軸承是現(xiàn)代工業(yè)中重要的基礎部件，得到了廣泛的應用[1~3] 滾動軸承由內圈、外圈、滾動體、保持架和潤滑劑等五部分組成，保持架與滾動體之間的摩擦是滑動摩擦[4,5] 各運動接觸部件間的摩擦學行為，是決定軸承整體性能和壽命的關鍵因素 以往針對軸承材料滑動摩擦的研究，大多關注滾動體與套圈之間滑差引起的問題 賀甜甜等[6]研究了不同載荷下GCr15軸承鋼的滑動摩擦磨損性能，發(fā)現(xiàn)摩擦系數(shù)隨著載荷的增大而減小，磨痕寬度和磨損率隨著載荷的增大而增大 Su等[7]采用球/盤往復形式研究了干摩擦和脂潤滑條件下GCr15軸承鋼的滑動摩擦磨損行為，發(fā)現(xiàn)干摩擦的磨損量較大，而脂潤滑的磨損量較小 王澤寧等[8]采用氮化硅陶瓷球為對摩副研究了表面感應淬火GCr15軸承鋼的滑動摩擦磨損行為，發(fā)現(xiàn)不同載荷的磨損機制不同，且隨著載荷的增大摩擦系數(shù)降低

針對軸承滾動體與保持架之間的滑動摩擦研究，大多關注保持架材料的磨損 Zhang[9]研究了聚酰亞胺保持架與金剛石劃頭在點接觸條件下的摩擦行為 結果表明，滑動速度越大其摩擦系數(shù)越??；法向載荷越大則摩擦系數(shù)的增大較為緩慢 徐揚等[10]研究了PTFE基復合材料保持架與軸承鋼內圈之間的滑動摩擦磨損性能，結果表明：潤滑狀態(tài)的改變顯著影響材料的磨損量，在油/脂潤滑條件下PTFE基復合材料的磨損明顯減輕 在這些工作中，不僅接觸形式和對摩副選擇都與實際工況相去甚遠，而在實際服役中滾動體經常被保持架損傷

多年來，鋼的稀土改性一直是軸承鋼研究的熱門課題[11] 對稀土軸承鋼各項性能的結果表明，稀土的加入可凈化鋼液、變質夾雜物和微合金化，顯著提高鋼的潔凈度和均質化[12~14] 許傳才等[15]研究了稀土對軸承鋼組織和性能的影響，發(fā)現(xiàn)用稀土脫氧在鋼中生成的稀土夾雜物均勻地分布在鋼中，從而提高了軸承鋼的抗接觸疲勞性能 但是，稀土改性軸承鋼的硬度有所降低，其與保持架材料之間的滑動摩擦產生的磨損值得關注 本文在不同轉速脂潤滑條件下進行滑動摩擦磨損實驗，分析摩擦系數(shù)、磨損體積、磨痕形貌、磨損機制及其與稀土改性的關系，研究稀土改性對GCr15鋼與膠木保持架之間滑動摩擦磨損行為的影響

1 實驗方法

采用環(huán)/塊模式在Rtec多功能摩擦磨損試驗機上模擬滾動軸承服役時滾動體與保持架之間的滑動摩擦，圖1給出了實驗的原理示意圖

圖1



圖1試驗原理示意圖

Fig.1Schematic diagram of test principle

用滾動體材料做塊試樣，用保持架材料做環(huán)試樣 實驗時塊試樣與環(huán)試樣圓周接觸，在塊試樣上加載，環(huán)試樣做旋轉運動，兩者間產生滑動摩擦 加載桿上的二維測力傳感器測出獲取法向力(載荷)和切向力(摩擦力)，實驗機實時給出摩擦系數(shù) 在實驗前和運行中，要確保潤滑脂不斷涂抹到塊與環(huán)的接觸區(qū)域

實驗的設計，針對型號為7008C的軸承 根據(jù)該軸承參數(shù)和實際工況，選擇固定試驗載荷為30 N 實際中軸承的轉速為2000 r/min時，計算出滾動體與保持架之間的相對滑動速度為1000 r/min 完了考察滑動速度的影響，采用500 r/min(低速)、1000 r/min、1500 r/min(高速)三個轉速以比較 為了保持磨程一致，相應的實驗時間分別為80 min、40 min、26 min 各摩擦配副進行三次平行試驗

