ELSEVIE R
Wear 185 (1995) 203-212
WEAR
Lubricated fretting wear of a high-strength eutectoid steel rope wire
I.R. McColl *, R.B. Waterhouse, S.J. Harris, M. Tsujikawa 1
Department of Materials Engineering and Materials Design, University of Nottingham, University Park, Nottingham NG7 2RD, UK
Received 20 September 1994; accepted 7 February 1995
Abstract
The fretting wear behaviour of heavily work-hardened eutectoid steel wire is an important issue in the construction and usage of locked coil steel ropes. These ropes, which are used for high duty applications in aggressive environments, such as those encountered in the mining industries, can exhibit a variable service life. Earlier papers examined the design features of this class of rope and aspects of the operating regime, w hich may contribute to this variable life. The as-drawn surface of the wire was determined to play a significant role in the fretting behaviour, initially suppressing wear and friction.
In this paper, the influence of low viscosity oils, with and without graphite additions, on the fretting behaviour of the as-drawn wire are examined. Oil bath lu brication suppresses effectively wear and friction throughout the tests. Of greater significance, however, a smear of oil, more typical of service conditions, is also effective, at least during the early stages of testing. The addition of graphite to this smear of oil aids its retention, and its ability to lubricate and form a shield arou nd the fretting interface. The presence of oil inhibits the ingress of oxygen and consequently, at higher normal forces, when significant breakdown of the oil film occurs, micro-welding and tearing of the clean metal surfaces follows. Even so, wear and friction are still suppressed effectively.
Keywords: Fretting wear; Lubrication; High strength steel; Rope wire
1. Introduction
This paper completes a series on the fretting wear behavshy; iour of a heavily work-hardened eutectoid steel wire [ 1,2]. The fretting performance of this wire is an important issue in the construction and usage of locked coil steel ropes, which are used for high duty applications in aggressive environshy; ments, such as those encountered in the mining industries. As a result they can exhibit quite variable service lifetimes.
In the first paper the design of a typical locked coil steel rope was described together with the demands placed on the wire material by the construction and pattern of usage of the rope [ 1].The paper concluded with an examination of a rope after a normal service life and an assessment of the degrashy; dation mechanisms, principally fretting and corrosion, which had occurred during service. Inorder to stabilize the rope and limit twisting u nder load the outer two layers of the rope are wou nd with opposing helix angles. Consequently, the contact area between these two layers of wires could be quite restricted. In order to counter this, and restrict the ingress of corrodents and the loss of any added lubricant, the outer two
* Corresponding author.
1 Present address: Department of Metallurgical Engineering, College of Engineering, University of Osaka Prefecture, Osaka, Japan.
0043-1648/95/$09.50 copy; 1995 Elsevier Science S.A. All rights reserved SSDT 0043- 1 648 ( 95 ) 066 16-0
layers of wires are of non-circular cross-section, and present an almost closed outer surface. All of the inner layers of wire, which go to make up the remainder of the rope, are wou nd with the same sense of helix angle, so that the interaction between wires in adjacent layers is closer to being line conshy; tact. The ingress of corrodents, the restricted lubricant, the greater distance from the neutral axis of the rope and the different sense of helix angle, combine to ensure that frettingshy; corrosion problems are primarily associated with the interface between the two layers of wires forming the outer part of the rope.
Although locked coil ropes used in service are normally lubricated during manufacture with a proprietary grease, developed specifically for this class of rope, its effectiveness in the critical interface between the outer two layers of wires is of necessity limited. In service, traction is applied to the rope by friction between it and the winding drum. Thus, seepage of lubricant from the rope into the rope-drum intershy; face must be suppressed to ensure maintenance of the required coefficient of friction. Distribu tion of lubricant during rope manufacture is therefore restricted to the core of the rope, so that lubrication of the critical interface is minimal. Grease lubrication is used since it is less prone to seepage onto the surface of the rope, even though it would be expected to be
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less effective at reforming a boundary film after breakdown. Occasionally, after a period in service, a low viscosity parshy; affinic oil may be infused into the rope in order to facilitate redistribution of the grease. Limited residues of low viscosity paraffinic oils are found in service not to significantly effect rope traction.
