出一种新型的冲击磨损试验装置，该装置可模拟机械n t 过程中涂层 基体复合材料受到的动态冲击载荷，可改变冲击载荷，冲击频率以及冲击次 数等参数。水电开采设备中，菌形阀在工作过程中会受到往复冲击磨损的作 用，为了减小磨损损失，需要确定菌形阀的材料、结构以及工作参数等，为 此采用模拟实际工况的试验装置，r w f r i c k e 等1 2 4 1 研究了一系列热处理合金 钢及不锈钢在低能冲击条件下的磨损行为。实验结果表明，在润滑条件下， 磨损机制主要为点蚀( p i t t i n g ) 和表面牵引( s u r f a c et r a c t i o n ) 。当材料硬度较 高且粘着系数较低时，磨损主要以点蚀为主；在于态冲击条件下，由于表面 温升的作用使得磨损量大大增加。同时发现最有效的减轻冲击磨损的办法是 尽可能降低冲击速率。从九十年代后期开始，英国赫尔大学的a m a t t h e w s 等研究了通过各种方法制备的陶瓷涂层的冲击磨损性能【2 5 珊】。陶瓷涂层属硬 质涂层，冲击过程中，在它和弹性基体的界面处，存在很高的剪切应力，并 且在压头的作用下，涂层会向下伸展跟随基体的变形，但由于基体的屈服强 度较低，在压头的作用下会发生塑性应变，而硬质涂层由于一般由于较脆而 无法发生同样的应变。为了消除涂层的内应力，压痕内部出现网状裂纹，经 过一定的冲击次数后，整个涂层出现粘结失效。此外，他们还研究了涂层制 备方法、涂层厚度以及复合涂层对冲击磨损性能的影响，通过对大量硬质涂 层表面损伤的分析，提出了硬质涂层失效的模型，即硬质涂层的冲击磨损表 面均可明显分为三个区域：中心粘结失效区、中间粘结失效和粘着失效区以 及周围裂纹区。在印度很多水电站中，水轮机遭受泥沙冲蚀问题变得越来越 严重，一般情况下，可以通过控制泥沙尺寸、浓度、形状、速度等参数将冲 蚀降低到最小，但在雨季控制这些参数的难度是相当大的。后来人们发现， 通过在水轮机部件上喷涂合适的硬质涂层，可有效控制低能或高能粒子的冲 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 击磨损，为此b s m a n n l 2 9 】比较了硬铬电镀层、等离子渗氮、d 喷枪喷涂及 渗硼等硬质涂层的冲击磨损抗力，结果表明渗硼硬质涂层的效果是最好的， w c + 1 2 c o 喷涂涂层次之。自1 9 9 2 年k n o t e k 提出涂层的冲击磨损评价手段 以来，冲击磨损抗力已成为涂层力学性能的评价指标之一。在实际工况中， 刀具表面的硬质涂层不但承受法向载荷的冲击，同时还受到剪切应力的作用。 e l m e rs z a n o r i a 等【3 0 1 研究了表面状态对机械用陶瓷材料冲击磨损行为的影 响，实验结果表明，粗磨后的表面存在较高的残余应力，阻止了微裂纹的发 展，因而其磨损量比抛光试样的磨损量低。韩国的j e o ng h a n 等口1 】研究了 t i 复合涂层在室温及加热条件下的剪切冲击磨损性能。通过负极离子电弧电 镀工艺将t i a i n 以及t i a l c n 单层及复合多层沉积到高速钢表面。往复法向 冲击载荷为l on ，频率5h z ，压头为c o w c 钢球，并通过旋转盘状涂层试 样获得剪切冲击加载模式，试样旋转速度为0 8 m s 。在法向冲击载荷条件下 的冲击磨损抗力由高到低的顺序大致为t i a i n 、t i a i n t i a l c n 及t i a i c n ， 与根据h r c 压痕试验测得的粘着强度试验一致。