等径角转角挤压处理GCr15钢摩擦磨损机制研究

王小飞

(河南工业贸易职业学院机电工程系,河南郑州 450002)



等径角转角挤压处理GCr15钢摩擦磨损机制研究

王小飞

(河南工业贸易职业学院机电工程系,河南郑州 450002)

对经ECAE处理的GCr15钢进行摩擦磨损机制分析,发现晶粒显著细化，磨粒尺寸随之减小，这样两接触摩擦表面间的磨粒压入软基体的深度也降低了，摩擦磨损过程中摩擦表面磨损体积减小就会使试样的磨损量显著减小，从而使GCr15钢试样的耐磨性能大大提高。

GCr15钢；摩擦磨损机制； 等径角转角挤压

0　引言

GCr15钢具有优异的摩擦磨损性能，是一种理想的摩擦材料，广泛应用于机械制造、铁路运输、汽车制造、国防工业等领域。试样在摩擦磨损过程中摩擦系统中内、外部多种因素包括材料的微观组织、硬度、载荷、滑动速度、退火等对GCr15钢的摩擦学性能产生一定的影响。通过分析GCr15钢的摩擦学性能的影响规律及作用机制的影响因素来丰富和发展金属合金材料的摩擦学理论。

通过观察分析GCr15钢试样经高温ECAE工艺处理前后磨损表面的显微照片，阐述了GCr15钢试样的摩擦磨损作用机制，说明了试样经高温ECAE工艺处理后随着载荷、滑动速度、退火等方面变化从而影响GCr15钢摩擦学性能的作用机制，得到了GCr15钢试样摩擦磨损性能经高温ECAE工艺处理后显著提高的作用机制。

1　GCr15钢试样经ECAE处理后的摩擦学性能

1.1ECAE处理后GCr15钢摩擦学性能的主要影响因素

GCr15钢的摩擦学性能不仅与GCr15钢自身的性质有关，而且载荷、速度、摩擦副的匹配等工况条件与之也有密切的关系。图1显示出了影响GCr15钢试样的摩擦学性能各个主要因素。

1.2GCr15钢的磨损特征

通过分析GCr15钢试样表面磨损形貌(如图2所示)可以知道：在整个摩擦磨损实验过程中，GCr15钢试样主要存在磨粒磨损、粘着磨损两种磨损形式。这两种磨损形式在GCr15钢试样的磨损过程中同时存在，但是随着试验条件各方面影响因素的变化，两种磨损形式的出现程度也有所差异。

GCr15钢对磨时，刚开始主要是由磨粒磨损。外界硬质颗粒或硬表面的微峰在摩擦副对偶表面相对运动过程中引起表面擦伤与表面材料脱落的现象，称为磨粒磨损。其特征是在摩擦副对偶表面沿滑动方向形成划痕。在GCr15钢试样摩擦磨损过程中，磨粒磨损的磨粒是硬度很高的硬质颗粒，主要是由粘着磨损形成的磨屑在摩擦面间反复碾压硬化而形成的，接着还有第二相从试样组织中脱落而来的。试样由于没有经过ECAE挤压处理所以其强度较低，并且脱落下来的第二相颗粒也比较粗大，粗大颗粒在磨损过程中对其磨损表面容易产生较宽较深的犁沟；但是当试样经过ECAE挤压处理后，摩擦接触表面不容易发生剥落，并且脱落的第二相颗粒也较小，这样就出现犁沟深度与宽度与挤压前相比均明显减小现象。