試驗前后用酒精超聲清洗試樣10 min并烘干 用宏觀洛氏及維氏微硬度計測量試樣的硬度，用2206B型輪廓儀測量試樣的表面粗糙度和磨痕輪廓，用VHX-6000超景深三維顯微鏡、INSPECTF50場發(fā)射掃描電鏡和X射線衍射儀等設備分析試樣的磨痕表面、截面和測試能譜

實驗用塊試樣材料為稀土改性GCr15軸承鋼和對比材料普通GCr15軸承鋼，化學成分列于表1 環(huán)試樣材料為實際軸承常用的保持架膠木(夾布酚醛樹脂)，具有較高的強度、適合的硬度及良好的加工性能[15] 塊試樣和環(huán)試樣的形狀和尺寸在圖2中給出

Table1

表1

表1稀土/普通GCr15鋼的化學成分

Table1Rare earth/ordinary GCr15 steel chemical composition (%, mass fraction)

	C	Si	Mn	Cr	S	Al	P	Ti	T[O]	RE
Rare earth GCr15	0.97	0.25	0.36	1.51	0.003	0.019	0.012	0.0012	4.7×10-6	0.0065
Ordinary GCr15	0.97	0.24	0.37	1.50	0.003	0.018	0.012	0.0012	5.5×10-6	-

圖2



圖2摩擦磨損實驗用樣品的形狀和尺寸

Fig.2Shape and size of sample for friction and wear test (a) block specimen, (b) ring specimen

實驗中使用機床主軸承用潤滑脂(雪弗特，NBU15Ⅱ) 用洛氏硬度計測量塊試樣的硬度(采用金剛石圓錐體壓頭)，普通軸承鋼的硬度高于稀土軸承鋼，結果列于表2 用接觸式輪廓儀測得稀土/普通GCr15樣品的粗糙度Ra值為0.01 μm，膠木樣品的粗糙度Ra值為1 μm 對稀土GCr15軸承鋼熱處理的制度為：2 h→840℃×0.5 h→80℃油淬，清洗→1 h→-80℃深冷×2 h→1h回到室溫+210℃×3 h 深冷處理是為了將殘余奧氏體的含量，降低到1%~3% 對普通GCr15軸承鋼的熱處理制度為：2 h→840℃×0.5 h→60℃油→170℃×3 h，測得奧氏體含量為8%~10%

Table 2

表2

表2稀土/普通GCr15鋼的宏觀洛氏硬度

Table 2HRC hardness of rare earth/ordinary GCr15 steel

	1	2	3	4	Average
Rare earth GCr15	60.6	60.6	60.9	60.3	60.6
Ordinary GCr15	63.1	63.8	63.0	63.8	63.4

將熱處理后的塊試樣拋光，然后用4%的硝酸酒精溶液腐蝕，用場發(fā)射掃描電鏡觀察其組織 稀土/普通GCr15軸承鋼的顯微組織均由回火馬氏體、殘余奧氏體以及碳化物等組成(圖3) 可以看出，稀土改性GCr15軸承鋼中的組織均勻和細化明顯，尤其碳化物及其他非金屬夾雜物尺寸普遍小于普通GCr15軸承鋼

圖3



圖3塊狀試樣的掃描電鏡照片

Fig.3SEM images of block samples (a) rare earth GCr15 (b) ordinary GCr15

2 實驗結果2.1 摩擦系數(shù)

圖4給出了不同轉速下測得的稀土改性GCr15軸承鋼或普通GCr15軸承鋼與膠木材料之間的摩擦系數(shù)(Coefficient of friction)隨實驗時間(磨程)的變化

圖4



圖4在不同轉速下不同材料配副的摩擦系數(shù)曲線

Fig.4Friction coefficient curves of different material mates at different speeds

在實驗范圍內測得的摩擦系數(shù)隨磨程的增加呈下降趨勢；普通軸承鋼的摩擦行為隨轉速的變化呈不穩(wěn)定狀態(tài)，而稀土改性GCr15軸承鋼的摩擦狀態(tài)隨轉速的提高變化不大 普通軸承鋼的平均摩擦系數(shù)從0.081變到0.109，而稀土軸承鋼的平均摩擦系數(shù)始終為0.1；在三種轉速下，稀土GCr15軸承鋼的摩擦系數(shù)均高于普通GCr15軸承鋼 摩擦系數(shù)的上述特點，在一定程度上反映了兩種鋼不同磨損狀態(tài)的影響

