磁場對KDCMSV特種鋼摩擦磨損性能的影響研究

［摘 要］ 為了改善KDCMSV盾構(gòu)滾刀特種鋼表面的耐磨性，對其普通織構(gòu)表面進(jìn)行了激光淬火。采用金相顯微鏡觀察顯微組織，并通過維氏硬度計測顯微硬度；采用高速高溫摩擦磨損試驗機(jī)分別在磁場環(huán)境下與普通環(huán)境下對無處理表面、普通織構(gòu)表面、激光淬火化織構(gòu)表面進(jìn)行摩擦磨損對比試驗，并用激光共聚焦顯微鏡觀察、分析磨痕及磨損形貌。結(jié)果表明：在磁場強(qiáng)度為7 mT時，不同盾構(gòu)滾刀特種鋼表面的減摩效果不同，普通織構(gòu)表面的減摩效果最佳。磁場干摩擦技術(shù)在盾構(gòu)滾刀特種鋼的應(yīng)用，有助于改善其表面的耐磨性。

［關(guān)鍵詞］ 激光淬火; 盾構(gòu)滾刀特種鋼; 織構(gòu); 摩擦磨損; 磁場環(huán)境

［中圖分類號］ U455， TG156.3 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A

20世紀(jì)90年代中期，印度學(xué)者Zekeriya Daban等[1]研究了粉末冶金青銅軸承在磁場下的摩擦性能，發(fā)現(xiàn)在磨損試驗中，不同的磁場強(qiáng)度對其摩擦系數(shù)與磨損量有較大影響。泰國學(xué)者Jirasak Tharajak等[2]研究了磁場對鐵磁性工件摩擦磨損性能的影響，發(fā)現(xiàn)摩擦系數(shù)隨磁場強(qiáng)度的增加而減小。日本學(xué)者Hiratsuka[3]從上世紀(jì)80年代開始對不同磁場作用下Zn/Fe、Cu/Fe和Ni/Fe等多種材料進(jìn)行了銷/盤型式的摩擦磨損實驗，發(fā)現(xiàn)了大量關(guān)于磁場的作用機(jī)理。俄羅斯學(xué)者Burdo等[4]研究了磁化狀態(tài)下鐵磁性材料中脆性裂紋的形成和發(fā)展機(jī)理，其結(jié)果表明，當(dāng)裂紋垂直于磁化矢量且張開時，影響摩擦表面的外磁場對磨損過程的影響最為顯著。簡小剛等[5]對中碳鋼在磁場作用下進(jìn)行摩擦磨損實驗，發(fā)現(xiàn)合適的磁場可以提高中碳鋼的磨損性能。徐永梅等[6]在磁場作用下摩擦與潤滑增效方面進(jìn)行了深入研究，實驗結(jié)果表明，油潤滑條件下外加磁場可以有效改善激光凹坑織構(gòu)表面的摩擦磨損性能。魏永輝等[7]主要研究了多種金屬材料在相同摩擦副、不同磁場條件下的摩擦磨損試驗，并對磁場影響磨損性能的機(jī)理進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析；田煜等[8]對磁場環(huán)境中摩擦副在摩擦過程中的振動和噪聲進(jìn)行了系列研究。熊震等[9]提出了電磁場對金屬材料表面在摩擦磨損試驗過程中產(chǎn)生的影響，總結(jié)了外加電磁場改善摩擦副摩擦學(xué)性能的機(jī)理。

本文利用高速高溫摩擦磨損試驗機(jī)對KDCMSV盾構(gòu)滾刀特種鋼不同表面進(jìn)行了摩擦磨損試驗，分別研究了無處理表面、普通織構(gòu)表面、激光淬火化織構(gòu)表面在普通環(huán)境下與磁場環(huán)境下的摩擦磨損性能，并分析其磨損機(jī)制，為提高盾構(gòu)滾刀特種鋼表面的摩擦與磨損性能提供實驗基礎(chǔ)。

1 試驗

1.1 試驗材料及設(shè)備

試樣盾構(gòu)滾刀特種鋼來自武漢某工程鉆具公司，熱處理工藝為淬火+高溫回火[10]，測得其化學(xué)成分為w（C）= 0.39%，w（Si） =1.10%，w（Mn） =0.30%，w（Cr） =5.35%，w（Mo）= 1.35%，w（V） =0.95%，P余量，S余量。本文將采用該特種鋼的3種表面形式：1）無處理表面，即未經(jīng)處理過的表面；2）普通織構(gòu)表面，即采用電子束熔化技術(shù)加工而成，帶狀織構(gòu)均等距離平行分布在表面，條帶寬度約為5 μm，帶間距約為220 μm；3）激光淬火化織構(gòu)表面，即在普通織構(gòu)表面進(jìn)行激光淬火處理后的表面，工藝參數(shù)為激光功率400W，掃描速度45 mm/s，離焦量5 cm（圖1和圖2）。