同时发现，无论在室温还 是在6 0 0 条件下，在往复法向加载过程中，通过旋转试样来增加剪切力将 会大大减小所有涂层的抗失效能力，同时失效模式也有变化，进一步分析表 明，在剪切冲击加载条件下，由于裂纹形成的加速，以及由于往复的瞬时冲 击及滑动，在球的拖尾区域拉伸和剪切应力不断增加，导致片状破碎，这些 都加速了失效。当温度升高到6 0 0 时，由于基体的软化，所有涂层的失效 倾向都更加严重。a n ns u n d s t r o m 等【3 2 1 研究了几种低合金钢在冲击和磨料磨 损复合条件下的磨损行为，实验结果表明，在磨损表面存在明显的冲击坑和 犁沟现象，而且还可经常观察到磨粒嵌入到钢材磨损表面。随着合金钢硬度 的增加，磨损量降低，合金钢抗磨损能力与微观结构和化学成分密切相关。 当微观结构相似时，磨损量随磨料尺寸的降低及含碳量的增加而降低。在齿 轮、轴承等精密部件上采用薄冶金涂层可显著提高其摩擦学性能，抑制表面 粗糙峰诱发的滚动接触疲劳的发生，减轻齿面上的点蚀程度。啮合齿轮间的 接触动力学是非常复杂的，既有法向载荷，又有切向载荷，而且往往还存在 冲击现象。因此弄清其损伤机制，特别是掌握这些部件上涂层的疲劳寿命是 非常重要的。模拟齿轮问的工作状况，w i l s o nl i n 等吲研究了三种类金钢石 涂层的斜冲击磨损行为，给出了涂层的冲击疲劳曲线，并揭示了在斜冲击条 件下，涂层的失效过程：在冲击头的拖尾区域首先形成局部环状裂纹，同时 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 由于滑动磨损的作用使得涂层变薄，随后在上层涂层内形成贯穿整个涂层厚 度的剪切裂纹，循环一定次数后外层涂层剥落，导致外层涂层和基体间的夹 层裸露在外，最后在夹层上重新形成裂纹导致夹层也从基体上剥落，整个涂 层失效。 ( 3 ) 本世纪初冲击磨损的最新进展 可以看出上世纪九十年代，国外冲击磨损的研究重点在于涂层的损伤机 制以及涂层性能评价试验方面。进入本世纪，有关涂层的研究仍在继续，同 时关于冲击白层及其更微观的研究有进一步的发展。 表面改性可提高热加工钢的使用寿命，最常用的表面改性方法就是渗氮。 不幸的是，氮化后的表面经常遭受严重的冲击磨损。因此，采用复合涂层， 即在渗氮前采用t i c 、c r 3 c 2 或w c c o c r 等硬质金属一碳化物合金化表面可 能是一种有效的方法。为了削减昂贵的生产试验费用，采用一种特殊的装置 来对复合涂层进行冲击磨损试验，试验中w c 钢球周期性冲击试验表面。冲 击后会立即形成压痕坑，根据直径可对其进行评价。试验结果表呼3 4 1 ，等离 子氮化w c c o c r 复合涂层的抗冲击磨损能力最好，寿命可提高5 0 。 s o o ny o u n gy o o n 等p 副研究了不同基体材料对涂层寿命的影响，当涂层 和基体组成的系统塑性变形抗力较低时，涂层主要发生塑性变形，且硬质涂 层的寿命更长些：当涂层和基体的塑性变形抗力较高时，涂层失效由塑性变 形向脆性断裂转变，而且涂层越硬，其寿命越短。 y u r in p e t r o v 等p6 j 研究了高强度奥氏体不锈钢c r m n c n 和奥氏体高锰 钢m n c 冲击磨损后的表面结构，发现磨损表面有一层很薄的非晶组织，里 面夹杂着纳米晶颗粒，非晶层下面是发生严重塑性变形的奥氏体冷作硬化层。 该实验结果证实了稳定奥氏体钢遭受冲击磨损后一般均会出现非晶相组织， 但没有给出表面形成的非晶组织对磨损率的影响。 摩擦学转变结构，又称白层，关于其形成条件以及组织结构等一直存在 争论。