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第 1 卷
2013 年
9 月刊
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第 1 卷- 2013 年 9 月刊
高铬铸铁碳化物定向生长机制与其抗摩擦磨损磨相关性研究



表1: 高铬铸铁化学成分


图1: 试验机主体部分


图2: 摩擦副摩擦磨损试验部分


图3: MMG-10型试验机主机结构原理简图


表2: 不同工况下摩擦系数数值


图4: 摩擦系数随载荷的变化


图5: 摩擦系数随转速的变化


图6: 不同载荷下摩擦系数


图7: 不同转速下摩擦系数


表3: 不同工况下磨损量


图8: 载荷与磨损量关系曲线


图9: 转速与磨损量关系曲线


图10: 高铬铸铁材料金相组织


图11: 磨损前后形貌对比

摘要:采用MMG-10型高温、高速摩擦磨损试验机,研究了高铬铸铁/45钢配副在不同载荷和转速的条件下的摩擦磨损特性。结果表明:材料的摩擦系数随着载荷和转速的增加而减小;在高载荷的条件下摩擦系数减小速率的更快而在高转速条件下摩擦系数的减小速率相对较缓;摩擦系数随着试验时间的延长而增大;磨损量随着转速和载荷的增加而增大;高铬铸铁中由于存在着杆状或板条状的碳化物,起到了一定的支撑作用,随着基体的不断磨损,碳化物逐渐暴露出来与45钢成为新的摩擦副,在高载荷和高转速的条件下,碳化物会不断的断裂,进而一定程度上增加了磨损量。关键词:高铬铸铁;摩擦系数;干滑动;耐磨性;磨损量

1. 引言

  高铬铸铁(合金白口铸铁)因硬度高、耐高温、耐腐蚀而具有优良的抗磨性,成为目前普遍使用的耐磨材料,在水泥制造、工程机械、矿山机械、抛喷丸清理和电力冶金设备等众多行业领域得到了广泛应用[1,2]。高铬铸铁凝固时可以析出α、γ、β1、β2、β3五种不同的相。在这五种相中,α和γ是固溶体相,其余三个相为碳化物相,其碳化物类型、晶体结构、晶格常数以及溶解C、Cr的能力明显不同,在三种碳化物分别为(Cr,Fe)3C、(Cr,Fe)23C6和(Cr,Fe)7C3中,随着铬含量的提高,碳化物由(Fe,Cr)3C型依次向(Fe,Cr)7C3和(Fe,Cr)23C6型转变,其晶体结构亦分别由斜方晶系向六方晶系和面心立方晶系转变,(Fe,Cr)23C6的溶碳能力达5.6%,溶铬能力高达59.0%。在三种碳化物中,M7C3型碳化物硬度高达1200-1700HV,比M3C(Fe3C)和M26C3硬度都高,其形貌为板条状或六棱柱状,改变了渗碳体(Fe3C)的蜂窝状形貌,使高铬铸铁脆性大大降低,耐磨性明显提高[3-6]。因此,高铬铸铁中碳化物的数量、形貌、分布方式等与其抗摩擦磨损性能密切相关,如果采取一定工艺和措施,控制碳化物的生长,使其数量、方向和形貌复合预先设计要求,那就可以进行高铬铸铁的摩擦学设计和优化,设计和制造出不同受力环境下的优良耐磨件,例如抛喷丸清理室内护板、破碎机垂头、球磨机护板和抛丸器叶片等。

  通过定向凝固,使碳化物定向排列,即沿垂直于磨面的方向定向生长,可显著提高其抗磨性能[7-8]。目前, 有关定向凝固的研究主要在一些温度梯度较低的设备上进行,比如发热法[4],砂型放入冷铁的方法[5]等。高铬铸铁高温度梯度定向凝固的研它具有优良的抗磨耐磨性能,同时由于兼备良好的耐高温、耐腐蚀性能和良好的性能价格比,与其它抗磨材料相比,高铬铸铁还具有较好的韧性和耐蚀性。

  高铬铸铁中存在高硬度的M7C3型金属间碳化物,其中碳化物硬度可达到1200-1700HV,呈一种不连续的杆状或板条状分布,显著改善了材料的硬度和韧性[3-6]。由于高铬铸铁的广泛应用性,因此对其性能进行分析研究具有一定的现实意义。本文通过对高铬铸铁和45钢组成的摩擦副在干滑动条件下摩擦磨损性能的一些特点进行分析讨论。

