45钢的磨损机制

齐鲁工业大学|机械与汽车工程学院第1页45#钢的磨损性能和磨损机制孙*（齐鲁工业大学机械与汽车工程学院20130102****）摘要：45#钢是最常见的结构钢材之一，价格便宜，并可以制造强度要求较高的零件，是机械制造中广泛应用的中碳优质碳素结构钢。它具有良好的切削加工性能，通常在调质或正火状态下使用，经调质成索氏体时，具有高的强度和塑性等综合力学性能。磨损是金属材料最常见的失效形式之一，基于这种材料的广泛使用，关于它的磨损性能的研究具有非常积极的意义。关键词：45#钢；磨损性能；微观组织Abstract：45Steelisoneofthemostcommonstructuralsteel,cheap,andcanmanufacturepartsrequiringhighstrength,carbonisofhighqualitycarbonstructuralsteelwidelyusedinmachinerymanufacturing.Ithasgoodcuttingperformance,usuallyintheuseofquenchedandtemperedornormalizedcondition,whenquenchedandtemperedintosorbite,hashighmechanicalstrengthandductilitypropertiesandthelike.Wearfailureisthemostcommonformofametallicmaterial,basedonthewidespreaduseofthismaterial,onitsresearchandWearPropertieshasaverypositivemeaning.Keywords：45steel;wearresistance;microstructure前言：磨损指摩擦体接触表面的材料在相对运动中由于物理作用，间或伴有化学作用而产生的不断损耗的现象。它是摩擦学研究的重要内容，机械磨损是机械运动齐鲁工业大学|机械与汽车工程学院第2页副的主要失效形式之一，减少机械运动副的摩擦磨损是提高机械产品的机械效率和机械寿命主要途径。世界能源约有一半以上是以不同形式消耗在克服机械零件对偶表面相互作用的摩擦、磨损上面。因此，人们为了节约能源提高经济效益都在积极开展摩擦磨损的研究。随着人们对摩擦磨损重要性认识的加深，广大科研工作者开始对不同材料的摩擦磨损特性进行研究，以期对各种具体的工作进行指导。45#钢是机械工程中最常用的材料之一,在机械传动中的运动副经常使用45#钢作为其主要材料。45#钢摩擦副的摩擦磨损特性是直接影响整机的机械性能和使用寿命的重要因素之一。一、不同回火工艺下45#钢的显微组织大量研究表明，在采用相应热处理工艺后使得材料具有更高的热稳定性，寿命显著提高【1】。45#钢经淬火后得到淬火马氏体，呈板条状，另外还有少量未溶碳化物和残余奥氏体。回火后随回火温度的提高，组织发生了复杂的转变【2】。首先马氏体中的碳开始发生偏聚，接着马氏体发生分解，析出弥散分布、小片状的ε碳化物，同时过饱和铁素体的碳含量和正方度均下降、成为低碳马氏体，回火温度超过200℃时，残余奥氏体发生分解；300℃左右，碳化物的晶格、形态、尺寸及分布都发生变化；400℃得到回火屈氏体在铁素体基体中弥散分布着微小粒状或片状渗碳体，铁素体相已回复，其亚结构已不同于马氏体但尚未再结晶，故仍具有马氏体基本形貌；到了500℃和600℃，渗碳体的聚集长大和α相再结晶，形成回火索氏体，马氏体片状特征消失。另外，45#钢淬火后，硬度随回火温度的升高而降低。淬火硬度为53HRC，200℃、400℃回火后硬度分别为47HRC和36HRC，600℃回火时降到不足20HRC，说明组织发生了剧烈软化【3】。二、45#钢在不同工况下的磨损行为不同回火组织在室温下磨损质量损失随载荷的增加而增加，但它们之间的差别并不大，不同回火组织的磨损性能对载荷的增加并不敏感，直到150N时不同回火组织的磨损质量损失出现显著差异。这表明随回火温度升高到500℃，钢的组织发生明显软化，磨损率显著提高。50～100N的载荷范围内磨损质量损失是下降的，原因是随着载荷的增加，磨面的氧化物逐渐增多，这些氧化物阻止了基体与磨盘的直接接触，具有有效的减磨作用【4】，对磨损表面起到了保护作用。齐鲁工业大学|机械与汽车工程学院第3页载荷小于100N时，磨损质量损失变化较小；超过100N时，回火索氏体的磨损质量损失开始急剧上升，而回火马氏体和回火屈氏体的磨损质量损失略有增加【5】。三、45#钢磨面形貌及机理分析磨面上出现清晰的划痕和细小的氧化物颗粒，磨损质量损失变化不大，并未出现大面积的氧化层，说明此时属于磨粒磨损阶段。它的形成原因是：摩擦表面之间的微凸体在两个面相对滑动时就相当于磨粒，对摩擦表面的作用力可分为法向力和切向力，法向力使磨粒压入表面，切向力使磨粒沿切向力方向推进，综合作用的结果就是在摩擦表面形成犁沟，造成磨粒磨损。磨面上出现大面积的氧化层和少量的剥落坑，随环境温度的上升，磨面氧化层逐渐变厚，剥落坑的数量和面积明显增加。