高頻往復條件下M42高速鋼干摩擦特性研究

包磊，周燕飛

(南京航空航天大學 機電學院， 江蘇 南京 210016)

0 引言

M42(W2Mo9Cr4VCo8)高速鋼是鎢鉬系高速鋼的代表型號，經(jīng)熱處理后硬度可達68～70HRC，其鈷含量高，約有8%。鈷元素提高了二次硬度和高溫硬度，改善了韌性和碳化物的穩(wěn)定性[1]。M42高速鋼的紅硬性和耐磨性非常好，有比硬質(zhì)合金更好的韌性及切削加工性，因此主要用途是制作成各種精密且形狀復雜的刀具以及各種沖壓模具。目前研究工作主要集中在M42高速鋼的制備工藝[2-3]、熱處理工藝[4-5]和磨損行為[6-7]等方面。

斯特林制冷機是一種基于逆向斯特林熱力循環(huán)的低溫冷卻器，為了滿足空間探測的需要和防止工質(zhì)被潤滑油污染，活塞與氣缸必須采用干摩擦。由于其密封間隙≤5μm，并且活塞以50Hz工作頻率作往復運動，沖擊和振動較大，磨損問題比較嚴重。目前主要采取在活塞表面噴涂涂層以減小磨損，但是涂層噴涂存在結(jié)合強度低、線膨脹系數(shù)大和噴涂質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，并且磨屑以粉末形式自行脫落污染工質(zhì)和阻塞回熱通道，影響制冷效率。國外有資料表明，以M42高速鋼作為活塞與氣缸材料，熱處理后硬度為65HRC，珩磨、拋光后表面粗糙度0.2以下，可以減少磨損，提高可靠性[8-9]。

由于受到研究背景與試驗條件的限制，以往對M42高速鋼在高頻往復滑動條件下的摩擦磨損特性鮮有報道。因此本文旨在研究高頻往復干滑動條件下M42高速鋼的摩擦磨損特性，探討法向載荷、工作溫度、往復頻率和表面滲氮處理對M42高速鋼摩擦磨損性能的影響，以摩擦系數(shù)、磨損量為表征參數(shù)，通過觀察摩擦表面的微觀形貌，進而推斷出磨損機制，為金屬摩擦副技術(shù)在斯特林制冷機的應用提供基礎(chǔ)試驗研究。

1 試驗部分

試驗材料選用M42高速鋼，生產(chǎn)廠家為日本某會社，密度為8.1g/cm3，彈性模量為220GPa，泊松比為0.3，其質(zhì)量分數(shù)如表1所示。

表1 M42高速鋼質(zhì)量分數(shù) 單位：%

為了模擬斯特林制冷機活塞與氣缸的運動過程，設計了一套圓柱-內(nèi)凹圓柱面接觸副，如圖1所示。氣缸試件固定不動，活塞試件受到法向載荷作用擠壓氣缸試件并在其中往復滑動。活塞試件按直徑φ20mm加工，氣缸試件內(nèi)徑按φ22mm加工，外徑按φ30mm加工。為了提高表面質(zhì)量，活塞外圓面和氣缸內(nèi)孔面珩磨后拋光，最終表面粗糙度為Ra0.02，圓柱度≤φ5μm。活塞試件和氣缸試件均采用M42高速鋼。為了減小黏著傾向，氣缸試件熱處理后硬度為65HRC。活塞試件分別采用兩種強化方式，其中1#活塞采用常規(guī)熱處理，硬度為68HRC；2#活塞表面采用滲氮處理，滲氮層厚度10～15μm，硬度>70HRC。

圖1 摩擦副樣件實物圖

試驗在MGW-02型高頻往復疲勞摩擦磨損試驗機上進行，該試驗機由往復驅(qū)動機構(gòu)、加載機構(gòu)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、微機控制系統(tǒng)、摩擦副及專用夾具組成。試驗機原夾具用來裝夾球-平面接觸副，為了能裝夾圓柱-凹面接觸副，在保持原運動機構(gòu)的基礎(chǔ)上，根據(jù)原夾具接口，重新設計了一套新的夾具，用于裝夾摩擦副試件，如圖2所示。

圖2 夾具設計

2 結(jié)果與討論

本次試驗變量為有法向載荷、工作溫度、往復頻率和表面是否滲氮處理。由于試驗因素較多，采用正交試驗法設計試驗，對M42高速鋼進行L9(34)的正交試驗，每組試驗時間為5h。試驗前仔細檢查摩擦表面質(zhì)量，測量表面粗糙度和圓柱度、硬度等參數(shù)，滿足精度要求進行后續(xù)試驗。將加工好的活塞試件用丙酮超聲清洗，放入真空干燥箱烘干，稱重并記錄。根據(jù)設備的操作規(guī)程進行操作，設置法向載荷、運動頻率、位移和工作溫度等工況參數(shù)，

表2 正交試驗因素與水平表

當工作溫度達到設定值時開始試驗。試驗環(huán)境為空氣，相對濕度為40%～50%，無潤滑劑。試驗過程中，試驗機可實時采集正壓力和摩擦力，計算并繪制摩擦系數(shù)變化曲線。采用精度為0.1mg的FA2104N型分析天平稱量材料在磨損前后的質(zhì)量，計算質(zhì)量損失。使用蔡司sigma500型掃描電鏡(SEM)拍攝活塞表面的磨損痕跡，觀察磨損特征，并使用能譜分析功能(EDS)統(tǒng)計磨痕微區(qū)的所有元素種類及含量，推斷磨損機制。