2. 试验方法

  在山东开泰抛丸机械有限公司采用200kW、250kg中频感应电炉进行熔炼,采用砂型铸造工艺,浇注温度为1450℃,铸态试样在高温硅碳棒箱式电阻炉中经930℃加热,然后空冷至室温。对试样在HX-100TM光学显微镜上进行微观结构观察(OM),在HITACHIS-2500扫描电子显微镜上进行微观形貌观察(SEM)。采用SPECTRO MAX2009光谱仪测试化学成分,将测试结果列于表1中。

  在MMG-10型高温、高速摩擦磨损试验机上进行销-盘式干滑动摩擦磨损试验,其中销试样采用高铬铸铁,盘试样采用45钢。试验时,下试样(即45钢盘试样)在液压泵的作用下上升至接触上试样并施加载荷,当载荷达到设定值后保持载荷在一定的范围内,上试样(即高铬铸铁销试样)在电机的带动下以设定的转速转动。摩擦力由数据采集卡采集,并存储在计算机中。试验机主体结构如图1所示,该试验机主体结构为机电一体式结构,主机的左侧为计算机控制显示部分。图2 为摩擦副进行摩擦磨损试验的部分。

  试验机主机结构原理图如图3所示,采用液压泵为动力源进行加载,试验时下试样位置固定不动,上试样由电机带动以设定转速转动并在下试样表面进行摩擦试验。

  首先,在室温,主轴转速100rpm,试验时间900s条件下,分别测量并计算加载载荷为100N,150N,200N,250N时的摩擦系数μ值;其次,在常温,加载力为200N,试验时间为600s条件下,分别测量并计算主轴转速为0rpm,200rpm,300rpm,400rpm时的摩擦系数μ值。摩擦系数计算公式:μ=f/N          (1)
式中:μ-摩擦系数;f-摩擦力;N-施加在试样上的法向力。

  磨损量采用感量为1mg的电子天平称得,试验前后分别称量销试样,重量差即销试样的磨损量。每种工况下重复称量多次,取其平均值得到相应工况下的磨损量。计算公式如下:△W=W1-W2        (2)
式中:△W-磨损量;W1-磨损前质量;W2-磨损后质量。

3. 结果与讨论

3.1 摩擦特性

  将在不同工况下的摩擦系数数值分别列入表2中。

  图4,图5分别是在不同载荷同一转速以及不同转速同一载荷条件下摩擦系数变化规律图,由图4,图5可见:
(1) 随载荷和转速的增加摩擦系数均逐渐减小。
(2) 在高载荷的条件下,曲线斜率较大,即摩擦系数减小较快,而在高转速的条件下曲线斜率较小,即摩擦系数减小趋缓。

  文献[6,7]中得知,摩擦表面实际上是凹凸不平的,是由波峰-波谷组成的粗糙表面,而实际接触面积应该是所有微凸峰直接接触面积之和,这决定着摩擦阻力的大小。微凸峰在接触应力的作用下,会发生变形,不仅增加了微凸峰的接触数目,也使摩擦面实际接触面积增大。因此,随着载荷(或接触应力)的增大,微凸峰变形程度越大,摩擦力也随之增大,但这种变化并不是呈线性关系。随着载荷(或接触应力)的进一步增大,微凸峰变形会越来越困难,同时摩擦面实际接触面积(进而摩擦力)增大幅度也会越来越小,摩擦力与载荷的比值减小,即摩擦系数减小。

  由于高铬铸铁中的碳化物的硬度要远远高于基体组织,因此在摩擦过程中,较软的基体会先被磨损或发生塑性变形,碳化物裸露于摩擦表面,起支撑作用,从而取代基体成为新的摩擦副,使摩擦面的实际接触面积减小。载荷(或接触应力)越大,这种效应越明显,这是摩擦系数随表观接触应力增大而减小的另一原因[1]。

  在一定的载荷(或接触应力)条件下,随着滑动速度的增加,在单位时间内摩擦力所做的功会更多的转化为内能,进而使得摩擦热增加,摩擦副的摩擦表面的温度升高,钢件摩擦副表面软化,切削抗力相对减小,即摩擦阻力减小,导致摩擦系数降低。

  图6表示在不同载荷100N,150N,200N,250N条件下,摩擦系数随时间的变化规律图,由图中可以看出:摩擦系数随着时间的增加有增大趋势,而图7表示在不同转速0rpm,200rpm,300rpm,400rpm条件下的摩擦系数随时间的变化规律图,进一步佐证了上述规律。

