稀土改性GCr15钢与保持架材料间的滑动摩擦磨损

doi:10.11901/1005.3093.2021.697

稀土改性GCr15钢与保持架材料间的滑动摩擦磨损

李林龙¹, 杨丽琪², 薛伟海^,², 高禩洋², 王旭¹, 段德莉², 李曙²

1.辽宁石油化工大学机械工程学院抚顺 113005

2.中国科学院金属研究所辽宁省航发材料摩擦学重点实验室沈阳 110016

Sliding Friction and Wear between Rare Earth Modified GCR15 Steel against Cage Materials

LI Linlong¹, YANG Liqi², XUE Weihai^,², GAO Siyang², WANG Xu¹, DUAN Deli², LI Shu²

1.School of Mechanical Engineering, Liaoning Petrochemical University, Fushun 113005, China

2.Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Liaoning Key Laboratory of Aero-engine Materials Tribology, Shenyang 110016, China

通讯作者: 薛伟海，副研究员，whxue@imr.ac.cn，研究方向为材料摩擦磨损

责任编辑: 黄青

收稿日期: 2021-12-21 修回日期: 2022-07-15

基金资助:

中国科学院战略性先导科技专项(XDC04040401)

Corresponding authors: XUE Weihai, Tel: 15902407570, E-mail:whxue@imr.ac.cn

Received: 2021-12-21 Revised: 2022-07-15

Fund supported:

Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences(XDC04040401)

作者简介 About authors

李林龙，男，1993年生，硕士生

摘要

进行环/块实验，研究了在脂润滑条件下稀土改性的GCr15轴承钢与胶木保持架材料间的滑动摩擦学行为，并与普通GCr15轴承钢进行了对比。结果表明：虽然稀土GCr15钢与胶木材料间的摩擦系数较大，但是其磨损体积却比普通GCr15钢的小。两种轴承钢材料的去除都以磨粒磨损为主，且随着转速的提高磨损体积减小。稀土GCr15钢的磨痕表面只出现犁沟，而普通GCr15钢除了出现磨粒磨损中塑性去除的犁沟，剥落也比较多。从碳化物、非金属夹杂物和残余奥氏体等方面，研究了GCr15钢经稀土改性后的组织改善对其使役行为的影响。结果表明，虽然稀土改性在一定程度上降低了轴承钢的硬度，但却有效地抑制了GCr15轴承钢在服役中出现的磨粒磨损中的断裂去除机制——材料剥落，从而提高了其在滑动摩擦条件下的耐磨损性能。

关键词： 金属材料; 稀土改性; GCr15钢; 滑动摩擦; 磨损机制

Abstract

The sliding tribological behavior of rare earth-modified GCr15 bearing steel against bakelite cage material was investigated via ring/block tester under grease lubrication conditions, in comparison with the ordinary GCr15 bearing steel. The results show that although the measured friction coefficient between rare earth GCr15 steel and bakelite material is larger, its wear volume is smaller than the ordinary GCr15 steel; both bearing steels have experienced material removal mainly caused by abrasive wear, and their wear volume tends to decrease with the increasing rotation speed; only furrows can be seen on the surface of the wear scar of rare earth GCr15 steel, while the ordinary GCr15 steel has more flaking in addition to the furrows that are removed during abrasive wear. The influence of the rare earth induced microstructural improvement of the GCr15 steel on its service behavior is discussed in terms of carbides, non-metallic inclusions and retained austenite. It follows that although rare earth modification reduces the hardness of bearing steel to a certain extent, but it can effectively suppress the fracture removal mechanism in abrasive wear, that GCr15 bearing steel inevitably appears during service, i.e., material spalling, thereby its wear resistance under sliding friction conditions is improved.

