高温摩擦因数的测量与分析

高温摩擦因数的测量与分析张明如钟维淳(马鞍山钢铁股份有限公司)摘要根据圆环压缩的连续速度场上限定理的理论分析，通过圆环试样压缩前后的几何尺寸的变化，能测量润滑剂的摩擦因数和圆环材料的流变应力。本文介绍了这个理论，并且用Gleeble—2000热模拟试验机测量了几种润滑剂的摩擦因数。试验结果表明，该理论可靠、方法简便、数据准确，值得推广使用，同时也拓宽了热模拟试验机的应用范围。关键词圆环压缩润滑剂摩擦因数MEASUREMENTOFLUBRICANTFRICTIONCOEFFICIENTBYRING-COMPRESSIONTESTZHANGMingruZHONGWeichun(Ma’anshanIronandSteelCo.,Ltd.)ABSTRACTBasedontheoreticalanalysisofaxialcompressionofring-shapespecimenbetweentwoflatdiesbyanupper-boundtechnique,itispossibletocarryoutthemeasurementofboththefrictioncoefficientoflubricantandthebasicflowstressoftheringmaterialunderparticulartemperatureandstrainrate.ThisarticleintroducesthemathematicaltheoryofthemeasurementmethodandseverallubricantfrictioncoefficientsmeasuredbyusingGleeble-2000machine.Theresultsshowthetheoryisreliable,themethodisfeasibleandthedataareaccurated.KEYWORDSring-compression,lubricant,frictioncoefficient金属压力加工过程中的力能消耗、变形特性和规律、工具磨损、产品质量、设备效能和生产效率等，无一不和摩擦条件密切相关，并受其严重影响。有效地使用润滑剂能避免模具腔表面和变形金属的直接接触，减少摩擦阻力和残余应力，减少工作变形的不均匀性，提高工件的内部质量和表面质量，延长模具的使用寿命，提高劳动生产率。与此同时，润滑技术的研究和应用大大地丰富和完善了金属塑性加工理论，促使人们开发和使用不同用途的润滑剂。马钢钢研所从1990年以来，一直在研究新型润滑剂以便适应型钢热润滑轧制和火车车轮轮箍的模锻，并逐步将实验室优化的润滑剂推向工业性试验和工业生产，取得了良好的经济效益和社会效益［1，2］。为了比较润滑剂的润滑效果的优劣，需要检测它们的摩擦因数。本文根据连续速度场的上限流动模型，采用圆环压缩法测量润滑剂的摩擦因数。1圆环压缩的理论分析1.1理论推导用圆环试样(图1)在两平行砧头间压缩，砧头被认为是垂直于表面方向移动的刚体；圆环试样需要满足体积不变的连续体要求和几何边界条件。圆环压缩变形时，其内部金属的流动情况见图2。图1圆环试样Fig.1Ring-shapespecimen当图2中摩擦因数μ很小(μ＝0左右)时，圆环压缩时所有金属从中心沿径向往外流动，见图2(a)，因此，圆环试样的内径增加(R′i＞Ri)。随着μ的增加，变形的特征发生变化，圆环试样内的金属沿径向分成两股流动：一股向外流动；另一股向中心方向移动，结果使压缩后圆环试样的内径减少(R′i＜Ri)。在这两股金属流动的分流面上，金属质点在变形前后不发生流动，这种保持半径不变的半径称为中性半径Rn，显然，在R＝Rn处，质点的径向速度为零，见图2(b)。图2圆环压缩时的金属流动方向Fig.2Metalflowdirectionduringringcompression(a)零摩擦因数时(μ＝0)；(b)中等摩擦因数时用金属塑性变形理论的上限法求解这个问题。具体理论推导过程见文献［3，6］。通过推导出的公式，只要得到圆环压缩时的中性半径Rn，运用有关公式就能计算出不变剪切因子m和相对压力Pave/σ0，就能求出相应的摩擦因数μ，同时根据Pave/σ0也能求出圆环试样材料的应力—应变曲线。1.2实验确定中性半径Rn圆环压缩试样产生了高度变化ΔH，外半径和内半径的变化相应为ΔR0和ΔRi，根据体积不变定律有2πR0HΔR0＝-π(R20-R2n)ΔH(1)2πRiHΔRi＝π(R2n-R2i)ΔH(2)用式(1)除式(2)得(3)解式(3)，并求Rn/R0(4)由式(4)和测量R0、Ri、ΔR0及ΔRi，可以确定中性半径Rn。