An experimental study of the fretting wear behaviour of the wire material is reported in [ 2]. The test arrangement used simulated, to a degree, the service fretting environment at the critical interface between the layers of wires forming the outer part of the rope. Wires were tested both in the asshy; drawn ( service) condition, that is, with the residual lubricants from the wire drawing process in place, and after the residues and pattern of drawing marks had been removed by mechanshy; ical abrasion. Additional oil based lubricants were not added. It was concluded that the residual drawing lubricants, comshy; bined with the pattern of drawing marks on the wire, formed a reservoirof solid lubricant which was effective at inc
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润滑高强共析钢丝绳的微动磨损
I.R. McColl *, R.B. Waterhouse, S.J. Harris, M. Tsujikawa 1
材料工程系和材料设计，诺丁汉大学，尤尼弗西蒂帕克，诺丁汉NG7第二，英国
1994年9月20日发表
摘要:
沉重的工作硬化共析钢丝和钢丝绳锁线圈使用的建设的一个重要问题的微动磨损行为。这些绳索在恶劣环境下，如采矿业所遇到的高负荷应用场合，可显示出可变的使用寿命。早期的论文研究了这类绳子的设计特点和操作系统的各个方面，这可能有助于这种多变的生活。导线的拉伸表面被确定为在微动行为中起重要作用，最初抑制磨损和摩擦。
在本文中，低粘度油，有无石墨添加，对拉丝的微动行为的影响进行了检查。油浴润滑有效抑制磨损和摩擦整个测试。然而，更重要的是，至少在早期测试阶段，涂抹油更为典型的服务条件也是有效的。石墨在这抹油的添加助剂的保留，其润滑和形成掩护绕过微动界面的能力。油的存在抑制了氧的进入，因此，在较高的法向力下，当油膜发生严重击穿时，清洁金属表面的微焊和撕裂随之发生。即便如此，仍然有效地抑制了磨损和摩擦。
关键词：微动磨损；润滑；高强度钢；线
- 简介
本文对微动磨损行为shy;所重的工作硬化共析钢丝[1,2]，完成一系列。钢丝绳的抗微动性能是锁紧钢丝绳的构造和使用中的一个重要问题，它在采矿业所遇到的恶劣环境中具有很高的应用价值。因此，它们可以显示相当可变的服务寿命。
