磁场强度对45钢摩擦磨损性能的影响

孔二雷，杜三明，张永振

(河南科技大学 材料科学与工程学院，河南 洛阳 471023)



磁场强度对45钢摩擦磨损性能的影响

孔二雷，杜三明，张永振

(河南科技大学 材料科学与工程学院，河南 洛阳 471023)

采用销-环接触方式，在自制的摩擦磨损试验机上，研究了不同磁场强度对铁磁性材料45钢干滑动摩擦磨损性能的影响。采用扫描电子显微镜、X射线衍射仪和三维形貌仪等仪器对磨损表面形貌及磨屑进行了表征。试验结果表明：施加磁场明显影响了45钢的摩擦磨损性能。随着磁场强度的增大，摩擦因数逐渐增大，磨损率逐渐减小，磨损表面粗糙度逐渐降低。磨屑参与摩擦过程的方式不仅影响其自身粒度的大小，而且影响摩擦表面接触状态，以至于对45钢的摩擦磨损性能产生了显著影响。磁场促进磨损表面及磨屑的氧化并吸附磨屑反复参与摩擦过程，在磨损表面形成磨屑层，从而改变45钢的摩擦磨损性能。

45钢；磁场；摩擦磨损；氧化

0 引言

随着电磁技术应用范围的不断扩大，越来越多的机电设备运行于磁场中，如电机、电磁制动、离合器、电磁炮发射装置以及航空母舰上的舰载机电磁弹射器等[1-3]。这些设备中运动部件的使用寿命往往直接影响着整个机械装置的安全稳定运行。为分析磁场对材料摩擦学性能的作用机制以及影响规律，科研人员在不同试验条件下研究了磁场对多种材料摩擦磨损性能的影响。文献[4-5]研究了不同磁场施加方向对低碳钢等材料摩擦磨损性能的影响。文献[6]在不同试验气氛(大气、真空)中研究了磁场对XC48钢摩擦磨损性能的影响。文献[7-10]采用不同磁属性材料自配副、互配副的方式，研究了磁场对多种材料摩擦磨损性能的影响。上述研究表明：磁场对铁磁性材料的摩擦磨损性能影响较大，对非铁磁性材料也有一定的影响。磁场强度作为表征磁场强弱的一个重要参量，是影响材料摩擦磨损性能的主要因素[11]，因此，一些学者研究了磁场强度对钢铁材料摩擦磨损性能的影响。文献[12]研究发现：磁场使中碳钢的磨损率减小，摩擦因数增大，且随着磁场强度的增大，摩擦因数递增。文献[13]研究表明：外加磁场增大了中碳钢的磨损体积，随着施加磁场强度的增大，磨损体积逐渐增大。文献[14-15]研究发现：磁场能够提高中碳钢摩擦磨损性能，随着磁场强度的增加，摩擦因数和磨损率呈降低趋势。但由于研究方法或侧重点的差异，不同研究者得到的结果不尽相同，甚至存在矛盾之处。本文以工业中应用较广的铁磁性材料45钢为研究对象，从摩擦副接触表面行为变化入手，着重分析磁场强度对摩擦接触表面以及磨屑的影响，研究磁场强度对45钢摩擦磨损性能的影响规律。

1 试验

1.1 试验装置

试验在自制的摩擦磨损试验机上进行，销、环试样均采用退火态45钢，试样尺寸以及接触方式如图1所示。采用通电线圈施加磁场方式，磁场施加装置如图2所示。试验过程中，环试样转动，销试样由空心轴和直线轴承带动仅能在竖直方向滑动，并在液压加载作用下与环试样接触，线圈与电源相连，可产生垂直于摩擦面的磁场，线圈架和盖板采用铝合金材料制作，以减少装置自身对试验的影响。改变电流(直流电流)大小即可调节施加的磁场强度值(空载线圈中心处磁场强度)。根据公式[16]计算得：本次试验所使用磁场强度值分别为0 kA/m、3.11 kA/m、6.22 kA/m、9.32 kA/m和12.43 kA/m。

图1 试样尺寸(mm)及接触方式 图2 磁场施加装置示意图

1.2 试验方法

试验载荷为360 N，滑动速度为0.33 m/s，摩擦时长为10 min。试验前依次用600号和1 000号砂纸对销试样摩擦表面进行打磨，销试样表面粗糙度Ra为0.46 μm。为避免材料剩磁的影响，试验前、后使用TC-2型退磁器对销、环以及试验设备进行退磁处理，并用无水乙醇清洗、烘干，磨损前、后的质量损失由精确度为0.1 mg的BS210S型电子分析天平称量得出。