Keywords： metallic materials; rare earth modification; GCr15 steel; sliding friction; frictional wear

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本文引用格式

李林龙, 杨丽琪, 薛伟海, 高禩洋, 王旭, 段德莉, 李曙. 稀土改性GCr15钢与保持架材料间的滑动摩擦磨损[J]. 材料研究学报, 2023, 37(6): 408-416 DOI:10.11901/1005.3093.2021.697

LI Linlong, YANG Liqi, XUE Weihai, GAO Siyang, WANG Xu, DUAN Deli, LI Shu. Sliding Friction and Wear between Rare Earth Modified GCR15 Steel against Cage Materials[J]. Chinese Journal of Materials Research, 2023, 37(6): 408-416 DOI:10.11901/1005.3093.2021.697

轴承是现代工业中重要的基础部件，得到了广泛的应用^[1~3]。滚动轴承由内圈、外圈、滚动体、保持架和润滑剂等五部分组成，保持架与滚动体之间的摩擦是滑动摩擦^[4,5]。各运动接触部件间的摩擦学行为，是决定轴承整体性能和寿命的关键因素。以往针对轴承材料滑动摩擦的研究，大多关注滚动体与套圈之间滑差引起的问题。贺甜甜等^[6]研究了不同载荷下GCr15轴承钢的滑动摩擦磨损性能，发现摩擦系数随着载荷的增大而减小，磨痕宽度和磨损率随着载荷的增大而增大。Su等^[7]采用球/盘往复形式研究了干摩擦和脂润滑条件下GCr15轴承钢的滑动摩擦磨损行为，发现干摩擦的磨损量较大，而脂润滑的磨损量较小。王泽宁等^[8]采用氮化硅陶瓷球为对摩副研究了表面感应淬火GCr15轴承钢的滑动摩擦磨损行为，发现不同载荷的磨损机制不同，且随着载荷的增大摩擦系数降低。

针对轴承滚动体与保持架之间的滑动摩擦研究，大多关注保持架材料的磨损。Zhang^[9]研究了聚酰亚胺保持架与金刚石划头在点接触条件下的摩擦行为。结果表明，滑动速度越大其摩擦系数越小；法向载荷越大则摩擦系数的增大较为缓慢。徐扬等^[10]研究了PTFE基复合材料保持架与轴承钢内圈之间的滑动摩擦磨损性能，结果表明：润滑状态的改变显著影响材料的磨损量，在油/脂润滑条件下PTFE基复合材料的磨损明显减轻。在这些工作中，不仅接触形式和对摩副选择都与实际工况相去甚远，而在实际服役中滚动体经常被保持架损伤。

多年来，钢的稀土改性一直是轴承钢研究的热门课题^[11]。对稀土轴承钢各项性能的结果表明，稀土的加入可净化钢液、变质夹杂物和微合金化，显著提高钢的洁净度和均质化^[12~14]。许传才等^[15]研究了稀土对轴承钢组织和性能的影响，发现用稀土脱氧在钢中生成的稀土夹杂物均匀地分布在钢中，从而提高了轴承钢的抗接触疲劳性能。但是，稀土改性轴承钢的硬度有所降低，其与保持架材料之间的滑动摩擦产生的磨损值得关注。本文在不同转速脂润滑条件下进行滑动摩擦磨损实验，分析摩擦系数、磨损体积、磨痕形貌、磨损机制及其与稀土改性的关系，研究稀土改性对GCr15钢与胶木保持架之间滑动摩擦磨损行为的影响。

1 实验方法

采用环/块模式在Rtec多功能摩擦磨损试验机上模拟滚动轴承服役时滚动体与保持架之间的滑动摩擦，图1给出了实验的原理示意图。

图1

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图1 试验原理示意图

Fig.1 Schematic diagram of test principle

用滚动体材料做块试样，用保持架材料做环试样。实验时块试样与环试样圆周接触，在块试样上加载，环试样做旋转运动，两者间产生滑动摩擦。加载杆上的二维测力传感器测出获取法向力(载荷)和切向力(摩擦力)，实验机实时给出摩擦系数。在实验前和运行中，要确保润滑脂不断涂抹到块与环的接触区域。