在第一篇文章中，一个典型的密封钢丝绳的设计进行了描述与要求通过绳[ 1 ]使用模式建设的线材。总结与正常的使用寿命和shy;氧化降解机制的评估后绳检查，主要是微动和腐蚀，这发生在服务。为了稳定绳和极限扭转在负荷的绳外两层会和相反的螺旋角。因此，这两层导线之间的接触面积可能相当有限。为了应对这一问题，制约了腐蚀因子的侵入和添加任何润滑剂的流失，另外两个导线的截面为非圆截面，呈近似闭合的外表面。所有电线的内层，要创造出一种绳子的剩余部分，都会随着螺旋角相同的意义，所以，在相邻层间线的相互作用是接近线控制shy;机智。对腐蚀因子的侵入，受限制的润滑剂，在绳子的中性轴和螺旋角的不同意义更大的距离，并确保shy;微动腐蚀问题主要与两层金属形成绳外部分之间的接口关联。虽然在使用过程中使用的专有润滑脂通常用于润滑的锁定线圈绳，但专为这类绳索而研制，其在外层两层导线之间的临界界面上的有效性是必要的。在使用中，牵引力通过绳子与卷筒之间的摩擦来施加在绳子上。因此，必须将润滑油从绳上渗透到绳鼓面内，以确保所需摩擦系数的保持。在钢丝绳制造润滑油分布因此被限制的绳芯，使关键界面润滑是最小的。使用油脂润滑，因为它不容易渗透到绳子表面，即使它将被认为是击穿边界膜后效果较差。偶尔，经过一段时间的服务，低粘度的标准shy;亲油可能被注入以绳便于油脂分布。低粘度石蜡油有限公司残留物发现服务不显著影响绳牵引。
本文研究了钢丝材料微动磨损性能的实验研究。测试安排在一定程度上模拟了形成钢丝绳外层的导线之间的临界界面处的微动环境。电线都进行了测试，得出的条件，即从在拉丝过程中的残余油，经过和标注模式的残留已经被shy;机械摩擦去除机制。没有添加额外的油基润滑剂。得出的结论是，残余拉拔润滑剂，COMshy;结合在拉丝的痕迹，形成固体润滑、增加微动过程中的摩擦和磨损系数维持在低值期是有效的。导线的表面是由高原，该图中的仍然是稀疏的，点缀着含有更大量的介质腔。图中控制shy;由锌和硬脂酸钠对磷酸锌浓度shy;版涂层。摩擦过程中测试前2000次循环中表现出较低的系数，是由于在高原图中的痕迹，这是最初接触的主要地区。作为高原拖垮，锌和硬脂酸钠进一步少量从腔释放，进入微动界面，限制速度的摩擦系数的增大而增大。在试验结束时，磷酸盐涂层是一种坚硬的晶体材料，它分解并导致摩擦和磨损增加。比较了相似介质在钢坯冷锻中的行为。
为了减少磨损和腐蚀的程度，在一个特定的工程情况，至少四的策略是可能的：
（1）改变形成微动副的材料中的一个或两个。
（2）如果环境对微动的化学贡献显著，则修改环境。环境可以对这个过程产生相当大的影响。例如，许多金属的摩擦系数和磨损率，包括铁，在相对湿度为15% 的范围内是最大的。
（3）减小微动的振幅，最好减小到零。
（4）允许微动微动之间的相对运动，但摩擦系数大大降低。
在本文所考虑的工程应用中，只有策略（d）是可行的。在锁紧钢丝绳中使用非常高强度钢丝是必不可少的，实际操作环境不能改变。开始shy;战略（C），可以实现的，例如，通过鼓励冶金直接焊接或使用粘合剂，不能采取与绳线的线形成shy;一绳是弯曲的钢丝绳符合本质之间的相对运动以来。战略（d）至少可以通过两种途径来实现。修改一个或两个表面微动的夫妇，通过，例如，转化膜、离子注入、激光表面合金化涂层shy;脸或身体[ 5 ]，或者介绍shy;减少非粘附的润滑膜。第一种方法是真正实用的，如果它可以进行的前体杆从其中得出的电线，为考试，与磷酸盐转化涂层应用于正在考虑的电线。在本文中，第二种方法是采取引进油基润滑剂的拉制线材的力学行为的影响报告。
一种液体润滑剂在微动的影响取决于其进入接触区的恢复能力，如果挤出来，形成边界膜，并减少氧[6,7]访问。根据莱特，空气中的氧浓度shy;浓度、9.28 x i o - 3摩尔在正常的温度和压力，降低系数近似shy;约六B.P。更重要的是，补充氧气的扩散率是成正比的，这本身就是约成反比粘度有关，给在石蜡油::::: 150 CST粘度约7500的氧气进入的减少。因此，粘度较高的油可能会更有效地限制氧化，而低粘度油预计将显示更大的恢复能力（更高的流动性）。钢丝上的划痕图案也有望起到润滑作用。佐藤等。已经证明边界膜润滑可以更有效地在粗糙表面，和今井等人。表明，开槽，虽然比绘画的痕迹。相比，可以有利于润滑（100 CST油）微动磨损平面淬火钢。
