温度和载荷对h13钢磨损性能的影响(附件)
金属的磨损是在机械化学作用下，由于摩擦副表面发生相对运动，而形成的表面物质不断去除的现象，是金属材料失效的主要形式之一。在对磨金属表面的相对运动过程中，对磨材料、载荷和温度等会对摩擦金属的磨损机理产生较大影响，同时金属组织和性能发生相应的改变。本文以H13热作模具钢为首要研究对象，使用微机控制的高温摩擦磨损试验机探讨了H13钢在室温25℃和高温400℃下，在50N-300N区间不同载荷下、对磨Cr12MoV钢所产生的干滑动磨损行为变化；利用扫描电子显微镜、能谱分析仪等细致观察了H13钢磨损表面的形貌、物相；利用显微硬度计检测了H13钢磨损亚表面的显微硬度分布；并探讨了磨损机理。结果表明室温下磨损率随载荷快速增长，摩擦接触表面呈现出大量的塑性撕裂、犁沟等金属特征，主要磨损机制为粘着、磨粒磨损；而高温下随载荷增加而仅轻微波动，磨面产生大量氧化物颗粒，为氧化轻微磨损。关键词干摩擦，磨损行为，磨损机制，氧化磨损
目 录
1 绪 论 1
1.1 研究目的及意义 1
1.2 模具钢的磨损机理 1
1.3 磨损机理转变 6
1.4 磨损机理转变的因素 6
1.5 本文主要研究内容 8
2 实验材料与方法 9
2.1 实验材料 9
2.2 实验过程 10
2.2.1 磨损实验 10
2.2.2 显微分析 11
3 实验结果与讨论 13
3.1 H13钢的磨损率 13
3.2 H13钢的摩擦系数 13
3.3 H13钢磨损表面形貌 14
3.4 H13钢磨面剖面形..............15
3.5 H13钢剖面显微硬度分布 16
3.6 讨论 16
3.7经济性分析 17
结 论 18
致 谢 19
参考文献 20
1 绪 论
1.1 研究目的及意义
随着机械化、自动化不断提高以及大量设备的使用，零件磨损成为机械部件主要失效形式（磨损、疲劳和腐蚀），也是设备工作效率下降，频繁维修和保养的重要原因之一。因此，切 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
实地研究金属磨损问题，以此合理选择金属材料和表面处理工艺，才能有效增加或减少摩擦副的摩擦系数，也对延长机械使用寿命，节约能源消耗以及提高装备可靠性具有重大意义[1]。
磨损是摩擦副之间作相对运动，由于机械、化学等作用所造成的金属表面位移或分离的破坏现象。金属在摩擦过程中若受到载荷、速度、复杂环境的影响，其磨损率及摩擦系数也会出现较大波动，且金属材料的性质同样是决定摩擦副磨损程度主要因素之一。日常生产中的钢铁材料，由于长期暴露各种温度湿度下的空气中，容易与氧气接触，表面出现氧化膜，特别是在高温环境下或者相互接触的金属之间存在剧烈的相对运动，产生大量热量，导致表层氧化膜出现脱落，造成严重磨损[2]，由此发生设备损坏，所以切实研究钢铁材料磨损性质，可以正确选择特定工况下金属材料，也对提高材料抗磨损有积极作用。
H13钢是在世界范围内普遍使用的热作模具钢，牌号4Cr5MoSiV1，是一种加入Cr、Mo、Si等合金元素而形成的碳钢，在中温（小于6000C）下具有较高的综合性能，较高的淬透性（在空气中就能淬硬），较低的热处理变形率。H13钢的韧性较高，抗软化性能好，退火硬度后为245~205HB，淬火后硬度大于50HRC。以H13模具钢为主要制造材料的锻模、热挤压模、压铸模，其工作环境通常为高温高载，模具零部件之间多发生摩擦碰撞，极易发生严重的摩擦磨损[3]。因此，研究H13模具钢的摩擦磨损性能，提高H13模具钢的耐磨性对模具制造行业以及工业生产有非常重大的意义。
1.2 模具钢的磨损机理
