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冷轧Q235钢_45钢摩擦磨损行为研究_田野

第23卷第6期2009年11月山东理工大学学报(自然科学版)Jour nal of Shandong U niversity of T echnology (Na tur al Science Editio n )

V ol .23N o .6

N ov .2009

收稿日期:2009-04-24

作者简介:田野(1987-),男,助教.E -mail :tiany e0204@https://www.wendangku.net/doc/1918479593.html,

文章编号:1672-6197(2009)06-0028-05

冷轧Q235钢/45钢摩擦磨损行为研究

田　野,刘利国,陈崇亮

(江南大学机械工程学院,江苏无锡214122)

摘　要:为了研究冷轧Q235钢/45钢在干摩擦实验条件下的表面摩擦磨损行为,在M -2000型摩擦磨损试验机上分别进行了等速变载荷、等载荷变速和等速变载荷间歇接触冲击条件下的摩擦磨

损试验.利用摩擦力矩-摩擦系数法对Q235钢的摩擦磨损机理特性进行了研究分析.结果表明,冷轧Q235钢的摩擦系数和磨损量随载荷的增加而增加(但增加趋势减缓)、随转速的提高而减小.在间歇接触冲击时,其摩擦系数比其他两种条件下的摩擦系数大1.4～3.3倍,磨损量比其他两种条件下的磨损量大1.24～1.51倍.关键词:Q235钢;摩擦磨损;摩擦力矩-摩擦系数;冲击中图分类号:TG115.5+8

文献标识码:A

Friction and abrasion behaviors of the cold rolled Q235steel /45steel

TIAN Ye ,LIU Li -guo ,C HEN Chong -liang

(Schoo l of M echanical Engineering ,Jiang nan U nive rsity ,Wux i 214122,China )

A bstract :In orde r to study the friction and abrasion behaviors o f the cold ro lled Q235steel /45steel under dry frictio n test conditions ,the frictio n and abrasio n tests are made o n the M -2000frictio n and abrasion tester under different co nditions such as uniform velocity and fluctuating load ,equipo llent lo ad and varying velocity ,and unifo rm velocity and fluctuating load w ith periodi -cal touch im pact .T he reactive tribolog ical mechanism and characteristics of Q235steel has been studied and analy zed by using frictio n moment -friction coefficient .The results demonstrate that the friction coefficient and abrasion amo unt o f the cold rolled Q235steel deg ressively increase with the increase of lo ad ,and decrease with the increase of velocity .During periodical touch im -pact ,the friction coefficient is generally 1.4to 3.3times more than the friction co efficients under the o ther tw o conditions ;and the abrasion amo unt is generally 1.24to 1.51times more than the abrasio n am ount under the o ther tw o conditions .Key words :Q235steel ;frictio n and abrasion ;friction m oment -frictio n coefficient ;impact Q235钢属于含碳量小于0.38%的用途最广的普通碳素结构钢,因其铁素体含量较多,故其塑性、韧性优良,屈服点低,强度不高.Q235价格便宜,容易生产,在机械上使用很广泛,Q235-C ,Q235-D 还可以用于较重要的焊接机构上.此外,建筑中也广泛使用Q235钢来制造建筑构件.虽然Q235钢应用广泛,但目前国内外对Q235钢的研究主要是集中在

进行表面处理方面,对于Q235钢在不同外界情况下的摩擦磨损行为机理的研究甚少[1]

,这使得与

Q235钢相关的构件、产品、机械等的使用和维护缺乏了一定的理论基础和实践指导.同时,金属材料的摩擦磨损特性和在摩擦磨损过程中表面及表面层出现的塑性变形、晶粒组织变化和产生氧化物等现象与材料本身的表面形态、表面物理与化学性质[2]等

DOI :10.13367/j .cn ki .sd gc .2009.06.004

及外界条件如摩擦面所受的载荷、滑动速度、润滑剂的有无[3]等有着复杂的关系,而且对摩擦磨损有显著影响,可见Q235钢的摩擦磨损机理是相对复杂的.因此,基于Q235钢应用的广泛性和相关研究的缺乏性与复杂性,对其进行摩擦磨损研究具有一定的现实意义.本文初步研究了冷轧Q235钢/45钢在干摩擦实验条件下的摩擦磨损机理,以期为生产实验提供一定的理论基础和实践指导.