虽然油浴的使用预计将大幅度减少微动，但由于前面列出的因素，这种方法不能遵循服务绳。因此，调查了涂抹油的效果，因为这种情况更接近于可实现的服务。石墨颗粒大小，是因为它可能由一个程度的涂抹在微动面援助我的涂润滑油的添加，或者利用图中标志线，辅助油涂抹保留。
- 实验
一个微动磨损钻机用于本次调查示意图包括在普华等人。一个交叉标本对安排使用两个短长度的标本导线，定向相互垂直。低线是位于平行方向运动和上丝轴连接到一个低质量的振动臂由一个可调节的驱动。较低的样品保持架是电绝缘的，位于可拆卸的浴缸中，允许接触电阻被监测，同时连续浸入液体润滑剂，如果需要的话。法向力是由自重装置施加的。偏心的振动臂驱动杆是应变测量，以使驱动力进行监测。上试样保持架等的质量，使得驱动力几乎完全归因于微动界面上的摩擦力。使用线性可变差动变压器监测微动冲程。导线标本直径为2.8毫米，长度为30毫米，固定标本为20毫米，上部标本为3毫米。电线的组成和机械性能在中给出。在拉制的表面条件下进行了试验，即用磷酸锌转化膜和残余润滑介质从丝的制造工艺中就位，并进行附加润滑。表1和表2中的润滑情况给出了试验条件。
表一
微动条件实验
中风（峰至峰） 40plusmn;5micro;，M
正常的接触力 25 N
频率 25赫兹
持续时间 3times;10的5次方
总滑距 24米
温度 18-22°C
相对湿度 50-55%
润滑油 各种
表二
润滑剂及其应用方法
润滑脂 适用于两种电线
4 CST油 0.5毫升涂抹在较低的电线
20 CST油 0.5毫升涂抹在较低的电线
4 CST油 0.5毫升涂抹在较低的电线
20 CST油 连续浸入式连续浸入式
4 CST油中的石墨 0.5毫升涂抹在较低的电线
专有润滑脂广泛应用于微动界面。低粘度石蜡基润滑油，两粘度，4和20的CST，镀液中的微动对连续浸泡的应用。为了更紧密地模拟钢丝绳外层的润滑条件，油被涂抹在试件的下钢丝上。这是计量使用低shy;真皮注射使用0.5毫升的润滑剂，一纸擦拭，然后擦了下钢丝表面。当石墨添加到油润滑油中，它在0.5毫升的油中分布，在2克毫升- T浓度之前，应用于纸张擦拭。为了进行比较，还进行了1克毫升的无油悬浮液的试验，在蒸馏水中涂抹了2克石墨。
在试验期间定期监测摩擦系数和电接触电阻系数。在每个测试COMshy;完成对标本，伤疤是三维计算机控制的定量评估。从表面粘附的伴侣shy;里亚尔/塑性变形周围瘢痕体积去除材料的体积获得的数据。磨损损失被计算为两者之间的差额。磨痕的涉及光学显微镜和扫描电子显微镜定性评估，以及三维特征图。
- 结果
为了比较的目的，在适当的情况下，先前在正常力为100 N的试验中得到的结果，连同润滑的结果一起。干燥试验是在拉丝表面条件下进行的，也就是说，用剩余的固体拉拔润滑剂，但添加了油基润滑剂。
这些试验是用润滑脂涂抹在微动摩擦副上进行的。磨损体积数据与正常力，在3times;105个周期后，如图1所示。摩擦系数数据如图2所示。2000个周期后:::::潜伏期，在摩擦达到0.9-1.2的最大值系数不断增大，约1times;105周期，观察，随后，在价值减少的发生。除了在正常的50 N的正常力的前几百个循环，在所有润滑脂润滑试验期间，电接触电阻仍然很低。
