磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)45鋼摩擦磨損性能的影響

孔二雷，杜三明，張永振

(河南科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 洛陽 471023)

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磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)45鋼摩擦磨損性能的影響

孔二雷，杜三明，張永振

(河南科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 洛陽 471023)

采用銷-環(huán)接觸方式，在自制的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上，研究了不同磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)鐵磁性材料45鋼干滑動(dòng)摩擦磨損性能的影響。采用掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀和三維形貌儀等儀器對(duì)磨損表面形貌及磨屑進(jìn)行了表征。試驗(yàn)結(jié)果表明：施加磁場(chǎng)明顯影響了45鋼的摩擦磨損性能。隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大，摩擦因數(shù)逐漸增大，磨損率逐漸減小，磨損表面粗糙度逐漸降低。磨屑參與摩擦過程的方式不僅影響其自身粒度的大小，而且影響摩擦表面接觸狀態(tài)，以至于對(duì)45鋼的摩擦磨損性能產(chǎn)生了顯著影響。磁場(chǎng)促進(jìn)磨損表面及磨屑的氧化并吸附磨屑反復(fù)參與摩擦過程，在磨損表面形成磨屑層，從而改變45鋼的摩擦磨損性能。

45鋼；磁場(chǎng)；摩擦磨損；氧化

0 引言

隨著電磁技術(shù)應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，越來越多的機(jī)電設(shè)備運(yùn)行于磁場(chǎng)中，如電機(jī)、電磁制動(dòng)、離合器、電磁炮發(fā)射裝置以及航空母艦上的艦載機(jī)電磁彈射器等[1-3]。這些設(shè)備中運(yùn)動(dòng)部件的使用壽命往往直接影響著整個(gè)機(jī)械裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行。為分析磁場(chǎng)對(duì)材料摩擦學(xué)性能的作用機(jī)制以及影響規(guī)律，科研人員在不同試驗(yàn)條件下研究了磁場(chǎng)對(duì)多種材料摩擦磨損性能的影響。文獻(xiàn)[4-5]研究了不同磁場(chǎng)施加方向?qū)Φ吞间摰炔牧夏Σ聊p性能的影響。文獻(xiàn)[6]在不同試驗(yàn)氣氛(大氣、真空)中研究了磁場(chǎng)對(duì)XC48鋼摩擦磨損性能的影響。文獻(xiàn)[7-10]采用不同磁屬性材料自配副、互配副的方式，研究了磁場(chǎng)對(duì)多種材料摩擦磨損性能的影響。上述研究表明：磁場(chǎng)對(duì)鐵磁性材料的摩擦磨損性能影響較大，對(duì)非鐵磁性材料也有一定的影響。磁場(chǎng)強(qiáng)度作為表征磁場(chǎng)強(qiáng)弱的一個(gè)重要參量，是影響材料摩擦磨損性能的主要因素[11]，因此，一些學(xué)者研究了磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)鋼鐵材料摩擦磨損性能的影響。文獻(xiàn)[12]研究發(fā)現(xiàn)：磁場(chǎng)使中碳鋼的磨損率減小，摩擦因數(shù)增大，且隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大，摩擦因數(shù)遞增。文獻(xiàn)[13]研究表明：外加磁場(chǎng)增大了中碳鋼的磨損體積，隨著施加磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大，磨損體積逐漸增大。文獻(xiàn)[14-15]研究發(fā)現(xiàn)：磁場(chǎng)能夠提高中碳鋼摩擦磨損性能，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，摩擦因數(shù)和磨損率呈降低趨勢(shì)。但由于研究方法或側(cè)重點(diǎn)的差異，不同研究者得到的結(jié)果不盡相同，甚至存在矛盾之處。本文以工業(yè)中應(yīng)用較廣的鐵磁性材料45鋼為研究對(duì)象，從摩擦副接觸表面行為變化入手，著重分析磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)摩擦接觸表面以及磨屑的影響，研究磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)45鋼摩擦磨損性能的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在自制的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，銷、環(huán)試樣均采用退火態(tài)45鋼，試樣尺寸以及接觸方式如圖1所示。采用通電線圈施加磁場(chǎng)方式，磁場(chǎng)施加裝置如圖2所示。試驗(yàn)過程中，環(huán)試樣轉(zhuǎn)動(dòng)，銷試樣由空心軸和直線軸承帶動(dòng)僅能在豎直方向滑動(dòng)，并在液壓加載作用下與環(huán)試樣接觸，線圈與電源相連，可產(chǎn)生垂直于摩擦面的磁場(chǎng)，線圈架和蓋板采用鋁合金材料制作，以減少裝置自身對(duì)試驗(yàn)的影響。改變電流(直流電流)大小即可調(diào)節(jié)施加的磁場(chǎng)強(qiáng)度值(空載線圈中心處磁場(chǎng)強(qiáng)度)。根據(jù)公式[16]計(jì)算得：本次試驗(yàn)所使用磁場(chǎng)強(qiáng)度值分別為0 kA/m、3.11 kA/m、6.22 kA/m、9.32 kA/m和12.43 kA/m。