这是因为氧化膜脆性较大，在外力作用下极易发生裂纹萌生和裂纹的疲劳扩展，最终导致疲劳剥落。剥落下来的氧化物一部分离开摩擦系统，造成磨损；另一部分在摩擦表面被磨碎成细小的颗粒状，被碾压在剥落区内，可以认为此时45#钢的磨损机制为氧化物的疲劳剥落【6】。当磨面发生了明显变化时，一方面看不到大面积剥落的氧化层，只有细小的氧化物颗粒，表面显得十分光滑；另一方面，能谱和XRD分析的对比出现了矛盾的地方，在XRD分析中Fe峰明显，并伴生有FeO，而在能谱图中显示O的含量远远超出Fe，氧化严重。经过分析，在高温高载下，表面的氧化层形成速度很快，在形成后不久，还没等氧化层变厚，就在磨损中剥落破碎，成为细碎的氧化物颗粒，裸露出来的部分塑性变形基体会在恶劣的磨损环境中伴随着新生氧化层一起离开磨面。因此，认为此时的磨损机制为塑性挤出。继续增大速度和载荷条的件下磨损表面有十分明显的塑性流动的痕迹，这是由于在较高速度与压力的条件下摩擦面的实际接触面积增大、摩擦面的温度迅速升高使得表层金属软化，发生塑性流动，接触点发生粘合，同时销和盘表面彼此连续不断的滑动，引起接触点的剪切和新的接触点的形成，因而粘合、撕脱、再粘合、再撕脱的循环过程，造成较为严重的粘着磨损。四、磁场对45#钢摩擦磨损的影响无磁场时，45#钢的摩擦因数和磨损率都较高。当施加外加磁场后磨损率将齐鲁工业大学|机械与汽车工程学院第4页急剧减少，继续施加磁场45#钢的磨损率减少幅度趋缓。这是因为施加磁场后，45#钢的摩擦因数降低，且交流磁场条件下45#钢的摩擦因数最低。这可能是最初，摩擦表面机械、物理化学、磁场等综合作用较少，摩擦副表面凸凹不平，摩擦较严重；随着摩擦的进行，较大的凸起被磨平；施加磁场后磁吸力又吸附磨屑在摩擦界面，磨屑在表面反复研磨后变得非常细小，具有润滑作用，最终使摩擦因数、磨损率减少；当磁场大到一定程度，磁能一部分通过热量放出，使摩擦界面温度升高，磨损加剧。此外，磁场施加的初期，减磨效果明显，且不同磁极的直流磁场对摩擦磨损性能的影响基本一致，而交流磁场相对直流磁场减磨效果较好。原因可能是通入交流电后，磁场改变了磨屑在摩擦表面的存在方式，摩擦作用使摩擦表面温度升高，利于表面氧化，隔离了45#钢与W18Cr4V高速钢的直接接触，从而使磨损量、摩擦因数减少【7】。五、磁场条件下45#钢表面的磨损无磁场强度下，磨痕很深，有明显的犁沟，并有明显的磨粒磨损特征，磨损较严重。当施加磁场时，摩擦表面较平滑，犁沟明显减少，而且未完全脱离表面的颗粒的相对数量较少、尺寸较小，并且摩擦表面有磨屑产生。磨屑产生后将会以不同的形式存在，其中一部分磨屑脱离摩擦接触表面形成松散的磨损颗粒，导致材料的摩擦损失；另外一部分则留在摩擦表面。由于摩擦过程中，磨屑经摩擦力及热应力等反复作用以至于不断发生塑性变形和断裂，磨屑破碎变得细小。一旦磨屑细小到一定程度，由于表面能而产生的黏着力，使得磨损颗粒在摩擦表面发生团聚【8】。施加磁场后，不同磁场下磨损表面的氧含量比无磁场时均明显增加，并且交流磁场【9】下氧含量最高，说明交流磁场作用下，磨损表面氧化最严重。在磁场作用下，随着摩擦的进行，磨损表面热量增加，磁场对磨屑的吸附使磨屑在表面变得细小，表面能减少，利于氧化，结果使接触面氧化膜面积增加。氧化膜在一定程度下隔离了界面，减少磨损;当氧化膜继续增加，随摩擦的进行，在剪切应力作用下，氧化膜内部产生应力集中，多个应力集中聚集成裂纹源，当裂纹源移动到表面时，氧化膜破裂，产生新的磨屑即发生氧化磨损。齐鲁工业大学|机械与汽车工程学院第5页参考文献【1】何柏林，缪燕平。3Cr2W8V钢热作模具的失效形式及分析[J]．热加工工艺，2007，36(21)：74-75。【2】崔忠圻。金属学及热处理[M]．北京：机械工业出版社，1994【3】王洋,王树奇,魏敏先。45#钢磨损性能和磨损机制的研究[J].材料科学与工程学院，2013.【4】PanjanP，UrankarI，NavinsekB，etal．Improvementofhotforgingtoolswithduplextreatment[J]．SurfaceandCoatingsTechnology，2012，151-152：505-509．【5】刘利国，黄传辉，李伟。45钢正火、淬火滚动摩擦磨损试验研究[M].能源技术与管理，2015（2）：39-40.【6】刘佐民。M50高速钢高温摩擦磨损性能的研究[J]．摩擦学报，1997，17(1)：38-44．【7】董祥林，陈金荣，简小刚。磁场对金属摩擦磨损影响的研究及展望［J］．材料科学与工程，2013，18(1):116－120．【8】郭浩，杜三明，刘敬超，张永振。磁场性质对45钢摩擦磨损性能的影响[J].河南科技大学,2013.【9】曹丽强，刘敬超，上官宝，等。交流磁场条件下GCr15/W18Cr4V摩擦磨损特性研究[J]．润滑与密封，2010，35(12):66－68．45#钢的磨损性能和磨损机制姓名：孙*学号：20130102****班级：材控13-1指导老师：姜老师