GCr15及G20CrNi2Mo軸承鋼高溫潤滑條件下摩擦磨損性能*

馬 彪 傅麗華 上官寶 杜三明 毛艷珊 岳 赟 張永振

(1.河南科技大學(xué)高端軸承摩擦學(xué)技術(shù)與應(yīng)用國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽 471000；2.河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 河南洛陽 471023；3.洛陽軸承研究所有限公司 河南洛陽 471039)

軸承作為重要的關(guān)鍵零部件，被稱為“工業(yè)的關(guān)節(jié)”，廣泛運(yùn)用在精密機(jī)床、礦山機(jī)械、高鐵動(dòng)車、風(fēng)力發(fā)電及航空航天等新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域[1-2]，其性能好壞直接決定了高端裝備的性能、水平、質(zhì)量和可靠性[3]。隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高和社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，軸承應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大,市場需求逐年遞增，對軸承鋼及其性能要求也越來越高[4-5]。其中，摩擦磨損是軸承在服役過程中的主要失效形式之一[6-8]。特別是，當(dāng)軸承在服役過程中受到較大載荷、沖擊載荷、高速運(yùn)轉(zhuǎn)或潤滑不良時(shí)，將導(dǎo)致軸承溫度急劇上升，呈現(xiàn)出不同于室溫下的摩擦磨損行為，造成更嚴(yán)重的磨損失效，直接影響到軸承的使用壽命[9-10]，因此，很有必要對軸承在高溫條件下的摩擦磨損性能進(jìn)行研究。

相關(guān)文獻(xiàn)已對軸承鋼在高溫條件下的摩擦磨損進(jìn)行了研究。STOTT等[11]研究了Fe-12%Cr鋼在高溫下的摩擦磨損性能，結(jié)果表明：在溫度為300～600 ℃的空氣中進(jìn)行往復(fù)滑動(dòng)摩擦磨損時(shí)，摩擦因數(shù)和磨損率都明顯低于室溫摩擦條件。吳毅恒等[12]研究了不同溫度條件下Cr4Mo4V軸承鋼的摩擦磨損行為，發(fā)現(xiàn)在高溫條件下，Cr4Mo4V鋼磨損區(qū)域氧化程度隨溫度的升高而增加，使摩擦因數(shù)和磨損量顯著降低。陳康敏等[13]研究了CrMoV鑄鋼的高溫磨損性能，發(fā)現(xiàn)400 ℃高溫磨損條件下CrMoV鋼表面形成一層致密的氧化物膜，有效地降低了磨損。

盡管上述研究指出高溫條件與軸承鋼材料的摩擦磨損性能息息相關(guān)，但在高溫潤滑條件下軸承鋼磨損實(shí)驗(yàn)研究相對較少，且針對軸承材料在高溫潤滑條件下的摩擦磨損機(jī)制分析還不夠深入。因此，本文作者選用常用軸承材料GCr15高碳軸承鋼和G20CrNi2Mo滲碳軸承鋼為研究對象，采用掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線衍射儀(XRD)、硬度儀等分析了材料的微觀組織、物相和硬度，借助QG-700型氣氛高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)在不同條件下測試了2種軸承鋼的高溫潤滑摩擦磨損性能，并揭示其摩擦磨損機(jī)制。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

文中選用最常用的GCr15高碳軸承鋼和G20CrNi2Mo滲碳軸承鋼作為研究對象。其中，GCr15高碳鋼的化學(xué)成分為(質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)，%)1.02C，1.47Cr，0.087Ni，0.17Si，0.38Mn，0.029Mo；G20CrNi2Mo；滲碳軸承鋼的化學(xué)成分為(質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)，%)0.23C，0.55Cr，1.65Ni，0.29Si，0.70Mn，0.20Mo。GCr15高碳軸承鋼熱處理工藝為：在780～810 ℃保溫4 h，之后隨爐冷卻至650 ℃，再空冷到室溫；加熱到840 ℃，保溫30 min，油淬；之后在160 ℃回火1.5 h。G20CrNi2Mo滲碳軸承鋼熱處理工藝為：先在880 ℃保溫1 h，一次油淬；在800 ℃保溫1 h，二次油淬；之后在200 ℃回火1.5 h。

采用掃描電子顯微鏡(型號：JSM-5610LV)對GCr15和G20CrNi2Mo軸承鋼的微觀組織進(jìn)行觀察分析。使用X射線衍射儀(型號：D8)對2種軸承鋼的物相組成進(jìn)行表征。利用洛氏硬度計(jì)(型號：310HRSS-150)對軸承鋼表層硬度進(jìn)行測試，硬度測試時(shí)選用的載荷為1 470 N。

