直流穩恒磁場條件下45鋼小位移摩擦磨損試驗研究

董 霖,劉 雄,劉志偉,楊 杰,文 橋

(西華大學機械工程學院,西華大學流體及動力機械教育部重點實驗室,四川 成都 610039)

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直流穩恒磁場條件下45鋼小位移摩擦磨損試驗研究

董 霖,劉 雄,劉志偉,楊 杰,文 橋

(西華大學機械工程學院,西華大學流體及動力機械教育部重點實驗室,四川 成都 610039)

基于HSR-2M高速式往復摩擦磨損試驗機,試驗了直流穩恒磁場條件,往復速度、法向載荷、往復行程、磁場強度等對45鋼的摩擦系數和磨損量的影響,通過磨痕形貌分析了其磨損機制.試驗結果表明：磨損主要為黏著磨損、剝落并伴有氧化磨損; 載荷的增大使得摩擦熱增多,摩擦副表面的塑性增強,磨損量加大; 同時摩擦副表面接觸區域的真實接觸面積變大,造成摩擦系數減小; 試驗的研究結果對在施加直流穩恒磁場情況下45鋼摩擦磨損性能的正確評估有重要的意義.

45鋼; 直流穩恒磁場; 摩擦磨損; 法向載荷

45鋼是優質碳素結構鋼,因其優良的性能被廣泛用于機械設備中.如壓縮機、泵的運動零件,齒輪、軸、活塞銷等零件(零件需經高頻或火焰表面淬火),并可用作鑄件.20世紀70年代,MUJU 等[1]就磁場對于材料摩擦磨損的作用方面做了較多的研究,采用了建立簡單模型的研究方式,得到了磁場能夠減輕摩擦磨損的結論; 1999年,簡小剛等[2]采用直流磁場對鐵磁性材料的摩擦磨損進行了研究; 2002年,周強等[3]采用釹鐵硼永磁鐵和交變磁場(電磁鐵芯)對45鋼條塊—活塞環摩擦副在干摩擦情況下進行了探索,研究表明與無磁場情況相比,穩恒磁場以及交變磁場均能使得摩擦系數顯著減弱,并且兩種磁場對磨損的減弱作用無顯著差異[4-7].本試驗在前人的基礎上,對45鋼在直流穩恒磁場條件下的往復速度、法向載荷、往復行程、磁場強度等對其摩擦磨損性能的影響進行了細致的研究,對提高45鋼磨損性能有重要的意義.

1 試驗過程

1.1 試驗材料及磁場施加方式

本試驗在HSR-2M往復摩擦磨損試驗機(含主控箱)上進行,磁場施加方式為直流穩恒磁場.采用銷盤式摩擦副,鋼銷與鋼盤的材料均為45鋼,經調制處理,其硬度為HRV 43.2,成分見表1.鋼球材料為GCr15鋼,經碳氮共滲處理,其硬度為HRV 67.0,其成分見表2.45鋼柱的尺寸為直徑35 mm,長10 mm,所用鋼球直徑為4 mm.

表1 45鋼柱化學成分(單位%)

表2 GCr15鋼球化學成分(單位%)

2 試驗流程

(1) 無磁場施加條件下的試驗流程

對45鋼盤進行拋光、消磁;對45鋼柱進行消磁,用酒精對鋼盤和鋼銷進行超聲波清洗;對鋼銷和鋼盤進行編號,并測試記錄其硬度;安裝試樣,打開試驗機測試并記錄摩擦系數、磨損率,并觀察試驗現象; 采用金相顯微鏡觀察、記錄磨痕形貌; 清洗試樣,再次觀測、記錄磨痕形貌,測試盤試樣磨痕磨損量,重復上述步驟,試驗3～5次.

(2) 直流穩恒磁場條件下的試驗流程:

安裝磁場施加裝置,如圖1所示.接通穩恒直流電源,測得摩擦副接觸區域的磁感應強度.在磁場條件下進行試驗,同一試驗條件下,重復試驗3—5次.直流磁場條件下的試驗參數如表3所示.

試驗前后需要仔細觀察試驗現象,如磨屑、摩擦系數等.對磨痕進行測量時,需要在清洗前后均用金相顯微鏡對磨痕形貌和磨屑進行觀察; 磨痕的體積(即磨損量)的測量需要在對磨痕形貌觀察后采用往復滑動磨損摩擦試驗機磨損量測量裝置進行測量.

圖1 直流穩恒磁場的施加方式

磁感應強度/T速度/(m·s-1)載荷/N時間/min行程/mm00.01330150.87.80.01330150.800.01335150.87.80.01335150.8

3 試驗結果及分析

3.1 有、無磁場條件的摩擦行為

圖2為滑動速度v為0.013 m·s-1,磁感應強度B為0，7.8 mT時,45鋼銷試樣摩擦系數隨時間變化的曲線圖.由圖2可知,摩擦磨損過程中,無磁場時,前期較短時間內(約60 s),摩擦系數由0快速增大到約0.4.有磁場時,則在較短時間內(約60 s)內增大到約0.34.有、無磁場兩種條件下,摩擦系數與前期相比均稍稍增大并趨于穩定,且有磁場時的摩擦系數明顯小于無磁場時的摩擦系數.

