Page 54 - 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 1451

Low speed Nominal speed High speed
Z/μm Z/μm Z/μm
(a) 0.5 (b) 0.6 (c) 0.5
0.4
0.3 0.4 0.2
0.2 −0.1
0.0
0.0 0.1 0.0 0.2 0.0 −0.4
20CrMo 0.4 1.6 −0.1 0.4 1.6 0.0 0.4 1.6 −0.7
(FP1) 0.8 1.2 −0.2 0.8 1.2 −0.2 0.8 1.2 −1.0
−0.3
1.2 0.8 −0.4 Y/mm 1.2 0.8 −0.4 Y/mm 1.2 0.8 −1.3
−0.5
0.4 X/mm −0.6 0.4 X/mm −0.6 0.4 X/mm −1.6
Y/mm
1.6 0.0 −0.7 1.6 0.0 −0.8 1.6 0.0 −1.9
−0.8
−0.9 −1.0 −2.2
Low speed Nominal speed High speed
Z/μm Z/μm Z/μm
(d) 0.5 (e) 0.5 (f) 0.6
0.4
0.3
0.3 0.3
0.2 0.1
0.0 0.1 0.0 −0.1 0.0 0.0
0.0
20CrMo 0.4 1.6 −0.1 0.4 1.6 −0.3 0.4 1.6 −0.3
(FP2) 0.8 1.2 −0.2 0.8 1.2 −0.5 0.8 1.2 −0.6
−0.7
−0.3
1.2 0.8 −0.4 Y/mm 1.2 0.8 −0.9 Y/mm 1.2 0.8 −0.9
0.4 X/mm −0.5 0.4 X/mm −1.1 0.4 X/mm
Y/mm
1.6 0.0 −0.6 1.6 0.0 −1.3 1.6 0.0 −1.2
−0.7
−0.8 −1.5 −1.5
Low speed Nominal speed High speed
Z/μm Z/μm Z/μm
(g) 0.5 (h) 0.5 (i) 0.6
0.3 0.3 0.3
0.1 0.1
0.0 −0.1 0.0 −0.1 0.0 0.0
20CrMo 0.4 1.6 −0.3 0.4 1.6 −0.3 0.4 1.6
(FP3) 0.8 1.2 −0.5 0.8 1.2 −0.5 0.8 1.2 −0.3
1.2 0.8 −0.7 Y/mm 1.2 0.8 −0.7 Y/mm 1.2 0.8 −0.6
0.4 X/mm −0.9 0.4 X/mm −0.9 0.4 X/mm −0.9
Y/mm
1.6 0.0 −1.1 1.6 0.0 −1.1 1.6 0.0
−1.3 −1.3 −1.2
Fig. 10 Three-dimensional topography micrographs of 20CrMo disk after 60 min frictional test under heavy load: (a) FP1+low
speed; (b) FP1+nominal speed; (c) FP1+high speed; (d) FP2+low speed; (e) FP2+nominal speed; (f) FP2+high speed;
(g) FP3+low speed; (h) FP3+nominal speed; (i) FP3+high speed
图 10 20CrMo盘在高载荷下长磨60 min后表面三维形貌照片：(a) FP1+最低转速；(b) FP1+额定转速；(c) FP1+高转速；
(d) FP2+最低转速；(e) FP2+额定转速；(f) FP2+高转速；(g) FP3+最低转速；(h) FP3+额定转速；(i) FP3+高转速
图12所示为3组摩擦副在高载荷和不同转速下的 中3组摩擦副磨损量和磨损率的差异性. 从图13的能
磨损率，由图12(a)可见，3组摩擦副中的GCr15球在不 谱分析结果来看，摩擦副材料表面除了C、O、Fe、Si、Cr
3
同相对滑动速度下最大磨损率为14.05 μm /(N·m)，与 和Mn等元素，还出现了P元素. P元素来自于润滑脂
图12(b)中盘的磨损率相比处于较低的水平，因此重点 中，表明3组摩擦副在摩擦过程中与润滑脂发生了反
考虑盘的磨损率. 在最低转速下，FP1配副时，盘的磨 应，在金属表面生成了含P的摩擦反应膜. 额定转速和
3
损率最低，为94.47 μm /(N·m)，FP3配副时，盘的磨损 高转速下摩擦副表面的元素质量分数结果列于表2和
3
率最高，为252.04 μm /(N·m). 在最低转速下，FP1表现 表3中. 在额定转速下，FP1、FP2和FP3中GCr15球表面
优异. 在额定转速下，3种摩擦配副中，盘的磨损率分 的P元素质量分数分别为0.62%、0.35%和0.39%，说明
3
别为10.46、19.21、33.93 μm /(N·m)，同样是FP1的下盘 FP1中的GCr15表面生成了P含量更高的摩擦反应膜，
耐磨性最好. 在高转速工况下，FP2和FP3的下盘耐磨 耐磨性更好；在高转速下，FP3中GCr15球表面P元素
3
性较好，盘磨损率分别为42.33、34.45 μm /(N·m)，对 质量分数最高(0.53%)，P含量较高的摩擦反应膜能够
3
应的GCr15球的磨损率分别为8.84、1.34 μm /(N·m)， 保证FP3中GCr15球在高速下具有更好的耐磨性.
因此高转速下FP3的耐磨性最佳. 通过分析20CrMo盘的表面元素含量和硬度，可
图13所示为3组摩擦副材料在额定转速和高转速 以对其耐磨损性能进行评估. 在额定转速下，3种摩擦
下的表面微观形貌观测照片以及EDS能谱分析结果， 配副情况下，20CrMo盘磨斑表面P元素含量分别为
图中EDS分析区域为SEM图片中红色线框内的区域. FP1>FP2>FP3. 同时，根据图2的结果，3种摩擦副中的
SEM及EDS的分析结果可以从微观层面解释表1和图12 20CrMo盘表面硬度的顺序为FP1>FP2>FP3. 因此，在