利用QG-700型氣氛高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對GCr15高碳軸承鋼和G20CrNi2Mo滲碳軸承鋼材料進(jìn)行銷-盤旋轉(zhuǎn)式摩擦磨損實(shí)驗(yàn)。選用GCr15為對磨盤，尺寸為φ50 mm×8 mm；銷試樣為研究材料(GCr15高碳軸承鋼和G20CrNi2Mo滲碳軸承鋼)，尺寸為φ6.3 mm×20 mm。摩擦磨損實(shí)驗(yàn)中，樣品旋轉(zhuǎn)半徑為14 mm，運(yùn)行總路程為3 165 m。當(dāng)研究載荷對摩擦磨損性能影響時(shí)，實(shí)驗(yàn)固定旋轉(zhuǎn)角速度為400 r/min，改變載荷分別為30、40、50 N。當(dāng)考慮轉(zhuǎn)速對材料摩擦磨損性能影響時(shí)，實(shí)驗(yàn)固定載荷為30 N，改變轉(zhuǎn)速分別為200、300、400 r/min，即線速度分別為0.29、0.44、0.59 m/s。每種樣品分別進(jìn)行3次平行實(shí)驗(yàn)，取平均值進(jìn)行分析。最后材料的磨損率借助如下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中:ω為磨損率，mg/m；Δm為磨損前后的質(zhì)量損失，mg；R為銷盤接觸區(qū)旋轉(zhuǎn)半徑，m；n為旋轉(zhuǎn)角速度，r/min；t為摩擦?xí)r間，min。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 微觀組織及硬度分析

圖1所示為GCr15高碳軸承鋼和G20CrNi2Mo滲碳軸承鋼的微觀組織及XRD分析結(jié)果。由圖1(a)可知，GCr15高碳軸承鋼的微觀組織主要為馬氏體基體、碳化物和少量殘余奧氏體組成，其中碳化物大小相近且均勻分布于基體中。由圖1(b)可知，G20CrNi2Mo滲碳軸承鋼的微觀組織主要由隱晶馬氏體、碳化物和少量殘余奧氏體組成，且GCr15高碳軸承鋼中碳化物的含量和尺寸均高于G20CrNi2Mo滲碳軸承鋼。

對GCr15高碳軸承鋼和G20CrNi2Mo滲碳軸承鋼的表層硬度進(jìn)行測試，GCr15高碳軸承鋼的表層硬度約為60.6 HRC；G20CrNi2Mo滲碳軸承鋼的表層硬度約為61.8 HRC。可見,高碳軸承鋼的表面硬度略低于滲碳軸承鋼的表層硬度。分析認(rèn)為，這是由于G20CrNi2Mo滲碳軸承鋼經(jīng)過滲碳處理后，其表層組織結(jié)構(gòu)中并未觀察到大量的碳化物析出產(chǎn)生，C原子大多固溶于基體中，經(jīng)過淬火后形成了過飽和高碳針狀馬氏體，使其表層具有較高的硬度[14]。

2.2 不同摩擦速度下摩擦磨損性能分析

圖2所示為GCr15高碳軸承鋼和G20CrNi2Mo滲碳軸承鋼在固定載荷為30 N及不同摩擦速度下的磨損率實(shí)驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明，高溫潤滑條件下，GCr15高碳軸承鋼和G20CrNi2Mo滲碳軸承鋼的磨損率隨著摩擦速度的增加而增大，且GCr15高碳軸承鋼的磨損率普遍高于G20CrNi2Mo滲碳軸承鋼的磨損率。這是由于G20CrNi2Mo滲碳鋼表面有較高的硬度，提高了其表面耐磨性，同時(shí)滲碳軸承鋼的表面滲層中固溶碳含量較多，其表面Mo元素與C元素在表面形成球狀碳化物，使其在高溫條件下的基體強(qiáng)度較為穩(wěn)定，耐磨性較好[15]。