在超声清洗前，润滑脂磨损痕迹的显微镜显示为外环，外观呈深灰色，偶尔有孤立的橙色红色区域。与此形成鲜明对比，表现出很大的整体橙红色着色的润滑的伤痕在磨痕外环上。在两种情况下，外环一般都随着正常力的增加而增大。油脂润滑的疤痕的中心区域表现为稍有光泽的浅灰色表面，在正常力值较高的情况下有“微撕裂”的迹象（图3）。在无润滑的伤疤中部地区也呈浅灰色的颜色但在150和200的正常力微动对之间的物质转移偶尔的标志（图4）。
图1 法向力（n）
（润滑脂的磨损量与正常接触力，3times;105循环）
图2 没有循环
图3
（轮廓图微动产生的油脂润滑条件下疤痕在150 N的一个正常的力，3times;103周期。）
图4（轮廓图的微动瘢痕在150 N正常力的条件下产生）
3.2 油浴润滑
图5显示了4和20 CST油浴润滑的磨损体积数据与法向力。这两种油的结果无法区分。浴润滑有效地抑制了任何显着增加的摩擦系数，除了一些孤立的偏移值在0.2以上（图）。6（a）和6（b））。在所有这些测试中，电接触电阻仍然很低（＜MO）。
光学显微镜显示在整个瘢痕区域没有任何橙红色着色。疤痕是平淡无奇也许稍显粗糙的中部地区
3.3涂抹润滑
由于重复试验与涂抹润滑之间的大变化，图8所示的磨损体积数据仅限于法向力的一个值（100 N）。摩擦系数的数据如何更一致，并倾向于说明涂抹低粘度油在这方面是优越的（图）。9（a）和9（b））。在正常力高达150 N的远足，显著高于0.2是有限的。在所有这些测试中，电接触电阻仍然很低（＜MO）。
光学显微镜，在超声波清洗，揭示外深灰色的环形区类似，无润滑的试验观察。橙红色的区域是可见shy;可能在中部地区的疤痕。3.4石墨补充
图10中的磨损体积数据与法向力包括在涂抹4和20的CST油中的石墨中。相应的摩擦系数数据如图所示。11（a）和1 1（b）。除了偶尔的漂移到更高的值，摩擦系数，石墨在涂抹4 CST油，保持在0.2或更低，正常力为50和100 N在较高的法向力下，0.2以上的偏移频率增加。对于涂抹在20 CST油中的石墨，摩擦系数随着循环次数的增加而更加稳定。图12显示了无油润滑石墨的摩擦系数，在抹油的石墨相比，在100 N的接触电阻正常力4和20 CST的润滑剂 200 N 4 CST基础润滑shy;最高法向力 阳离子（图13）
公称力
图 油浴润滑试验，4和20 CST油，3times;05周期磨损量与正常力
图6 20 CST粘度与油浴润滑系数的摩擦系数和循环次数。
图7一个微动疤痕产生20 CST油浴润滑下珠N正常力的二次电子图像，3times;105 显微镜揭示了相对平凡的伤疤没有橙红色和最小磨损的迹象，除了在高师的力量时，一些中央瘢痕区有撕裂的外观（图14）。二次和反向散射电子图像后的#39;干#39;和石墨涂抹20 CST石油测试，在正常的力量为100 N，包括作为无花果。15和16。图15显示了完整的疤痕和以抛光的外环为中心的视图。后视图在图16中重复，用于涂抹油试验中的石墨。二次电子图像
原油粘度（CST）
图8磨损体积数据重复测试4和20 CST涂抹润滑油，在正常的力量为100 N，3times;105个周期
- 讨论
4.1 疲劳
在这里报告的所有润滑制度，减少到或多或少的程度，在3times;05个周期的测试最大值上，正常力为100 N的微动磨损程度在图18中进行了比较，其中包括结果的分散性的指示。减少润滑脂的润滑系数为3，为40，使用4或20的CST油浴。在涂抹的油，特别是低粘
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