1　试验部分

1.1　试样制备

Q235加工成块试样,尺寸为30m m×5mm×5mm,H RC为18,表面初始粗糙度为0.829μm.摩擦副是外径为φ35m m、内径为φ20m m、厚度为10m m的圆环,其材料为45钢,H RC为34.8,表面初始粗糙度为0.387μm.

1.2　试验过程

试验开始前,用TR240便携式表面粗糙度仪和T R140里氏硬度计分别测量上下试样的表面粗糙度和硬度,然后用丙酮对试样和对磨件进行反复清洗,再在密闭真空条件下烘干约10min,在密闭真空条件下冷却.

试验时,选取已清洗好的45钢作为下试样摩擦副、Q235钢试样作为上试样试验件,在M-2000型摩擦磨损试验机上进行试验.上试样位置固定,静止不动,下试样分别在低速(200r/min)、高速(400r/ min)情况下进行试验.在每种转速下分别进行4组试验,载荷依次为100N,150N,200N,250N.

在等速变载荷间歇接触冲击条件下的摩擦磨损试验中,上试样在偏心圆环的作用下,以100次/ min的频率冲击下试样,下试样转速为低速(200r/ min),所加载荷分别为100N、200N.

以上试验过程为无润滑干摩擦,每组试验持续30min,每隔3min记录一次相应的力矩数值,每组共记录10个数值,本试验共记录8组力矩数值.

实验结束后,立即用丙酮对试样进行反复清洗,将清洗完毕的试样在密闭真空条件下烘干约10min,然后在密闭真空条件下冷却.冷却完毕,立即用电子分析天平进行称重.摩擦力矩在M-2000型摩擦磨损试验机上可以直接测出.则摩擦系数

μ=Q

P =T R×P

其中:μ为摩擦系数;Q为摩擦力(N);P为试样所承受垂直载荷(N);T为摩擦力矩(N·m);R为下试样半径(m).

耐磨性能的评定方法采用称重法.用精度达万分之一的电子分析天平分别称出试样在试验前后的重量,然后通过试样在实验前后的重量之差来评定材料的耐磨性能.即

ΔW=W0-W1

其中:ΔW为试样的磨损量(g);W0为试样在实验前的重量(g);W1为试样在实验后的重量(g).

2　摩擦磨损特性分析

由图1,图4和图5可知,在等速变载荷条件下,Q235钢的摩擦系数和磨损量都随载荷的增加而呈现出不同程度的升高.同时,由图1知,

摩擦系数

图1　

低速不同载荷时摩擦系数曲线

图2　载荷250N

时不同转速的摩擦系数曲线

图3　间歇低速时不同转速的摩擦系数曲线

第6期田　野,等:冷轧Q235钢/45钢摩擦磨损行为研究

图4　

不同条件下的磨损量

图5　不同条件下的磨损量柱状图

的升高趋势随着载荷的升高而逐渐减缓,即在一定的载荷范围内随着等值的增加载荷,摩擦系数的增

量逐渐减小.在200r /min 变载荷情况下摩擦系数趋于稳定时,载荷100N ,150N ,200N ,250N 对应的平均摩擦系数依次为0.6575,0.7333,0.7500,0.7555,随载荷增大而增大;摩擦系数增量依次为0.0766,0.0167,0.0055,呈现递减趋势;磨损量依次为0.0431g ,0.0500g ,0.0528g ,0.0637g ,随载荷增大而增大.同样,在400r /min 变载荷情况下摩擦系数趋于稳定时,平均摩擦系数依次为0.4855,0.5235,0.5430,0.5595,随载荷增大而增大;摩擦系数增量依次为0.0375,0.0195,0.0166,呈现递减趋势;磨损量依次为0.0424g ,0.0465g ,0.0510g ,0.0597g ,随载荷增大而增大.由图2知,在等载荷变速试验条件下,200r /min 时的摩擦系数和磨损量要比400r /min 时的摩擦系数和磨损量大.载荷250N 不同转速下摩擦系数趋于稳定时:200r /min 时平均摩擦系数为0.7555;400r /min 时

平均摩擦系数为0.5685,200r /min 时平均摩擦系数比400r /min 时平均摩擦系数高出32.8%.而由图4和图5知,200r /min 时磨损量为0.0637g ,400r /min 时磨损量为0.0579g ,200r /min 时磨损量要比400r /min 时磨损

量高出10.01%.同样,载荷100N 趋于稳定时,200r /min 时平均摩擦系数比400r /min 时平均摩擦系数大35.4%,磨损量要高出1.65%;载荷150N 趋于稳定时,200r /min 平均摩擦系数比400r /min 时平均摩擦系数大40.1%,磨损量要高出7.68%;载荷200N 趋于稳定时,200r /min 时平均摩擦系数比400r /min 时平均摩擦

系数大38.1%,磨损量要高出6.70%.