2.2 磨損體積

用2206B型表面輪廓儀測量磨損試驗后塊試樣的磨痕截面并計算磨損體積，結果在圖5中給出 可以看出，兩種鋼的磨損體積均隨轉速的提高而減小(應該與膠木材料在高速摩擦下的軟化有關)；在相同轉速下，稀土GCr15鋼的磨損體積小于普通GCr15鋼(表明在同種工況的滑動摩擦下稀土鋼的耐磨損性能更優(yōu))；兩種鋼磨損體積的差值與轉速相關，1000 r/min時差異最大，1500 r/min時差異最小(與對摩材料的硬度下降相關)；普通GCr15鋼磨損體積的實驗偏差均大于稀土軸承鋼(反應稀土鋼的磨損狀態(tài)穩(wěn)定性優(yōu)于普通鋼)

圖5



圖5稀土/普通GCr15鋼塊試樣的磨損體積

Fig.5Wear volume of rare earth/ordinary GCr15 steel block samples

2.3 磨痕的形貌

稀土/普通GCr15軸承鋼經不同轉速磨損試驗后，其磨痕顯微形貌在圖6中給出 可以看出，所有磨痕表面均可清晰地觀察到與滑動方向平行的犁溝，且隨著轉速的提高磨痕中犁溝的深度減小，與圖5給出的結果一致 其原因是，在本文的實驗條件下塊試樣的磨損機制主要為犁削、微切削等塑性去除控制的磨粒磨損 值得注意的是，普通GCr15軸承鋼磨痕中出現(xiàn)明顯的剝落坑，尤以1000 r/min時最為嚴重，表明還存在著磨粒磨損中由脆性去除機制引起的剝落，使磨損程度加重

圖6



圖6不同轉速實驗后不同塊狀試樣的磨痕形貌

Fig.6Morphologies of wear marks of different materials at different rotational speeds

3 討論

硬度較高的材料，抵抗磨粒磨損的能力較強 從圖4可以看出，摩擦系數(shù)隨時間的變化呈下降趨勢，與潤滑狀態(tài)的演變有關 計算結果表明，在不同轉速下都是邊界潤滑 在實驗剛開始時潤滑不充分，接觸面之間未形成完整的潤滑膜 隨著時間的延長實驗過程中潤滑脂進入摩擦產生的犁溝中，充分的潤滑使摩擦系數(shù)曲線呈下降趨勢 同時，進行滑動磨損試驗時易發(fā)生脆性去除，此時犁耕作用增加，黏附作用減弱 稀土GCr15軸承鋼的黏附作用更強，普通GCr15軸承鋼的摩擦系數(shù)更低

在本文的研究中，盡管稀土軸承鋼的硬度低于普通軸承鋼(表2)，但其磨損體積卻小于普通軸承鋼(圖5) 其原因是，一方面對摩的環(huán)試樣硬度遠低于塊試樣，兩種軸承鋼的硬度差對于抵抗塑性去除機制控制的磨粒磨損的貢獻份額下降，另一方面得益于稀土改性對軸承鋼各機制性能匹配優(yōu)化的重要作用 圖6給出了兩種鋼的磨痕形貌，可見普通軸承鋼的磨痕中出現(xiàn)很多剝落現(xiàn)象，而稀土軸承鋼的磨痕則均為干凈的犁溝 這種磨痕形貌上的明顯差異，反映了稀土改性使GCr15軸承鋼的組織結構改善

圖7給出了普通GCr15軸承鋼磨痕中剝落部位表面的電鏡放大照片和另一處面積較大的剝落部位的截面放大形貌 表3列出了磨痕剝落部位的表面及截面的能譜分析 可以看出，剝落部位附近有大量碳元素 這種現(xiàn)象，屬于碳化物在組織中分布不均引起的碳化物聚集產生的成片剝落

