Page 48 - 摩擦学学报2025年第10期

第 10 期 关健, 等: 不同表面处理20CrMo与GCr15配对摩擦副的极端工况摩擦学行为研究 1445

载荷与额定载荷(赫兹接触压应力2 GPa)下的摩擦磨 深度处硬度值达到最大. 3种热处理后的20CrMo盘的
损行为，以深入理解不同摩擦副材料在极限条件下的 不同深度位置的金相组织的观察结果如图3所示. 渗
磨损机理. 本研究旨在通过对20CrMo材料进行上述 碳+2次淬火处理后的20CrMo，表面和芯部由碳化物、
3种表面处理，以提升耐磨性能，并通过系统表征与分 马氏体和残余奥氏体组成，由于经历2次淬火，奥氏体
析，揭示磨损机理. 研究成果有望为精密减速机齿轮 向马氏体转化，也提高了材料的硬度；对于碳氮共渗

的设计提供一定的参考和指导. 处理的20CrMo材料，表面出现了氮化物和残余奥氏
体，芯部产生了明显的铁素体和珠光体；经过高浓度
1 试验部分 碳氮共渗处理的20CrMo材料，表面形成了细化的针

1.1 试剂和仪器 状氮化物，有助于提升表面的耐磨性，芯部同样产生
试验采用了美国CETR公司生产的UMT-5多功能 了铁素体和珠光体. 试验中所用的润滑脂从日本纳博
摩擦磨损试验机来评估不同摩擦副的摩擦磨损结果，该 特斯克株式会社采购，牌号为RV-LB00. 润滑脂的流
试验机可实现-80~1 000 ℃的温度范围. 试验中的GCr15 变特性曲线如图4所示，为保证测试结果的可靠性，流
钢球是从上海钢球厂采购，硬度61 HRC~64 HRC，直 变特性曲线需测试3次取平均值.
径为4 mm. 20CrMo圆盘由日本捷泰格特株式会社提 完成摩擦磨损试验后的试件，采用基恩士VHX-
供，圆盘直径为53 mm，厚度为6 mm. 20CrMo盘的3种 6000光学显微镜进行磨痕的二维形貌观察；磨痕的三
热处理方式分别为渗碳+2次淬火、碳氮共渗和高浓 维形貌和磨损体积通过翟柯莱姆达(上海)公司生产的
度碳氮共渗，热处理后20CrMo盘表面经过研磨和抛 ZYGO三维白光干涉仪进行观察和计算；磨损区域微
光，3种20CrMo盘表面粗糙度R 分别为0.093、0.095、 观形貌和化学成分表征通过FEI Quanta 200 FEG场发
a
0.099 μm，如图1所示. 在本文中的分析中，GCr15- 射环境扫描电子显微镜完成，该显微镜包括EDS能谱
20CrMo(渗 碳 +2次 淬 火 )、 GCr15-20CrMo (碳 氮 共 仪. 结合这些分析仪器，可以对摩擦副材料磨损后的
渗)和GCr15-20CrMo (高浓度碳氮共渗) 3组摩擦副配 微观表面进行全面的观测，评估不同摩擦副的摩擦磨
对材料分别简称为FP1、FP2和FP3. 经过不同热处理 损性能.
后20CrMo盘深度方向的硬度分布结果如图2所示. 1.2 试验方法
20CrMo盘硬度是在Qness 60A+显微硬度计上采用5 N 采用UMT-5摩擦磨损试验机在100 ℃高温环境下
加载载荷测试得到，为保证测试结果的可靠性，硬度 进行GCr15-20CrMo摩擦副的摩擦磨损试验，摩擦磨
需测试3次取平均值. 图2结果表明，20CrMo盘经过渗 损试验装置如图5(a)所示. 图5(b)所示为摩擦磨损试验
碳+2次淬火处理后，在深度方向上的硬度大于其他 的加载工况，其中高载荷工况下摩擦副最大赫兹接触
2种热处理后圆盘的硬度. 经过碳氮共渗工艺处理后， 压应力为4 GPa，对应UMT-5试验机加载为103 N，额
20CrMo盘的硬度随着深度值的增加大幅下降，在达 定载荷工况的摩擦副最大赫兹接触压应力为2 GPa，
到0.8 mm深度后趋于稳定. 采用高浓度碳氮共渗后， 对应UMT-5试验机加载为13 N. 摩擦副最大赫兹接触
20CrMo盘的硬度随深度加深先增大后减小，在0.4 mm 压应力由减速机有限元模型仿真得到，如图6所示，模

Z/μm Z/μm Z/μm
0.4
0.4 0.4 0.2
0.2
0.2 0.0
0.0 −0.2
0.0
0 0 −0.2 0 −0.4
200 800 −0.2 200 800 −0.4 200 800 −0.6
400 600 400 600 −0.6 400 600 −0.8
400 −0.4 400 400 −1.0
600 X/μm Y/μm 600 X/μm Y/μm 600 X/μm
Y/μm
200 200 −0.8 200 −1.2
800 −0.6 800 800
0 0 0
(a) R a = 0.093 μm (b) R a = 0.095 μm (c) R a = 0.099 μm
Fig. 1 The surface micrographs of the 20CrMo disk: (a) FP1; (b) FP2; (c) FP3
图 1 20CrMo盘表面形貌照片：(a) FP1；(b) FP2；(c) FP3