堆焊司太立合金加速磨损研究

张健鑫

在机械泵关键零部件的表面堆焊司太立合金以提高耐磨性，为了验证堆焊司太立合金的磨损寿命是否满足可靠性设计要求，需要进行磨损试验。司太立合金具有较强的抗磨性能，为了节约试验时间与试验成本，采用加速磨损试验进行研究。以载荷为加速应力在MM-W1A 立式万能摩擦磨损试验机进行加速磨损试验，得到不同应力水平的磨损寿命。预测了机械泵运行40 年堆焊司太立合金的可靠度为0.92，置信度为90%，证明其满足可靠性设计要求。研究表明，对于耐磨性能较强的堆焊司太立合金，加速磨损试验可以有效的缩短试验时间与经费。

磨损是机械零件失效的常见故障模式，对于一些有较高可靠性要求的设备，为了提高其关键零部件的耐磨损性能，常常会在关键零部件的表面堆焊一层具有较强耐磨损性能的硬质合金，例如在机械泵关键零部件的表面堆焊司太立合金以提高其耐磨性能。为了防止堆焊层在使用过程中因为过度磨损而突然失效，需要对其磨损寿命进行预测。

本文针对机械泵关键零部件的堆焊司太立合金进行加速磨损试验研究，并对堆焊司太立合金在使用条件下的磨损寿命进行预测，从而验证其是否满足可靠性设计要求。

试验方案

试验装置与加速应力

磨损试验采用销盘磨损，在MM-W1A 立式万能摩擦磨损试验机上进行干磨损，使用TB-215D 分析天平测量磨损质量。

加速磨损试验的常用加速应力为滑动速度和载荷。高转速对于磨损样件和磨损试验机都有非常高的要求，由于堆焊司太立合金的实际磨损环境具有很高的滑动速度，为了简化试验，不宜将滑动速度作为加速应力。载荷是比较常用的加速磨损应力，且容易实现，因此选择载荷作为加速应力。

可靠性统计模型

磨损是一种损伤自耗型的时间历程，通常采用威布尔分布来描述磨损寿命。两参数威布尔分布的概率密度函数为：

式中：t——寿命；

m——形状参数；

η——尺度参数（特征寿命）。

他们不住地点头，我不忘给他们泼冷水：“挑战才刚刚开始，你们要有心理准备哦！”他们信心满满地说：“老师放心，我们会努力的！”“好样的！”我称赞他们。“你们随时可以来找我，我是你们坚强的后盾。”

以载荷为加速应力的加速寿命试验满足逆幂率模型，则寿命数据与加速应力的关系为：

式中：iT——样本的寿命数据；

a、b——常数；

vi——加速应力水平。

司太立合金磨损加速寿命试验基本假定如下：

（1）司太立合金在正常应力水平和加速应力水平下的磨损寿命都服从威布尔分布。即应力水平的改变不会改变司太立合金的磨损寿命分布类型；

（2）司太立合金在加速应力水平下的失效机理与正常应力水平下的失效机理相同。由于威布尔分布的形状参数反映故障机理的变化，因此该假定意味着在各应力水平下寿命分布的形状参数保持不变。

（3）特征寿命与试验应力满足如下加速模型：

最高应力水平的确定

图1 正常应力水平磨损表面形貌

图2 36N 磨损表面形貌

图3 50N 磨损表面形貌

磨损表面形貌是直接反映磨损失效机制的最主要判据，故可通过扫描电镜观察磨损表面形貌来判定磨损失效机制。在司太立合金磨损机理不变的前提下，可以尽可能提高载荷，从而缩短试验时间，节约试验成本。为确定最高应力，对试验样品施加步进载荷，观察不同应力水平的磨损表面形貌，判断磨损机理是否发生变化。不同应力水平的磨损表面形貌如图1、图2、图3、图4、图5 所示，其磨损机理都是以疲劳剥落为主，并伴有轻微的粘着磨损，磨损机理基本一致。由于磨损试验采用干磨损，力矩较大，出于保护试验机的目的，不再继续增加载荷，将最高应力确定为96N。

样品分配

为了获得较多的试验信息和较高的外推精度，加速磨损试验选取恒定应力加速寿命试验。对于恒定应力加速寿命试验，应力水平数不低于4 个，每个应力水平的样品数不低于5 个。由于试验时间与经费的限制，加速磨损试验选择4 个应力水平，每个应力水平的样品数5 个。

图4 70N 磨损表面形貌

图5 96N 磨损表面形貌

试验数据

加速磨损试验数据

加速应力水平的确定参考国标，保证各应力水平的对数变换是等间距的。司太立合金加速磨损试验的四个应力水平确定为：36N（样品号1，2，3，4，5），50N（样品号6，7，8，9，10），70N（样品号11，12，13，14，15），96N（样品号16，17，18，19，20）。机械泵每运行一年，司太立合金磨损50min，磨损试验进行2000min，相当于机械泵运行40 年，不同运行时间的磨损厚度如表1 所示，磨损厚度由分析天平测得的磨损质量换算得来。

图6 样品1 磨损过程曲线

表1 磨损厚度数据（μm）

表2 伪失效寿命数据

伪失效寿命

司太立合金的磨损厚度与时间大致呈线性关系，例如样品1 的磨损过程曲线（见图6）。对磨损过程曲线进行线性拟合，根据司太立合金的最大允许磨损厚度，可以求出每个样本的伪失效寿命（见表2）。

威布尔分布参数估计

对不同应力水平的伪失效寿命进行检验，各应力水平的寿命数据都服从显著性水平为0.1 的威布尔分布。利用线性无偏估计获得各应力水平威布尔分布的相关参数，其结果如表3 所示。四种应力水平威布尔分布的形状参数接近，证明四种应力水平磨损机理基本一致。

表3 威布尔分布参数估计

图7 堆焊司太立合金可靠度曲线

寿命预测

利用线性无偏估计获得加速方程的参数估计，从而外推得到正常应力水平的可靠度函数（见图7）。利用可靠度函数进行寿命预测：置信度90%，机械泵运行40 年，堆焊司太立合金的可靠度为0.92，满足可靠性设计要求。

结语

机械泵运行40 年堆焊司太立合金的可靠度为0.92，置信度为90%，证明其满足可靠性设计要求。对于耐磨性能较强的堆焊司太立合金，加速磨损试验可以有效的缩短试验时间并节省经费。