随着磨损的继续，出现了粘着磨损。粘着磨损又称咬合磨损，它是指滑动摩擦时摩擦副接触面局部发生金属粘着，在随后相对滑动中粘着处被破坏，有金属屑粒从零件表面被拉拽下来或零件表面被擦伤的一种磨损形式。在干摩擦条件下，由于 GCr15钢试样与摩擦幅表面接触两表面不平整，所以两接触表面之间发生的是点接触。这样随着两者之间相对滑动和对试样表面施加高载荷，导致了在试样接触点处产生塑性变形或剪切变形，但是由于压强过大，容易在接触表面产生粘着磨损。GCr15钢试样由于未经ECAE挤压处理所以自身强度较低，在进行摩擦磨损时容易产生磨粒，当试样受到的载荷增大，试样表面磨粒数量就会增多，这样磨粒数量多并在载荷作用下就会对GCr15钢试样表面产生犁削作用，从而加剧了试样表层的剥落。所以，GCr15钢试样未进行挤压处理其磨损形式表现为严重的磨粒磨损及粘着磨损。GCr15钢试样经ECAE挤压处理后组织明显地被细化，从而显著提高了GCr15钢试样的屈服强度及硬度，这样GCr15钢在磨损过程中不容易产生大量磨粒，磨粒减少了，那么试样的耐磨性能就提高了。

2　GCr15钢经ECAE挤压摩擦磨损性能影响的作用机制

2.1晶粒细化对GCr15钢试样摩擦磨损性能影响的作用机制

GCr15钢试样在磨损过程中由于应力低所以首先发生弹性变形，但是当试样受到的应力超过试样的屈服强度时，试样就开始出现塑性变形。试样在外力作用下在滑移面上发生滑动变形时，当移动变形到与邻近晶粒接触时，滑移线由于在一般情况下不穿越晶界就会在晶界附近终止，这样就会导致在试样的晶界附近发生的塑性变形受到阻碍，从而在晶界附近产生较高的集中应力。当试样的应力集中区域所积累的应变能足够大到破坏原子结合键时，就会在应力集中区域产生裂纹生核。试样裂纹在循环变形应力的作用下随着磨损过程的进行开始逐渐长大、剥落，结果就出现了GCr15钢试样摩擦磨损。试样在摩擦过程中出现了滞留在摩擦副间剥落的磨粒，这些颗粒使得摩擦副间的运动阻力提高了，从而加重试样的磨粒磨损。

由Hall-Petch公式可知：一方面，晶粒细化可以使试样的屈服强度提高，屈服强度提高就使试样产生滑移变形的临界应力增大，也就使试样抵抗塑性变形的能力增强了，这样塑性变形程度减轻了，从而降低了应力集中区域的应力集中，裂纹产生的概率也就减小了,由此试样的耐磨性提高了；另一方面，晶粒细化也使试样的硬度提高了，从而提高了试样抵抗变形的能力，这样试样接触表面微凸体的犁沟作用就会减弱，从而减轻了试样磨粒磨损程度。

试样经高温ECAE工艺后其微观组织显著细化了，晶粒细化与屈服强度之间关系可用Hall-Petch关系式(1)来说明：

σs=σ0+kd-1/2

(1)

式中：σs为屈服强度,σ0为常数,k为晶界对强度影响程度系数,d为晶粒直径。

试样的晶粒越细小，晶粒数目就越多，晶界面积就越大。并且晶界两边的晶粒走向完全不相同且无规则可言，同时由于晶界是原子排列面缺陷，所以当一个晶粒穿过晶界进入另一个晶粒发生塑性形变时，由于晶界处存在大的阻力，晶粒在晶界处受阻穿过就比较困难；另一方面，晶粒穿过晶界后需改变滑移方向。这种既要穿过晶界又要改变方向的形变与晶内的形变相比将要消耗的能量很大，所以晶界面积增加也将使试样的强度得到提高。由此可知晶粒细化提高了试样的屈服强度。

GCr15钢试样经高温ECAE工艺处理后微观组织比处理前了细小，GCr15钢试样屈服强度和硬度较未经ECAE挤压处理提高了，这也说明了经ECAE工艺处理后的GCr15钢试样组织发生了细化，试样产生滑移变形的临界应力和抵抗塑性变形能力也提高了，结果就使裂纹产生的概率减小了,从根本上使试样的耐磨性提高了。

2.2显微硬度对GCr15钢摩擦学性能影响的作用机制

由于试样与对偶件两个表面由许多不同形状的微凸峰和凹谷组成，均具有一定的粗糙度，所以当GCr15钢表面与对偶件表面接触时实际接触面积很小。由于凸峰和凹谷存在相接触两个粗糙表面出现弹性塑性两种变形，峰点较高时接触面产生塑性变形，峰点较低时产生弹性变形。两个表面摩擦时由于受到的载荷增加导致两表面法向载荷增大，也就导致出现塑性变形的峰点数相应增加，即加剧了塑性变形。