模具钢的磨损是指由于在模具运行中在机械力作用，模具零部件的表面在滑动或者冲击运动过程产生的表面损伤或表面材料脱落。而摩擦副在滑动过程当中，由于不停发生的摩擦，摩擦副表面的材料发生变形，表面金属材料各项性能均产生变化，随后磨面上物质从表层脱离，粘附到另一摩擦副表面或者以磨屑形式从 表面脱落。摩擦过程中，由于摩擦副间承担的载荷或者磨面金属与空气水分等物质发生化学反应，且不断的摩擦使温度上升，磨损率急剧上升。实验研究发现，机械的磨损过程通常经历三个阶段[4,5]：
（1）跑合阶段 在受到一定载荷作用下，摩擦副表面很快被磨平，则两磨面的实际接触面积变大，磨损速度由此降低（如图11a段）
（2）稳定磨损阶段 在跑合阶段后，摩擦表面出现加工硬化现象，微观上的几何形状发生变化，导致磨面之间出现弹性接触，此时的磨损处于平稳状态，即如图ab阶段所示磨损量与磨损行程成正比增加的现象。
（3）急剧磨损阶段 经过ab的稳定磨损阶段，金属表面温度升高、表层物质发生变化导致磨损速度出现急剧增加，磨损率急剧上升。此时机械的工作效率下降，伴随异常噪音和振动，最后零件失效。
根据磨损变化的过程来看，重点研究稳定磨损并尝试延长ab阶段是解决磨损问题的关键所在。
/
图11 典型磨损过程
模具工作过程中的磨损使摩擦副表面出现不同形式的损坏，人们由此将磨损形式进行分类，根据磨损的破坏机制将磨损分为以下五类：黏着磨损、磨粒磨损、表面疲劳磨损、腐蚀磨损、微动磨损[68]。
黏着磨损（图12）是指模具零部件处于载荷较大或者滑动速度较高的工况环境下，粗糙表面相互接触，表面微峰在足够高的压力下出现变形，而后在剪切作用下发生材料脱落变成磨屑。黏着磨损普遍存在于齿轮、凸轮、模具等零件运转中，通常将黏着磨损细分为涂抹、擦伤、粘焊和咬卡。其中，涂抹是指磨面黏着点附近的软金属受到剪切作用被涂抹在硬金属表面，而产生轻微磨损的现象，例如重载蜗轮副的蜗杆的磨损。擦伤是软硬金属相互摩擦，金属表层发生剪切作用，软金属表面被擦伤导致磨损的现象，例如内燃机铝活塞壁与缸体的摩擦。粘焊是指由于磨面发生塑性变形、表层升温出现的固相焊合现象。咬卡是指由于摩擦力非常大导致摩擦副停止运动的现象，例如螺栓与螺母在拧紧状态下属于此类现象[9]。Archard[10]认为磨面微凸体在外力作用下出现变形，且在不同实验条件中均有一定的磨粒出现，得出黏着磨损计算公式：
W=???????????????????? （公式11）
目 录
1 绪 论 1
1.1 研究目的及意义 1
1.2 模具钢的磨损机理 1
1.3 磨损机理转变 6
1.4 磨损机理转变的因素 6
1.5 本文主要研究内容 8
2 实验材料与方法 9
2.1 实验材料 9
2.2 实验过程 10
2.2.1 磨损实验 10
2.2.2 显微分析 11
3 实验结果与讨论 13
3.1 H13钢的磨损率 13
3.2 H13钢的摩擦系数 13
3.3 H13钢磨损表面形貌 14
3.4 H13钢磨面剖面形..............15
3.5 H13钢剖面显微硬度分布 16
3.6 讨论 16
3.7经济性分析 17
结 论 18
致 谢 19
参考文献 20
1 绪 论
1.1 研究目的及意义
随着机械化、自动化不断提高以及大量设备的使用，零件磨损成为机械部件主要失效形式（磨损、疲劳和腐蚀），也是设备工作效率下降，频繁维修和保养的重要原因之一。因此，切 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
实地研究金属磨损问题，以此合理选择金属材料和表面处理工艺，才能有效增加或减少摩擦副的摩擦系数，也对延长机械使用寿命，节约能源消耗以及提高装备可靠性具有重大意义[1]。
