45鋼摩擦副摩擦系數(shù)影響因素的研究

摘要：本文研究加載載荷和摩擦速度對(duì)45鋼摩擦副摩擦系數(shù)的影響。根據(jù)摩擦副的結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)摩擦試驗(yàn)來(lái)獲取各單一變量下摩擦系數(shù)值；最后對(duì)在不同摩擦條件下測(cè)定的摩擦系數(shù)結(jié)果討論。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在相對(duì)低載荷、低轉(zhuǎn)速下，45鋼大銷盤摩擦副摩擦系數(shù)隨加載載荷、轉(zhuǎn)速增大而減小。

關(guān)鍵詞：45鋼摩擦副 摩擦系數(shù) 影響因素

機(jī)械設(shè)備的可靠性和使用壽命與各運(yùn)動(dòng)部件摩擦副表面的磨損狀況息息相關(guān)。摩擦是能源消耗的主要原因之一。據(jù)估計(jì)，世界上在工業(yè)方面約有30%的能量消耗在磨損中，磨損會(huì)使零件的表面形狀和尺寸遭到緩慢的破壞。使機(jī)器的效率及可靠性逐漸降低，從而喪失原來(lái)的工作能力，最終導(dǎo)致零件因磨損而失效。因此，對(duì)摩擦磨損的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文主要探討摩擦副加載載荷、轉(zhuǎn)速對(duì)摩擦系數(shù)的影響。

1、實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

本次試驗(yàn)?zāi)Σ粮鄙显嚇佑?5鋼制成，銷尺寸為Φ4.6mm×12mm，經(jīng)840℃淬火20min，再中溫350℃回火30min熱處理，熱處理后硬度為HRC60。下試樣大試環(huán)用45鋼制成，尺寸為內(nèi)徑Φ54mm×外徑Φ38mm×高度10mm，熱處理后硬度為HRC61。MMW—1A萬(wàn)能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)、HT—150A洛氏硬度計(jì)、FA2004電子天平、掃描電子顯微鏡（型號(hào)：XL—30ESEM），金相顯微鏡等。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

①將加工好的試樣進(jìn)行相應(yīng)熱處理，上試樣銷經(jīng)840℃淬火20min，再中溫350℃回火30min熱處理。

②將實(shí)驗(yàn)分為兩組，每組單一變量設(shè)四個(gè)不同值，如下：

第一組實(shí)驗(yàn)：轉(zhuǎn)速120r/min（0.290m/s），磨擦?xí)r間30min，加載載荷分別為30N、45N、60N、75N進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

第二組實(shí)驗(yàn)：加載載荷15N，磨擦?xí)r間30min，摩擦速度分別為0.145m/s、0.217 m/s、0.290 m/s、0.362 m/s進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

③記錄每組實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果計(jì)算出各單一變量下的摩擦系數(shù)，并繪制圖表，并對(duì)所繪制的圖表進(jìn)行相應(yīng)的分析。

2、結(jié)果分析

2.1摩擦表面微觀形貌分析

大銷盤摩擦副表面之間的微凸體在兩個(gè)面相對(duì)滑動(dòng)時(shí)相當(dāng)于磨粒，摩擦表面的作用力可分為法向力和切向力，法向力使磨粒壓入表面，切向力使磨粒沿切向力方向推進(jìn)，綜合作用的結(jié)果使得摩擦表面形成“犁溝”[5]，造成磨粒磨損，并產(chǎn)生磨屑。

將不同摩擦?xí)r間、加載載荷情況下的掃描電鏡照片作以對(duì)比可以得出：加載載荷增加，銷摩擦表面劃痕較明顯，能見到由摩擦表面作用力形成的“犁溝”，隨著加載載荷的提高，摩擦副摩擦表面磨損愈加嚴(yán)重，從而劃痕加重。摩擦過(guò)程中產(chǎn)生的磨屑都呈片狀且多散落分布，且隨著轉(zhuǎn)速的增大，附在摩擦面上的磨屑經(jīng)反復(fù)研磨，磨屑變的越來(lái)越細(xì)。

2.2 加載載荷對(duì)摩擦系數(shù)的影響

表1 加載載荷、摩擦速度與摩擦系數(shù)之間的關(guān)系

表1為加載載荷、摩擦速度與摩擦系數(shù)之間的關(guān)系圖，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，隨加載載荷的增加，接觸面正壓力增大，接觸面的摩擦系數(shù)逐漸減小。

在0.290m/s的低轉(zhuǎn)速下，磨損形成的磨屑以顆粒狀為主，顆粒狀磨屑有利于提高摩擦副間的嚙合力而使摩擦系數(shù)處于較高值；隨加載載荷的提高，摩擦表面顆粒狀磨屑逐漸增多，并且分布愈加密集，摩擦副接觸面正壓力增大，從而摩擦副表面微觀硬度提高，摩擦系數(shù)下降。

大銷盤摩擦副在滑動(dòng)摩擦?xí)r，摩擦副的摩擦力會(huì)明顯取決于接觸區(qū)域變形的種類和接觸飽和度。當(dāng)彈性變形未飽和時(shí)，由于載荷增大，使兩對(duì)摩件接近量增大，真實(shí)接觸面積增加速度大于載荷的增加速度。真實(shí)接觸面積的增加主要靠接觸點(diǎn)數(shù)的增加而增加，對(duì)于大多數(shù)接觸點(diǎn)來(lái)說(shuō)，其抗壓強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，塑性變形減小，剪切時(shí)的摩擦力也減小，從而摩擦系數(shù)隨載荷增加相對(duì)減小。

2.3轉(zhuǎn)速對(duì)摩擦系數(shù)的影響

表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在較低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，隨轉(zhuǎn)速增大，大銷盤摩擦副的摩擦系數(shù)逐漸減小。即滑動(dòng)摩擦系數(shù)隨相對(duì)滑動(dòng)速度增大而減小。

本組實(shí)驗(yàn)采用的最小滑動(dòng)速度為0.145 m/s，最大滑動(dòng)速度為0.362m/s，正壓力恒定在15N。隨轉(zhuǎn)速的增大，摩擦副單位時(shí)間內(nèi)摩擦力做功增加，從而摩擦副內(nèi)能增加，摩擦表面溫度有所升高，摩擦生熱使得試樣表層的組織結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生變化，使接觸面的摩擦情況得到緩和，使摩擦系數(shù)隨轉(zhuǎn)速升高而減小。

摩擦產(chǎn)生的磨屑在宏觀上使大銷盤摩擦副趨向于一種滾動(dòng)摩擦，相對(duì)于滑動(dòng)摩擦，接觸面有所減小，摩擦系數(shù)相應(yīng)的減小。附在摩擦面上的磨屑經(jīng)反復(fù)研磨，變得較細(xì)、較圓滑，細(xì)而圓滑的磨屑可起類似滾珠和固體潤(rùn)滑劑的作用，導(dǎo)致磨損量和摩擦系數(shù)減小。

3、結(jié)論

（1）45鋼大銷盤摩擦副摩擦系數(shù)隨加載載荷、轉(zhuǎn)速增大而減小。

（2）在轉(zhuǎn)速不變的情況下，隨著載荷的增大，銷表面劃痕變多；在加載載荷不變的情況下，隨著轉(zhuǎn)速的增大，磨屑變的越來(lái)越細(xì)。

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