实验的设计，针对型号为7008C的轴承。根据该轴承参数和实际工况，选择固定试验载荷为30 N。实际中轴承的转速为2000 r/min时，计算出滚动体与保持架之间的相对滑动速度为1000 r/min。完了考察滑动速度的影响，采用500 r/min(低速)、1000 r/min、1500 r/min(高速)三个转速以比较。为了保持磨程一致，相应的实验时间分别为80 min、40 min、26 min。各摩擦配副进行三次平行试验。

试验前后用酒精超声清洗试样10 min并烘干。用宏观洛氏及维氏微硬度计测量试样的硬度，用2206B型轮廓仪测量试样的表面粗糙度和磨痕轮廓，用VHX-6000超景深三维显微镜、INSPECTF50场发射扫描电镜和X射线衍射仪等设备分析试样的磨痕表面、截面和测试能谱。

实验用块试样材料为稀土改性GCr15轴承钢和对比材料普通GCr15轴承钢，化学成分列于表1。环试样材料为实际轴承常用的保持架胶木(夹布酚醛树脂)，具有较高的强度、适合的硬度及良好的加工性能^[15]。块试样和环试样的形状和尺寸在图2中给出。

表1 稀土/普通GCr15钢的化学成分

Table1 Rare earth/ordinary GCr15 steel chemical composition (%, mass fraction)

	C	Si	Mn	Cr	S	Al	P	Ti	T[O]	RE
Rare earth GCr15	0.97	0.25	0.36	1.51	0.003	0.019	0.012	0.0012	4.7×10^-6	0.0065
Ordinary GCr15	0.97	0.24	0.37	1.50	0.003	0.018	0.012	0.0012	5.5×10^-6	-

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图2

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图2 摩擦磨损实验用样品的形状和尺寸

Fig.2 Shape and size of sample for friction and wear test (a) block specimen, (b) ring specimen

实验中使用机床主轴承用润滑脂(雪弗特，NBU15Ⅱ)。用洛氏硬度计测量块试样的硬度(采用金刚石圆锥体压头)，普通轴承钢的硬度高于稀土轴承钢，结果列于表2。用接触式轮廓仪测得稀土/普通GCr15样品的粗糙度Ra值为0.01 μm，胶木样品的粗糙度Ra值为1 μm。对稀土GCr15轴承钢热处理的制度为：2 h→840℃×0.5 h→80℃油淬，清洗→1 h→-80℃深冷×2 h→1h回到室温+210℃×3 h。深冷处理是为了将残余奥氏体的含量，降低到1%~3%。对普通GCr15轴承钢的热处理制度为：2 h→840℃×0.5 h→60℃油→170℃×3 h，测得奥氏体含量为8%~10%。

表2 稀土/普通GCr15钢的宏观洛氏硬度

Table 2 HRC hardness of rare earth/ordinary GCr15 steel

	1	2	3	4	Average
Rare earth GCr15	60.6	60.6	60.9	60.3	60.6
Ordinary GCr15	63.1	63.8	63.0	63.8	63.4

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将热处理后的块试样抛光，然后用4%的硝酸酒精溶液腐蚀，用场发射扫描电镜观察其组织。稀土/普通GCr15轴承钢的显微组织均由回火马氏体、残余奥氏体以及碳化物等组成(图3)。可以看出，稀土改性GCr15轴承钢中的组织均匀和细化明显，尤其碳化物及其他非金属夹杂物尺寸普遍小于普通GCr15轴承钢。

图3

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图3 块状试样的扫描电镜照片

Fig.3 SEM images of block samples (a) rare earth GCr15 (b) ordinary GCr15

2 实验结果

2.1 摩擦系数

图4给出了不同转速下测得的稀土改性GCr15轴承钢或普通GCr15轴承钢与胶木材料之间的摩擦系数(Coefficient of friction)随实验时间(磨程)的变化。

图4

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图4 在不同转速下不同材料配副的摩擦系数曲线

Fig.4 Friction coefficient curves of different material mates at different speeds

