系泊链钢的摩擦磨损研究

毛振东 彭昂

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

随着人类资源日益趋向短缺或枯竭，世界各国加速对海洋资源进行开发，海洋工程平台、大型海洋工程辅助船舶快速发展。海洋工程平台、海洋工程船处在波浪滔天、海况十分复杂的恶劣条件下工作，海上油气的开采可望达到水深为2500 m(8200英尺)以上的所谓极深水海域[1]。高级别的系泊链是海洋工程平台及其装备在海洋中系泊固定的主要方式[2]。系泊链服役条件恶劣[3]，除承受平台的静载荷作用外，还承受环境载荷作用，如风力、波浪力和流力，其中波浪及浮游物的冲击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，从而可能导致锚链的失效，直接影响海洋工程平台及其装备的安全性、可靠性[5]。本文对国内用于制备R4级系泊链的22MnCrNiMo钢的热处理工艺、静摩擦磨损性能进行了比较系统的研究。

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：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ML-100型静载磨料磨损试验机进行磨损试验。磨损试验机如图1所示，该设备可进行静载磨料磨损实验。磨料磨损试样尺寸均为 φ6 mm×12 mm。每组选用 2个试样，实验结果取 2个试样的平均值。本试验磨料为120目Al3O2水砂纸，转速60 r／min。试验选用：1）载荷为3 N时，磨损时间分别为30 s、60 s、90 s；2）磨损时间为60 s时，载荷分别为3 N，8 N，13 N。磨损试验在干摩擦，空气环境及室温下进行，试验前后分别将冲击试样(22MnCrNiMo钢)放入酒精中用超声波清洗15 min，吹干后在精度为0.1 mg的电子天平上称重，计算其磨损质量损失，取三次试验结果的平均值。

图1 ML-100磨料磨损试验机

1.3 磨损形貌观察

试验结束后，采用JEOL-JSM-6480型扫描电子显微镜观察试样(22MnCrNiMo钢)的磨损表面形貌。

2 实验结果与分析

2.1 摩擦磨损特性

图2所示为22MnCrNiMo钢与120目Al3O2水砂纸对磨时单位时间磨损量随磨损时间和载荷变化的曲线。可见：单位面积磨损量随着磨损时间和荷载的增加而增家。当载荷较小(3 N)时，随着磨损时间从30 s增加到90 s，单位时间磨损量从(1.056～1.389)×10-6g·mm-2增 加 到 (1.481～1.731)×10-6g·mm-2，但增量较小。当磨损时间为60 s时，随着载荷从较小载荷(3N)增加到较高载荷(13N)，单位时间磨损量从(1.185～1.444)×10-6g·mm-2增加到(6.556～6.203) ×10-6g·mm-2，增量较大。

2.2 磨损形貌分析

图2 单位面积磨损量随磨损时间和载荷变化的情况

图3所示为载荷为3 N，不同磨损时间下轧制态试样磨痕表面形貌SEM照片。可见，当磨损时间30 s时，轧制态试样的磨损形貌为窄而浅的磨沟[见图3(a)]，当磨损时间为60 s时，轧制态试样的磨损形貌也为窄而浅的磨沟[见图3(b)]，但同时出现较大的深坑。当磨损时间为90 s时，轧制态试样的磨损形貌为较深的犁沟或深坑[见图3(c)]。这是由于在磨损的初期，轧制态试样硬度较高，磨损机理主要为微观切削机理，因此轧制态试样的磨损形貌为窄而浅的磨沟；随着磨损时间的增加，材料表面软化，材料中的第二相粒子（或夹渣物）与基体的结合力下降，容易在第二相粒子周围形成裂纹，发生微观断裂磨损，因此轧制态试样的磨损形貌也为窄而浅的磨沟，但同时出现较大的深坑；随着磨损时间的继续增加，材料表面进一步软化，第二相粒子（或夹渣物）与基体的结合力继续下降，此时磨损机理为犁沟变形机理。在磨粒的凿削式的高应力作用下，材料表面撕出较大的颗粒和碎块，表面形成较深的犁沟或深坑[5-7]。

图4所示为磨损时间为60 s，不同载荷下轧制态试样磨痕表面形貌 SEM 照片。可见，当载荷为3 N时，轧制态试样的磨损形貌为窄而浅的磨沟，但同时出现较大的深坑[见图 4(a)]。原因如上段所述。当载荷增加到8 N和13 N时，试样的磨损形貌均为较深的犁沟或深坑[见图 4(b和c)]。这是由于载荷的增加，使磨粒压入的深度增加，材料表面发生严重的塑性变形，同时塑性变形产生变形热。由于载荷的增加产生的变形热远远高于由磨损时间增加产生变形热，使材料的表面硬度迅速下降，磨粒的犁削作用更加明显，此时轧制态试样的磨损形貌为较深的犁沟或深坑。

图3 载荷为3 N，不同磨损时间下轧制态的磨损形貌

图4 磨损时间为60 s，不同载荷下轧制态的磨损形貌

3 结论

1）磨损时间和荷载对单位时间磨损量都有影响，单位面积磨损量随着磨损时间和荷载的增加而增加，但载荷的影响大于磨损时间的影响

2）在载荷较小，磨损时间较短时，材料磨损机理为微观切削机理，磨损表面为窄而浅的磨沟。随着磨损时间和载荷的增加，磨损表面发生较为严重的塑性变形，其磨损为犁沟变形。

[1]Stokes E G, Jeffers E R, Mcintosh W, et al.Conoco’s20 years of TLP experience[C]. DOT 95 Conference, Rio de Janerio, Brazil, 1995: 35—47.

[2]周丽萍, 谢春生, 朱林放. 热处理对新型系泊链钢22MnCrNiMo组织和性能的影响[J]. 材料热处理技术, 2009, 38(2): 102一105.

[3]Alberto Omar Vazquez-Hernandez, Gilberto Bruno Ellwanger, Lu’ls Volnei Sudati Sagtilo. Reliability—based comparative study for mooring lines design ctitetia[J]. Applied Ocean Research, 2006, 28:398-406.

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[5]谢敬佩, 王文焱, 李继文, 王爱琴, 赵永让, 李洛利.耐磨奥氏体锰钢[M]. 北京: 科学出版社, 2008:11-13.

[6]李建明. 磨损金属学[M]. 北京: 冶金工业出版社,1990: 115-118.

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