40Cr钢的冲击磨损性能研究

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Study on Impact W ear Behaviors of 40 Cr SteelW ang Jing Lu Leilei Ji Zhikuan(School of Mechanical Engineering，Qingdso Technological University，Qingdao Shandong 266033，China)Abstract：The impact tests of a steel bearing ball on 40 Cr testing samples were carried out on a self-made impact testrig under a dry contact and the contacts of two lubricants，respectively.The impact dent was measured by a surface profilerand a SEM.The results show that using high viscosity oil，the dent can be effectively protected from plastic deformation andimpact weal"if the lubricant is supplied fully.However，if the lubricant is not supplied fully，a long and sharp local dent isproduced in the impact dent，resulting in further damage to the meta1.Under the dry contact condition，only fewer smallspherical particles can be f0und in the dent while with oil lubrication，especially with highly viscous starved oil lubrication，clusters of the spherical particles of uneven size appear。

Keywords：impact wear；plastic deformation；40Cr steel；oil starvation在磨损失效中，冲击磨损在工程中是比较普遍的- 种，也是被了解最少的-类磨损 。冲击磨损行为广泛存在于矿山、能源、冶金及电力等行业的机械设备中，由此引起的磨损失效给社会造成巨大的经济损失。对金属材料进行冲击磨损的研究，可以为机械零件抗冲击磨损的设计提供-些科学依据。因此，有关冲击载荷作用下金属材料的塑性变形的研究具有现实意义。

国外学者对冲击磨损的研究往往是在干接触条件下，通过对冲击件采取-些特殊的物理和化学的处理方法，试图寻找-些耐磨损材料或组织结构。Slater等 研究了低温处理对2种常见机械金属的耐磨性的影响，发现经过低温处理铁碳合金的耐磨性可以得到增强。Sundstrom等 发现微观结构和碳含量与合金基金项目：国家自然科学基金项目 (50705045)；国家重点基础研究发展规划项目 (973)(2011CB706602)。

收稿日期：2012-12-O7作者简介：王静 (1975-)，女，博士后，副教授，主要从事薄膜润滑与冲击磨损的研究工作.E-mail：wj20011226###163.corn。

钢金属的耐磨性有关。Zhang等 发现含有碳钨合金颗粒的混合物与单纯的高锰钢相比，具有较好的耐磨性。目前内外对油润滑条件下的冲击磨损行为的研究报道并不多见。长泽贵志等 使用轻载实验台研究了润滑油黏度对冲击凹坑深度的影响，发现润滑油会加重冲击凹坑的深度，并且随着润滑油黏度的增加，冲击凹坑的深度也增加。贺治成 研究了自由落体高度对表面铺有-层润滑油的硬铝合金的冲击凹坑深度的影响，得出的结论与长泽贵志等 -致。但在重载情况下，石成霞等 和卢磊磊等 的实验结果则揭示出了不同的现象，即润滑油可以抑制塑性变形的发生，并且随着润滑油黏度的增加，在相同冲击次数条件下，冲击凹坑的深度明显地得到抑制。卢磊磊等 研究了表面具有不锈钢焊层的45 钢在相同实验条件下的冲击凹坑的变化，发现不锈钢焊层可以非常有效地抑制塑性变形和冲击磨损的发生，保护金属表面。

40Cr钢是工程中应用比较广泛的-种金属材料，是轴类零件的常用材料。本文作者在自制重载冲击载荷试验机上，研究了重载高冲击次数条件下，40Cr18 润滑与密封 第 38卷钢受冲击后凹坑的形貌及高黏度润滑油在冲击过程中形成乏油现象对冲击凹坑的影响。

1 实验部分实验所用冲击磨损试验机如图1所示。该试验机为在前述工作所用实验台 基础上进行改造而成的。为了降低噪声，该试验机在原实验台外装了-个隔音罩；为改善电磁铁散热性能，为电磁铁配备了风扇和冷水循环系统；为观测冲击过程中冲击力和加速度的变化，安装了力和加速度传感器。通过 LAB-VIEw编程，该试验机可以实时获得冲击过程中的力和加速度变化情况。

图1 自制冲击磨损试验机Fig 1 Self-made impact testing rig实验中使用的40Cr钢未经过热处理，热处理对40Cr钢抗冲击能力的影响将作为下-步的研究内容。