2试验过程2.1试验制备将工业生产的Q235普碳钢，机加工成外径15.0mm、内径7.5mm、高5.0mm的圆环试样，见图1。用自制的几种高温润滑剂(石墨基A1、A2、A3和添加剂B1、B2、B3两主要组元所组成)［2］和沥青均匀地涂在试样的上、下两表面，烘干，再涂，再烘干，反复几次，直到试样上均匀地覆盖一层厚度约为4～5μm的润滑剂；为了比较，还准备了无润滑剂的光洁的圆环试样。2.2圆环压缩工艺用Gleeble—2000热模拟试验机，在真空充氮气的环境下，将试样快速加热到变形温度θD，保温30s，压缩变形。具体压缩工艺见图3。图3圆环压缩的工艺图Fig.3Processchartofringcompression2.3检测内容用游标卡尺测量圆环试样变形前的内半径Ri、外半径R0、高度H和压缩后的内半径R′i、外半径R′0、高度H′。用计算机数据采集系统采集圆环压缩过程的力的数值。3数据处理与分析用圆环试样压缩前后内外半径和高度的数值，根据公式(4)计算中性半径Rn。再用文献［3］、［6］推导的有关公式求出不变剪切因子m和相对压力Pave/σ0值以及润滑剂的摩擦因数μ。编制一个计算机程序，较方便地完成上述计算，各项计算结果见表1。表1几种润滑剂在相应温度下的摩擦因数Table1Thefrictioncoefficientofseveralkindsoflubricantsundertherelevanttemperature润滑剂A1B1A1B2A1B3A2B1A2B2A2B3A3B1A3B2A3B3沥青无润滑剂θD/℃85095010509501050850105085095085095010508509501050μ0.00.00.00.00.00.00.00.00.00.10.10.20.20.30.4819695879788787892688170181983表1μ的数值都是三个试样测得的均值。从每组数据看，重复性好，数据分散小。(1)润滑剂AiBi(i＝1～3)在测试温度850～1050℃范围内，μ变化不大，数值也较低，说明在高温时，润滑效果好，而且性能也稳定。根据试验条件的不同，石墨的μ通常为0.05～0.19［5］，本试验与之相符。(2)沥青和无润滑剂时，μ明显增大，并且随着温度的升高相应地增加。(3)从减摩效果来看，沥青优于无润滑剂，而AiBi(i＝1～3)润滑剂效果又优于沥青，其中A3B1最佳。将实验室优化的A3B1组元润滑剂用于工业实验和工业生产，取得良好的效果［1，2］。上述理论分析和测试结果说明圆环压缩法能测量润滑剂的摩擦因数，实验时，充分利用Gleeble—2000热模拟试验机的液压楔系统，使变形量控制较小，小变形量能防止变形鼓肚产生，从而满足Avitzur′s薄试样条件的假设［3］，提高了测试精度。4结论(1)用圆环压缩法可以测量润滑剂的摩擦因数。测试理论可靠，方法简便，结果精确，而且可以测量润滑剂在各种工况条件下的摩擦因数。Gleeble—2000热模拟试验机拥有液压楔系统，不仅变形量能精确控制和测量，而且能实现控制很小的变形量，这为圆环压缩的理论分析提供了实验手段，使得这一技术能被广泛地应用和推广。(2)在测试温度850～1050℃范围内，石墨水基润滑剂的摩擦因数为0.078～0.097；沥青的摩擦因数为0.168～0.270；无润滑剂的摩擦因数为0.218～0.483。参考文献1胡继兵.角钢的热轧润滑技术.轧钢，1996.(2)：9～11.2陈绍魁.车轮热轧模具用润滑剂的开发.马钢科研，1996.(4)：31～34.3GeorgeEDieter.WorkabilityTestingTechniques.Ohio:AmericanSocietyforMetals,1984.65～71.4KudoH.SomeAnalyticalandExperimentalStudiesofAxisymmetricColdsForgingandExtusion.PartsIandⅡ,lntern.J.Mech.Sci.,1960,2：102～127，1961.3：91～117.5陈森灿，叶庆荣.金属塑性加工原理.北京：清华大学出版社，1991.106.6B.艾维超(美)著.王学文译.金属成型工艺与分析.北京：国防工业出版社，1988.55～71.