圖1 試樣尺寸(mm)及接觸方式 圖2 磁場(chǎng)施加裝置示意圖

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)載荷為360 N，滑動(dòng)速度為0.33 m/s，摩擦?xí)r長為10 min。試驗(yàn)前依次用600號(hào)和1 000號(hào)砂紙對(duì)銷試樣摩擦表面進(jìn)行打磨，銷試樣表面粗糙度Ra為0.46 μm。為避免材料剩磁的影響，試驗(yàn)前、后使用TC-2型退磁器對(duì)銷、環(huán)以及試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行退磁處理，并用無水乙醇清洗、烘干，磨損前、后的質(zhì)量損失由精確度為0.1 mg的BS210S型電子分析天平稱量得出。

采用配有能譜儀(energy dispersive spectrometer，EDS)的JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡(scanning electron microscopy，SEM)表征磨損表面、磨屑形貌以及成分，使用D8型X射線衍射(X-ray diffraction，XRD)儀分析磨屑的物相結(jié)構(gòu)，利用Nano-focus型三維形貌儀表征銷試樣磨損表面三維形貌并計(jì)算其表面粗糙度。

此外，利用TM810M型噪聲計(jì)測(cè)量摩擦磨損過程噪聲的變化(平行放置于距離摩擦面150 mm處)。此噪聲計(jì)測(cè)量范圍為30～130 dB，精確度為±1.5 dB，能夠反映出磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)摩擦噪聲的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)試樣摩擦磨損的影響

圖3 摩擦因數(shù)和磨損率隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化

圖3為摩擦因數(shù)和磨損率隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化曲線。由圖3可知：隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大，摩擦因數(shù)呈上升趨勢(shì)。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度超過6.22 kA/m時(shí)，隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大，摩擦因數(shù)增加的幅度減小。隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大，磨損率呈先快速下降而后緩慢下降的趨勢(shì)，即外加磁場(chǎng)能夠明顯降低銷試樣磨損率。磁場(chǎng)強(qiáng)度為0 kA/m(無磁場(chǎng))時(shí)，磨損率為0.92 mg/m；磁場(chǎng)強(qiáng)度為6.22 kA/m時(shí)，磨損率降低到0.40 mg/m；當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度增大到12.43 kA/m時(shí)，磨損率降低到0.22 mg/m?？傊?，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大，摩擦因數(shù)逐漸增大，而磨損率逐漸減小，但磁場(chǎng)強(qiáng)度與摩擦因數(shù)、磨損率的對(duì)應(yīng)關(guān)系都是非線性關(guān)系。

2.2 摩擦磨損表面及磨屑分析

圖4為不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下銷試樣磨損表面的微觀形貌以及能譜分析圖。磁場(chǎng)強(qiáng)度為0 kA/m時(shí)，磨損表面犁削形貌明顯并伴有大量黏著坑，未見磨屑附著，此時(shí)表面破壞較為嚴(yán)重(見圖4a)，表面氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.20%，氧峰強(qiáng)度較弱(見圖4d)。磁場(chǎng)強(qiáng)度為6.22 kA/m時(shí)，磨損表面犁削形貌加重，黏著坑數(shù)量減少，磨屑附著量增大，表面破壞情況有所改善(見圖4b)，表面氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.98%，氧峰強(qiáng)度增強(qiáng)(見圖4e)。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度增大到12.43 kA/m時(shí)，磨損表面變得較為平整，并附著大量磨屑，此時(shí)表面破壞情況得到了有效改善(見圖4c)，表面氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增大到13.98%，氧峰強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng)(見圖4f)。

圖4 不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下銷試樣磨損表面的微觀形貌及能譜分析

圖5為不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下磨屑的微觀形貌及XRD圖譜。在本文試驗(yàn)條件下，為更好對(duì)比分析磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)磨屑微觀形貌和XRD結(jié)果的影響，僅就磁場(chǎng)強(qiáng)度為0 kA/m和12.43 kA/m兩種情況做對(duì)比分析。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為0 kA/m時(shí)，磨屑多為較大不規(guī)則塊狀或薄片狀(見圖5a)，其對(duì)應(yīng)的XRD圖譜上未見明顯的氧化物物相(見圖5c)。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為12.43 kA/m時(shí)，磨屑顆粒明顯減小并出現(xiàn)明顯團(tuán)聚現(xiàn)象(見圖5b)，其對(duì)應(yīng)的XRD圖譜中明顯有大量氧化物物相存在(見圖5d)。