采用配有能谱仪(energy dispersive spectrometer，EDS)的JSM-5610LV型扫描电子显微镜(scanning electron microscopy，SEM)表征磨损表面、磨屑形貌以及成分，使用D8型X射线衍射(X-ray diffraction，XRD)仪分析磨屑的物相结构，利用Nano-focus型三维形貌仪表征销试样磨损表面三维形貌并计算其表面粗糙度。

此外，利用TM810M型噪声计测量摩擦磨损过程噪声的变化(平行放置于距离摩擦面150 mm处)。此噪声计测量范围为30～130 dB，精确度为±1.5 dB，能够反映出磁场强度对摩擦噪声的影响。

2 试验结果与分析

2.1 磁场强度对试样摩擦磨损的影响

图3 摩擦因数和磨损率随磁场强度的变化

图3为摩擦因数和磨损率随磁场强度的变化曲线。由图3可知：随着磁场强度的增大，摩擦因数呈上升趋势。当磁场强度超过6.22 kA/m时，随磁场强度的增大，摩擦因数增加的幅度减小。随着磁场强度的增大，磨损率呈先快速下降而后缓慢下降的趋势，即外加磁场能够明显降低销试样磨损率。磁场强度为0 kA/m(无磁场)时，磨损率为0.92 mg/m；磁场强度为6.22 kA/m时，磨损率降低到0.40 mg/m；当磁场强度增大到12.43 kA/m时，磨损率降低到0.22 mg/m。总之，随着磁场强度的增大，摩擦因数逐渐增大，而磨损率逐渐减小，但磁场强度与摩擦因数、磨损率的对应关系都是非线性关系。

2.2 摩擦磨损表面及磨屑分析

图4为不同磁场强度下销试样磨损表面的微观形貌以及能谱分析图。磁场强度为0 kA/m时，磨损表面犁削形貌明显并伴有大量黏着坑，未见磨屑附着，此时表面破坏较为严重(见图4a)，表面氧质量分数为5.20%，氧峰强度较弱(见图4d)。磁场强度为6.22 kA/m时，磨损表面犁削形貌加重，黏着坑数量减少，磨屑附着量增大，表面破坏情况有所改善(见图4b)，表面氧质量分数为10.98%，氧峰强度增强(见图4e)。当磁场强度增大到12.43 kA/m时，磨损表面变得较为平整，并附着大量磨屑，此时表面破坏情况得到了有效改善(见图4c)，表面氧质量分数进一步增大到13.98%，氧峰强度进一步增强(见图4f)。

图4 不同磁场强度下销试样磨损表面的微观形貌及能谱分析

图5为不同磁场强度下磨屑的微观形貌及XRD图谱。在本文试验条件下，为更好对比分析磁场强度对磨屑微观形貌和XRD结果的影响，仅就磁场强度为0 kA/m和12.43 kA/m两种情况做对比分析。当磁场强度为0 kA/m时，磨屑多为较大不规则块状或薄片状(见图5a)，其对应的XRD图谱上未见明显的氧化物物相(见图5c)。当磁场强度为12.43 kA/m时，磨屑颗粒明显减小并出现明显团聚现象(见图5b)，其对应的XRD图谱中明显有大量氧化物物相存在(见图5d)。

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

图5 不同磁场强度下磨屑的微观形貌及XRD图谱

综合图4和图5，分析磁场能够促进材料氧化以及磨屑细化的主要原因可能与磨屑的存在方式有关。材料在干滑动摩擦过程中会产生大量磨屑，随着摩擦的进行，磨屑主要以3种方式存在：一是直接脱离摩擦副，形成大片状的磨屑；二是部分磨屑存在于摩擦副接触面之间继续参与摩擦过程，磨屑在正压力和摩擦力共同作用下断裂、氧化并堆积于摩擦接触表面，其中大量的细小磨屑聚集于摩擦表面凹坑处并压实形成摩擦釉面层，从而增大了摩擦副的实际接触面积；三是破碎后的一部分磨屑脱离摩擦副接触表面，形成较为细小的磨屑。无磁场时，磨屑主要以第1种方式摩擦面直接脱落为主，不继续参与摩擦，磨损表面以磨粒磨损和黏着磨损为主。而有磁场时，一方面，磁场能够增强氧气的化学吸附作用[4,17]，增大摩擦面的氧气浓度；另一方面，由于磁场对磨屑的捕获作用，大量磨屑存在于摩擦面间反复参与摩擦过程，磨屑更多以第2种方式存在。随着摩擦的进行，磨屑粒度逐渐减小，磨屑比表面积逐渐增大，磨屑表面活性增加，这不仅导致磨屑自身更容易被氧化，也会进一步促进摩擦面的氧化，加速磨损表面由原来无磁场时的磨粒磨损、黏着磨损为主，向有磁场时磨损表面氧化磨损、磨粒磨损为主转变。在氧化与机械压力共同作用下，磨屑粒度持续减小，从而能够在摩擦过程中起到填充磨损表面凹谷(黏着坑、犁沟等)的作用(大量磨屑在磨损表面会形成磨屑层)，增大了摩擦副实际接触面积，从而增大摩擦因数，同时又能隔离材料磨损表面直接接触，起到保护材料、减轻材料磨损的作用。宏观上就表现为随磁场强度增加，摩擦因数增大，磨损率减小(见图3)。

