载荷对Cr4Mo4V 轴承钢高温干摩擦特性的影响

刘 建， 郭 浩， 王 浩， 赵孟晨， 王 培

(1. 洛阳轴承研究所有限公司， 河南 洛阳 471039；2. 河南科技大学高端轴承摩擦学技术与应用国家地方联合工程实验室， 河南 洛阳 471023；3. 河南工业大学材料科学与工程学院， 河南 郑州 450001)

0 前 言

Cr4Mo4V 轴承钢是我国于20 世纪60 年代研制出的高温轴承钢，类似美国M50 钢。 Cr4Mo4V 是典型的含钼系高速钢，基体为α-Fe，增强相是Cr、Mo、V 的碳化物。 除具有GCr15 轴承钢的常见的高硬度、高耐磨性能优点外，还能耐高温，具有较好的尺寸稳定性以及较优的高温接触疲劳性能，极限工作温度高达316 ℃，至今仍是我国航空发动机主轴轴承的主要材料[1-3]。但Cr4Mo4V 轴承钢在冷却凝固的过程中区域富碳且其含有与碳有很强的亲和力的置换溶质，最终形成较多的一次共晶碳化物。 这些碳化物包含富钼M2C、富钒MC 和富铬M6C，在奥氏体化的过程中难溶解，降低Cr4Mo4V 轴承钢的强度与疲劳韧性，进而缩短轴承的使用寿命[4]。 另外，有研究[5]表明断裂韧性与材料的C 含量及硬度成反比，Cr4Mo4V 轴承钢也存在因C 含量及硬度较高而韧性相对较差的不足。 最后，Cr4Mo4V轴承钢因含有较多合金元素，其冶炼过程中及后续热加工过程中容易产生化学偏析进而形成晶粒尺寸差异，这也是YB/T 4105-2000“航空发动机轴承用钢”规定必须检验材料是否有混晶的原因[6]。 以上不足，限制了Cr4Mo4V 轴承钢的使用范围，但其仍是我国航空发动机轴承的主要材料之一。

航空发动机主轴轴承虽然主要在润滑状态下工作，但其存在乏油甚至无油的特殊工况，如战机急变速、转机空中翻转、油箱无油等[7，8]。 同时，航空发动机轴承本身存在较多滑动状态，如滚动体与保持架的滑动摩擦、滚动体与套圈挡边的滑动摩擦，滚动体的自旋摩擦等。另外，航空发动机的瞬时打滑失效日益成为其主要的失效方式之一[9]。 发动机轴承的瞬时干摩擦状态往往严重影响着轴承的最终失效，进而造成重大事故的发生。

载荷是轴承运转的重要参数之一，研究载荷对轴承钢瞬时干摩擦性能的影响对预防轴承失效、减少重大事故发生、保护机组人员生命具有重大意义。 基于此，本工作探究了干摩擦滑动及环境温度300 ℃条件下，载荷对Cr4Mo4V 轴承钢摩擦特性的影响规律，以期为轴承设计及轴承性能提升提供研究基础。

1 材料制备及试验方法

1.1 材料制备

试验材料选用国内某钢厂生产的规格为φ60 mm的热轧态Cr4Mo4V 轴承钢棒料，采用MP9 直读光谱仪检验试样的化学成分，测试结果为89.41%(质量分数，下同)Fe， 0.78%C， 1.01%V， 4.01%Cr， 4.15%Mo，0.27%Si， 0.28%Mn，Ni+P+Cu 为余量。 依据JB/T 2850-2007，Cr4Mo4V 钢热处理工艺见图1。

图1 Cr4Mo4V 钢的热处理工艺Fig. 1 Heat treatment process of Cr4Mo4V steel

1.2 摩擦试验设备及方法

摩擦试验仪器为MFT-5000 Rtec 万能摩擦试验机。其测试原理如下:将圆盘状试样固定在旋转装置上，由电机带动旋转装置旋转，转速可调；通过压杆施加载荷在与圆盘试样接触的钢球上，外围温度通过密闭的温度腔调节，具体见图2。

图2 球盘摩擦试验示意Fig. 2 Schematic diagram of ball disk friction test

干摩擦试验中配副为氮化硅球，精度等级为G10，规格为φ9.5 mm，批次为2018-1。 采用同批次原材料制备Cr4Mo4V 轴承钢摩擦盘试样，按上述热处理工艺对试样进行热处理(淬回火)，然后统一经磨削(粗磨、精磨)工序光整加工。 具体摩擦试验参数见表1。 摩擦试验过程中，摩擦系数由摩擦磨损试验机自带的计算机自动记录。 采用Nanofocus AG 三维表面轮廓仪测量试验块的磨痕横截面积轮廓并计算磨痕横截面积，每个试样的磨痕横截面积均为依次测量4 次磨痕位置后求得的平均值。 试验块的磨损体积由磨痕横截面积乘滑动周长求得，试验块的体积磨损率由磨损体积除以滑动距离再除以载荷所得。 每组试样摩擦系数和磨损率均为至少重复2～3 次摩擦磨损试验结果的平均值。