圖3(a)和圖3(b)所示分別為GCr15高碳軸承鋼和G20CrNi2Mo滲碳軸承鋼在不同摩擦速度下的摩擦因數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，表1給出了2種軸承鋼在不同摩擦速度下的平均摩擦因數(shù)。由圖3(a)可以看出，GCr15高碳軸承鋼的摩擦因數(shù)波動(dòng)相對較大，其平均摩擦因數(shù)隨著摩擦速度的增加而有所降低。這是由于摩擦速度的增加，摩擦副接觸頻率上升，形成的磨屑數(shù)量多，從而使材料表面的磨損由兩體摩擦變?yōu)槿w摩擦，摩擦因數(shù)有一定的降低。同時(shí)，隨著摩擦速度的增大，摩擦副表面易形成氧化膜層，使得摩擦因數(shù)有所下降。由圖3(b)可以看出，G20CrNi2Mo滲碳軸承鋼不同摩擦速度下的摩擦因數(shù)都經(jīng)歷了先降低后增大，最后趨于平穩(wěn)的階段，其摩擦曲線波動(dòng)較小且隨摩擦速度的增加變化不大。

表1 軸承鋼在不同摩擦速度下的平均摩擦因數(shù)(F=30 N)

圖4所示為當(dāng)載荷固定為30 N時(shí)GCr15高碳軸承鋼和G20CrNi2Mo滲碳軸承鋼在不同摩擦速度下的磨損形貌和能譜結(jié)果。由圖4(a)可以看出，摩擦速度為0.29 m/s時(shí)，GCr15軸承鋼表面犁溝痕跡明顯，磨粒磨損痕跡明顯；如圖4(b)、(c)所示，當(dāng)摩擦速度增大到0.44和0.59 m/s時(shí)，試樣表面除了存在磨粒磨損外，其磨損表面出現(xiàn)了許多麻點(diǎn)和顯微凹坑。GCr15軸承鋼磨損表面能譜分析結(jié)果如圖4(g)所示，表明GCr15鋼在高溫下都存在明顯的氧化磨損。分析認(rèn)為，當(dāng)摩擦速度較低時(shí)，試樣表面經(jīng)過顯微切削作用形成犁溝；當(dāng)摩擦速度增大時(shí)，材料摩擦表面溫度升高，材料力學(xué)性能弱化，材料表面氧化磨損加劇，共同導(dǎo)致材料表面易產(chǎn)生麻點(diǎn)和顯微凹坑[16]。由圖4(d)可以看出，當(dāng)摩擦速度為0.29 m/s時(shí)，G20CrNi2Mo滲碳軸承鋼的表面磨損較輕微，可以看到輕微的犁溝痕跡；如圖4(e)所示，當(dāng)摩擦速度增加到0.44 m/s時(shí)，表面有較深的犁溝形成且數(shù)量增加；如圖4(f)所示，當(dāng)摩擦速度為0.59 m/s時(shí)，犁溝痕跡最為嚴(yán)重。同樣，對G20CrNi2Mo軸承鋼磨損表面進(jìn)行能譜分析，發(fā)現(xiàn)磨損過程中伴隨著氧化磨損,如圖4(h)所示。分析認(rèn)為在高溫條件下，滲碳軸承鋼基體強(qiáng)度下降，硬質(zhì)顆粒易在基體表面產(chǎn)生磨粒磨損;隨著摩擦速度的增大，摩擦面之間的微凸峰沖擊加劇，磨損嚴(yán)重。對比GCr15高碳鋼和G20CrNi2Mo滲碳鋼不同摩擦速度下的磨損形貌，發(fā)現(xiàn)GCr15高碳鋼表面磨損比G20CrNi2Mo滲碳軸承鋼嚴(yán)重很多，這一結(jié)果與圖2中2種軸承鋼的磨損率結(jié)果相對應(yīng)。

2.3 不同載荷下摩擦磨損性能分析

圖5所示為GCr15高碳軸承鋼和G20CrNi2Mo滲碳軸承鋼在摩擦速度為0.59 m/s及不同載荷下的磨損率。可以看出，GCr15高碳軸承鋼和G20CrNi2Mo滲碳軸承鋼的磨損率都隨著載荷的增加而增加，且在不同載荷下GCr15軸承鋼的磨損率均高于G20CrNi2Mo滲碳軸承鋼。這是因?yàn)殡S著載荷的增大，材料單位面積受到的壓力增大，材料的磨損失效程度增大。同時(shí)，由于G20CrNi2Mo滲碳軸承鋼的硬度高于GCr15軸承鋼的硬度，導(dǎo)致G20CrNi2Mo滲碳軸承鋼的耐磨性整體上略高于GCr15軸承鋼。這是因?yàn)殡S著載荷的增大，材料單位面積受到的壓力增大，材料的磨損失效程度增大。同時(shí)，由于G20CrNi2Mo滲碳軸承鋼的硬度高于GCr15軸承鋼的硬度，導(dǎo)致G20CrNi2Mo滲碳軸承鋼的耐磨性整體上性略高于GCr15軸承鋼。