在实验范围内测得的摩擦系数随磨程的增加呈下降趋势；普通轴承钢的摩擦行为随转速的变化呈不稳定状态，而稀土改性GCr15轴承钢的摩擦状态随转速的提高变化不大。普通轴承钢的平均摩擦系数从0.081变到0.109，而稀土轴承钢的平均摩擦系数始终为0.1；在三种转速下，稀土GCr15轴承钢的摩擦系数均高于普通GCr15轴承钢。摩擦系数的上述特点，在一定程度上反映了两种钢不同磨损状态的影响。

2.2 磨损体积

用2206B型表面轮廓仪测量磨损试验后块试样的磨痕截面并计算磨损体积，结果在图5中给出。可以看出，两种钢的磨损体积均随转速的提高而减小(应该与胶木材料在高速摩擦下的软化有关)；在相同转速下，稀土GCr15钢的磨损体积小于普通GCr15钢(表明在同种工况的滑动摩擦下稀土钢的耐磨损性能更优)；两种钢磨损体积的差值与转速相关，1000 r/min时差异最大，1500 r/min时差异最小(与对摩材料的硬度下降相关)；普通GCr15钢磨损体积的实验偏差均大于稀土轴承钢(反应稀土钢的磨损状态稳定性优于普通钢)。

图5

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图5 稀土/普通GCr15钢块试样的磨损体积

Fig.5 Wear volume of rare earth/ordinary GCr15 steel block samples

2.3 磨痕的形貌

稀土/普通GCr15轴承钢经不同转速磨损试验后，其磨痕显微形貌在图6中给出。可以看出，所有磨痕表面均可清晰地观察到与滑动方向平行的犁沟，且随着转速的提高磨痕中犁沟的深度减小，与图5给出的结果一致。其原因是，在本文的实验条件下块试样的磨损机制主要为犁削、微切削等塑性去除控制的磨粒磨损。值得注意的是，普通GCr15轴承钢磨痕中出现明显的剥落坑，尤以1000 r/min时最为严重，表明还存在着磨粒磨损中由脆性去除机制引起的剥落，使磨损程度加重。

图6

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图6 不同转速实验后不同块状试样的磨痕形貌

Fig.6 Morphologies of wear marks of different materials at different rotational speeds

3 讨论

硬度较高的材料，抵抗磨粒磨损的能力较强。从图4可以看出，摩擦系数随时间的变化呈下降趋势，与润滑状态的演变有关。计算结果表明，在不同转速下都是边界润滑。在实验刚开始时润滑不充分，接触面之间未形成完整的润滑膜。随着时间的延长实验过程中润滑脂进入摩擦产生的犁沟中，充分的润滑使摩擦系数曲线呈下降趋势。同时，进行滑动磨损试验时易发生脆性去除，此时犁耕作用增加，黏附作用减弱。稀土GCr15轴承钢的黏附作用更强，普通GCr15轴承钢的摩擦系数更低。

在本文的研究中，尽管稀土轴承钢的硬度低于普通轴承钢(表2)，但其磨损体积却小于普通轴承钢(图5)。其原因是，一方面对摩的环试样硬度远低于块试样，两种轴承钢的硬度差对于抵抗塑性去除机制控制的磨粒磨损的贡献份额下降，另一方面得益于稀土改性对轴承钢各机制性能匹配优化的重要作用。图6给出了两种钢的磨痕形貌，可见普通轴承钢的磨痕中出现很多剥落现象，而稀土轴承钢的磨痕则均为干净的犁沟。这种磨痕形貌上的明显差异，反映了稀土改性使GCr15轴承钢的组织结构改善。

图7给出了普通GCr15轴承钢磨痕中剥落部位表面的电镜放大照片和另一处面积较大的剥落部位的截面放大形貌。表3列出了磨痕剥落部位的表面及截面的能谱分析。可以看出，剥落部位附近有大量碳元素。这种现象，属于碳化物在组织中分布不均引起的碳化物聚集产生的成片剥落。

图7

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图7 普通GCr15钢磨痕剥落部位的表面和截面的照片

Fig.7 Morphology of exfoliation in ordinary GCr15 steel (a) surface, (b) section

表3 剥落坑处的能谱分析

Table 3 Energy spectrum analysis of spalling pits (%, mass fraction)