表1 Cr4Mo4V 轴承钢的干摩擦试验参数Table 1 Dry friction test parameters of Cr4Mo4V bearing steel

1.3 试验表征

采用JSM-6380LV 扫描电子显微镜(SEM)分析试样的磨损形貌、剖面形貌、磨屑形貌及面扫描成分。 采用INCA7582 能谱分析仪(EDS)分析磨损表面及磨屑的化学成分。 采用DXR Microscope Raman 激光拉曼散射仪对磨损表面的物相组成进行检测，激光波长为532 nm。 采用EPMA-8050G 扫面电子探针分析摩擦表面的物相结构，加速电压30 kV，背散射电子像分辨率20 nm。

2 试验结果及讨论

图3 为在环境温度300 ℃、速度0.3 m/s、不同载荷条件下Cr4Mo4V 轴承钢的摩擦系数与磨损率。 由图3a 可以看出，不同载荷条件下，Cr4Mo4V 钢的摩擦系数波动较小；载荷从1.2 GPa 增加到2.4 GPa，Cr4Mo4V 轴承钢的摩擦系数从0.89 逐渐减少到0.42 左右。 但随着载荷增加，磨损率从2.05×10-6mm3/(N·m)增加到2.68×10-6mm3/(N·m)，如图3b 所示。 不同载荷条件下，Cr4Mo4V 轴承钢磨损表面的SEM 形貌及EDS 面扫描结果见图4～7。

图3 不同载荷条件下Cr4Mo4V 轴承钢摩擦性能曲线Fig. 3 Friction property curves of Cr4Mo4V bearing steel under different load conditions

图4 在载荷1.2 GPa 条件下，Cr4Mo4V 轴承钢磨损表面SEM 形貌及图4a 对应的EDS 面扫描结果Fig. 4 SEM morphologies of wear surface of Cr4Mo4V bearing steel under 1.2 GPa load and plane scanning results of EDS corresponding to Fig. 4a

图5 在载荷1.6 GPa 条件下，Cr4Mo4V 轴承钢磨损表面SEM 形貌及图5a 对应的EDS 面扫描结果Fig. 5 SEM morphologies of wear surface of Cr4Mo4V bearing steel under 1.6 GPa load and plane scanning results of EDS corresponding to Fig. 5a

图6 在载荷2.0 GPa 条件下，Cr4Mo4V 轴承钢磨损表面SEM 形貌及图6a 对应的EDS 面扫描结果Fig. 6 SEM morphologies of wear surface of Cr4Mo4V bearing steel under 2.0 GPa load and plane scanning results of EDS corresponding to Fig. 6a

图7 在载荷2.4 GPa 条件下，Cr4Mo4V 轴承钢磨损表面SEM 形貌及图7a 对应的EDS 面扫描结果Fig. 7 SEM morphologies of wear surface of Cr4Mo4V bearing steel under 2.4 GPa load and plane scanning results of EDS corresponding to Fig. 7a

可以看出，Cr4Mo4V 轴承钢磨损试样表面磨痕清晰可见，磨损表面均有较多片状灰色转移物质产生，表现出黏着磨损特征。 随着载荷增加，片状灰色物质逐渐增多变大且逐渐被压实。 由磨损面主要元素扫描结果可知，这些灰色物质为摩擦过程中磨屑及其氧化物被反复摩擦产生的压实磨屑层，主要化学成分为O、Cr、Si、Mo、V、Fe，具有较明显的氧化现象。 因此，该摩擦表面的磨损机制为黏着磨损和氧化磨损。 为明确摩擦压实层的氧化物成分，对其进行拉曼光谱分析。

图8 为不同载荷时，摩擦表面上连续摩擦压实层的拉曼光谱(位移范围为100～1 200 cm-1)。

由图8 可以看出，不同载荷条件下连续摩擦压实层的衍射峰位极为相似，表明不同载荷条件下Cr4Mo4V 轴承钢表面产生的连续摩擦压实层类似。 在拉曼位移约为300 cm-1处出现了一个强度较高的衍射峰，对应Fe2+与Fe3+的拉曼光谱，表明此时摩擦表面已发生氧化，并形成Fe2O3氧化物。 同时，位于400 cm-1处的衍射峰则表明有MoO3产生。 衍射峰最高处出现在拉曼位移660～680 cm-1处，对应MoO3，Fe3O4，Cr2O3共3 种氧化物，同理，830 cm-1处的衍射峰也为Fe2O3。 不同载荷下， 摩擦压实层均由Fe2O3和MoO3组成，其中在最高载荷(2.4 GPa)处衍射峰最高，表明该条件下摩擦表面氧化物最多。 摩擦压实层可以起到隔离摩擦副、减少磨损的作用，进而改善摩擦状况。 因此，随着载荷增加，Cr4Mo4V 试样的摩擦系数逐渐减小。

