直流穩(wěn)恒磁場(chǎng)條件下45鋼小位移摩擦磨損試驗(yàn)研究

董 霖,劉 雄,劉志偉,楊 杰,文 橋

(西華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,西華大學(xué)流體及動(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610039)

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直流穩(wěn)恒磁場(chǎng)條件下45鋼小位移摩擦磨損試驗(yàn)研究

董 霖,劉 雄,劉志偉,楊 杰,文 橋

(西華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,西華大學(xué)流體及動(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610039)

基于HSR-2M高速式往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī),試驗(yàn)了直流穩(wěn)恒磁場(chǎng)條件,往復(fù)速度、法向載荷、往復(fù)行程、磁場(chǎng)強(qiáng)度等對(duì)45鋼的摩擦系數(shù)和磨損量的影響,通過磨痕形貌分析了其磨損機(jī)制.試驗(yàn)結(jié)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(qiáng),磨損量加大; 同時(shí)摩擦副表面接觸區(qū)域的真實(shí)接觸面積變大,造成摩擦系數(shù)減小; 試驗(yàn)的研究結(jié)果對(duì)在施加直流穩(wěn)恒磁場(chǎng)情況下45鋼摩擦磨損性能的正確評(píng)估有重要的意義.

45鋼; 直流穩(wěn)恒磁場(chǎng); 摩擦磨損; 法向載荷

45鋼是優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼,因其優(yōu)良的性能被廣泛用于機(jī)械設(shè)備中.如壓縮機(jī)、泵的運(yùn)動(dòng)零件,齒輪、軸、活塞銷等零件(零件需經(jīng)高頻或火焰表面淬火),并可用作鑄件.20世紀(jì)70年代,MUJU 等[1]就磁場(chǎng)對(duì)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(jiǎn)單模型的研究方式,得到了磁場(chǎng)能夠減輕摩擦磨損的結(jié)論; 1999年,簡(jiǎn)小剛等[2]采用直流磁場(chǎng)對(duì)鐵磁性材料的摩擦磨損進(jìn)行了研究; 2002年,周強(qiáng)等[3]采用釹鐵硼永磁鐵和交變磁場(chǎng)(電磁鐵芯)對(duì)45鋼條塊—活塞環(huán)摩擦副在干摩擦情況下進(jìn)行了探索,研究表明與無磁場(chǎng)情況相比,穩(wěn)恒磁場(chǎng)以及交變磁場(chǎng)均能使得摩擦系數(shù)顯著減弱,并且兩種磁場(chǎng)對(duì)磨損的減弱作用無顯著差異[4-7].本試驗(yàn)在前人的基礎(chǔ)上,對(duì)45鋼在直流穩(wěn)恒磁場(chǎng)條件下的往復(fù)速度、法向載荷、往復(fù)行程、磁場(chǎng)強(qiáng)度等對(duì)其摩擦磨損性能的影響進(jìn)行了細(xì)致的研究,對(duì)提高45鋼磨損性能有重要的意義.

1 試驗(yàn)過程

1.1 試驗(yàn)材料及磁場(chǎng)施加方式

本試驗(yàn)在HSR-2M往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(含主控箱)上進(jìn)行,磁場(chǎng)施加方式為直流穩(wěn)恒磁場(chǎng).采用銷盤式摩擦副,鋼銷與鋼盤的材料均為45鋼,經(jīng)調(diào)制處理,其硬度為HRV 43.2,成分見表1.鋼球材料為GCr15鋼,經(jīng)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(zhǎng)10 mm,所用鋼球直徑為4 mm.

表1 45鋼柱化學(xué)成分(單位%)

表2 GCr15鋼球化學(xué)成分(單位%)

2 試驗(yàn)流程

(1) 無磁場(chǎng)施加條件下的試驗(yàn)流程

對(duì)45鋼盤進(jìn)行拋光、消磁;對(duì)45鋼柱進(jìn)行消磁,用酒精對(duì)鋼盤和鋼銷進(jìn)行超聲波清洗;對(duì)鋼銷和鋼盤進(jìn)行編號(hào),并測(cè)試記錄其硬度;安裝試樣,打開試驗(yàn)機(jī)測(cè)試并記錄摩擦系數(shù)、磨損率,并觀察試驗(yàn)現(xiàn)象; 采用金相顯微鏡觀察、記錄磨痕形貌; 清洗試樣,再次觀測(cè)、記錄磨痕形貌,測(cè)試盤試樣磨痕磨損量,重復(fù)上述步驟,試驗(yàn)3～5次.