圖7



圖7普通GCr15鋼磨痕剝落部位的表面和截面的照片

Fig.7Morphology of exfoliation in ordinary GCr15 steel (a) surface, (b) section

Table 3

表3

表3剝落坑處的能譜分析

Table 3Energy spectrum analysis of spalling pits (%, mass fraction)

Element	Surface	Section
C	47.92	46.51
O	7.53	16.94
Si	-	0.27
Cr	2.16	1.41
Fe	42.39	34.87

碳化物是GCr15軸承鋼中的主要強化相，稀土改性不僅能彌散鋼組織結構中的碳化物，還能細化其尺寸 用Nano Measurer統(tǒng)計了兩種鋼中碳化物的尺寸分布，結果在圖8中給出

圖8



圖8塊狀試樣中碳化物尺寸的分布

Fig.8Size distribution of carbide in block sample

普通GCr15軸承鋼中碳化物尺寸集中在0.5~1.5 μm，稀土GCr15軸承鋼中尺寸集中在0.4 μm~1.0 μm；普通鋼中碳化物的最大尺寸可達2.5 μm，而稀土鋼中尺寸達到1.5 μm的碳化物的很少 這表明，稀土改性使GCr15軸承鋼中的碳化物尺寸更小且分布更均勻 由于普通GCr15軸承鋼中碳化物尺寸較大且分布不均勻，在摩擦磨損過程中因應力集中而萌生裂紋和擴展，在碳化物聚集區(qū)域更易發(fā)生剝落 剝落后的碳化物不僅失去了強化相的承載能力，還能成為參與三體磨粒磨損的硬質點 這些因素共同作用，使材料的流失加重

另一類對軸承鋼使役性能有重要影響的，是非金屬夾雜物 圖9給出了普通GCr15軸承鋼磨痕中剝落坑的照片 用Aspex技術分析了稀土/普通GCr15軸承鋼試樣的非金屬夾雜物的成分和含量，結果列于表4，部分夾雜物的形狀和尺寸分布，在圖10和圖11中給出 根據(jù)測得的普通GCr15鋼中非金屬夾雜物的類型、形狀和尺寸，可判斷其磨痕中的剝落坑多為非金屬夾雜物的脫落

圖9



圖9普通GCr15軸承鋼剝落坑的照片

Fig.9Spalling photos of ordinary GCr15 bearing steel

Table 4

表4

表4稀土/普通GCr15軸承鋼夾雜物的含量

Table 4Inclusion content statistics table of rare earth/ordinary GCr15 bearing steel (%, mass fraction)

Composition	MgO	Al2O3	SiO2	CaO	MnO	CaS	MnS	TiN	RES	REO
Rare earth GCr15	0.65	6.98	0.00	0.00	0.20	0.06	0.98	-	87.63	3.50
Ordinary GCr15	6.11	28.83	0.04	0.03	4.41	0.99	51.73	7.86	-	-

圖10



圖10稀土/普通GCr15軸承鋼中夾雜物的形貌

Fig.10Inclusions in rare earth/ordinary GCr15 bearing steel

圖11



圖11稀土/普通GCr15軸承鋼中非金屬夾雜物尺寸的分布

Fig.11Dimension distribution of non-metallic inclusions in rare earth/ordinary GCr15 bearing steel

在普通GCr15軸承鋼中加入稀土，可提高軸承鋼的強度、韌性和接觸疲勞性能[16,17]，包括非金屬夾雜物改性、改形和細化的貢獻 普通GCr15軸承鋼中的非金屬夾雜物，主要有MnS、Al2O3、TiN、MgO等；不同類型夾雜物的形狀不同，但是大多為尖角形 用稀土改性，化學性質比較活潑的稀土與鋼中的主要雜質元素S、O化合，生成稀土硫化物、稀土氧化物存在于鋼中 同時，一部分Al、Mg元素以稀土復合夾雜物的形式存在，而另一部分則會固溶在鋼中 絕大部分Mn元素在煉鋼時溶在鋼中 加入稀土是為了使鋼更純凈，而Ti元素作為一種雜質元素絕大部分被去除 因此，稀土GCr15軸承鋼中的非金屬夾雜物主要為稀土硫化物RES，且多為球形

