油润滑条件下几种金属材料摩擦磨损规律研究

郭占斌，高松林

（黑龙江八一农垦大学工程学院，大庆 163319）

移箱机构是水稻插秧机的重要部件，它担负着插秧机的纵、横向送秧工作，对插秧机的取秧量和工作可靠性有直接影响[1]。在影响移箱机构系统性能的诸多因素中，移箱机构中的滑块和双螺旋轴之间的磨损现象占有相当比重。而移箱机构中的滑块和双螺旋轴之间的摩擦是在变速变压的条件下进行的，因此，研究滑块和双螺旋轴在不同滑动速度和正压力条件下的摩擦特性，对提高插秧机的工作可靠性和使用寿命方面具有十分重要的意义[2-3]。

研究所选的三种金属材料（45#，25CrMn，40CrNiMo）在工程材料中具有一定的代表性：它们均是钢材中最常用的加工材料，具有良好的加工性能和多方位的处理工艺，而且常被用来制造轴类、齿轮及其他一些紧固零件等。故而以这三种常用金属材料组成的摩擦副作为研究对象，采用M-200 型磨损试验机进行试验，研究不同滑动速度和正压力条件下摩擦副之间的磨损规律。

1 试验部分

1.1 试验机

如图1 所示，试验采用的磨损试验机是由宣化材料试验机厂生产的M-200 型磨损试验机。在该试验机上可进行各种金属及非金属材料的多种状态耐磨性能试验，如滚动摩擦、滑动摩擦、间隙接触摩擦和滚动滑动复合摩擦等试验。该试验机还可模拟各种材料在湿摩擦、干摩擦以及磨粒磨损等多种摩擦条件下的摩擦磨损试验。

图1 M-200 型磨损试验机Fig.1 M-200 Type wear tester

评定材料摩擦学性质的一个重要参数是摩擦系数，摩擦系数μ 可利用摩擦力矩计算得出，而摩擦力矩可直接从试验机上读出，为提高其精度，测试中均在摩擦趋于稳定阶段时读取摩擦力矩[4]，并取其平均值，μ 按下式计算：

式中：M 为摩擦力矩，N·m；

r 为试环半径，r=0.02m；

F 为摩擦试样承受垂直载荷，N。

1.2 试验材料

试验所需材料试块45#，25CrMn，40CrNiMo均由哈尔滨飞机制造厂生产；所有材料均未进行热处理，表面粗糙度Ra 为0.1～0.3 μm。其中试块尺寸为6 mm×7 mm×10 mm；试环尺寸为内径Ф16 mm，外径Ф40 mm，厚度10 mm，外圆表面与内圆同心度偏差小于0.01 mm。

1.3 试验方案

试验是在M-200 磨损试验机上进行的，试件的接触方式及运动形式如图2 所示：

试验的条件：温度为20±5 ℃，湿度为40±10%，试验选取3 种材料组成3 组摩擦副作为研究对象，其中保持静止的试块全部为45#。转动的试环材料分别为45#、25CrMn、40CrNiMo。试块与试环做滑动摩擦，试验时间为1 h，润滑方式为油润滑，润滑油为6200N100，润滑油以每15 s 一滴的流速滴在磨损面上。试验影响因素及水平如表1 所示。

图2 摩擦磨损模型Fig.2 Friction and wear model

表1 试验影响因素及水平Table 1 The influence factors and level of the test

磨损量采用测量磨损失重方法得到。每次试验前、后试块和试环都放在超声波清洗机中用丙酮溶液清洗并烘干，用感量为0.1 mg 的电子分析天平称其质量损失。

2 试验结果与分析

2.1 载荷、速度对摩擦因数的影响

载荷、速度对摩擦因数的影响如图3 所示。

从图3 可看出，45#和40CrNiMo两组的摩擦因数在试环转速一定时随着载荷的增大而减小，其中45#一组在速度一定时其摩擦因数随着载荷的增大近似线性减小，40CrNiMo一组在载荷小于400 N 时载荷的变化显著影响摩擦因数的大小，对应于曲线的斜率变化较大，当载荷大于400 N 时曲线的斜率变化趋于缓和；而25CrMn一组在试环转速一定时摩擦因数随着载荷的增大而减小。