a c s c k k a l 等【37 】研究了冲击条件下的白层微观组织形态，发现其晶粒 尺寸不到1 0 0 岫，且无晶粒取向，主要由a 相组成，其纳米硬度超过7 5g p a 。 2 国内研究现状 国内有关冲击磨损的研究相对国外稍晚，且大致可分为以下几个方向： ( 1 ) 常用工程材料的冲击磨损机理研究 矿山、冶金、能源和电力等行业中机械设备的磨损现象十分严重，而且 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 大多属于冲击磨损，每年造成的损失十分巨大。这些部件常用的材料主要有 高锰钢、4 5 钢、高速钢、g c r l 5 钢及贝氏体钢等。为了减少由于部件冲击磨 损造成的经济损失，研究其冲击磨损机理，掌握影响冲击磨损的因素并提出 改进措施，是一项具有重要意义的工作，因此国内自上世纪8 0 年代开始对这 些常用钢材料的冲击磨损展开了广泛的研究。 施占华等【3 s 1 在模拟热作模具热磨损试验机上进行高温滑动冲击磨损试 验，在各磨损阶段，用扫描电镜对模具试样表面形貌作细致观察，得出如下 结论：高温滑动冲击磨损过程的主导磨损机制，早期为磨粒磨损，中期及后 期逐步向点状剥落及大块疲劳剥落转移。全部过程都有粘着磨损，后期更为 严重。 胡树兵等1 3 9 l 对三种冷作模具钢l d l 、6 5 n b 和c r l 2 m o v 进行了冲击磨损 试验。为了能真正反映模具的磨损失效特征和规律，使试验更接近服役条件， 本试验采取冲击载荷下无磨粒和加磨粒两种动态磨损试验条件。试验结果表 明，无磨粒冲击磨损是高应力下的表面疲劳磨损，由表面疲劳引起的剥落和 少量的犁沟所造成。有磨粒冲击磨损是由应变疲劳磨损、切削磨损和凿削磨 损三者共同作用所造成。同时发现，在高应力冲击磨损条件下，保证材料较 高的硬度同时改善材料的韧性将明显提高耐磨性。 杨紫霞【帅】研究了多次冲击条件下，端面剥落与塌陷增量的关系。结果表 明，多冲端面剥落起始于塌陷增量持续衰减期，并随塌陷增量衰减而增生， 塌陷终止时，发生再次剥落；裂纹萌生、扩展规律与解除疲劳相同。 许云华等【4 l 】研究了在高能量冲击接触载荷下高锰钢的磨损机理，试验结 果表明，位错、孪晶、微晶和非晶态组织是高能冲击接触载荷下高锰钢变形 的主要组织形态，高密度变形条带相互交叉、阻滞或截割，使奥氏体组织严 重细化为微晶甚至是纳米晶，同时发生严重的点阵畸变，使晶体的自由能升 高，晶体变成非晶态：微晶与非晶态的产生是高能量冲击载荷下，高锰钢加 工硬化的一种机制；微晶和非晶的产生及其镶嵌分布是高锰钢在高能冲击接 触载荷下具有较高综合机械性能、优越耐磨性的一个很重要的原因。 陈颜堂等 4 2 , 4 3 1 研究了4 种含碳量分别为为0 1 5 、o 1 8 、0 2 3 和o 3 0 的空冷贝氏体钢的冲击磨损性能，并用扫描电镜观察磨损表面形貌特征。结 果发现，随着碳含量的提高，冲击磨损速率降低，碳含量分别为0 1 8 、o 2 3 和0 3 0 的3 种贝氏体钢的冲击磨损速率相近。前3 种低碳空冷贝氏体钢的 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 磨损表面除了有磨损犁沟外，还存在唇状裂纹。碳含量越低，磨损表面越租 糙。所研究的4 种贝氏体钢中，当抗拉强度超过1 5 5 0m p a 时，容易形成穿 透性裂纹。 