直流稳恒磁场条件下45钢小位移摩擦磨损试验研究

董 霖,刘 雄,刘志伟,杨 杰,文 桥

(西华大学机械工程学院,西华大学流体及动力机械教育部重点实验室,四川 成都 610039)



直流稳恒磁场条件下45钢小位移摩擦磨损试验研究

董 霖,刘 雄,刘志伟,杨 杰,文 桥

(西华大学机械工程学院,西华大学流体及动力机械教育部重点实验室,四川 成都 610039)

基于HSR-2M高速式往复摩擦磨损试验机,试验了直流稳恒磁场条件,往复速度、法向载荷、往复行程、磁场强度等对45钢的摩擦系数和磨损量的影响,通过磨痕形貌分析了其磨损机制.试验结果表明：磨损主要为黏着磨损、剥落并伴有氧化磨损; 载荷的增大使得摩擦热增多,摩擦副表面的塑性增强,磨损量加大; 同时摩擦副表面接触区域的真实接触面积变大,造成摩擦系数减小; 试验的研究结果对在施加直流稳恒磁场情况下45钢摩擦磨损性能的正确评估有重要的意义.

45钢; 直流稳恒磁场; 摩擦磨损; 法向载荷

45钢是优质碳素结构钢,因其优良的性能被广泛用于机械设备中.如压缩机、泵的运动零件,齿轮、轴、活塞销等零件(零件需经高频或火焰表面淬火),并可用作铸件.20世纪70年代,MUJU 等[1]就磁场对于材料摩擦磨损的作用方面做了较多的研究,采用了建立简单模型的研究方式,得到了磁场能够减轻摩擦磨损的结论; 1999年,简小刚等[2]采用直流磁场对铁磁性材料的摩擦磨损进行了研究; 2002年,周强等[3]采用钕铁硼永磁铁和交变磁场(电磁铁芯)对45钢条块—活塞环摩擦副在干摩擦情况下进行了探索,研究表明与无磁场情况相比,稳恒磁场以及交变磁场均能使得摩擦系数显著减弱,并且两种磁场对磨损的减弱作用无显著差异[4-7].本试验在前人的基础上,对45钢在直流稳恒磁场条件下的往复速度、法向载荷、往复行程、磁场强度等对其摩擦磨损性能的影响进行了细致的研究,对提高45钢磨损性能有重要的意义.

1 试验过程

1.1 试验材料及磁场施加方式

本试验在HSR-2M往复摩擦磨损试验机(含主控箱)上进行,磁场施加方式为直流稳恒磁场.采用销盘式摩擦副,钢销与钢盘的材料均为45钢,经调制处理,其硬度为HRV 43.2,成分见表1.钢球材料为GCr15钢,经碳氮共渗处理,其硬度为HRV 67.0,其成分见表2.45钢柱的尺寸为直径35 mm,长10 mm,所用钢球直径为4 mm.

表1 45钢柱化学成分(单位%)

表2 GCr15钢球化学成分(单位%)

2 试验流程

(1) 无磁场施加条件下的试验流程

对45钢盘进行抛光、消磁;对45钢柱进行消磁,用酒精对钢盘和钢销进行超声波清洗;对钢销和钢盘进行编号,并测试记录其硬度;安装试样,打开试验机测试并记录摩擦系数、磨损率,并观察试验现象; 采用金相显微镜观察、记录磨痕形貌; 清洗试样,再次观测、记录磨痕形貌,测试盘试样磨痕磨损量,重复上述步骤,试验3～5次.

(2) 直流稳恒磁场条件下的试验流程:

安装磁场施加装置,如图1所示.接通稳恒直流电源,测得摩擦副接触区域的磁感应强度.在磁场条件下进行试验,同一试验条件下,重复试验3—5次.直流磁场条件下的试验参数如表3所示.

试验前后需要仔细观察试验现象,如磨屑、摩擦系数等.对磨痕进行测量时,需要在清洗前后均用金相显微镜对磨痕形貌和磨屑进行观察; 磨痕的体积(即磨损量)的测量需要在对磨痕形貌观察后采用往复滑动磨损摩擦试验机磨损量测量装置进行测量.

图1 直流稳恒磁场的施加方式

磁感应强度/T速度/(m·s-1)载荷/N时间/min行程/mm00.01330150.87.80.01330150.800.01335150.87.80.01335150.8

3 试验结果及分析

3.1 有、无磁场条件的摩擦行为

图2为滑动速度v为0.013 m·s-1,磁感应强度B为0，7.8 mT时,45钢销试样摩擦系数随时间变化的曲线图.由图2可知,摩擦磨损过程中,无磁场时,前期较短时间内(约60 s),摩擦系数由0快速增大到约0.4.有磁场时,则在较短时间内(约60 s)内增大到约0.34.有、无磁场两种条件下,摩擦系数与前期相比均稍稍增大并趋于稳定,且有磁场时的摩擦系数明显小于无磁场时的摩擦系数.

图2 摩擦系数随时间的变化图(Fn=30 N,v=0.013 m·s-1)

3.2 有、无磁场对磨损率的影响

图3为滑动速度0.013 m·s-1,载荷30 N,有无磁场条件下,45钢摩擦副磨损率的比较.由图可知,磁感应强度为0 mT时,磨损率约为0.27 mm3·km-1; 磁感应强度为7.8 mT时,磨损率约为0.21 mm3·km-1.

图3 有、无磁场时磨损率的比较(Fn = 30 N,v=0.013 m·s-1)

图4为滑动速度0.013 m·s-1,载荷35 N,有无磁场条件下,45钢摩擦副磨损率的比较.由图可知,磁感应强度为0 mT时,磨损率约为0.31 mm3·km-1; 磁感应强度为7.8 mT时,磨损率约为0.22 mm3·km-1.