(2) 直流穩(wěn)恒磁場(chǎng)條件下的試驗(yàn)流程:

安裝磁場(chǎng)施加裝置,如圖1所示.接通穩(wěn)恒直流電源,測(cè)得摩擦副接觸區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度.在磁場(chǎng)條件下進(jìn)行試驗(yàn),同一試驗(yàn)條件下,重復(fù)試驗(yàn)3—5次.直流磁場(chǎng)條件下的試驗(yàn)參數(shù)如表3所示.

試驗(yàn)前后需要仔細(xì)觀察試驗(yàn)現(xiàn)象,如磨屑、摩擦系數(shù)等.對(duì)磨痕進(jìn)行測(cè)量時(shí),需要在清洗前后均用金相顯微鏡對(duì)磨痕形貌和磨屑進(jìn)行觀察; 磨痕的體積(即磨損量)的測(cè)量需要在對(duì)磨痕形貌觀察后采用往復(fù)滑動(dòng)磨損摩擦試驗(yàn)機(jī)磨損量測(cè)量裝置進(jìn)行測(cè)量.

圖1 直流穩(wěn)恒磁場(chǎng)的施加方式

磁感應(yīng)強(qiáng)度/T速度/(m·s-1)載荷/N時(shí)間/min行程/mm00.01330150.87.80.01330150.800.01335150.87.80.01335150.8

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 有、無磁場(chǎng)條件的摩擦行為

圖2為滑動(dòng)速度v為0.013 m·s-1,磁感應(yīng)強(qiáng)度B為0，7.8 mT時(shí),45鋼銷試樣摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化的曲線圖.由圖2可知,摩擦磨損過程中,無磁場(chǎng)時(shí),前期較短時(shí)間內(nèi)(約60 s),摩擦系數(shù)由0快速增大到約0.4.有磁場(chǎng)時(shí),則在較短時(shí)間內(nèi)(約60 s)內(nèi)增大到約0.34.有、無磁場(chǎng)兩種條件下,摩擦系數(shù)與前期相比均稍稍增大并趨于穩(wěn)定,且有磁場(chǎng)時(shí)的摩擦系數(shù)明顯小于無磁場(chǎng)時(shí)的摩擦系數(shù).

圖2 摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化圖(Fn=30 N,v=0.013 m·s-1)

3.2 有、無磁場(chǎng)對(duì)磨損率的影響

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

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

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

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

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

3.3 有、無磁場(chǎng)對(duì)溫度的影響

圖5為載荷為30 N,磁感應(yīng)強(qiáng)度為0,7.8 mT時(shí),摩擦副熱影響區(qū)外側(cè)的溫度值.在磁感應(yīng)強(qiáng)度為7.8 mT時(shí),溫度在3 min內(nèi)快速升高到24.4 ℃,而后降低到22.7 ℃,最后穩(wěn)定在23.0 ℃左右.在磁感應(yīng)強(qiáng)度為0 mT時(shí),溫度在6 min內(nèi)升高到23.4 ℃,而后有所降低,最后穩(wěn)定在23.0 ℃左右.有磁場(chǎng)時(shí)溫度總體高于無磁場(chǎng)時(shí).溫度的升高有利于氧化磨損的加強(qiáng).由此可知有磁場(chǎng)時(shí)氧化磨損有所加重,產(chǎn)生熱量也較無磁場(chǎng)時(shí)更多.