GCr15钢试样未经ECAE挤压处理时硬度相对较低，所以GCr15钢试样抵抗塑性变形的能力相对较弱，这样试样在外力作用下容易发生滑移而产生塑性变形。但是试样经高温ECAE工艺处理后硬度相对处理前明显提高了，硬度的提高就增强了GCr15钢试样抵抗塑性变形的能力，对偶件对GCr15钢试样表面的犁削磨损作用也就减轻，这样试样的摩擦磨损性能就得到了提高。而且GCr15钢硬度的提高使其抵抗塑性变形的能力增强和滑移临界应力提高，这就对其试样的耐磨性提高起到了很大的作用。

2.3第二相脱落形成的磨粒对GCr15钢摩擦学性能影响的作用机制

GCr15钢中第二相的大小与分布对GCr15钢的磨损性能有着重要影响。GCr15钢试样未进行ECAE挤压时第二相为粗大颗粒。由于第二相晶粒粗大尺寸较大，在磨损过程中，GCr15钢试样在摩擦力作用下容易在其表面形成较大的应力，导致在晶界处产生裂纹；裂纹产生容易使第二相出现脆性断裂，由于相对较软基体组织对第二相不能起到有效的镶嵌与保护作用，所以GCr15钢试样第二相很容易从软基体中脱落下来形成磨粒。因为脱落的第二相磨粒尺寸较大，这样在接触表面容易造成较严重的磨粒磨损。但是试样经ECAE挤压后第二相尺寸明显减小，细小的第二相颗粒弥散分布于基体之中，在摩擦力作用下细小的第二相在试样表面形成的应力场较小，所以在晶界处不易产生裂纹，软基体对第二相可以起到很好的镶嵌与保护作用，这样试样中第二相不容易从中脱落下来。而且弥散分布的第二相对试样也起到了表面强化作用，从而使GCr15钢试样的强度及承载能力得到提高，这样就减少了磨损时试样表面剥落也就减少了磨粒数量，接触处磨粒磨损也就减轻，因此试样的摩擦学性能得到提高。

3　载荷和滑动速度对GCr15钢摩擦学性能影响的作用机制

两接触摩擦副表面温度、材料表面状况及性能和摩擦副材料的滑移等状况都受GCr15钢试样摩擦载荷和滑动速度的变化而变化，这种变化也会使 GCr15钢试样的磨损量发生变化(如图3所示)，在干摩擦条件下这种变化表现得尤为显著。

首先，影响GCr15钢试样表面磨损的一个重要因素是受到的载荷，因为两接触摩擦表面实际接触面积的大小将随载荷的大小变化而变化，并且载荷大小还直接对摩擦和磨损过程中接触摩擦表面的表面层厚度以及磨损的进程产生一定影响。当GCr15钢试样表面受到载荷较低时，摩擦时实际接触面积较小，其磨损表面所承受压强也较小，这时试样摩擦因数也就较小。并且试样磨损表面受到低载荷时，在摩擦磨损过程中受到的摩擦力也就较小，较小的摩擦力不容易造成试样表层的剥落，从而也就使试样中的磨粒磨损程度降低了。但是当试样受到的载荷增加时，在摩擦磨损过程中GCr15钢试样实际接触面积与接触的微凸体数量随之增加，这就导致接触面间的摩擦因数增加。当受到的载荷较大时，在摩擦磨损过程中发生剧烈的塑性变形，使其摩擦表面损伤严重，摩擦面的剥落面积及剥层厚度随之增大，这样就使试样出现的磨粒数量增加。随着载荷的增加，剥落的磨粒压入GCr15钢试样表面的深度也随之增大，最后出现试样加剧磨损。