磨损是摩擦副之间作相对运动，由于机械、化学等作用所造成的金属表面位移或分离的破坏现象。金属在摩擦过程中若受到载荷、速度、复杂环境的影响，其磨损率及摩擦系数也会出现较大波动，且金属材料的性质同样是决定摩擦副磨损程度主要因素之一。日常生产中的钢铁材料，由于长期暴露各种温度湿度下的空气中，容易与氧气接触，表面出现氧化膜，特别是在高温环境下或者相互接触的金属之间存在剧烈的相对运动，产生大量热量，导致表层氧化膜出现脱落，造成严重磨损[2]，由此发生设备损坏，所以切实研究钢铁材料磨损性质，可以正确选择特定工况下金属材料，也对提高材料抗磨损有积极作用。
H13钢是在世界范围内普遍使用的热作模具钢，牌号4Cr5MoSiV1，是一种加入Cr、Mo、Si等合金元素而形成的碳钢，在中温（小于6000C）下具有较高的综合性能，较高的淬透性（在空气中就能淬硬），较低的热处理变形率。H13钢的韧性较高，抗软化性能好，退火硬度后为245~205HB，淬火后硬度大于50HRC。以H13模具钢为主要制造材料的锻模、热挤压模、压铸模，其工作环境通常为高温高载，模具零部件之间多发生摩擦碰撞，极易发生严重的摩擦磨损[3]。因此，研究H13模具钢的摩擦磨损性能，提高H13模具钢的耐磨性对模具制造行业以及工业生产有非常重大的意义。
1.2 模具钢的磨损机理
模具钢的磨损是指由于在模具运行中在机械力作用，模具零部件的表面在滑动或者冲击运动过程产生的表面损伤或表面材料脱落。而摩擦副在滑动过程当中，由于不停发生的摩擦，摩擦副表面的材料发生变形，表面金属材料各项性能均产生变化，随后磨面上物质从表层脱离，粘附到另一摩擦副表面或者以磨屑形式从 表面脱落。摩擦过程中，由于摩擦副间承担的载荷或者磨面金属与空气水分等物质发生化学反应，且不断的摩擦使温度上升，磨损率急剧上升。实验研究发现，机械的磨损过程通常经历三个阶段[4,5]：
（1）跑合阶段 在受到一定载荷作用下，摩擦副表面很快被磨平，则两磨面的实际接触面积变大，磨损速度由此降低（如图11a段）
（2）稳定磨损阶段 在跑合阶段后，摩擦表面出现加工硬化现象，微观上的几何形状发生变化，导致磨面之间出现弹性接触，此时的磨损处于平稳状态，即如图ab阶段所示磨损量与磨损行程成正比增加的现象。
（3）急剧磨损阶段 经过ab的稳定磨损阶段，金属表面温度升高、表层物质发生变化导致磨损速度出现急剧增加，磨损率急剧上升。此时机械的工作效率下降，伴随异常噪音和振动，最后零件失效。
根据磨损变化的过程来看，重点研究稳定磨损并尝试延长ab阶段是解决磨损问题的关键所在。
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图11 典型磨损过程
模具工作过程中的磨损使摩擦副表面出现不同形式的损坏，人们由此将磨损形式进行分类，根据磨损的破坏机制将磨损分为以下五类：黏着磨损、磨粒磨损、表面疲劳磨损、腐蚀磨损、微动磨损[68]。
黏着磨损（图12）是指模具零部件处于载荷较大或者滑动速度较高的工况环境下，粗糙表面相互接触，表面微峰在足够高的压力下出现变形，而后在剪切作用下发生材料脱落变成磨屑。黏着磨损普遍存在于齿轮、凸轮、模具等零件运转中，通常将黏着磨损细分为涂抹、擦伤、粘焊和咬卡。其中，涂抹是指磨面黏着点附近的软金属受到剪切作用被涂抹在硬金属表面，而产生轻微磨损的现象，例如重载蜗轮副的蜗杆的磨损。擦伤是软硬金属相互摩擦，金属表层发生剪切作用，软金属表面被擦伤导致磨损的现象，例如内燃机铝活塞壁与缸体的摩擦。粘焊是指由于磨面发生塑性变形、表层升温出现的固相焊合现象。咬卡是指由于摩擦力非常大导致摩擦副停止运动的现象，例如螺栓与螺母在拧紧状态下属于此类现象[9]。Archard[10]认为磨面微凸体在外力作用下出现变形，且在不同实验条件中均有一定的磨粒出现，得出黏着磨损计算公式：
W=???????????????????? （公式11）
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