通过对2 种转速下3 组摩擦副的摩擦因数分析对比发现：随着试环转速的增大摩擦因数整体相应增大，低转速时摩擦因数随着载荷的增大变化显著；高转速时摩擦因数随着载荷的增大变化较小。由此得出在较低转速下，载荷是影响摩擦因数的主要因素，而速度对摩擦因数的影响较小。对比2 种不同速度下摩擦副的摩擦因数，就其变化特性而言，从总体看45#一组的摩擦因数较其他两组的摩擦因数小，且变化曲线近似成线性增大，说明其对载荷变化不敏感。而25CrMn一组无论在低转速还是在高转速条件下其摩擦因数都处于稳定的范围之中，由此可以分析得出，在此试验实验条件下25CrMn一组摩擦副具有较好的耐磨性能。

2.2 载荷、速度对磨损量的影响

载荷、速度对磨损量的影响如图4 所示。

图3 不同摩擦副在不同速度条件下载荷对摩擦因数的影响Fig.3 Effect of friction factor on different speeds and load

图4 不同摩擦副在不同速度条件下载荷对磨损量的影响Fig.4 Effect of the amount of wear on different speeds and load

图4 是不同转速条件下3 种摩擦副磨损量随载荷的变化情况。通过对2 种转速下3 组摩擦副的磨损量分析对比发现：3 种摩擦副质量磨损变化规律表现是很相似的，即随着载荷和转速的增大摩擦副的磨损量逐渐增加。当载荷大于300 N 时磨损量曲线斜率陡增，磨损量急剧增加，在低速时这种现象更加突出，且高速时摩擦副的磨损量显著高于低速时的磨损量。由此表明摩擦副之间的摩擦速度和接触载荷是影响摩擦副的磨损量的重要因素，在一定范围内转速、载荷的微小变化显著影响摩擦副的磨损量。在实验条件下存在一临界值，当转速、载荷超过这一临界值时，磨损量显著变化。对比3 种摩擦副的磨损量可以发现25CrMn一组具有较低的磨损量和较好的摩擦副性能。

2.3 磨损机理的探讨

载荷、速度对摩擦副磨损表面的影响如图5、6所示。

图5 45#试环磨损表面的SEM 照片Fig.5 45#ring wear surface of SEM

图5 是与45#对磨的45#试环在载荷为400 N滑动速度分别0.42 m·s-1、0.84 m·s-1的条件下摩擦副磨损表面的电子扫描照片[5]。从前文可知随着转动速度的增加摩擦副的摩擦因数趋于稳定，变化范围逐渐减小，这种宏观上的变化与摩擦副表面微观特征有密切的联系。从图5（a）可看出摩擦副表面主要由犁皱塑性变形和微量的划痕组成，而图5（b）中的摩擦副表面主要是犁皱塑性变形。比较两图可看出不同转速下的摩擦副磨损表面粗糙度相近，这与转速对摩擦因数的影响较小的规律是相吻合的。

