45钢摩擦副摩擦系数影响因素的研究

摘要：本文研究加载载荷和摩擦速度对45钢摩擦副摩擦系数的影响。根据摩擦副的结构进行实验，通过摩擦试验来获取各单一变量下摩擦系数值；最后对在不同摩擦条件下测定的摩擦系数结果讨论。实验结果表明：在相对低载荷、低转速下，45钢大销盘摩擦副摩擦系数随加载载荷、转速增大而减小。

关键词：45钢摩擦副 摩擦系数 影响因素

机械设备的可靠性和使用寿命与各运动部件摩擦副表面的磨损状况息息相关。摩擦是能源消耗的主要原因之一。据估计，世界上在工业方面约有30%的能量消耗在磨损中，磨损会使零件的表面形状和尺寸遭到缓慢的破坏。使机器的效率及可靠性逐渐降低，从而丧失原来的工作能力，最终导致零件因磨损而失效。因此，对摩擦磨损的研究具有重要的现实意义。本文主要探讨摩擦副加载载荷、转速对摩擦系数的影响。

1、实验部分

1.1 实验材料及设备

本次试验摩擦副上试样用45钢制成，销尺寸为Φ4.6mm×12mm，经840℃淬火20min，再中温350℃回火30min热处理，热处理后硬度为HRC60。下试样大试环用45钢制成，尺寸为内径Φ54mm×外径Φ38mm×高度10mm，热处理后硬度为HRC61。MMW—1A万能摩擦磨损试验机、HT—150A洛氏硬度计、FA2004电子天平、扫描电子显微镜（型号：XL—30ESEM），金相显微镜等。

1.2 实验方法

①将加工好的试样进行相应热处理，上试样销经840℃淬火20min，再中温350℃回火30min热处理。

②将实验分为两组，每组单一变量设四个不同值，如下：

第一组实验：转速120r/min（0.290m/s），磨擦时间30min，加载载荷分别为30N、45N、60N、75N进行实验。

第二组实验：加载载荷15N，磨擦时间30min，摩擦速度分别为0.145m/s、0.217 m/s、0.290 m/s、0.362 m/s进行实验。

③记录每组实验的实验数据。根据实验数据结果计算出各单一变量下的摩擦系数，并绘制图表，并对所绘制的图表进行相应的分析。

2、结果分析

2.1摩擦表面微观形貌分析

大销盘摩擦副表面之间的微凸体在两个面相对滑动时相当于磨粒，摩擦表面的作用力可分为法向力和切向力，法向力使磨粒压入表面，切向力使磨粒沿切向力方向推进，综合作用的结果使得摩擦表面形成“犁沟”[5]，造成磨粒磨损，并产生磨屑。

将不同摩擦时间、加载载荷情况下的扫描电镜照片作以对比可以得出：加载载荷增加，销摩擦表面划痕较明显，能见到由摩擦表面作用力形成的“犁沟”，随着加载载荷的提高，摩擦副摩擦表面磨损愈加严重，从而划痕加重。摩擦过程中产生的磨屑都呈片状且多散落分布，且随着转速的增大，附在摩擦面上的磨屑经反复研磨，磨屑变的越来越细。

2.2 加载载荷对摩擦系数的影响

表1 加载载荷、摩擦速度与摩擦系数之间的关系

表1为加载载荷、摩擦速度与摩擦系数之间的关系图，实验数据表明，随加载载荷的增加，接触面正压力增大，接触面的摩擦系数逐渐减小。

在0.290m/s的低转速下，磨损形成的磨屑以颗粒状为主，颗粒状磨屑有利于提高摩擦副间的啮合力而使摩擦系数处于较高值；随加载载荷的提高，摩擦表面颗粒状磨屑逐渐增多，并且分布愈加密集，摩擦副接触面正压力增大，从而摩擦副表面微观硬度提高，摩擦系数下降。

大销盘摩擦副在滑动摩擦时，摩擦副的摩擦力会明显取决于接触区域变形的种类和接触饱和度。当弹性变形未饱和时，由于载荷增大，使两对摩件接近量增大，真实接触面积增加速度大于载荷的增加速度。真实接触面积的增加主要靠接触点数的增加而增加，对于大多数接触点来说，其抗压强度逐渐增强，塑性变形减小，剪切时的摩擦力也减小，从而摩擦系数随载荷增加相对减小。

2.3转速对摩擦系数的影响

表1实验数据表明，在较低转速范围内，随转速增大，大销盘摩擦副的摩擦系数逐渐减小。即滑动摩擦系数随相对滑动速度增大而减小。

本组实验采用的最小滑动速度为0.145 m/s，最大滑动速度为0.362m/s，正压力恒定在15N。随转速的增大，摩擦副单位时间内摩擦力做功增加，从而摩擦副内能增加，摩擦表面温度有所升高，摩擦生热使得试样表层的组织结构和性能发生变化，使接触面的摩擦情况得到缓和，使摩擦系数随转速升高而减小。

摩擦产生的磨屑在宏观上使大销盘摩擦副趋向于一种滚动摩擦，相对于滑动摩擦，接触面有所减小，摩擦系数相应的减小。附在摩擦面上的磨屑经反复研磨，变得较细、较圆滑，细而圆滑的磨屑可起类似滚珠和固体剂的作用，导致磨损量和摩擦系数减小。

3、结论

（1）45钢大销盘摩擦副摩擦系数随加载载荷、转速增大而减小。

（2）在转速不变的情况下，随着载荷的增大，销表面划痕变多；在加载载荷不变的情况下，随着转速的增大，磨屑变的越来越细。

参考文献：

[1]D.F摩尔著.摩擦学原理和应用[M].机械工业出版社，1982.

[2]陈作栋，宋延沛，李秀青等.WC_p/Fe—C再生复合材料的高速摩擦磨损性能研究[J].铸造，2011（6）：536—539.

[3]韩晓明，高飞，宋宝韫，符蓉.摩擦速度对铜基摩擦材料摩擦磨损性能影响[J].摩擦学学报，2009，29（1）：89—96.

[4]李晓炎，罗春梅，尤凤祥.摩擦理论与摩擦系数[J].丹东纺专学报，1997（3）：39～40.

[5]李占军，王霞.45钢的摩擦磨损特性实验研究[J].机械，2007（11）：71—72.

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