Element	Surface	Section
C	47.92	46.51
O	7.53	16.94
Si	-	0.27
Cr	2.16	1.41
Fe	42.39	34.87

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碳化物是GCr15轴承钢中的主要强化相，稀土改性不仅能弥散钢组织结构中的碳化物，还能细化其尺寸。用Nano Measurer统计了两种钢中碳化物的尺寸分布，结果在图8中给出。

图8

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图8 块状试样中碳化物尺寸的分布

Fig.8 Size distribution of carbide in block sample

普通GCr15轴承钢中碳化物尺寸集中在0.5~1.5 μm，稀土GCr15轴承钢中尺寸集中在0.4 μm~1.0 μm；普通钢中碳化物的最大尺寸可达2.5 μm，而稀土钢中尺寸达到1.5 μm的碳化物的很少。这表明，稀土改性使GCr15轴承钢中的碳化物尺寸更小且分布更均匀。由于普通GCr15轴承钢中碳化物尺寸较大且分布不均匀，在摩擦磨损过程中因应力集中而萌生裂纹和扩展，在碳化物聚集区域更易发生剥落。剥落后的碳化物不仅失去了强化相的承载能力，还能成为参与三体磨粒磨损的硬质点。这些因素共同作用，使材料的流失加重。

另一类对轴承钢使役性能有重要影响的，是非金属夹杂物。图9给出了普通GCr15轴承钢磨痕中剥落坑的照片。用Aspex技术分析了稀土/普通GCr15轴承钢试样的非金属夹杂物的成分和含量，结果列于表4，部分夹杂物的形状和尺寸分布，在图10和图11中给出。根据测得的普通GCr15钢中非金属夹杂物的类型、形状和尺寸，可判断其磨痕中的剥落坑多为非金属夹杂物的脱落。

图9

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图9 普通GCr15轴承钢剥落坑的照片

Fig.9 Spalling photos of ordinary GCr15 bearing steel

表4 稀土/普通GCr15轴承钢夹杂物的含量

Table 4 Inclusion content statistics table of rare earth/ordinary GCr15 bearing steel (%, mass fraction)

Composition	MgO	Al₂O₃	SiO₂	CaO	MnO	CaS	MnS	TiN	RES	REO
Rare earth GCr15	0.65	6.98	0.00	0.00	0.20	0.06	0.98	-	87.63	3.50
Ordinary GCr15	6.11	28.83	0.04	0.03	4.41	0.99	51.73	7.86	-	-

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图10

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图10 稀土/普通GCr15轴承钢中夹杂物的形貌

Fig.10 Inclusions in rare earth/ordinary GCr15 bearing steel

图11

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图11 稀土/普通GCr15轴承钢中非金属夹杂物尺寸的分布

Fig.11 Dimension distribution of non-metallic inclusions in rare earth/ordinary GCr15 bearing steel

在普通GCr15轴承钢中加入稀土，可提高轴承钢的强度、韧性和接触疲劳性能^[16,17]，包括非金属夹杂物改性、改形和细化的贡献。普通GCr15轴承钢中的非金属夹杂物，主要有MnS、Al₂O₃、TiN、MgO等；不同类型夹杂物的形状不同，但是大多为尖角形。用稀土改性，化学性质比较活泼的稀土与钢中的主要杂质元素S、O化合，生成稀土硫化物、稀土氧化物存在于钢中。同时，一部分Al、Mg元素以稀土复合夹杂物的形式存在，而另一部分则会固溶在钢中。绝大部分Mn元素在炼钢时溶在钢中。加入稀土是为了使钢更纯净，而Ti元素作为一种杂质元素绝大部分被去除。因此，稀土GCr15轴承钢中的非金属夹杂物主要为稀土硫化物RES，且多为球形。

在轴承钢使役过程中，非金属夹杂物在材料内部所承受的应力与夹杂物的形状有关。尖角形夹杂物周围的应力要比球形夹杂物的应力大得多，在交变应力作用下利于裂纹的萌生和扩展，从而更容易产生剥落。GCr15轴承钢用稀土改性后，钢中主要的非金属夹杂物RES呈球形，而其它非金属夹杂物大幅减少，本文实验中稀土GCr15轴承钢磨痕中未见有剥落坑。