圖2 摩擦系數隨時間的變化圖(Fn=30 N,v=0.013 m·s-1)

3.2 有、無磁場對磨損率的影響

圖3為滑動速度0.013 m·s-1,載荷30 N,有無磁場條件下,45鋼摩擦副磨損率的比較.由圖可知,磁感應強度為0 mT時,磨損率約為0.27 mm3·km-1; 磁感應強度為7.8 mT時,磨損率約為0.21 mm3·km-1.

圖3 有、無磁場時磨損率的比較(Fn = 30 N,v=0.013 m·s-1)

圖4為滑動速度0.013 m·s-1,載荷35 N,有無磁場條件下,45鋼摩擦副磨損率的比較.由圖可知,磁感應強度為0 mT時,磨損率約為0.31 mm3·km-1; 磁感應強度為7.8 mT時,磨損率約為0.22 mm3·km-1.

圖4 有、無磁場時磨損率的比較(Fn = 35 N,v=0.013 m·s-1)

綜合圖3,4可知,滑動速度為0.013 m·s-1,載荷分別為30,35 N時,有磁場時的磨損率均明顯小于無磁場時的磨損率,磁場能起到有效的減輕磨損的作用.

3.3 有、無磁場對溫度的影響

圖5為載荷為30 N,磁感應強度為0,7.8 mT時,摩擦副熱影響區外側的溫度值.在磁感應強度為7.8 mT時,溫度在3 min內快速升高到24.4 ℃,而后降低到22.7 ℃,最后穩定在23.0 ℃左右.在磁感應強度為0 mT時,溫度在6 min內升高到23.4 ℃,而后有所降低,最后穩定在23.0 ℃左右.有磁場時溫度總體高于無磁場時.溫度的升高有利于氧化磨損的加強.由此可知有磁場時氧化磨損有所加重,產生熱量也較無磁場時更多.

圖5 有、無磁場時溫度的比較(Fn =30 N,v=0.013 m·s-1)

4 直流磁場條件下磨損機理研究

圖6為有無磁場條件下45鋼盤試樣(相同速度0.013 m·s-1、相同載荷30 N表面磨痕的光學顯微鏡照片.由圖6a中可見,無磁場條件下磨痕以粗糙的“犁溝”為主,為典型的犁削磨粒磨損形貌.由于沒有磁場的磁化、吸附作用,磨損過程中產生的磨屑在銷與盤間反復摩擦的過程中,被排擠到磨痕兩端區域.磨痕的兩端區域,產生了大量的磨屑的堆積; 而磨痕的中部廣大區域是銷與盤直接犁削作用產生的犁溝.磁場條件下盤試樣表面形貌沒有明顯的“犁溝”,只在磨痕的邊緣區域有較輕的“犁溝”,磨痕的大部分區域主要為較輕微的黏著磨損并有剝落現象,并有少許氧化磨損.圖6b為有磁場時的磨痕表面較無磁場時平整、光潔.由于磁場的磁化和吸引作用,摩擦磨損過程中產生的磨屑被吸附在銷與盤上,在摩擦過程中被反復研磨、細化,形成三體摩擦,細小的磨屑起到了潤滑劑的作用.磁場條件下,磁力和載荷及摩擦力的共同作用下促進了磨屑的剝落,這一過程的機械能產生較多,并伴隨磁能的轉變,產生大量的熱量,使得溫度升高,氧化磨損加強.磨痕的中間大部分區域從而形成了較明顯的黏著現象; 而磨痕邊緣區域可以較快速的與空氣交換熱量,溫度較低,故而無明顯的黏著現象,而以磨粒磨損為主.

圖7為載荷為30，35 N時,相同速度(0.013 m·s-1)、相同磁感應強度(B=7.8 mT)條件下,45鋼盤試樣表面磨痕的光學顯微鏡照片.由圖7可見,磁場條件下盤試樣表面形貌沒有明顯的“犁溝”,只在磨痕的邊緣有較輕的“犁溝”,磨痕的大部分區域主要為黏著磨損、剝落并有些許氧化磨損,且35 N較30 N時剝落現象更輕.載荷35 N時的磨痕表面較30 N時更平整、光潔.由于磁場的磁化和吸引作用,摩擦磨損過程中產生的磨屑被吸附在銷與盤上,在摩擦過程中被反復研磨、細化,細小的磨屑起到了潤滑劑的作用.再由于機械能和磁能轉變為摩擦熱能,使得溫度升高,磨痕的中間大部分區域從而形成了明顯的黏著現象; 而磨痕邊緣區域可以較快速的與空氣交換熱量,溫度較低,故而無明顯黏著現象,而以磨粒磨損為主.而載荷從30 N增大到35 N時,產生摩擦熱能更多,增大了摩擦副表面的塑性,促進了黏著磨損和氧化磨損,磨痕更為平整,而剝落現象被抑制,使其有所減輕.