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

4 直流磁場(chǎng)條件下磨損機(jī)理研究

圖6為有無磁場(chǎng)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(xué)顯微鏡照片.由圖6a中可見,無磁場(chǎng)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(chǎng)的磁化、吸附作用,磨損過程中產(chǎn)生的磨屑在銷與盤間反復(fù)摩擦的過程中,被排擠到磨痕兩端區(qū)域.磨痕的兩端區(qū)域,產(chǎn)生了大量的磨屑的堆積; 而磨痕的中部廣大區(qū)域是銷與盤直接犁削作用產(chǎn)生的犁溝.磁場(chǎng)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(qū)域有較輕的“犁溝”,磨痕的大部分區(qū)域主要為較輕微的黏著磨損并有剝落現(xiàn)象,并有少許氧化磨損.圖6b為有磁場(chǎng)時(shí)的磨痕表面較無磁場(chǎng)時(shí)平整、光潔.由于磁場(chǎng)的磁化和吸引作用,摩擦磨損過程中產(chǎn)生的磨屑被吸附在銷與盤上,在摩擦過程中被反復(fù)研磨、細(xì)化,形成三體摩擦,細(xì)小的磨屑起到了潤(rùn)滑劑的作用.磁場(chǎng)條件下,磁力和載荷及摩擦力的共同作用下促進(jìn)了磨屑的剝落,這一過程的機(jī)械能產(chǎn)生較多,并伴隨磁能的轉(zhuǎn)變,產(chǎn)生大量的熱量,使得溫度升高,氧化磨損加強(qiáng).磨痕的中間大部分區(qū)域從而形成了較明顯的黏著現(xiàn)象; 而磨痕邊緣區(qū)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(xiàn)象,而以磨粒磨損為主.

圖7為載荷為30，35 N時(shí),相同速度(0.013 m·s-1)、相同磁感應(yīng)強(qiáng)度(B=7.8 mT)條件下,45鋼盤試樣表面磨痕的光學(xué)顯微鏡照片.由圖7可見,磁場(chǎng)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(qū)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(shí)剝落現(xiàn)象更輕.載荷35 N時(shí)的磨痕表面較30 N時(shí)更平整、光潔.由于磁場(chǎng)的磁化和吸引作用,摩擦磨損過程中產(chǎn)生的磨屑被吸附在銷與盤上,在摩擦過程中被反復(fù)研磨、細(xì)化,細(xì)小的磨屑起到了潤(rùn)滑劑的作用.再由于機(jī)械能和磁能轉(zhuǎn)變?yōu)槟Σ翢崮?使得溫度升高,磨痕的中間大部分區(qū)域從而形成了明顯的黏著現(xiàn)象; 而磨痕邊緣區(qū)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(xiàn)象,而以磨粒磨損為主.而載荷從30 N增大到35 N時(shí),產(chǎn)生摩擦熱能更多,增大了摩擦副表面的塑性,促進(jìn)了黏著磨損和氧化磨損,磨痕更為平整,而剝落現(xiàn)象被抑制,使其有所減輕.

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

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

5 結(jié)論

(1) 載荷和滑動(dòng)速度相同時(shí),無論有無磁場(chǎng),摩擦過程摩擦系數(shù)均在經(jīng)歷較短時(shí)間后達(dá)到一個(gè)較穩(wěn)定的值,且無磁場(chǎng)時(shí)的摩擦系數(shù)大于有磁場(chǎng)的摩擦系數(shù).磁場(chǎng)能夠減輕摩擦.

(2) 載荷和滑動(dòng)速度相同時(shí),有磁場(chǎng)時(shí)的磨損率均明顯低于無磁場(chǎng)時(shí)的磨損率,磁場(chǎng)能起到有效的減輕磨損的作用.無磁場(chǎng)條件下磨痕為粗糙的“犁溝”為主,為典型的犁削.磁場(chǎng)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(xiàn)象,磨痕表面更為平整、光潔.

(3) 在磁場(chǎng)條件下(磁感應(yīng)強(qiáng)度為7.8 mT),滑動(dòng)速度一定時(shí),載荷越大,則摩擦系數(shù)減小,磨損率增大.適當(dāng)減小載荷可以減輕摩擦磨損.

(4) 磁場(chǎng)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(qiáng),磨損量加大.同時(shí)摩擦副接觸區(qū)域的真實(shí)面積變大,致使摩擦系數(shù)減小.

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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(xué)回國人員科技活動(dòng)擇優(yōu)資助項(xiàng)目(2013年)；四川省教育廳重點(diǎn)科研項(xiàng)目(13ZA0021)；西華大學(xué)省部級(jí)學(xué)科平臺(tái)制造與自動(dòng)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重點(diǎn)研究基地)開放課題(szjj2015-081)；流體及動(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究基金(西華大學(xué)JYBF-YQ-1,szjj2016-010).

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

TH117

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1672-5581(2016)03-0263-04