实验中润滑油选择-种低黏度油 PB450和-种高黏度油PB1300。2种油的参数如表1所示。

表 1 所用润滑油特性Table l The properties of the lubricants used选用欣灵 HHS4R电子式时间继电器分别设定冲击次数为l0 ，103，10 ，10 次，冲击频率约为220./min。选用日本株式会社电磁铁 (3和5 kg)控制- 个杠杆带动-个轴承钢球往复冲击40Cr钢试样。实验过程中用拉力计测得使用3 kg电磁铁时的最大冲击力为80.9 N，5 kg电磁铁时最大冲击力为130.2 N。

实验结束后使用日立 $3500N扫描电镜观察冲击表面；使用 Taylor Hobson粗糙度轮廓分析仪测量冲击表面形貌。实验前，测得的40Cr钢试件表面粗糙度平均值约为RaO.301 m。实验前将试件进行严格清洗：先用石油醚浸泡2次，然后用乙醇溶液清洗，最后用氮气吹干。烊验后重复这-清洗过程。

2 实验结果分析2.1 干接 触图2是使用3 kg电磁铁及干接触条件下承受不同冲击次数所产生凹坑的中截面轮廓线的对比图。因粗糙度轮廓测量分析仪每次测量的起始点不相同，所以各中截面曲线的中心不在同-位置上，以下亦同。

随冲击次数的增加，冲击凹坑形状逐渐由不规则的圆趋于光滑的圆；凹坑的体积、表面面积及深度等参数也逐渐增大，磨损量逐渐加剧。低次冲击，即l0 次与10 次冲击所形成的凹坑深度相近，此后则逐渐增加。10 次冲击使凹坑底部出现粗糙化现象，冲击次数在 10 ～1O 之间时粗糙化程度最为严重，凹坑底部可观测到明显的颗粒碎化现象。因冲击过程中会不断产生热量，造成凹坑肩部出现明显凸起。

图2 使用3 kg电磁铁及干接触条件下凹坑中截面轮廓线Fig 2 The middle-section profiles of the dentsusing 3 kg electromagnet and dry contact图3-6分别示出了使用3 kg电磁铁及干接触条件下冲击不同次数时的凹坑的扫描电镜照片。在冲击早期，钢球在材料表面造成硬化层。从图3可见，冲击 10 次后，磨损状况以表面硬化层的大片剥离为主，可观察到表面硬化层剥离后 出现的新鲜表面组织，剥离后的表面边缘清晰且规则。从图4(a)可见，冲击 10 次后，凹坑内部粗糙化严重，边界与原来的基体表面形弥界明显；从图4(b)可见，表面硬化层仍然部分存在，已剥离的部分表面与原来的硬化层部分的交界亦受到损伤，并显示出内部磨损已变为黏着为主，从图5可见，凹坑边缘已明显凸起，内部发生了更严重的黏着磨损和颗粒碎化及深长的裂纹。图6显示冲击 10万次后，凹坑的边缘更加凸起，内部的表面硬化层几乎消失；黏着磨损变得细微和均匀化 ，裂纹也扩展为微裂纹。

润滑与密封 第 38卷(a)50(b)500×图11 使用3 kg电磁铁及PB1300油接触，充分供油条件下冲击1O 次的凹坑扫描电镜图Fig 1 1 SEM micrographs of the dents under fuly-supplying ofPB1300 lubricant using 3 kg electromagnet，10 times茸-It图12 使用5 kg电磁铁及 PB1300油接触乏油条件下凹坑中截面轮廓线Fig 12 The middle-section profiles of the dents under oil starvationusing 5 kg electromagnet and PB1300 lubricant3 结论(1)高黏度润滑油在充分供油条件下，可有效抑制冲击磨损和塑性变形的发生。但若供油不够充分，钢球和试件在冲击凹坑内部直接接触，将导致冲击凹坑内部产生深而狭长的局部凹坑。在相同供油条件下，载荷越重，冲击凹坑内部的局部乏油凹坑越深。

(2)干接触条件下冲击凹坑中有少量球形颗粒出现，而有油润滑时，尤其是高黏度油润滑并出现乏油现象时，球形颗粒会成簇出现，而且大小不均。该组织的出现可能与冲击过程中产生的热效应有关 ，对此类球形颗粒的形成及成分，尚需做进-步研究。