图8 不同载荷条件下Cr4Mo4V 钢磨擦表面压实层的拉曼光谱Fig. 8 Raman spectra of compacted layer on Cr4Mo4V steel surface under different loading conditions

图9 为当载荷为2.4 GPa 时，Cr4Mo4V 摩擦表面上压实层的SEM 形貌及EPMA 测试结果。 其中Mo 元素区域的尺寸为微纳米级别，与O 元素的EPMA 测试结果没有对应，表明大多元素Cr 和Mo 未发生氧化。 O主要集中在灰色物质区，表明摩擦压实层主要为磨屑的氧化物。 Fe 的含量在灰色物质区较少而在灰色物质区周围较高，结合图8 拉曼光谱结果可知，灰色物质物质主要为MoO3，Fe3O4，Cr2O3，Fe2O3，周围主要为钢基体成分，因而Fe 含量较高。 这也验证了，压实层物质为摩擦产物，即Fe 和Mo 的氧化物。

图9 载荷2.4 GPa 时，Cr4Mo4V 轴承钢摩擦表面上压实层的SEM 形貌及EPMA 测试结果Fig. 9 SEM morphology and EPMA test results of compacted layer on friction surface of Cr4Mo4V bearing steel under load of 2.4 GPa

收集不同载荷摩擦试验后的磨屑并观察其SEM 形貌，结果如图10 与表2 所示。 图10 显示当载荷为1.2 GPa 时磨屑的形貌，该条件下磨屑主要呈块状，磨屑尺寸小，局部有片状磨屑产生，具有明显磨粒磨损的特征。 当载荷为1.6 GPa 时(图10b)时，片状磨屑尺寸增大，伴有极其细小的粒状磨屑。 载荷的增加引起摩擦表面温度升高。 图10c 为载荷为2.4 GPa 时磨屑的微观形貌，片状磨屑尺寸进一步增大，主要分为2 种:一种为微纳米尺寸(1～20 μm)呈椭圆状；另一种尺寸较大(大于50 μm)，呈鳞片状，其成分主要为MoO3，Fe3O4，Cr2O3，Fe2O3氧化物，这些氧化物是在高温(大于400 ℃)作用下因氧化与软化黏着磨损后从摩擦表面脱落的。 因此，随着载荷增加，Cr4Mo4V 试样的磨损率不断增加。

表2 不同载荷条件下Cr4Mo4V 轴承钢的磨屑尺寸、形貌及成分Table 2 Size， morphology and composition of wear debris of Cr4Mo4V bearing steel under different loading coditions

图10 不同载荷条件下Cr4Mo4V 轴承钢试样的磨屑形貌Fig. 10 Wear debris morphologies of Cr4Mo4V bearing steel sample under different loading conditions

摩擦表面的金属氧化物主要为Fe2O3与Fe3O4，以及少量的MoO3与Cr2O3。 文献[10]也有类似结论，在704 ℃条件下MoO3(熔点795 ℃)、Fe3O4(熔点1 528℃)、Cr2O3(熔点1 900 ℃)的起始摩擦系数均高于终点摩擦系数，金属氧化物在高温时会发生软化，其剪切强度较低，常被认为是固体润滑剂。 摩擦副在相对滑动过程中，氧化磨损是化学氧化与机械磨损2 种作用相继进行的过程。 氧化磨损的程度取决于氧化膜的强度及氧化速度，脆性氧化膜与基体抗剪切能力差或者氧化膜生成速率低于磨损率时，磨损严重；当氧化膜韧性高于基体链接抗剪切强度或者氧化膜生成速率高于磨损率时，氧化物的形成起到减磨耐磨作用。 薄的氧化膜强度高，有利于降低摩擦系数和防止黏着磨损。 但如果摩擦表面严重氧化，氧化膜厚度的增加会降低其强度，引起氧化物脱落，作为磨粒将对摩擦副产生二次磨损，恶化磨损。 氧化膜的形成和生长达到一定厚度时，会将摩擦表面隔开，摩擦过程中表面生成的氧化膜发生脱落后，表面与氧化性介质会很快形成新的氧化膜。 因此，随着载荷增加，Cr4Mo4V 试样的摩擦系数不断降低，但磨损率与磨屑尺寸逐渐增加。

3 结 论

(1)随着载荷增加，Cr4Mo4V 轴承钢的平均摩擦系数从0. 89 降低为0. 42，但磨损率从2. 05 × 10-6mm3/(N·m)增加到2.68×10-6mm3/(N·m)。

(2)载荷的增加引起摩擦表面温度升高，氧化膜的形成改善减摩性能，但导致氧化磨损加剧。

(3)不同载荷条件下，Cr4Mo4V 轴承钢干摩擦过程中的磨损机制主要为氧化磨损和黏着磨损。