由图3～图5可知,在等速变载荷间歇接触冲击条件下,Q235钢的摩擦系数依然随着载荷的增加而升高.同时把此条件下的试验与等速变载荷和等载荷变速条件下的试验相比不难看出,此条件下的摩擦系数骤增至非常大,而且远远大于其他两种条件下的摩擦系数.同时由图4和图5可知,该条件下的磨损量也要比同速同载荷非间歇接触冲击条件下的磨损量大得多.200r /min -间歇200N 稳定时平均摩擦系数要比200r /min -200N 稳定时平均摩擦系数大206.7%,比400r /min -200N 稳定时平均摩擦系数大323.6%.200r /min -间歇200N 时磨损量是200r /min -200N 时磨损量的1.244倍,是400r /min -200N 时的磨损量的1.420倍.200r /min -间歇100N 稳定时平均摩擦系数要比200r /min -100N 稳定时的平均摩擦系数大141.2%,比400r /min -100N 稳定时的平均摩擦系数大226.7%.200r /min -间歇100N 时的磨损量是200r /min -100N 时的磨损量的1.485倍,是400r /min -100N 时的磨损量的1.509倍.

3　摩擦磨损机理分析

在不同载荷条件下,由于表面粗糙度的影响,上下试样表面的实际接触发生在离散的微凸体上.当在外加载荷作用下使试样表面的微凸体接触时,原

子之间的作用力使微凸体产生粘着力,一旦有相对滑动,此粘着力就和其他力构成摩擦力.随着外加法向载荷的增大,接触表面进一步接近,更多微凸体进入接触状态,从而使已发生的接触面积进一步增大,以承受增大的载荷.接触面积越大,表面的相互作用就越大.因而摩擦系数随载荷的增加而升高.但由于外加载荷使接触区发生的变形将产生抗衡外加载荷的力,这使得微凸体间的接触难度逐渐加大,并且实

山东理工大学学报(自然科学版)2009年　

际的接触面积是有限,因而摩擦系数的升高趋势随着载荷的升高而逐渐减缓.

在等载荷变速试验条件下,随着转速的增加单位时间内由摩擦力做的功增加,进而有更多的能量转化成试样的内能,从而使其温度升高.摩擦温度会影响到试样表层的组织结构和性能,使得接触表面的摩擦状况得以缓和,进而使摩擦系数随转速的升高而逐渐减小.此外,高温也加快了氧化速度,这在某种程度上将导致低粘着和低摩擦[4],从而也会使摩擦系数降低.

在等速变载荷间歇接触冲击条件下,试验系统每次接触的时间极短,这样使得接触载荷的变化率很大,从而使摩擦条件变得恶劣.此过程可看作静摩擦过程,由于接触载荷拥有很大的变化率,使得静摩擦的摩擦系数远远大于一般情况下的动摩擦系数,因而在整个摩擦过程中系统的摩擦力随着时间呈现一种波动状态,即出现粘滑现象.由于粘滑现象的出现,使得摩擦系数突然增大.

此外,从图1～图4中都可以观察到,试验开始时摩擦系数很大,然后随着试验的进行逐渐减小,最后趋近于稳定状态.这与试样的表面初始特性有关.表面粗糙度反映了机械加工过程的固有特性,试验初期试样表面粗糙度较大,这使得接触点生长[3],从而使摩擦系数很大.另外,试样表层结构如试样表层的加工变形层、氧化层、吸附层等的影响也会使摩擦系数很大.随着试验的进行,试样的表层特性逐渐被破坏,这一过程表现为摩擦系数的逐渐减小.当试样的表层特性完全被破坏后,摩擦几乎只发生在Q235和45钢之间.在试验期间,由于摩擦的条件无显著变化,所以表现为摩擦系数趋于稳定,但该稳定是在一定范围内波动的,这可能是由于试样表面较粗糙所致[5].此时的摩擦系数最接近在试验条件下的Q235和45钢的真实的摩擦系数.