图6为不同磁场强度下销试样磨损表面的三维形貌图。为更好分析磁场强度对试样磨损表面的影响，仅就磁场强度为0 kA/m和12.43 kA/m两种情况做对比分析。磁场强度为0 kA/m时，磨损表面犁沟较深，可见明显黏着剥落坑(见图6a)，经计算得磨损表面平均粗糙度Ra为13.0 μm；当磁场强度增大到 12.43 kA/m 时，磨损表面趋于平整(见图6b)，此时，经计算得磨损表面粗糙度Ra为3.0 μm。由图6可以看出:施加磁场明显改善了销试样摩擦面的磨损状态，降低了磨损表面的粗糙度，这进一步说明磁场强度能够影响材料的摩擦面接触状态，从而影响材料的摩擦磨损性能。

图6 不同磁场强度下销试样磨损表面的三维形貌

图7 不同磁场强度下摩擦噪声随时间变化图

图7为不同磁场强度下摩擦噪声随时间变化图。由图7可知：磁场强度能够对摩擦噪声产生显著影响。磁场强度为0 kA/m时，试验整个过程中噪声强度波动较大。磁场强度为6.22 kA/m时，试验刚开始一段时间内，噪声强度的波动情况与磁场强度为0 kA/m时类似，随后出现了一个无噪声时段，之后便持续产生较高强度的噪声。当磁场强度增大到12.43 kA/m时，整个试验过程中几乎无噪声产生(接近试验机空载运行时的本底噪声强度 75 dB)，噪声波动较磁场强度为 0 kA/m 时明显降低。

制动噪声等摩擦噪声[18-19]的产生，可简单认为是由接触界面处产生摩擦激发物体发生振动而引起的，表面粗糙度以及磨屑堆积现象能够对摩擦噪声的产生与演变产生重要影响[20]，所以摩擦噪声能够在一定程度上反映出摩擦副的摩擦振动状态。由图7可知：磁场强度对摩擦噪声以及演变过程产生了重要影响。分析磁场强度对摩擦噪声产生影响的主要原因可能是：磁场强度为0 kA/m时，磨屑以直接脱离摩擦副为主，摩擦接触面粗糙，摩擦振动波动大，以致摩擦噪声波动较大。当施加较小磁场强度(6.22 kA/m)时，磁场能够促进摩擦面、磨屑的氧化以及磨屑的细化，但此时磁场对磨屑的捕获作用较弱，需要一定时间(200 s)才能在摩擦副之间形成磨屑层，所以摩擦噪声需要一定时间(200 s)才能降低；当作用在磨屑层上的力超过该磁场强度下磁场对磨屑的捕获作用(250 s)时，磨屑层破坏，从而加剧摩擦振动，增大摩擦噪声。当施加磁场强度为12.43 kA/m时，磁场能够快速促进摩擦面、磨屑的氧化以及磨屑的细化，吸附磨屑在摩擦接触面间形成磨屑层，使得摩擦振动减小且稳定，摩擦噪声明显降低。所以，磁场强度影响磨屑参与摩擦过程的方式，改变摩擦接触状态，从而改变摩擦振动状态，以致对摩擦过程中的噪声产生重要影响。

3 结论

(1)随着磁场强度的增大，45钢摩擦因数增大，磨损率降低，但磁场强度与摩擦因数、磨损率的对应关系并非线性关系。

(2)由于磁场作用，大量磨屑被吸附在磨损表面反复参与摩擦过程，改变摩擦面的摩擦接触状态，从而改变了45钢的摩擦磨损性能。

(3)磁场强度改变了45钢的磨损机制，能够促进无磁场时磨损表面以磨粒磨损、黏着磨损为主向有磁场时磨损表面以氧化磨损、磨粒磨损为主的转变，且随着磁场强度增大，这种促进作用增强。

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国家自然科学基金项目(51375146);河南省教育厅科学技术研究基金项目(13A460228)

孔二雷(1987-),男,河南开封人,硕士生;杜三明(1970-),男,河南灵宝人,副教授,博士,硕士生导师,主要从事表面工程以及材料摩擦磨损等方面的研究.

2016-09-09

1672-6871(2017)03-0001-05

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2017.03.001

TH117

A