海洋工程用系泊链钢的动摩擦磨损研究

喻济兵

（中国人民解放军海军驻九江军事代表室，九江 332000）

随着陆上及浅海油气资源日益贫乏，向深海发展已成为必然趋势。几十年来，研究人员对此做出了不懈努力，已成功在3000 m的超深海域进行油气钻探，并向着更深、条件更恶劣的海域发展。我国的深海油气开发技术取得了很大的进步，但与国外仍存在很大差距[1-4]。海洋工程平台、船舶与浮式储油轮（FPSO）及半潜式钻井船在海况十分复杂[5]。在深达数百米至数千米的海洋中固定，主要方式是系泊链系泊[6]。系泊链在指定海域进行作业，长期在海水中作业，工作环境特别恶劣。平台除承受静载荷作用外，还承受环境载荷作用，如风力、波浪力和流力，其中波浪力是环境载荷的主要成分。在这些力的作用下，使锚链产生摩擦磨损，从而导致锚链的失效，直接影响海洋工程平台及其装备的安全性、可靠性。本文对系泊链22MnCrNiMo钢的热处理工艺、动摩擦磨损性能进行了比较系统的研究。对海洋工程系泊链的生产过程和质量控制具有重要的研究意义和很高的实际应用价值。

1 试验材料与方法

1.1 试样的制备及处理

本实验所用材料为江阴兴澄特种钢铁有限公司和正茂集团有限公司联合研制的专用于高级别系泊链的低碳低合金钢22MnCrNiMo。其化学成分为：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。材料热处理工艺的选择方面，根据生产企业的实际处理工艺，同时依据课题组对系泊链钢热处理组织与性能的详细研究结果，本实验中采用固定淬火工艺及回火温度，只改变回火时间，研究不同回火时间下材料的摩擦磨损特性。材料经过930℃×30 min二次淬火，将二次淬火后的试样在630℃回火，回火时间选择30 min，45 min和60 min，回火后采用水冷。

1.2 磨损试验

采用宣化科华试验机制造有限公司生产的MLD-10型动载磨料磨损试验机进行磨损试验。磨损试验机如图1所示，该设备可进行静载滑动磨损实验、动载滑动磨损实验、动载磨料磨损等实验。冲击功选择范围为1-4 J。本试验冲击功分别选用0 J、2 J、3 J、4 J，磨损时间选择30 min，磨损试验在干摩擦，空气环境及室温下进行。试验前后分别将试样侵入丙酮中用超声波清洗 15 min，用感度为0.1 mg的分析天平检测磨损质量损失，最终取三次试验结果的平均值。

试验时系泊链用钢加工成 10×10×30的方形试样，磨损面为了与对偶材料紧密接触，用线切割的方法加工成R25的光滑圆弧，试验前用金相砂纸研磨，试样形状尺寸如图1所示。磨损对偶材料选用具有较高淬火硬度的高碳铬轴承钢GCr15（C：0.95-1.05，Cr：1.30-1.65，Mn:0.20-0.40，Si：0.15-0.35，S≤0.020，P≤0.020），试验前把轴承钢进行淬火加低温回火处理，使其硬度控制在HRC60±1，然后加工成直径50 mm，长度50 mm的圆柱体试样，外表面用磨床研磨以确保实验条件的一致性。

图1 冲击磨损试样尺寸

2 实验结果与分析

2.1 冲击载荷对磨损量的影响

冲击载荷与磨损量的关系如图2所示。由图2可知：回火态试样总的磨损规律为单位时间磨损量随冲击载荷的增加先减小后增加。这时因为：当冲击功增加到2 J时，在冲击载荷的作用下，材料发生加工硬化，但加工硬化不够充分，硬度增加不大，材料流失严重。当冲击功增加到 3J时，回火态试样的加工硬化充分，加工硬化层变厚，材料表面的硬度增加，使材料耐磨性变好，因而磨损量降低。当冲击功增加到4 J时，虽然回火态试样的加工硬化充分，但硬度基本上不增加，由于冲击载荷是一种动载荷，冲击接触会在材料表层及亚表层产生较大的接触应力，同时引起接触表面的能量扰动及扩散。材料吸收冲击能量后产生塑性变形，材料的缺陷或两相夹杂物在反复的冲击作用下形成空洞或微裂纹[48]，随着载荷的增加，空洞或微裂纹形核的深度增加，使得剥层磨损的磨屑厚度增加，磨损量增加。