王勇华等【“】研究了冲击与摩擦耦合作用下g c r l 5 钢的磨损行为，试验结 果表明，( 1 ) 冲击与摩擦耦合作用时，g c r l 5 钢的表面磨损主要以氧化和点 蚀为主，表面为滑动摩擦产生的热量引起表面温度升高，从而导致材料表面 氧化和退火，产生氧化层剥落和点蚀。( 2 ) 冲击和摩擦耦合作用下，温升是 g c r l 5 钢磨损失效的主要因素，当温度上升有限时，同一时间内受冲击和摩 擦耦合作用比较集中的试件表面氧化层将会先剥落，部分剥落后的磨屑在冲 击作用下附着在另一试件表面，并对其形成一种保护，最终出现试件表面粗 糙度波动小而磨损量大、表面粗糙度波动大但磨损量小的奇怪现象。 马陟祚等【4 s 】以高铬铸铁c r 2 6 为对比材料，研究了高钒高速钢v 9 的冲击 磨损性能及其磨损机理。结果表明：高钒高速钢v 9 的耐磨性为高铬铸铁c r 2 6 的3 倍以上；在颗粒的高速冲击下，高铬铸铁的磨损机理主要为划伤和碳化 物碎裂导致剥落；高钒高速钢的磨损机理主要为在鹅卵石颗粒冲击下，基体 受到显微切削而导致碳化物脱落，使基体受到颗粒的蚕食作用而不断反复进 行的磨损过程。 周立荣等1 4 6 】研究了g c r l 5 钢的耐冲击磨料磨损性能，试验后采用s e m 观察发现，磨损表面主要由冲击磨料磨损区域和滑动磨料磨损区域组成。磨 损表面首先产生塑性变形，随着磨损时间的增加，塑性变形区域逐渐扩大， 在冲击磨料磨损区域有石英砂的压入坑、少量脆性相剥落坑以及磨料棱角在 表面产生的犁沟，周围隆起的金属被多次辗压变形开裂，最后剥落。在滑动 磨料磨损区域主要是一些近于平行的磨沟，其中有些表面有石英砂压入坑、 摩擦应力产生的显微疲劳裂纹进一步扩展后，造成表面剥落坑及嵌入在磨损 表亟的石英砂，有些嵌入其中的石英砂在磨损过程中被辗碎。在整个表面形 貌中，没有看到大块脆性相剥落的痕迹以及明显的疲劳痕迹。 ( 2 ) 涂层或表面改性材料冲击磨损性能的研究 随着表面工程技术的发展，表面改性及涂层技术被不断应用到冶金、电 力、石化以及机械等工业中的大型部件上，以解决其耐磨、耐蚀等难题。因 而，这些材料的冲击磨损问题日益引起人们的重视。 李学敏等【4 1 研究了采用a p s a r h 2 ，a p s - a r h e 和c d s 三种工艺制成的 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 c r 3 c 2 2 5 n i c r 涂层冲击载荷下的塑性变形行为。结果表明，涂层在冲击状 态下的变形机制非常复杂，涂层的塑性变形不是连续的，表面变形也是不均 匀的，而是一个累积过程，主要与冲击动能和涂层的微结构有关。 黄锦滨等卜驯研究了n i 2 p ( c e ) 及n i 2 c u 2 p ( c e ) 镀层在冲击磨损过程中的磨 损现象。其中n i 2 p 镀层的冲击磨损过程主要表现为镀层的加工硬化、片状 剥落与粘着磨损。加入稀土c e 后，增加了镀层的硬度、改变了其结构，减 缓了镀层加工硬化程度，并推迟了粘着磨损的发生。而n i 2 c u 2 p 镀层的冲击 磨损除了塑性变形，疲劳片状剥落外，与n i 2 p ( c e ) 镀层不同的是还有点蚀剥 落。加入稀土c e 后，改善了镀层的结构，明显提高了镀层的抗冲击磨损性 能，但没有改变镀层的冲击磨损机制。实验表明，n i 2 c u 2 p ( c e ) 镀层抗冲击磨 损性能远远高于n i 2 p ( c e ) 镀层。 上官宝等1 4 9 采用m l d 1 0 型动载磨料磨损试验机研究了以z g 2 5 为基体 的高铬铸铁铸渗层在小能量冲击下的磨损性能，并用s e m 观察了磨损表面 的形貌。