采用ISOMET4000線性精密切割機(jī)將其加工成50 mm×50 mm×5 mm的試樣。試驗過程中所用主要儀器及設(shè)備：YLR-4000型光纖激光器、激光共聚焦顯微鏡、ISOMET4000線性精密切割機(jī)、Simplimet1000自動鑲嵌機(jī)、Ecomet300/Automet300自動研磨拋光機(jī)、UMT-Tribolab高速高溫摩擦磨損試驗機(jī)、維氏硬度計、金相顯微鏡等。[LM]

1.2 摩擦磨損試驗

采用上述3種KDCMSV特種鋼表面，分別在有無磁場環(huán)境下進(jìn)行摩擦磨損對比試驗（方案見圖3）。采用UMT-Tribolab高速高溫摩擦磨損試驗機(jī)（圖4）進(jìn)行試驗，對磨球采用直徑為6.35 mm的GCr15鐵磁性球，加載載荷為250 N，實驗時間為1800 s，低速線性往復(fù)速度為10 mm/s，往復(fù)長度為10 mm。摩擦磨損試驗中的永久磁體如圖3所示放置，采用磁場強(qiáng)度測試儀（圖5）測量試樣磨損處的磁場強(qiáng)度，將需要磁場試驗的磁場強(qiáng)度均固定為7 mT。對于普通織構(gòu)表面與激光淬火化織構(gòu)表面，線性往復(fù)方向均沿平行于織構(gòu)方向進(jìn)行。

通過高速高溫摩擦磨損試驗機(jī)分別記錄有無磁場環(huán)境下的無處理表面、普通織構(gòu)表面、激光淬火化織構(gòu)表面的摩擦系數(shù)。磨損量測量方式為：1）分別于距磨痕起始端2 mm，5 mm，8 mm處取磨痕截面輪廓線，記磨損往復(fù)長度L=10 mm，采用VK分析軟件分別測出3次磨痕截面磨損面積，并取平均值，記為A（單位：μm2）；2）記磨損體積量為V（單位：μm3），則磨損體積量計算公式為：V=A×L。試驗結(jié)束后，將GCr15對磨球鑲嵌于橡皮泥中，采用激光共聚焦三維顯微鏡（圖6）觀察并分析其磨損后表面及對磨球三維形貌。磁場環(huán)境下工件磨損截面見圖7。

2 試驗結(jié)果

2.1 無處理表面試驗對比分析

從KDCMSV特種鋼無處理表面在磁場環(huán)境下與普通環(huán)境下的摩擦系數(shù)曲線（圖8）可以看出：磁場對無處理表面摩擦系數(shù)影響很小，幾乎可以忽略不計；無處理表面不同環(huán)境下磨損形貌見圖9；與普通環(huán)境下無處理表面相比，磁場環(huán)境下無處理表面的磨屑更多，磨痕更細(xì)，原因是外加磁場能夠?qū)㈣F磁性磨屑捕獲而吸附在磨損表面，并進(jìn)一步促進(jìn)了磨屑和磨痕的細(xì)化，起到了相對潤滑的效果。

從總體上來看，通過磁場捕獲磨屑產(chǎn)生的“工件[CD*2/3]磨屑[CD*2/3]對磨球三體”潤滑效果大于磨屑充當(dāng)磨粒所產(chǎn)生的“工件[CD*2/3]磨屑[CD*2/3]對磨球三體”磨料磨損[11]。圖10與圖11分別為無處理表面不同環(huán)境下磨損截面輪廓線和對磨球形貌，可算出與普通環(huán)境下無處理表面相比，磁場環(huán)境下的磨損深度與磨損體積分別減少了43.9%和47.7%，磁場環(huán)境下的磨損寬度減少了5.8%。原因是外加磁場促進(jìn)了試樣表面的氧化，從而提高了磨損表面的顯微硬度[12]，進(jìn)一步減少了其磨損深度與磨損面積。

2.2 普通織構(gòu)表面試驗對比分析

KDCMSV特種鋼普通織構(gòu)表面在磁場環(huán)境下與普通環(huán)境下的摩擦系數(shù)曲線如圖12所示。磁場環(huán)境下與普通環(huán)境下的摩擦系數(shù)區(qū)別較小，達(dá)到穩(wěn)定時摩擦系數(shù)曲線幾乎重合，可以忽略不計。從不同環(huán)境下普通織構(gòu)表面磨損形貌（圖13）可以看出，與普通環(huán)境下的普通織構(gòu)表面相比，磁場環(huán)境下磨屑更少，且顆粒度更大，磨痕更細(xì)，可能是因為磁場將磨屑捕獲到織構(gòu)溝槽中，減輕了磨屑、基體與對磨球所形成的三體磨料磨損，產(chǎn)生的磨屑較少[13]。

