系泊鏈鋼的摩擦磨損研究

毛振東 彭昂

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

隨著人類資源日益趨向短缺或枯竭，世界各國加速對海洋資源進行開發，海洋工程平臺、大型海洋工程輔助船舶快速發展。海洋工程平臺、海洋工程船處在波浪滔天、海況十分復雜的惡劣條件下工作，海上油氣的開采可望達到水深為2500 m(8200英尺)以上的所謂極深水海域[1]。高級別的系泊鏈是海洋工程平臺及其裝備在海洋中系泊固定的主要方式[2]。系泊鏈服役條件惡劣[3]，除承受平臺的靜載荷作用外，還承受環境載荷作用，如風力、波浪力和流力，其中波浪及浮游物的沖擊是環境載荷的主要成分。在這些力的作用下，使錨鏈產生摩擦磨損，從而可能導致錨鏈的失效，直接影響海洋工程平臺及其裝備的安全性、可靠性[5]。本文對國內用于制備R4級系泊鏈的22MnCrNiMo鋼的熱處理工藝、靜摩擦磨損性能進行了比較系統的研究。

1 試驗材料與方法

1.1 試樣的制備及處理

本實驗所用材料為江陰興澄特種鋼鐵有限公司和正茂集團有限公司聯合研制的專用于高級別系泊鏈的低碳低合金鋼22MnCrNiMo。其化學成分：C：0.24-0.30，Si：0.15-0.30，Mn：1.20-1.60，Cr：0.80-1.30，Ni：0.70-1.30，Mo：0.40-0.80，Nb：0.02-0.06，Cu≤0.20，S≤0.025，P≤0.025。材料熱處理工藝的選擇方面，根據生產企業的實際處理工藝，同時依據課題組對系泊鏈鋼熱處理組織與性能的詳細研究結果，本實驗中采用固定淬火工藝及回火溫度，只改變回火時間，研究不同回火時間下材料的摩擦磨損特性。材料經過930×30℃ min二次淬火，將二次淬火后的試樣在630℃回火，回火時間選擇30 min，45 min和60 min，回火后采用水冷。

1.2 磨損試驗

采用宣化科華試驗機制造有限公司生產的ML-100型靜載磨料磨損試驗機進行磨損試驗。磨損試驗機如圖1所示，該設備可進行靜載磨料磨損實驗。磨料磨損試樣尺寸均為 φ6 mm×12 mm。每組選用 2個試樣，實驗結果取 2個試樣的平均值。本試驗磨料為120目Al3O2水砂紙，轉速60 r／min。試驗選用：1）載荷為3 N時，磨損時間分別為30 s、60 s、90 s；2）磨損時間為60 s時，載荷分別為3 N，8 N，13 N。磨損試驗在干摩擦，空氣環境及室溫下進行，試驗前后分別將沖擊試樣(22MnCrNiMo鋼)放入酒精中用超聲波清洗15 min，吹干后在精度為0.1 mg的電子天平上稱重，計算其磨損質量損失，取三次試驗結果的平均值。

圖1 ML-100磨料磨損試驗機

1.3 磨損形貌觀察

試驗結束后，采用JEOL-JSM-6480型掃描電子顯微鏡觀察試樣(22MnCrNiMo鋼)的磨損表面形貌。

2 實驗結果與分析

2.1 摩擦磨損特性

圖2所示為22MnCrNiMo鋼與120目Al3O2水砂紙對磨時單位時間磨損量隨磨損時間和載荷變化的曲線。可見：單位面積磨損量隨著磨損時間和荷載的增加而增家。當載荷較小(3 N)時，隨著磨損時間從30 s增加到90 s，單位時間磨損量從(1.056～1.389)×10-6g·mm-2增 加 到 (1.481～1.731)×10-6g·mm-2，但增量較小。當磨損時間為60 s時，隨著載荷從較小載荷(3N)增加到較高載荷(13N)，單位時間磨損量從(1.185～1.444)×10-6g·mm-2增加到(6.556～6.203) ×10-6g·mm-2，增量較大。

2.2 磨損形貌分析

圖2 單位面積磨損量隨磨損時間和載荷變化的情況

圖3所示為載荷為3 N，不同磨損時間下軋制態試樣磨痕表面形貌SEM照片。可見，當磨損時間30 s時，軋制態試樣的磨損形貌為窄而淺的磨溝[見圖3(a)]，當磨損時間為60 s時，軋制態試樣的磨損形貌也為窄而淺的磨溝[見圖3(b)]，但同時出現較大的深坑。當磨損時間為90 s時，軋制態試樣的磨損形貌為較深的犁溝或深坑[見圖3(c)]。這是由于在磨損的初期，軋制態試樣硬度較高，磨損機理主要為微觀切削機理，因此軋制態試樣的磨損形貌為窄而淺的磨溝；隨著磨損時間的增加，材料表面軟化，材料中的第二相粒子（或夾渣物）與基體的結合力下降，容易在第二相粒子周圍形成裂紋，發生微觀斷裂磨損，因此軋制態試樣的磨損形貌也為窄而淺的磨溝，但同時出現較大的深坑；隨著磨損時間的繼續增加，材料表面進一步軟化，第二相粒子（或夾渣物）與基體的結合力繼續下降，此時磨損機理為犁溝變形機理。在磨粒的鑿削式的高應力作用下，材料表面撕出較大的顆粒和碎塊，表面形成較深的犁溝或深坑[5-7]。

圖4所示為磨損時間為60 s，不同載荷下軋制態試樣磨痕表面形貌 SEM 照片。可見，當載荷為3 N時，軋制態試樣的磨損形貌為窄而淺的磨溝，但同時出現較大的深坑[見圖 4(a)]。原因如上段所述。當載荷增加到8 N和13 N時，試樣的磨損形貌均為較深的犁溝或深坑[見圖 4(b和c)]。這是由于載荷的增加，使磨粒壓入的深度增加，材料表面發生嚴重的塑性變形，同時塑性變形產生變形熱。由于載荷的增加產生的變形熱遠遠高于由磨損時間增加產生變形熱，使材料的表面硬度迅速下降，磨粒的犁削作用更加明顯，此時軋制態試樣的磨損形貌為較深的犁溝或深坑。

圖3 載荷為3 N，不同磨損時間下軋制態的磨損形貌

圖4 磨損時間為60 s，不同載荷下軋制態的磨損形貌

3 結論

1）磨損時間和荷載對單位時間磨損量都有影響，單位面積磨損量隨著磨損時間和荷載的增加而增加，但載荷的影響大于磨損時間的影響

2）在載荷較小，磨損時間較短時，材料磨損機理為微觀切削機理，磨損表面為窄而淺的磨溝。隨著磨損時間和載荷的增加，磨損表面發生較為嚴重的塑性變形，其磨損為犁溝變形。

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[2]周麗萍, 謝春生, 朱林放. 熱處理對新型系泊鏈鋼22MnCrNiMo組織和性能的影響[J]. 材料熱處理技術, 2009, 38(2): 102一105.

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[5]謝敬佩, 王文焱, 李繼文, 王愛琴, 趙永讓, 李洛利.耐磨奧氏體錳鋼[M]. 北京: 科學出版社, 2008:11-13.

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