  由图6,图7中可以看出,随时间的延长摩擦系数均呈现一种上升的趋势,其中不同载荷条件下的摩擦系数上升趋势相对不同转速条件下的趋势更为明显。这种规律产生的原因是由于在一定载荷(或接触应力)和转速的条件下,随着试验时间的延长,在切向力的作用下高硬度碳化物对钢件摩擦副产生了微观切削,在摩擦轨迹上产生摩擦沟痕,而且摩擦沟痕随着时间的延长而不断加深,增加了摩擦副表面的粗糙度,进而导致了摩擦系数的增加。另外,随着试验时间的延长,碳化物的断裂、剥落也造成了一定程度上的磨粒磨损,增加了摩擦系数。

3.2 磨损特性

  将在不同工况下磨损量分别列入表3中。

  图8,图9分别表示在同一转速不同载荷以及同一载荷不同转速的条件下的磨损量规律图,由图中可以看出:随着载荷的增加以及转速的增加,磨损量均增加。

  在载荷(或接触应力)和转速的增加的情况下,小尺寸的碳化物会不断的断裂、撕碎,进而脱离基体,引起失重的增加。另外,剥落的碳化物也会参与新的磨削,形成磨粒磨损降低了高铬铸铁的耐磨性,这在一定程度上也增加了高铬铸铁的磨损量。

3.3 高铬铸铁表面微观形貌和磨损机理

  如图10所示为高铬铸铁材料的金相组织图(OM),其中(a)、(b)为横面金相组织图,(c)、(d)为纵面金相组织图。

  图11为高铬铸铁材料的SEM图片,其中(a)、(b)为高铬铸铁磨损前的形貌,(c)、(d)为磨损后的形貌。

  由图10、图11可以看出高铬铸铁基体中分布着大量的条状或块状的碳化物,在摩擦磨损过程中,碳化物会随着基体的磨损裸露于摩擦副的表面,起到一定的支撑作用,从而为基体材料分担了相应的载荷,减小了钢件摩擦副对高铬铸铁的磨损,但当施加载荷和转速增大时,会导致碳化物的断裂。对比图11中磨损前后的形貌可以看出,磨损过程中碳化物出现了裂纹,并且最终导致了破碎,45钢表面也会依附一定数量的碳化物,参与新的磨削,进而导致了前面所述的磨损量的增加。

4. 结论

(1) 摩擦系数规律是:摩擦系数随着速度、载荷的增加而呈现逐渐减小趋势。
(2) 在一定的转速的条件下,高载荷(或接触压力)的摩擦系数减小速率更快,而当载荷(或接触压力)一定的情况下,高转速的摩擦系数减小速率较缓。
(3) 随着时间的延长,摩擦系数呈增加趋势。同一转速不同载荷条件下,增加趋势更为明显,而同一载荷不同转速条件下,这种趋势较弱。
(4) 磨损量随着载荷和转速的增加均呈增加趋势。
(5) 高铬铸铁中存在着杆状、板条状的碳化物,在摩擦磨损过程中起到了一定的支撑作用,在高载荷和高转速的工况下,碳化物会产生裂纹,进而断裂,脱离基体,增加试样的磨损量,另外断裂的碳化物颗粒会参入到新的摩擦磨损,形成磨粒磨损,也一定程度上降低了高铬铸铁的耐磨性能以及增加了磨损量。

5. 参考文献

[1] 倪锋,沈百令,张永振等. 高铬白口铸铁干滑动摩擦磨损特性的研究[J].材料开发与应用,2001,16(3):6-8.
[2] 刘晨,潘保良.高铬铸铁件的生产应用技术综述[J].云南冶金,2006,35(5):85-86.
[3] 李秋书,闫志杰.高铬白口铸铁抗磨特性的对比研究[J].2001,3:26-27.
[4] 熊博文,吴振卿,张军.载荷对高铬铸铁磨料磨损的影响[J]. 热加工工艺,2006,35(5):5-6.
[5] 任福战,赵维民,王如等. 高铬铸铁里的碳化物形貌对力学性能的影响[J].中国铸造装备与技术,2007,2:23-25.
[6] 子澍.展望高铬铸铁的发展[J].铸造技术,2008,10:1417-1420.
[7] 张永振等.材料干摩擦学[M].北京:科学出版社,2007:306-310.
[8] 张剑锋,周志芳.摩擦磨损与抗磨技术[M].天津:天津科技翻译出版公司,1993:8-12.



作者:王守仁
山东开泰抛丸机械有限公司技术总监,
山东省高校机械制造及自动化重点实验主任,
山东省高校机械学科首席专家,
济南大学教授暨摩擦学研究所所长

电话:+86.18905431989
邮箱:sherman0158@tom.com, me_wangsr@ujn.cn


 
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