由于摩擦力是由粘附力、微凸体塑性变形力、硬质微凸体和磨粒犁沟力三项组成，摩擦副之间的滑动速度的改变会影响到摩擦副表面的温升。当滑动速度较小时，摩擦副表面的温度较低，滑块对试环的切削和挤压很困难，所以磨损量相应的较低，而摩擦副的塑性变形抗力较大，此时摩擦副之间的阻力主要来自摩擦副间接触表面微凸峰间的相互阻碍作用，故而摩擦副间摩擦阻力增大，摩擦因数相应较高；当摩擦副间滑动速度增大时，摩擦副间表面的温度将升高，因而摩擦副的塑性变形抗力降低，微凸峰之间的互相阻碍作用将减小，塑性变形力也相应降低，导致摩擦副间的摩擦阻力减小，因此摩擦副间的摩擦因数较低。由于当摩擦副处在较高转速时，大量的摩擦功转化为热量使得摩擦副间的温度迅速升高，导致摩擦副表面软化，摩擦副间的实际接触面积增大、接触点发生粘合，同时滑块和试环表面相互连续不断的滑动，引起接触点的剪切和新的接触点的形成，故而经过粘合、撕裂、再粘合、再撕裂的循环过程，造成较为严重的粘着磨损，因此摩擦副的磨损量较大，这与磨损量随转速的变化规律是相一致的。

图6 25CrMn 试环磨损表面的SEM 照片Fig.6 25CrMn ring wear surface of SEM

图6 与45#对磨的25CrMn试环在滑动速度为0.84 m·s-1载荷分别为200 N 和400 N 条件下摩擦副磨损表面的电子扫描照片。从图中可看出，在载荷为400 N 时摩擦副表面比载荷为200 N 时粗糙，故而摩擦因数较大。经分析是由于：载荷较小时，摩擦副间的接触多为点接触，摩擦阻力主要来源于摩擦副表面间的微凸体之间的互相阻碍，摩擦力也相对较大，摩擦因数也相应增大；当载荷增大时由于表面温度升高使得摩擦副间表面由点接触变为面接触，最后接近表观接触面积，此时摩擦副表面间的摩擦力不再增大，即摩擦阻力增加的速度没有正压力增加的速度快，故而摩擦因数出现减小的趋势。

对比图6（a）、（b）可以发现当给摩擦副施以200 N 的载荷时摩擦副表面有大量的由于犁削作用而产生的犁皱塑性变形，而施以400 N 的载荷时有明显的塑性流动和材料剥落的痕迹。这是由于随着施加载荷的增大，摩擦副间的磨损表面塑性变形严重，塑性变形功也相应增加，因而造成真实接触面积和接触的微凸体数增加，微凸体压入深度增大，最后使得摩擦副的磨损现象严重。

3 结论

3.1 在此试验条件下，25CrMn与45#组成摩擦副时结合效果最好，该组合具有较好的摩擦磨损性能，滑块试样磨损量也最小。

3.2 摩擦副间的摩擦因数随着所施载荷的增大而减小，随速度的增大先增大而后趋于稳定；摩擦副的磨损量随所施载荷、速度的增大而增大；摩擦副间的滑动速度和接触压力是影响磨损量的主要因素，在一定范围内滑动速度、接触压力的微小变化显著影响滑块的质量磨损速率，摩擦磨损特性存在着敏感的速度、压力范围。

3.3 在此试验条件下，粘着磨损是摩擦副间磨损的主要形式，随摩擦副间接触压力和滑动速度的增加其磨损机制逐渐由粘着磨损向磨粒磨损和剥落磨损转化过渡。

3.4 通过以上试验，故选取25CrMn与45#组合作为传动副的材料，可以提高双向螺旋轴组件的使用寿命。

［1］杨文珍，赵匀，李革，等.高速水稻插秧机移箱螺旋轴回转轨道优化设计［J］.农业机械学报，2003（6）：167-168.

［2］徐飞军，李革，赵匀.水稻插秧机移箱机构的发展研究［J］.农机化研究，2008，30（5）：1-4.

［3］赵匀，黄节泵，张玮炜.旋转式水稻插秧机移箱机构耐磨损设计［J］.农业机械学报，2008（6）：58-62.

［4］王鹏，谭峰.低功耗水稻育秧秧棚监测系统的设计［J］.黑龙江八一农垦大学学报，2011（3）：78-80.

［5］石建飞，李爱传，刘羽楠，等.基于AT89S52 单片机的岩心图像采集仪的电机控制系统实现［J］.黑龙江八一农垦大学学报，2011（1）：88-95.