圖6 有、無磁場時盤磨痕形貌照片(Fn =30 N,v=0.013 m·s-1)

圖7 有磁場不同載荷下盤磨痕形貌照片(B = 7.8 mT,v= 0.013 m·s-1)

5 結論

(1) 載荷和滑動速度相同時,無論有無磁場,摩擦過程摩擦系數均在經歷較短時間后達到一個較穩定的值,且無磁場時的摩擦系數大于有磁場的摩擦系數.磁場能夠減輕摩擦.

(2) 載荷和滑動速度相同時,有磁場時的磨損率均明顯低于無磁場時的磨損率,磁場能起到有效的減輕磨損的作用.無磁場條件下磨痕為粗糙的“犁溝”為主,為典型的犁削.磁場條件下盤試樣表面形貌主要為較輕微的黏著磨損、氧化磨損并有剝落現象,磨痕表面更為平整、光潔.

(3) 在磁場條件下(磁感應強度為7.8 mT),滑動速度一定時,載荷越大,則摩擦系數減小,磨損率增大.適當減小載荷可以減輕摩擦磨損.

(4) 磁場條件下磨損主要為黏著磨損、剝落并有少量氧化磨損.載荷的增大使得摩擦熱增多,摩擦副表面的塑性增強,磨損量加大.同時摩擦副接觸區域的真實面積變大,致使摩擦系數減小.

[1] MUJU M K,GHOSH A.A model of adhesive wear in the presence of a magnetic field[J].Wear,1977,41(1):103-116.

[2] 簡小剛,陳金榮.直流磁場對載荷變化時鐵磁性材料摩擦磨損的影響[J].中國礦業大學學報,1999,28:35-38.

JIAN Xiaogang,CHEN Jinrong,et al.Effect of DC magnetic fieldon friction and wear of ferromagnetic materials under different load[M].Journal of China University of Mining & Technology,1999,28:35-38.

[3] 周強,鄭永軍.磁化摩擦及其潤滑增效作用[M].摩擦學學報,2002,22:479-482.

ZHOU Qiang,ZHENG Yongjun.Magnetizing friction and its boosting action on lubrication[M].Tribology,2002,22:479-482.

[4] 郭浩,杜三明.磁場性質對45鋼摩擦磨損性能的影響[J].潤滑與密封,2013,38(3):19-22.

GUO Hao,DU Sanming.The influence of magnetic field on friction and wear of 45 steel[J].Lubrication Engineering,2013,38(3):19-22.

[5] 董祥林,陳金榮.磁場對金屬摩擦磨損影響的研究及展望[J].材料科學與工程,2000(1):116-122.

DONG Xianglin,CHEN Jinrong.Research situation and prospects for effect of a magnetic field on friction and wear of metals[J].Materials Science and Eugineering,2000(1):118-122.

[6] WEI Y,ZHANG Y,CHEN Y,et al.Impact of material permeability on friction and wear Properties under the interference of DC steady magnetic field[J].Tribology International,2013,57(0):162-169.

[7] WEN Qiao,DONG Lin,YANG Jie,et al.The research of the effect of velocity on coupled temperature filed in pin-on-ring friction pair under electromagnetic field[J].Advanced Materials Research,2014,941:2508-2511.

Experimental research on the friction and wear properties of 45 steel under the DC magnetic field

DONG Lin,LIU Xiong,LIU Zhi-wei,YANG Jie,WEN Qiao

(School of Mechanical Engineering,Key Laboratory of Fluid and Power Machinery,Xihua University of Ministry of Education,Chengdu 610039,China)

Based on HSR-2M high-speed reciprocating friction and wear tester,the effects of reciprocating velocity,normal force,reciprocating sliding distance and magnetic field intensity on the friction and wear properties of45 steel were studied under the DC magnetic field,and the wear mechanism was analyzed by the worn surface morphologies.The experimental results show that the wear is mainly adhesive wear、spalling phenomenon and oxidation wear.The increase of load makes the heat of friction increase,The plasticity of the friction pair surface is increased,the wear quantity is increased.At the same time,the real contact area of the surface of the friction pair becomes larger,and the friction coefficient decreases.The experimental results are valuable in the suitable evaluation of the friction and wear properties of 45 steel under the DC magnetic field.

45 steel; DC magnetic field; friction and wear; normal force

國家人社部留學回國人員科技活動擇優資助項目(2013年)；四川省教育廳重點科研項目(13ZA0021)；西華大學省部級學科平臺制造與自動化重點實驗室(重點研究基地)開放課題(szjj2015-081)；流體及動力機械教育部重點實驗室研究基金(西華大學JYBF-YQ-1,szjj2016-010).

董 霖(1973-)，男，教授，工學博士.E-mail:donglin11723@mail.163.com

TH117

A

1672-5581(2016)03-0263-04