研究结果表明：与基体材料z g 2 5 相比，铸渗层的抗冲击磨损能力 提高了2 0 倍。铸渗层的磨损失效形式以疲劳磨损和磨粒磨损为主。 于连玉等【如】根据多次冲击载荷的特性，从应力波传播、多冲磨损、多冲 硬化与软化和多冲塑性变形方面，对带有激光熔覆层试样在多冲冲击载荷下 的部分力学行为进行了试验研究。结果表明：在多冲载荷作用下，应力波在 涂层和基体的冶金接合面发生反射，形成拉伸波造成涂层的纵裂和角裂；在 涂层表面由于应力集中，涂层表面发生微观点蚀和深层剥落；冲击载荷能量 的积累，造成涂层试样硬度变化和塑性变形。 石世宏等 s h 研究了激光涂层在多冲载荷后的组织结构变化，试验结果表 明，激光熔层在约为其屈服强度2 0 的多冲载荷下，表面层的组织在多冲后 模糊混乱，晶粒出现扭曲变形的现象，而中下层组织与结合界面比较清晰， 无严重变形现象。多冲表面的x 射线衍射谱发现：c o 基合金覆层衍射谱相 位和峰值强度发生了较大变化：n i 基合金覆层衍射谱没有变化：f e 基合金覆 层衍射谱有较小变化；三种涂层下部在多冲前后的衍射谱均无变化。多冲下 材料有较强的“接触面表面效应”，激光涂层具有良好的表面抗多冲强化性能。 贾利晓等【5 2 】采用传统的铸渗工艺在铸钢件表面制备了钨铬复合铸渗层， 采用m l d 2 1 0 型动载磨料磨损试验机研究了几种不同成分表面复合材料的冲 击磨损性能。结果表明，钨铬复合渗层的磨损率随铬铁含量的升高先降低后 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 升高，随w c 含量的增加而降低，随冲击功的增大先减小后增大；而其磨损 机制为塑性变形和剥落。 陈从桂等 5 a 】研究了激光融覆涂层在多冲条件下表面点蚀损伤机理和表 面剥落损伤机理。结果表明，损伤失效部位主要集中在涂层，形式包括表面 磨损以及磨损引起的开裂。 李珍等睁4 】研究了钢基表面铸渗层冲击磨损特性。试验结果表明，渗层中 复合层的耐冲击磨损性能随铬铁含量的增加先增加后降低，当w c 含量为 2 0 ，铬铁含量在3 5 左右，表面复合层抗冲击磨损性能较好。此外，渗层 中铬铁对冲击磨损性能的影响主要与铬碳化物的组织结构和碳化物的体积含 量有关，碳化物的含量过少，复合层硬度不足，在冲击力的作用下容易塑性 变形，碳化物含量过多则会影响复合材料的韧性和w c 颗粒等硬质相与基体 的结合强度，在冲击力的作用下容易脆性剥落。 黄林国掣5 5 】利用单摆划痕法的冲击加载特性，研究了n i 2 p 化学镀层的 冲击磨粒磨损性能。用单摆划痕法测定的比能耗( 材料产生单位体积划痕所消 耗的能量) 可作为材料耐冲击磨粒磨损性能的评价指标。材料的比能耗越大， 其耐冲击磨粒磨损性能越好。试验结果表明，提高热处理温度可增加n i 2 p 镀 层的比能耗，但当磷含量增加时，镀层因发生塑脆转变，比能耗趋于减少。 含磷量( 质量分数，下同) 为4 5 的镀层经6 0 0 保温1h 热处理后其比能耗最 大，耐冲击磨粒磨损性能最好。当热处理温度较高时，含磷量分别为4 5 、 8 2 和1 0 8 的镀层的摩擦系数_ i 趋于一致。在冲击加载条件下，切向动态 硬度和法向动态硬度与比能耗有较好的相关性，它们在评价材料耐冲击磨粒 磨损性能方面比显微硬度更加可信。 z h e n m i n g x u 等p 6 】研究了粒状共晶体原位增强奥氏体铜复合材料( a g e 复合材料) 的冲击磨粒磨损性能。试验结果表明，粒状共晶体有效阻止了磨 粒灌入磨损表面，并减少了磨粒的切削作用。