图2 不同冲击载荷下回火态试样的磨损量

2.2 不同处理工艺对磨损量的影响

图3为磨损时间为30 min时，不同回火时间下回火态试样的单位时间磨损量。其中试样的热处理状态为930+930×30℃ min二次淬火后，在回火温度 630℃下分别保温 30 min，45 min和 60 min。从图 3可以看出，在相同的冲击载荷和相同的磨损时间下，回火态试样的磨损量随着回火时间的增加而增加。这是由于，在冲击功为 2J时，回火30 min，45 min，60 min试样表面硬度分别为350.19 HV，341.73 HV，330.68 HV，随着回火时间的增加，表面硬度降低，耐磨性变差，磨损量增加。在冲击功为3J时，回火30 min，45 min，60 min试样表面硬度分别为 375.16 HV，371.02 HV，361.18 HV，表面硬度降低，耐磨性变差，磨损量增加。在冲击功为 4J时，回火 30 min，45 min，60 min试样表面硬度分别为383.08 HV，375.61 HV，368.43 HV，表面硬度降低，耐磨性变差，磨损量增加。

2.3 冲击功对磨损形貌的影响

图4为不同冲击载荷下回火30 min试样表面磨损形貌。从图4a）可以看出，当冲击功为2 J时，回火 30 min试样的磨损表面有大量的片状剥落坑，但剥落坑面积小，厚度浅。从图 4b）可以看出，当冲击功为3 J时，试样的磨损表面剥落坑数量非常少，剥落坑变大，厚度浅。从图 4c）可以看出，当冲击功为4 J时，磨损表面剥落坑数量增加，剥落坑面积进一步变大。这说明当冲击功为2 J时，材料表面加工硬化程度不够，还不能有效抵抗剥层磨损，剥落坑虽然面积小，但是数量多，材料流失严重。当冲击功为3 J时，材料加工硬化程度充分，表面硬度高，剥层磨损轻微，材料耐磨性好。当冲击功为4 J时，材料加工硬化程度充分，但表面硬度几乎不再增加，而随着冲击载荷的增加，使磨损表面剥落坑数量增加，剥落坑面积变大，因此材料耐磨性变差。

图3 处理状态与单位时间磨损量的关系

图4 不同冲击载荷下回火30 min试样表面磨损形貌

图5 不同回火时间下试样表面磨损形貌

图5为冲击功为2J时，不同回火时间下试样磨损形貌。其中试样的热处理状态为930+930×30℃ min二次淬火后，在回火温度630℃下分别保温30 min，45 min和60 min。从图5看出，总的看来，在冲击功为2J时，回火态试样表面剥落坑面积小，但数量非常多，磨损严重，这说明在冲击功为2 J作用下，加工硬化程度不够，材料表面硬度增加不大，还不能抵抗严重的剥层磨损。随着回火时间的增加，剥落坑面积变大，材料的磨损增加，耐磨性变差。

图6 不同回火时间下试样表面磨损形貌

图7 不同回火时间下试样表面磨损形貌

图6为冲击功为3 J时，不同回火时间下试样磨损形貌。其中试样的热处理状态为930+930×30℃ min二次淬火后，在回火温度630℃下分别保温30 min，45min和60 min。从图6看出，总的看来，在冲击功为3 J时，回火态试样表面剥落坑数量少，磨损轻微，这说明在冲击功为3J作用下，加工硬化程度充分，材料表面硬度增加不大。从图6a）可见，回火30 min试样磨损表面出现非常浅的片状剥落坑。从图6b）可见，当回火时间为45 min时，试样磨损表面的片状剥落坑变厚。从图6c）可见，当回火时间为60 min时，试样磨损表面的片状剥落面积显著增加。

这说明随着回火时间的增加，材料的流失越来越严重，耐磨性变差，磨损量增加。

图7为冲击功为4J时，不同回火时间下试样磨损形貌。其中试样的热处理状态为930+930 ℃ × 30min 二次淬火后，在回火温度630℃下分别保温30 min，45 min和60 min。从图7看出，总的看来，在冲击功为4J时，回火态试样表面剥落坑面积大于冲击功为3J时的，此时，回火态试样磨损加重。从图 7a）可见，回火 30min试样磨损表面的片状剥落坑尺寸相对较小。从图7b）可见，当回火时间为45min时，试样磨损表面的片状剥落坑面积显著增大。从图 7c）可见，当回火时间为60min时，片状剥落坑的数量增加，并且厚度变深。这说明随着回火时间的增加，材料的流失越来越严 重，磨损量增加。

3 结论

（1）在冲击滑动摩擦试验中，试样总的磨损规律为单位时间磨损量随冲击载荷的增加先减小后增加。在相同的冲击载荷和相同的磨损时间下，试样的磨损量随着回火时间的增加而增加。

（2）在冲击滑动摩擦试验中，随着冲击载荷的增加，试样的磨损形貌生了明显的变化，当冲击载荷为 2J时，试样的磨损表面有大量的剥落坑，但剥落坑浅而小，材料流失严重。当冲击载荷为3J时，试样的磨损表面基本上没有剥落坑或剥落坑较少，材料耐磨性变好。当冲击载荷为4J时，轧试样的磨损表面剥落坑面积较大，数量增加，材料的磨损量增加。

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