圖14 與15分別為不同環(huán)境下普通織構(gòu)表面與相應(yīng)對磨球形貌。與普通環(huán)境下的普通織構(gòu)表面相比，磁場環(huán)境下的磨損深度與磨損體積分別減小了57.7%和56.2%，而磁場環(huán)境下的磨損寬度增大了31.3%。原因是在磨損過程中磁場將磨屑捕獲在織構(gòu)溝槽中，顯著減輕了三體磨料磨損，并使得磨屑氧化，增加了硬度與耐磨性。因此，普通織構(gòu)表面在磁場環(huán)境下的耐磨性有明顯提高。

2.3 激光淬火化織構(gòu)表面試驗對比分析

從KDCMSV特種鋼激光淬火化織構(gòu)表面在磁場環(huán)境下與普通環(huán)境下的摩擦系數(shù)曲線（圖16）可以看出，與普通環(huán)境下相比，磁場環(huán)境下激光淬火化織構(gòu)表面的平均摩擦系數(shù)降低了5.1%。從激光淬火化織構(gòu)表面不同環(huán)境下磨損形貌（圖17）可以看出，與普通環(huán)境下激光淬火化織構(gòu)表面相比，磁場環(huán)境下激光淬火化織構(gòu)表面磨損更輕微，磨痕更細(xì)，磨屑更多。圖18與19分別為不同環(huán)境下激光淬火化織構(gòu)表面磨損截面輪廓線和相應(yīng)對磨球形貌。可以發(fā)現(xiàn)，與普通環(huán)境下的激光淬火化織構(gòu)表面相比，磁場環(huán)境下的磨損深度與磨損體積分別減少了14.7%和7.9%，而磁場環(huán)境下的磨損深度卻增加了13.8%。因為激光淬火化織構(gòu)表面的硬度比較高，外加磁場后的影響較小，但仍然有減輕摩擦磨損的效果。而磁場強(qiáng)度也會對減摩產(chǎn)生一定的影響，磁場強(qiáng)度的影響有待進(jìn)一步研究。

2.4 試驗總結(jié)分析

對于KDCMSV特種鋼無處理表面，與普通環(huán)境下相比，磁場環(huán)境下的磨損面積減少了47.7%；對于普通織構(gòu)表面，與普通環(huán)境下相比，磁場環(huán)境下的磨損面積減少了56.2%；對于激光淬火化織構(gòu)表面，與普通環(huán)境下相比，磁場環(huán)境下的磨損面積減少了7.9%。可以發(fā)現(xiàn)，磁場對激光淬火化織構(gòu)表面的影響較小，原因如下：1）激光淬火后，工件表面的硬度增加使得磨損面積較小，其影響不明顯；2）激光淬火后，大量的奧氏體轉(zhuǎn)化為針狀馬氏體組織（圖20），馬氏體中含有大量鐵素體，磁場將含有鐵素體的磨屑吸附到織構(gòu)的溝槽中，從而起到了保護(hù)基體的作用。因此，磁場顯著提高了盾構(gòu)滾刀特種鋼表面的摩擦磨損性能。

因地下工作環(huán)境極其惡劣，KDCMSV盾構(gòu)滾刀特種鋼表面會產(chǎn)生大量磨損，導(dǎo)致其使用壽命減短。目前國內(nèi)外學(xué)者對于磁場干摩擦技術(shù)的研究較為成熟[14]，已運用該技術(shù)到生活中的許多方面，但將該技術(shù)應(yīng)用到盾構(gòu)機(jī)滾刀方面的研究還無人涉及。因此，本文將應(yīng)用磁場干摩擦技術(shù)到盾構(gòu)滾刀特種鋼表面，提高盾構(gòu)機(jī)滾刀表面的耐磨性，從而提高盾構(gòu)滾刀的使用壽命。

3 結(jié)論

1）從磨損面積來看，減磨效果最佳的為磁場環(huán)境下普通織構(gòu)表面；從磨損深度來看，減磨效果最佳的為磁場環(huán)境下普通織構(gòu)表面；從磨損寬度來看，減磨效果最佳的為磁場環(huán)境下無處理表面。

2）本次試驗中，磁場對KDCMSV特種鋼普通織構(gòu)表面的減摩效果最佳。

3）磁場對KDCMSV特種鋼不同表面的摩擦系數(shù)產(chǎn)生的影響極小，幾乎可忽略不計。

4）磁場顯著改善了KDCMSV特種鋼不同表面的摩擦磨損性能，在今后的研究中，可調(diào)整磁場強(qiáng)度，以進(jìn)一步改善金屬表面的摩擦磨損性能。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

［1］ DABAN Z， DURAK E. Investigation of frictional properties of manufactured by powder metallurgy （P/M） the bronze bearings exposed to magnetic field[J]. Politeknik Dergisi， 2019， 673（03）：654-667.