(a) 磨屑形貌(0kA/m)(b) 磨屑形貌(12.43kA/m) (c) 磨屑XRD圖譜(0kA/m) (d) 磨屑XRD圖譜(12.43kA/m)

圖5 不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下磨屑的微觀形貌及XRD圖譜

綜合圖4和圖5，分析磁場(chǎng)能夠促進(jìn)材料氧化以及磨屑細(xì)化的主要原因可能與磨屑的存在方式有關(guān)。材料在干滑動(dòng)摩擦過程中會(huì)產(chǎn)生大量磨屑，隨著摩擦的進(jìn)行，磨屑主要以3種方式存在：一是直接脫離摩擦副，形成大片狀的磨屑；二是部分磨屑存在于摩擦副接觸面之間繼續(xù)參與摩擦過程，磨屑在正壓力和摩擦力共同作用下斷裂、氧化并堆積于摩擦接觸表面，其中大量的細(xì)小磨屑聚集于摩擦表面凹坑處并壓實(shí)形成摩擦釉面層，從而增大了摩擦副的實(shí)際接觸面積；三是破碎后的一部分磨屑脫離摩擦副接觸表面，形成較為細(xì)小的磨屑。無磁場(chǎng)時(shí)，磨屑主要以第1種方式摩擦面直接脫落為主，不繼續(xù)參與摩擦，磨損表面以磨粒磨損和黏著磨損為主。而有磁場(chǎng)時(shí)，一方面，磁場(chǎng)能夠增強(qiáng)氧氣的化學(xué)吸附作用[4,17]，增大摩擦面的氧氣濃度；另一方面，由于磁場(chǎng)對(duì)磨屑的捕獲作用，大量磨屑存在于摩擦面間反復(fù)參與摩擦過程，磨屑更多以第2種方式存在。隨著摩擦的進(jìn)行，磨屑粒度逐漸減小，磨屑比表面積逐漸增大，磨屑表面活性增加，這不僅導(dǎo)致磨屑自身更容易被氧化，也會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)摩擦面的氧化，加速磨損表面由原來無磁場(chǎng)時(shí)的磨粒磨損、黏著磨損為主，向有磁場(chǎng)時(shí)磨損表面氧化磨損、磨粒磨損為主轉(zhuǎn)變。在氧化與機(jī)械壓力共同作用下，磨屑粒度持續(xù)減小，從而能夠在摩擦過程中起到填充磨損表面凹谷(黏著坑、犁溝等)的作用(大量磨屑在磨損表面會(huì)形成磨屑層)，增大了摩擦副實(shí)際接觸面積，從而增大摩擦因數(shù)，同時(shí)又能隔離材料磨損表面直接接觸，起到保護(hù)材料、減輕材料磨損的作用。宏觀上就表現(xiàn)為隨磁場(chǎng)強(qiáng)度增加，摩擦因數(shù)增大，磨損率減小(見圖3)。

圖6為不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下銷試樣磨損表面的三維形貌圖。為更好分析磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)試樣磨損表面的影響，僅就磁場(chǎng)強(qiáng)度為0 kA/m和12.43 kA/m兩種情況做對(duì)比分析。磁場(chǎng)強(qiáng)度為0 kA/m時(shí)，磨損表面犁溝較深，可見明顯黏著剝落坑(見圖6a)，經(jīng)計(jì)算得磨損表面平均粗糙度Ra為13.0 μm；當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度增大到 12.43 kA/m 時(shí)，磨損表面趨于平整(見圖6b)，此時(shí)，經(jīng)計(jì)算得磨損表面粗糙度Ra為3.0 μm。由圖6可以看出:施加磁場(chǎng)明顯改善了銷試樣摩擦面的磨損狀態(tài)，降低了磨損表面的粗糙度，這進(jìn)一步說明磁場(chǎng)強(qiáng)度能夠影響材料的摩擦面接觸狀態(tài)，從而影響材料的摩擦磨損性能。