2.1 摩擦磨損特性

由圖3可知，在整個試驗過程中，摩擦系數(shù)首先經(jīng)歷不穩(wěn)定的磨合期，然后進入穩(wěn)定磨損階段，摩擦系數(shù)趨于平穩(wěn)。這是因為摩擦表面實際接觸發(fā)生在微凸體上，實際接觸區(qū)域也只占摩擦表面很小的一部分。磨合開始時，相互接觸的微凸體將發(fā)生擠壓變形和剪切破壞，摩擦系數(shù)不穩(wěn)定。隨著試驗進行，表面質(zhì)量得以改善，摩擦系數(shù)變化逐漸平穩(wěn)。

圖3 摩擦系數(shù)變化曲線

正交試驗方案與試驗結(jié)果如表3所示，使用極差分析法對摩擦系數(shù)進行分析，其中Ki表示各因素中第i水平對應的摩擦系數(shù)之和，ki表示各因素第i水平對應的摩擦系數(shù)均值，R為極差，根據(jù)R的大小分析各因素對摩擦系數(shù)影響的主次程度。從表4極差分析結(jié)果可知，影響M42高速鋼摩擦系數(shù)的主次因素依次為往復頻率、工作溫度、滲氮處理和法向載荷。同理影響磨損量的主次因素依次為滲氮處理、法向載荷、往復頻率和工作溫度。

表3 正交試驗方案與試驗結(jié)果

表4 摩擦系數(shù)極差分析

根據(jù)表4的極差分析結(jié)果得到摩擦系數(shù)隨因素水平變化趨勢，如圖4所示。可以看出：

1) 摩擦系數(shù)基本隨著法向載荷增大而增大，法向載荷的大小直接決定了摩擦接觸表面的尺寸、應力場與變形程度。但是法向載荷從5N增長至15N，摩擦系數(shù)的增長幅度比較小，這說明在較小的法向載荷范圍內(nèi)，摩擦系數(shù)受法向載荷的影響有限。因為M42高速鋼的硬度非常大，當名義法向載荷增大時，作用到摩擦表面的真實法向應力引起接觸面積和變形程度增長有限。

2) 摩擦系數(shù)與工作溫度呈負相關(guān)，在摩擦過程中環(huán)境熱、接觸熱、變形熱和摩擦熱積累使材料發(fā)生軟化，塑性變形抗力降低，摩擦阻力更小，摩擦系數(shù)下降。

3) 摩擦系數(shù)受往復頻率影響顯著，隨往復頻率增大而減小。因為當往復頻率增加時，摩擦副相對運動速度加快，摩擦表面相互擠壓時間與變形程度減小，導致實際接觸面積較小。同時，往復頻率增加使磨屑容易被帶出摩擦表面，磨屑作為磨粒參與二次磨損概率降低。

圖4 摩擦系數(shù)隨因素水平變化趨勢

2.2 表面微觀形貌分析

為了進一步地分析M42高速鋼的磨損機制，利用掃描電子顯微鏡觀察了活塞試件表面磨損痕跡的微觀形貌。圖5中因材料塑性堆積而形成大小不等的瘤，這是由于黏著結(jié)點被剪切破壞導致較軟的氣缸表面材料被撕裂，被剪切的材料以及剝落的磨屑遷移、黏附到硬度更大的活塞表面上，并且這些塑性堆積瘤會不斷犁削氣缸表面。圖6表面散布著大小不等的痘斑與點蝕，這是典型的疲勞磨損。在高頻往復滑動與小幅度滾動的合成運動下，試件表面承受接觸應力與摩擦應力的反復加載與卸載，隨后導致疲勞破壞。圖7表面中零散分布著鱗片狀磨屑，對其進行EDS能譜分析如圖8所示，元素含量統(tǒng)計結(jié)果如表5所示。可以看出氧元素含量為31.72%，這說明在磨損過程中出現(xiàn)了氧化磨損現(xiàn)象。據(jù)此推斷活塞表面無滲氮層時，磨損機制是黏著磨損和疲勞磨損。活塞表面有滲氮層時，滲氮處理能降低黏著效應，磨損機制以疲勞磨損為主。

圖5 無滲氮試件表面形貌

圖6 滲氮試件表面形貌

圖7 磨屑微觀形貌

圖8 能譜分析結(jié)果

表5 元素含量統(tǒng)計 單位：%

3 結(jié)語

本文采用正交試驗法，在高頻往復干滑動條件下研究了法向載荷、工作溫度、往復頻率和表面滲氮對M42高速鋼的摩擦磨損性能的影響，得出了如下結(jié)論：

1) 通過極差分析發(fā)現(xiàn)：往復頻率是影響摩擦系數(shù)主要因素，表面有滲氮層對磨損量的影響最顯著，摩擦系數(shù)和磨損量與工作溫度和往復頻率呈負相關(guān)，與法向載荷呈正相關(guān)。

2) 在高頻往復干滑動條件下，M42高速鋼常規(guī)熱處理基體的磨損機制是黏著磨損和疲勞磨損，對M42高速鋼表層進行滲氮處理后，磨損機制以疲勞磨損為主，磨損過程中有氧化現(xiàn)象。