图4 有、无磁场时磨损率的比较(Fn = 35 N,v=0.013 m·s-1)

综合图3,4可知,滑动速度为0.013 m·s-1,载荷分别为30,35 N时,有磁场时的磨损率均明显小于无磁场时的磨损率,磁场能起到有效的减轻磨损的作用.

3.3 有、无磁场对温度的影响

图5为载荷为30 N,磁感应强度为0,7.8 mT时,摩擦副热影响区外侧的温度值.在磁感应强度为7.8 mT时,温度在3 min内快速升高到24.4 ℃,而后降低到22.7 ℃,最后稳定在23.0 ℃左右.在磁感应强度为0 mT时,温度在6 min内升高到23.4 ℃,而后有所降低,最后稳定在23.0 ℃左右.有磁场时温度总体高于无磁场时.温度的升高有利于氧化磨损的加强.由此可知有磁场时氧化磨损有所加重,产生热量也较无磁场时更多.

图5 有、无磁场时温度的比较(Fn =30 N,v=0.013 m·s-1)

4 直流磁场条件下磨损机理研究

图6为有无磁场条件下45钢盘试样(相同速度0.013 m·s-1、相同载荷30 N表面磨痕的光学显微镜照片.由图6a中可见,无磁场条件下磨痕以粗糙的“犁沟”为主,为典型的犁削磨粒磨损形貌.由于没有磁场的磁化、吸附作用,磨损过程中产生的磨屑在销与盘间反复摩擦的过程中,被排挤到磨痕两端区域.磨痕的两端区域,产生了大量的磨屑的堆积; 而磨痕的中部广大区域是销与盘直接犁削作用产生的犁沟.磁场条件下盘试样表面形貌没有明显的“犁沟”,只在磨痕的边缘区域有较轻的“犁沟”,磨痕的大部分区域主要为较轻微的黏着磨损并有剥落现象,并有少许氧化磨损.图6b为有磁场时的磨痕表面较无磁场时平整、光洁.由于磁场的磁化和吸引作用,摩擦磨损过程中产生的磨屑被吸附在销与盘上,在摩擦过程中被反复研磨、细化,形成三体摩擦,细小的磨屑起到了润滑剂的作用.磁场条件下,磁力和载荷及摩擦力的共同作用下促进了磨屑的剥落,这一过程的机械能产生较多,并伴随磁能的转变,产生大量的热量,使得温度升高,氧化磨损加强.磨痕的中间大部分区域从而形成了较明显的黏着现象; 而磨痕边缘区域可以较快速的与空气交换热量,温度较低,故而无明显的黏着现象,而以磨粒磨损为主.

图7为载荷为30，35 N时,相同速度(0.013 m·s-1)、相同磁感应强度(B=7.8 mT)条件下,45钢盘试样表面磨痕的光学显微镜照片.由图7可见,磁场条件下盘试样表面形貌没有明显的“犁沟”,只在磨痕的边缘有较轻的“犁沟”,磨痕的大部分区域主要为黏着磨损、剥落并有些许氧化磨损,且35 N较30 N时剥落现象更轻.载荷35 N时的磨痕表面较30 N时更平整、光洁.由于磁场的磁化和吸引作用,摩擦磨损过程中产生的磨屑被吸附在销与盘上,在摩擦过程中被反复研磨、细化,细小的磨屑起到了润滑剂的作用.再由于机械能和磁能转变为摩擦热能,使得温度升高,磨痕的中间大部分区域从而形成了明显的黏着现象; 而磨痕边缘区域可以较快速的与空气交换热量,温度较低,故而无明显黏着现象,而以磨粒磨损为主.而载荷从30 N增大到35 N时,产生摩擦热能更多,增大了摩擦副表面的塑性,促进了黏着磨损和氧化磨损,磨痕更为平整,而剥落现象被抑制,使其有所减轻.

图6 有、无磁场时盘磨痕形貌照片(Fn =30 N,v=0.013 m·s-1)

图7 有磁场不同载荷下盘磨痕形貌照片(B = 7.8 mT,v= 0.013 m·s-1)

5 结论

(1) 载荷和滑动速度相同时,无论有无磁场,摩擦过程摩擦系数均在经历较短时间后达到一个较稳定的值,且无磁场时的摩擦系数大于有磁场的摩擦系数.磁场能够减轻摩擦.

(2) 载荷和滑动速度相同时,有磁场时的磨损率均明显低于无磁场时的磨损率,磁场能起到有效的减轻磨损的作用.无磁场条件下磨痕为粗糙的“犁沟”为主,为典型的犁削.磁场条件下盘试样表面形貌主要为较轻微的黏着磨损、氧化磨损并有剥落现象,磨痕表面更为平整、光洁.

(3) 在磁场条件下(磁感应强度为7.8 mT),滑动速度一定时,载荷越大,则摩擦系数减小,磨损率增大.适当减小载荷可以减轻摩擦磨损.

(4) 磁场条件下磨损主要为黏着磨损、剥落并有少量氧化磨损.载荷的增大使得摩擦热增多,摩擦副表面的塑性增强,磨损量加大.同时摩擦副接触区域的真实面积变大,致使摩擦系数减小.

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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

国家人社部留学回国人员科技活动择优资助项目(2013年)；四川省教育厅重点科研项目(13ZA0021)；西华大学省部级学科平台制造与自动化重点实验室(重点研究基地)开放课题(szjj2015-081)；流体及动力机械教育部重点实验室研究基金(西华大学JYBF-YQ-1,szjj2016-010).

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

TH117

A

1672-5581(2016)03-0263-04