圖6 不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下銷試樣磨損表面的三維形貌

圖7 不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下摩擦噪聲隨時(shí)間變化圖

圖7為不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下摩擦噪聲隨時(shí)間變化圖。由圖7可知：磁場(chǎng)強(qiáng)度能夠?qū)δΣ猎肼暜a(chǎn)生顯著影響。磁場(chǎng)強(qiáng)度為0 kA/m時(shí)，試驗(yàn)整個(gè)過程中噪聲強(qiáng)度波動(dòng)較大。磁場(chǎng)強(qiáng)度為6.22 kA/m時(shí)，試驗(yàn)剛開始一段時(shí)間內(nèi)，噪聲強(qiáng)度的波動(dòng)情況與磁場(chǎng)強(qiáng)度為0 kA/m時(shí)類似，隨后出現(xiàn)了一個(gè)無噪聲時(shí)段，之后便持續(xù)產(chǎn)生較高強(qiáng)度的噪聲。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度增大到12.43 kA/m時(shí)，整個(gè)試驗(yàn)過程中幾乎無噪聲產(chǎn)生(接近試驗(yàn)機(jī)空載運(yùn)行時(shí)的本底噪聲強(qiáng)度 75 dB)，噪聲波動(dòng)較磁場(chǎng)強(qiáng)度為 0 kA/m 時(shí)明顯降低。

制動(dòng)噪聲等摩擦噪聲[18-19]的產(chǎn)生，可簡單認(rèn)為是由接觸界面處產(chǎn)生摩擦激發(fā)物體發(fā)生振動(dòng)而引起的，表面粗糙度以及磨屑堆積現(xiàn)象能夠?qū)δΣ猎肼暤漠a(chǎn)生與演變產(chǎn)生重要影響[20]，所以摩擦噪聲能夠在一定程度上反映出摩擦副的摩擦振動(dòng)狀態(tài)。由圖7可知：磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)摩擦噪聲以及演變過程產(chǎn)生了重要影響。分析磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)摩擦噪聲產(chǎn)生影響的主要原因可能是：磁場(chǎng)強(qiáng)度為0 kA/m時(shí)，磨屑以直接脫離摩擦副為主，摩擦接觸面粗糙，摩擦振動(dòng)波動(dòng)大，以致摩擦噪聲波動(dòng)較大。當(dāng)施加較小磁場(chǎng)強(qiáng)度(6.22 kA/m)時(shí)，磁場(chǎng)能夠促進(jìn)摩擦面、磨屑的氧化以及磨屑的細(xì)化，但此時(shí)磁場(chǎng)對(duì)磨屑的捕獲作用較弱，需要一定時(shí)間(200 s)才能在摩擦副之間形成磨屑層，所以摩擦噪聲需要一定時(shí)間(200 s)才能降低；當(dāng)作用在磨屑層上的力超過該磁場(chǎng)強(qiáng)度下磁場(chǎng)對(duì)磨屑的捕獲作用(250 s)時(shí)，磨屑層破壞，從而加劇摩擦振動(dòng)，增大摩擦噪聲。當(dāng)施加磁場(chǎng)強(qiáng)度為12.43 kA/m時(shí)，磁場(chǎng)能夠快速促進(jìn)摩擦面、磨屑的氧化以及磨屑的細(xì)化，吸附磨屑在摩擦接觸面間形成磨屑層，使得摩擦振動(dòng)減小且穩(wěn)定，摩擦噪聲明顯降低。所以，磁場(chǎng)強(qiáng)度影響磨屑參與摩擦過程的方式，改變摩擦接觸狀態(tài)，從而改變摩擦振動(dòng)狀態(tài)，以致對(duì)摩擦過程中的噪聲產(chǎn)生重要影響。

3 結(jié)論

(1)隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大，45鋼摩擦因數(shù)增大，磨損率降低，但磁場(chǎng)強(qiáng)度與摩擦因數(shù)、磨損率的對(duì)應(yīng)關(guān)系并非線性關(guān)系。

(2)由于磁場(chǎng)作用，大量磨屑被吸附在磨損表面反復(fù)參與摩擦過程，改變摩擦面的摩擦接觸狀態(tài)，從而改變了45鋼的摩擦磨損性能。

(3)磁場(chǎng)強(qiáng)度改變了45鋼的磨損機(jī)制，能夠促進(jìn)無磁場(chǎng)時(shí)磨損表面以磨粒磨損、黏著磨損為主向有磁場(chǎng)時(shí)磨損表面以氧化磨損、磨粒磨損為主的轉(zhuǎn)變，且隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度增大，這種促進(jìn)作用增強(qiáng)。

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國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51375146);河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究基金項(xiàng)目(13A460228)

孔二雷(1987-),男,河南開封人,碩士生;杜三明(1970-),男,河南靈寶人,副教授,博士,碩士生導(dǎo)師,主要從事表面工程以及材料摩擦磨損等方面的研究.

2016-09-09

1672-6871(2017)03-0001-05

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2017.03.001

TH117

A