在軸承鋼使役過程中，非金屬夾雜物在材料內部所承受的應力與夾雜物的形狀有關 尖角形夾雜物周圍的應力要比球形夾雜物的應力大得多，在交變應力作用下利于裂紋的萌生和擴展，從而更容易產生剝落 GCr15軸承鋼用稀土改性后，鋼中主要的非金屬夾雜物RES呈球形，而其它非金屬夾雜物大幅減少，本文實驗中稀土GCr15軸承鋼磨痕中未見有剝落坑

從圖11給出的兩種鋼中夾雜物尺寸分布可見，在普通GCr15軸承鋼中甚至有尺寸大于10 μm的夾雜物，而稀土GCr15軸承鋼中的夾雜物尺寸超過5 μm的已極少 與前文對碳化物尺寸的討論類似，夾雜物的大小影響裂紋的萌生和擴展，從而影響剝落

由此可見，在鋼中加入稀土不僅使夾雜物變質，還能使夾雜物的形狀球化、尺寸細化，能抑制脆性剝落，使軸承鋼的耐滑動磨損性能提高 同時，與前文對剝落碳化物的討論類似，脫落的非金屬夾雜物也參與三體磨粒磨損，加重普通軸承鋼的材料流失

加入稀土和熱處理調控，對于優(yōu)化GCr15軸承鋼的性能是相輔相成，殘奧是影響摩擦磨損的因素之一 普通軸承鋼磨痕中較多的剝落，還與其殘余奧氏體較多有關 熱處理后鋼的不同組織，對其摩擦磨損性能有重要的影響 對淬火GCr15軸承鋼進行的摩擦磨損實驗表明[18~20]，淬火層由馬氏體和殘余奧氏體組成，其主要磨損機制是磨粒磨損，與本文前面的討論可互相印證 研發(fā)的稀土GCr15軸承鋼的-80℃深冷工藝，是為了降低殘余奧氏體量 根據(jù)本文的XRD譜(圖12)分析，在普通GCr15軸承鋼的譜中出現(xiàn)多個奧氏體峰，而稀土GCr15軸承鋼則沒有出現(xiàn)奧氏體峰 在基體上和磨痕表面進行顯微硬度測試(載荷為50 g，5個點取平均值)，稀土GCr15軸承鋼的基體和磨痕的顯微硬度分別為575.5 HV和628.9 HV；普通GCr15鋼的基體和磨痕顯微硬度分別為593.2 HV和689.2 HV 顯然，普通GCr15軸承鋼的磨痕對基體的硬化比率遠高于稀土GCr15鋼(9%對16%)，表明普通GCr15鋼中較多的殘余奧氏體 在摩擦磨損過程中發(fā)生的馬氏體相變，也對硬化有貢獻 馬氏體雖然硬度較高，但易于引發(fā)裂紋的萌生和擴展，也是普通GCr15鋼出現(xiàn)脆性剝落的原因之一

圖12



圖12稀土/普通GCr15軸承鋼基體和磨痕的XRD譜

Fig.12XRD spectrum of wear marks of rare earth/ordinary GCr15 bearing steel

4 結論

(1) 在稀土改性GCr15軸承鋼與膠木保持架間的滑動摩擦磨損，在轉速相同的條件下稀土GCr15軸承鋼與膠木材料間摩擦系數(shù)比較穩(wěn)定，而普通GCr15軸承鋼摩擦系數(shù)的變化較大 雖然軸承鋼的硬度遠大于膠木材料，但是在滑動摩擦中仍發(fā)生軸承鋼材料的磨損；隨著轉速的提高，軸承鋼的磨損體積減??；在轉速相同的條件下，稀土GCr15軸承鋼的磨損體積比普通GCr15軸承鋼的小

(2) 兩種軸承鋼都發(fā)生磨粒磨損，組織結構的差異使其磨損行為不同 與稀土軸承鋼相比，普通軸承鋼中的碳化物不均勻聚集且尺寸較大，有較多大尺寸棱角形的非金屬夾雜和含量較高的殘余奧氏體，在磨痕表面可見較多的剝落 稀土改性對GCr15軸承鋼組織結構的改善有效地抑制了在摩擦磨損中的脆性去除機制產生的剝落，稀土軸承鋼磨痕表面只出現(xiàn)犁溝，從而提高了滑動摩擦條件下滾動體材料與保持架材料間的耐磨損性能

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