[2] THARAJAK J， NICOMRAT D. Friction coefficient and worn surface of ferromagnetic materials under magnetic fields[J]. Applied Mechanics amp; Materials， 2016， 848（02）： 316-329.

[3] YU T， YASUHISA A， KEN'ICHI H. P-MNS-05 friction anisotropy between different materials measured under high-vacuum conditions（Micro/Nanosystem Science and Technology，Technical Program of Poster Session）[C]. June 2009 Proceedings of JSME-IIP/ASME-ISPS Joint Conference on Micromechatronics for Information and Precision Equipment IIP/ISPS joint MIPE， 2009：425-426.

[4] BURDO G B， BOLOTOV A N. The friction surface destruction mechanism in a magnetic field[J]. IOP Conference Series： Materials Science and Engineering， 2020， 862（02）： 22012-22015.

[5] 董祥林，簡小剛，畢紅運，等. 磁場對中碳鋼滑動摩擦磨損的影響[J]. 金屬學(xué)報，1999（06）： 577-580.

[6] 徐詠梅，李婷，李銀銀，等. 磁流體軸承的磁場與潤滑特性分析研究[J]. 機(jī)電工程，2016， 33（03）： 259-264.

[7] 魏永輝，王秀麗，劉元朋，等. 金屬材料直流磁場干摩擦的研究進(jìn)展[J]. 表面技術(shù)，2017， 46（11）： 223-229.

[8] 萬進(jìn)，田煜，周銘，等. 載荷對壁虎剛毛束的摩擦各向異性特性影響的實驗研究[J]. 物理學(xué)報，2012， 61（01）： 345-352.

[9] 熊震，許春霞，胡瑞，等. 外加電磁場對金屬材料摩擦副摩擦學(xué)性能影響的研究進(jìn)展[J]. 機(jī)械工程材料， 2021， 45（03）： 1-5.

[10] 譚忠盛，周振梁，李宗林，等. 高強(qiáng)度圍巖隧洞TBM刀具磨損規(guī)律研究[J]. 土木工程學(xué)報， 2021， 54（12）： 104-115.

[11] 秦超. 鈦合金金剛石切削工藝和刀具磨損控制方法的研究[D]. 廣州：廣東工業(yè)大學(xué)， 2021.

[12] 岳彩旭，杜延杰，李曉晨，等. 鈦合金銑削過程刀具前刀面磨損解析建模[J]. 機(jī)械工程學(xué)報， 2021， 57（23）： 232-240.

[13] 李峰，李雙喜，劉橋橋. 盾構(gòu)刀具的磨損及減磨措施[J]. 機(jī)械設(shè)計， 2021， 38（S1）： 126-130.

[14] 羅歡，張定華，羅明. 航空難加工材料切削刀具磨損與剩余壽命預(yù)測研究進(jìn)展[J]. 中國機(jī)械工程，2021， 32（22）： 2647-2666.

Effect of Magnetic Field on Friction and Wear Propertiesof Special Steel for Shield Hob

ZHANG Li1， WU Jianzhao2， ZHANG Shuaikun2， SUN Jiahao2

（1 College of Mechanical Engin.，Hubei Univ. of Tech.，Wuhan 430068，China；2 School of Mechanical Sci.and Engin.， Huazhong Univ. of Sci. and Tech.，Wuhan 430074，China；）

Abstract： In order to improve the wear resistance of special steel surface of KDCMSV shield hob， its ordinary texture surface was laser quenched in this paper. The microstructure was observed by metallographic microscope and the microhardness was measured by Vickers hardness tester. The friction and wear tests of untreated surface， ordinary textured surface and laser quenched textured surface were carried out by high speed and high temperature friction and wear tester under magnetic field environment and ordinary environment respectively. The wear marks and wear morphology were observed and analyzed by laser confocal microscope. The results show that when the magnetic field strength is 7mt， the antifriction effect of special steel surface of different shield hobs is different， and the antifriction effect of ordinary texture surface is the best. The application of magnetic field dry friction technology in special steel of shield hob is helpful to improve the wear resistance of its surface.

Keywords： laser quenching; special steel for shield hob; texture; wear; magnetic field

［責(zé)任編校： 張 眾］

［收稿日期］ 2022-03-07

［第一作者］ 張 力（1995-）男，湖北漢川人，湖北工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向為摩擦學(xué)。