应变诱发产生的马氏体以及磨 损表面亚表层的位错堆积使得硬度从亚表层向表面逐渐增加，有效阻止了不 同冲击条件下磨粒的冲击和凿削作用。因此，a g e 复合材料是一种能有效抵 抗中低能冲击磨损的复合材料。 g u o s h a n gz h a n g 等【”l 研究了三种不同w c 颗粒尺寸的w c 高锰钢复合 材料的抗冲击磨损性能。对w c 和高锰钢界面的s e m 观察发现，两者是以 冶金方式结合的，因而结合强度较高。试验结果表明，当w c 颗粒尺寸较小 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 时，无论冲击能如何，复合材料的抗冲击磨损能力都比高锰钢好。然而，当 w c 颗粒尺寸较大时，发现如果冲击能较低，复合材料的抗冲击磨损比高锰 钢抗冲击磨损能力好，而当冲击能较高时，却获得了相反的结果。因此，如 果工作条件较恶劣，应选择合适尺寸的w c 颗粒作为高锰钢的增强材料。 ( 3 ) 材料成分、组织等其他因素对冲击磨损特性的影响 吕振林等【5s 】研究了含碳量对低合金耐磨钢冲击磨损耐磨性的影响。结果 表明，随含碳量的增加，低合金耐磨钢热处理后的组织逐渐由板条马氏体转 变为板条马氏体+ 片状马氏体混合组织，且片状马氏体的数量增多，同时， 二次碳化物增加，导致该材质的硬度增加，冲击韧性下降。其三体冲击磨损耐 磨性需要较高硬度与良好韧性的配合。在中等冲击载荷条件下，中碳低合金 耐磨钢具有最佳的冲击磨损耐磨性，可以作为锤式破碎机锤头和球磨机衬板 的材质。 黄进峰等【5 9 】研究了不同硅含量贝氏体铸钢的抗高应力磨损性能和失效 机制。结果表明，高硅贝氏体铸钢的耐磨性能较低硅钢显著提高，其磨损失 重约是低硅贝氏体铸钢的1 2 。这是因为硅使贝氏体铸钢在高应力冲击磨损 下表现出不同的失效机制。低硅( 0 7 ) 贝氏体铸钢由于韧性低、组织结构粗 大及树枝晶的微区成分偏析，故材料抵抗冲击的能力很低，常在表面还未形 成强烈变形层( 白层) 甚至变形层时，就在变形层和材料基体内产生裂纹并扩 展，故低硅贝氏体铸钢的失效方式为变形层和基体剥落机制。而硅含量为 1 6 2 4 的高硅贝氏体铸钢，因脆性的渗碳体被韧性的残余奥氏体所代 替，钢的韧性显著提高，失效方式表现为白层的剥落机制。 在冲击磨损条件下，关于高铬铸铁中的残留奥氏体的作用，在国内及国 外都有不同的看法。为此赵四勇等【6 0 1 进行了m l d 2 1 0 的冲击磨损试验、单 点冲击试验和落球试验。试验结果表明，残留奥氏体均不利于各种条件下的 磨损。 陈瑜眉等【6 i i 研究了3 种f e 基粉末冶金材料的冲击接触磨损速率随温度 的变化关系。结果表明，试验温度升高使试样表面氧化，导致磨损速率先降 低后升高，并在3 5 0 4 0 0 时达到最低值。c r n i v c u 与c r m o w v c u 两种材 料的磨损速率与温度关系曲线出现的交点，是由于原材料与高温表面氧化膜 硬度变化造成的，而c u 的加入有利于冲击磨损速率的降低。当试验温度升 高时，磨损机制由犁削、剥层机制向氧化物碎化、脱离及大面积无特征区转 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 移。 向道平等【6 2 】在实验室条件下，研究了c r c 比及热处理工艺对高铬铸铁 抗冲击磨粒磨损性能的影响。结果表明，在相对较低冲击载荷下，热处理态 c r 2 8 ( c r c 比为9 5 ) 抗磨性比c r l 5 ( c r