在载荷较低阶段,硬度较高的的45钢充当硬质体,Q235钢充当软质体,由于软质材料的塑性流动,犁沟在Q235表面形成了一系列沟槽,此时对应的磨屑较小,磨损速率较低.由图6(a)和图6(b)可看出,试样的摩擦表面产生了沿摩擦方向上的沟痕和磨粒,此时的试样磨损主要是擦伤磨损.但随着载荷的增加,两接触面间的正压力也随之增加,进而接触面的面积加大.同时随着载荷的增加,接触面间的摩擦热也有所增加,从而致使接触区温度升高.在温度和压力共同作用下使得接触表面的磨损类型向磨损加重的方向改变.由图6(c)和图6(d)看出,高速200N和高速250N时试样摩擦表面出现了明显黏结点,故其主要是胶合磨损.胶合磨损使得试样的黏着结点的破坏以塑性流动为主,且发生的深度较深,磨屑较大,因而使得磨损加重.这就是磨损量随着载荷的增加而增大原因[6].

在不同的转速时,随着转速的增加,摩擦力做的功也随之增加,进而使得摩擦面的温度升高,而磨损形式中混杂着的氧化磨损也渐渐增强,在试样接触表面形成一层氧化膜或非晶形氧化物,它阻碍了金属间的直接接触,故随着转速的增加,Q235钢的磨损量有所减少.

另外,在间歇接触冲击条件下的磨损量要比同速同载荷非间歇接触冲击条件下的磨损量大得多

(a)200r/min-100N(b)200r/min-

150N

250N

(e)200r/min-间歇100N (f)200r/min-间歇200N

图6　不同试样条件下的试件磨损表面图

第6期田　野,等:冷轧Q235钢/45钢摩擦磨损行为研究

这是因为在极短时间内试验表面受到的冲击和摩擦作用比其他情况更集中、变化更大.此外,在冲击时,接触表面间将会发生能量的交换,绝大部分能量散失在接触表面上,这部分由动能转化的热能可能造成试样表面的温度升高,这可能使较软的Q235钢接触表面流动性瞬间增大,使得在一瞬时接触表面上出现了极严重的磨损-点蚀磨损,最终使得Q235表面出现了严重的点蚀现象,如图6(e)和图6(f)所示.因而这种情况下,磨损最为严重,磨损量最大.

此外,从图6可看出,试样的表面都呈现一定的红褐色,这是由于Q235钢/45钢的摩擦副在有氧气的环境中产生了氧化磨损,并且摩擦过程产生的摩擦热促进了氧化磨损.氧化磨损存在于整个试验过程中.

4　结论

(1)冷轧Q235钢/45钢在干摩擦等速变载荷试验条件下,摩擦系数和磨损量都随载荷的增加而呈现出不同程度的升高,但摩擦系数的升高趋势随载荷的增加而逐渐减缓,实际应用中应在满足要求的情况下采用较小的外加载荷.

(2)在干摩擦等载荷变速试验条件下,冷轧Q235钢的平均摩擦系数和磨损量都要比高速时的平均摩擦系数和磨损量大,平均摩擦系数一般要大出32.8%～40.1%,磨损量要高出1.65%～10.01%.应用时在一定条件下宜选用适当的较高的转速.

(3)间歇接触冲击条件下,冷轧Q235钢的摩擦系数和磨损量也随着载荷的增加而升高.但此条件下的摩擦系数骤增至非常大,而且远远大于其他两种条件下的摩擦系数,一般要比其他两种条件下的摩擦系数大1.4～3.3倍.其磨损量也要比同速同载荷非间歇接触冲击条件下的磨损量大得多,一般要大1.24～1.51倍.因此,在工程实际中,应尽量减少或避免摩擦振动和间歇接触冲击的情况.

(4)试验过程中,当载荷较低时,擦伤磨损是试样的主要磨损形式;当载荷较高时,胶合磨损是试样的主要磨损形式;在间歇接触冲击条件下,点蚀磨损是主要的磨损形式;氧化磨损贯穿于试验的始终.

参考文献:

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[2]温诗铸,黄　平.摩擦学原理[M].(3版).北京:清华大学出版

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[3]刘家浚.材料磨损原理及其耐磨性[M].北京:清华大学出版社,

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[4]布尚B.摩擦学导论[M].葛世荣,译.北京:机械工业出版社,

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[5]王建忠,隗晓云,徐晋勇,等.Q235经两种表面热处理工艺后摩

擦磨损性能的研究[J].工具技术,2005,10:6-10.

[6]赵　民,赵永赞,左运发,等.冷轧Q235钢/激光溶覆合金钢摩擦

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(编辑:郝秀清)

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