内外筒圆弧面摩擦副磨损失效分析

摘要：内外筒圆弧面摩擦副配合形式在多种工程机械中应用广泛，在工况比较复杂恶劣的环境中工作一段时间后，内外筒的接触面会出现不同程度的摩擦损伤，最后导致内外筒间无法正常工作。为探究其失效机理，本文借助OPLYMPUS-PMG3金相显微镜、HV-1000显微维氏硬度计和S-3000N扫描电镜对某型号工程机械内外筒的显微组织、表面硬度以及其表面磨损形貌进行了分析。结果表明：外筒在热处理过程中产生较为严重的组织缺陷，导致其表面许用接触应力较低；内筒接触表面硬度为48HRC，低于工艺要求，渗氮层厚度为0.2mm—0.3mm，满足工艺要求；SEM照片说明内外筒的磨损机制为：以黏着磨损和疲劳磨损为主，伴随着磨粒磨损的三体磨损。

关键词：圆弧摩擦副, 摩擦磨损,失效分析

中图分类号：TG407

1 序言

随着我国经济的高速发展，乡村城镇化、乡镇城市化的进程进一步加剧，基础设施，道路建设覆盖面越来越广，工程机械扮演着不可或缺的角色。在工程机械设计中，内外筒圆弧面摩擦副是应用最广泛的一种设计形式，因各种复杂工作工况的出现，其在工作过程中内外筒之间的接触应力也越来越复杂和多变，所以常出现摩擦损伤，甚至烧死等现象，对整机的工作效率影响较大[1—2]。本文选择以某型号工程机械的内外筒摩擦副作为研究对象，借助金相显微镜、显微硬度计和扫描电镜对支腿内外筒的热处理工艺进行检测，寻找其失效原因，探索其失效机制，为该形式的摩擦副失效分析提供一种便捷、高效的分析思路[3]。

2 实验部分

外筒：材质为45钢，调质处理，硬度200—229HB；

内筒：材质为27SiMn钢，调质后表面氮化，层深0.2mm—0.3mm，硬度HRC55—60。

2.1 显微组织分析

试样的显微组织经砂磨、抛光、腐蚀后借助OPLYMPUS-PMG3金相显微镜进行观察，从内外筒径向方向切取全壁厚试样进行实验。

图1—图4分别是支腿内筒外壁渗层边缘和基体的显微组织，从图1、图2可以看出，内筒金相组织由外表面到心部共分3层，第一层，最表面层，出现一薄层白色组织，厚度约为30um，为碳氮化合物；第二层，为过渡区组织，珠光体+氮化物，白色氮化物弥散分布于黑色的珠光体上；第三层为心部原始组织，为回火索氏体。根据金相法测定渗层厚度，从零件表面到过渡层与心部分界线处，渗层厚度约350um（0.35mm），渗层厚度从金相上判断符合工艺要求。

图5—8为外筒显微组织，皆为沿晶界分布的网状铁素体+回火索氏体，网状铁素体沿奥氏体晶界析出，奥氏体晶粒度为8级，奥氏体无过热现象。根据《GB/T13320-2007钢质模锻件金相组织评级图及评定方法》，金相组织为索氏体+网状、块状铁素体，评级为8级，属于不合格组织。

2.2 硬度测试分析

根据国标《GB/T 4340.1-2009金属材料维氏硬度试验方法》，试样经砂磨、抛光、腐蚀后，在HV-1000显微维氏硬度计下测试试样显微硬度，加载载荷2.942 N，加载时间为10S。

2.2.1内筒显微硬度测试

内筒外表面显微硬度分布如图9所示，内筒外表面显微硬度均值为501HV，换算成洛氏硬度均值为48HRC，低于工艺要求：55—60HRC。

内筒外表面到心部的显微硬度值分布如图10所示。内筒外表面到心部硬度逐渐降低，心部硬度显微硬度均值为267HV，根据《GB/T11354-2005 钢铁零件渗氮层深度测定和金相组织检验》，从试样表面测至比基体维氏硬度高50HV处的垂直距离为渗氮层深度，渗层深度在0.3mm—0.4mm之间，与金相测定渗层厚度相一致，本试验中碳氮渗层厚度符合要求，表层硬度不足，一般是由于热处理工艺温度过高，导致表层硬度不足。

2.2.2 外筒洛氏硬度测试

根据国标《GB/T230.1-2004金属洛氏硬度试验方法》对外筒进行洛氏硬度检测，外筒从表面到内部硬度均匀，平均值为21HRC，硬度值见表1。

表1 外筒硬度

2.3 磨损形貌分析

在内外筒接触表面磨损严重处，切取磨损试样，在扫描电子显微镜下对磨损形貌进行观察，磨损形貌如图11—14所示。

从图11—12可以看出，外筒表面发生了严重的黏着磨损，磨损试样表面有大量片状磨屑剥落和磨屑堆积，塑性变形严重，撕裂纹理明显。从图13—14可以看出，磨损表面磨屑较少，裂纹扩展方向明显，为疲劳失效。

2.4 失效机理

结合内外筒的显微组织和磨损表面形貌，可以确认外筒表面发生了黏着磨损。其过程是：在接触载荷的作用下，外筒表面在接触点处发生塑性变形，使接触点产生黏着(即冷焊合)，在相对滑动时，黏着点被剪断，然后出现黏着—剪断—再黏着—再剪断的循环过程，外筒出现较为严重的黏着磨损。

从外筒撕裂的颗粒被夹在内外筒之间，形成三体磨损，在挤压力作用下将内筒表面渗氮层压碎，润滑油楔入裂纹中，内外筒在滑动时又将裂纹口封住，裂纹中的润滑剂被堵在缝中，形成巨大的压力，迫使裂纹向前扩展，经过多次交变后，裂纹扩展到一定深度，形成疲劳失效。

3 结论

（1）内外筒的疲劳失效机制为：外筒以黏着磨损为主，内筒以疲劳磨损为主，同时伴随着三体磨损。

（2）内外筒的磨损失效的原因主要是在热处理过程中，外筒因冷却速度太慢，在晶界处布满网状分布的铁素体，使得基体的强度下降严重，在工作过程中很容易发生塑性变形，成为冷焊结点，造成失效。

参考文献：

[1] 王仁智，吴培远 疲劳失效分析[B] 北京：机械工业出版社，1987

[2] 江利，孙智，吴玉萍 现代金属材料[B] 徐州：中国矿业大学出版社，2000

[3] 王学，张学伦，曾华峰等 ZG20MnMo锅炉汽水管道焊接裂纹失效分析[J].机械工程材料，2003，27（10）：49

（作者单位：徐州徐工筑路机械有限公司）