从图11给出的两种钢中夹杂物尺寸分布可见，在普通GCr15轴承钢中甚至有尺寸大于10 μm的夹杂物，而稀土GCr15轴承钢中的夹杂物尺寸超过5 μm的已极少。与前文对碳化物尺寸的讨论类似，夹杂物的大小影响裂纹的萌生和扩展，从而影响剥落。

由此可见，在钢中加入稀土不仅使夹杂物变质，还能使夹杂物的形状球化、尺寸细化，能抑制脆性剥落，使轴承钢的耐滑动磨损性能提高。同时，与前文对剥落碳化物的讨论类似，脱落的非金属夹杂物也参与三体磨粒磨损，加重普通轴承钢的材料流失。

加入稀土和热处理调控，对于优化GCr15轴承钢的性能是相辅相成，残奥是影响摩擦磨损的因素之一。普通轴承钢磨痕中较多的剥落，还与其残余奥氏体较多有关。热处理后钢的不同组织，对其摩擦磨损性能有重要的影响。对淬火GCr15轴承钢进行的摩擦磨损实验表明^[18~20]，淬火层由马氏体和残余奥氏体组成，其主要磨损机制是磨粒磨损，与本文前面的讨论可互相印证。研发的稀土GCr15轴承钢的-80℃深冷工艺，是为了降低残余奥氏体量。根据本文的XRD谱(图12)分析，在普通GCr15轴承钢的谱中出现多个奥氏体峰，而稀土GCr15轴承钢则没有出现奥氏体峰。在基体上和磨痕表面进行显微硬度测试(载荷为50 g，5个点取平均值)，稀土GCr15轴承钢的基体和磨痕的显微硬度分别为575.5 HV和628.9 HV；普通GCr15钢的基体和磨痕显微硬度分别为593.2 HV和689.2 HV。显然，普通GCr15轴承钢的磨痕对基体的硬化比率远高于稀土GCr15钢(9%对16%)，表明普通GCr15钢中较多的残余奥氏体。在摩擦磨损过程中发生的马氏体相变，也对硬化有贡献。马氏体虽然硬度较高，但易于引发裂纹的萌生和扩展，也是普通GCr15钢出现脆性剥落的原因之一。

图12

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图12 稀土/普通GCr15轴承钢基体和磨痕的XRD谱

Fig.12 XRD spectrum of wear marks of rare earth/ordinary GCr15 bearing steel

4 结论

(1) 在稀土改性GCr15轴承钢与胶木保持架间的滑动摩擦磨损，在转速相同的条件下稀土GCr15轴承钢与胶木材料间摩擦系数比较稳定，而普通GCr15轴承钢摩擦系数的变化较大。虽然轴承钢的硬度远大于胶木材料，但是在滑动摩擦中仍发生轴承钢材料的磨损；随着转速的提高，轴承钢的磨损体积减小；在转速相同的条件下，稀土GCr15轴承钢的磨损体积比普通GCr15轴承钢的小。

(2) 两种轴承钢都发生磨粒磨损，组织结构的差异使其磨损行为不同。与稀土轴承钢相比，普通轴承钢中的碳化物不均匀聚集且尺寸较大，有较多大尺寸棱角形的非金属夹杂和含量较高的残余奥氏体，在磨痕表面可见较多的剥落。稀土改性对GCr15轴承钢组织结构的改善有效地抑制了在摩擦磨损中的脆性去除机制产生的剥落，稀土轴承钢磨痕表面只出现犁沟，从而提高了滑动摩擦条件下滚动体材料与保持架材料间的耐磨损性能。

参考文献

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被引期刊影响因子

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D H

, Li

Z M

, Xiao

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Effect of deep cryogenic treatment on mechanical property and microstructure of a low carbon high alloy martensitic bearing steel during tempering

[J]. Chinese Journal of Materials Research, 2019, 33(8): 11