接着，影响GCr15钢试样磨损另外一个重要因素是滑动速度。因为当滑动速度发生改变时可以使试样摩擦表面层在摩擦时变形速度发生改变，因摩擦而产生的温度也因此而改变。GCr15钢磨损过程中产生的摩擦热随着滑动速度的增加而增加，导致摩擦副表面温度升高。当摩擦副表面温度升高到一定程度时，GCr15钢试样接触表层就会出现软化，这样试样抵抗剪切变形的能力也就下降，从而加剧了GCr15钢粘着磨损发生和材料的转移，磨损量上升。同时，磨损表面磨粒剥落的概率随磨损表面塑性变形的加剧而增加，这样试样磨损量也就随着GCr15钢磨粒磨损增多而增多。

4　退火处理对GCr15钢摩擦学性能影响的作用机制

经ECAE热挤压处理后，随着退火温度变化，GCr15钢试样的微观组织形态及力学性能也随之发生变化，导致试样的摩擦学性能也发生变化。GCr15钢试样内部组织经500 ℃退火处理后仅部分发生了回复，试样内部应力消除了，此时试样摩擦表面的硬度相对有所降低，导致GCr15钢试样容易产生塑性变形。这种塑性变形使其在磨粒作用下容易在磨损表面产生犁削，GCr15钢试样摩擦因数和磨损量也随之增加，试样表面犁沟数量相对增加。GCr15钢试样经过600 ℃退火处理后发生了再结晶,试样的微观组织由于再结晶完而出现了进一步细化，并且试样内部由于第二相分布均匀，对试样起到了弥散强化的作用，也就使试样的强度及硬度提高了，进而提高了GCr15钢的摩擦学性能；GCr15钢试样经过700 ℃退火处理后内部晶粒出现了长大，这种现象削弱了ECAE热挤压对GCr15钢晶粒细化的效果，试样的硬度及屈服强度也就随之降低了，因此GCr15钢表面的剥落加剧了，造成摩擦因数和磨损量的增加，GCr15钢试样因此而出现的磨粒磨损比较严重。

5　结论

研究了GCr15钢试样的摩擦磨损性能因ECAE热挤压工艺而提高的作用机制，分析了GCr15钢试样的摩擦学性能受ECAE热挤压工艺、载荷和滑动速度、退火温度等因素影响的作用机制，由此得到以下结论：

(1)GCr15钢试样经ECAE热挤压处理后显观组织显著细化了，其屈服强度和硬度显著提高了，磨损过程中裂纹产生的概率减小了，摩擦表面间的磨粒对试样表面的犁削作用也就减弱了，所以试样的磨粒磨损和表面疲劳磨损两种磨损形式出现程度降低，最终GCr15钢的摩擦学性能提高了。

(2)GCr15钢试样在摩擦磨损过程中主要有磨粒磨损、粘着磨损和表面疲劳磨损3种磨损形式，随着实验条件及试验参数的变化，这3种磨损形式呈现程度也有差异。

(3)GCr15钢试样经ECAE热挤压后晶粒显著细化，磨粒尺寸随之减小，这样两接触摩擦表面间的磨粒压入软基体的深度也就降低了，摩擦磨损过程中摩擦表面磨损体积减小，因此

试样的磨损量显著减小，从而使GCr15钢试样的耐磨性能大大提高。

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Research on Friction and Wear Mechanism of Steel GCr15 by Equal Channel Angular Extrusion

WANG Xiaofei

(The Desect1ment of Electrical Engineering,Henan Industry & Trade Vocational College，Zhengzhou Henan 450002,China)

Friction wear mechanism analysis was made for GCr15 steel which was processed by equal channel angular extrusion (ECAE).It is found that the grain is refined significantly, mill grain size is also reduced, so the depth of mill grain pressing into soft matrix between two contact friction surfaces is reduced; in the friction wear process, the reduction of wear volume on friction surface makes wear volume reduce significantly,so wear performance of GCr15 steel is improved greatly.

Steel GCr15; Friction and wear mechanism; Equal channel angular extrusion (ECAE)

2014-11-19

王小飞(1980—)，男，讲师，主要研究方向为自动化装备关键技术与制造。E-mail:651314910@qq.com。