圖6(a)和圖6(b)分別給出了GCr15高碳軸承鋼和G20CrNi2Mo滲碳軸承鋼在摩擦速度為0.59 m/s及不同載荷下的摩擦因數(shù)，表2給出了軸承鋼在不同載荷下的平均摩擦因數(shù)。從圖6中可以看出，2種軸承鋼的摩擦因數(shù)都隨著載荷的增加而降低。這是由于載荷較低時(shí)，摩擦副之間沒有充分壓實(shí)，潤滑脂儲存于微凸峰之間，在摩擦過程中形成的潤滑膜破裂之后不容易恢復(fù)，試樣在摩擦過程中潤滑脂得不到補(bǔ)充，導(dǎo)致摩擦因數(shù)較高；隨著載荷的增加，摩擦副表面的凸峰被磨平壓實(shí)，存儲于其中的潤滑脂易被釋放出來，補(bǔ)充到破碎的油膜之中，使得摩擦過程中油膜的破壞和形成達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)的平衡，表現(xiàn)為摩擦因數(shù)降低。

表2 軸承鋼在不同載荷下的平均摩擦因數(shù)(v=0.59 m/s)

圖7所示為GCr15高碳軸承鋼和G20CrNi2Mo滲碳軸承鋼在摩擦速度為0.59 m/s及不同載荷下的磨損形貌。由圖7(a)—(c)可以看出，當(dāng)摩擦速度一定時(shí)，隨著載荷的增加，試樣表面的磨粒磨損加劇，當(dāng)載荷為50 N時(shí)試樣表面的犁溝較深較多，磨損最為嚴(yán)重。這是由于當(dāng)摩擦速度一定，載荷較小時(shí)，摩擦表面接觸的微凸峰數(shù)目多，單個(gè)凸峰受力小，對油膜的破壞作用小，利于油膜形成和保持，且由于油膜的存在，微凸體分子之間的作用力也較弱。當(dāng)載荷變大時(shí)，接觸的微凸峰數(shù)目增多會使相互咬合的概率增加，金屬表面發(fā)生相互運(yùn)動(dòng)的阻力加大，犁溝效應(yīng)增強(qiáng)，摩擦表面磨損更嚴(yán)重。由圖7(d)—(f)可看出，當(dāng)載荷為30 N時(shí)，G20CrNi2Mo滲碳軸承鋼存在明顯的切削犁溝和擠壓犁溝；當(dāng)載荷為40 N時(shí)，摩擦表面的犁溝痕跡增多；當(dāng)載荷為50 N時(shí)，摩擦表面的犁溝更多且更密集。對比GCr15高碳鋼和G20CrNi2Mo滲碳鋼不同載荷下的磨損形貌，發(fā)現(xiàn)G20CrNi2Mo滲碳軸承鋼表面磨損比GCr15高碳鋼輕微，這一結(jié)果與圖5中2種軸承鋼的磨損率結(jié)果相對應(yīng)。

3 結(jié)論

(1)GCr15高碳鋼軸承鋼和G20CrNi2Mo滲碳軸承鋼的組織主要為馬氏體、碳化物和殘余奧氏體。GCr15高碳鋼軸承鋼的表層硬度約為60.6HRC，G20CrNi2Mo滲碳軸承鋼表層硬度為61.8HRC。

(2)在文中實(shí)驗(yàn)條件下，2種軸承鋼的磨損率都隨著載荷和摩擦速度的增加而增加；GCr15軸承鋼的平均摩擦因數(shù)隨著載荷和摩擦速度的增加逐漸降低，G20CrNi2Mo軸承鋼的平均摩擦因數(shù)隨載荷的增加而降低，隨摩擦速度的增加變化不大。

(3)在文中實(shí)驗(yàn)條件下，G20CrNi2Mo滲碳軸承鋼的耐磨性總體優(yōu)于GCr15高碳軸承鋼，這與滲碳軸承鋼的高硬度和具有回火穩(wěn)定性的滲層有關(guān)。

(4)在高溫潤滑條件下，隨著摩擦速度和載荷的增加，2種軸承鋼的摩擦表面犁溝痕跡都加深，磨損更嚴(yán)重，在一定載荷和摩擦速度下的磨損機(jī)制是磨粒磨損和氧化磨損。