集屑裝置對45#鋼磁場摩擦磨損性能的影響與磨屑量化分析

張 斌，孫 超，孫樂民，杜三明，宋晨飛，張永振

(河南科技大學 a.高端軸承摩擦學技術與應用國家地方聯合工程實驗室；b.材料科學與工程學院，河南 洛陽 471023)

0 引言

眾多機械摩擦部件都會受到周圍環境磁場或地磁場的影響，如電磁制動器[1-2]、磁懸浮列車[3]、磁盤驅動器[4]等。國外學者進行相關研究起步較早[5]，國內研究雖起步晚但發展迅速[6-8]。磁場對摩擦磨損的干涉受諸多因素的影響，文獻[9]研究發現:在磁場干涉下，配副材料的磁導率相差過大，不利于發揮磁場的耐磨減摩效果。文獻[10]發現磁場的方向影響配副的摩擦磨損性能。文獻[11]研究了磁場強度對45#鋼摩擦磨損性能的影響，發現磁場強度增大時，摩擦因數減小、磨損率降低。文獻[12]研究了大氣環境和真空環境下磁場對鐵磁性材料的摩擦磨損性能的影響，發現在大氣環境下材料磨損率隨著磁場增大而減小。可見磁場能夠顯著提高材料的耐磨性，并受包括摩擦材料、磁場條件、氣氛條件等因素的影響，但是磁場對材料耐磨性的影響機制，研究人員提出了不同的見解。

文獻[13]對刀具磁化處理的研究發現，磁化處理能有效提高刀具的耐磨性，改善切削使用性能，這主要歸結于磁場促進位錯運動，改善了刀具材料的力學性能[14-15]。文獻[16]對馬氏體鋼耐磨性的研究也提出了磁場促進位錯運動機理。文獻[17-19]研究發現：磁場促進摩擦表面氧化，氧化膜的生成改善了摩擦磨損性能。文獻[20-21]發現：磁場促進磨屑的吸附與氧化，形成“固體潤滑”的效果，從而改善材料的摩擦性能。文獻[22]利用不同磁導率的摩擦配副材料進行了試驗，發現材料的磁導率也會影響磁場的減磨效果。

目前對磁場摩擦過程中磨屑的研究主要為定性分析[23]，其主要原因為在開放環境下無法收集一些粒徑較小的磨屑。因此，基于自制的磁場摩擦試驗機設計了一種集屑裝置，完整收集摩擦過程中的全部磨屑，對磨屑進行定量分析，有助于完善磁場摩擦磨屑吸附機理和磁場摩擦氧化機理。本文根據對照試驗設計規則，設計了4組試驗條件，分別為無磁場開放環境、無磁場集屑環境、加磁場開放環境和加磁場集屑環境，研究集屑裝置對45#鋼磁場摩擦磨損性能的影響。對銷表面以及次表層進行了微觀表征，分析了集屑裝置對磁場摩擦的影響機制。對收集到的磨屑進行了量化分析，包括磨屑質量分析、粒徑分布分析與元素能譜分析，定量分析了磁場對45#鋼磨屑的影響，完善了磁場摩擦磨屑機理。

1 試驗

1.1 試驗材料及設備

此試驗采用銷-盤式摩擦磨損測試，摩擦副材料是自配副正火態45#鋼，其主要化學成分如表1所示。

表1 45#鋼主要化學成分

摩擦磨損試驗是在自制HY-100型銷-盤式磁場摩擦磨損試驗機上進行，設備主要機構如圖1所示。本設備采用銷-盤式摩擦副，銷是長度為40 mm、直徑為10 mm的圓柱體；盤是外徑為165 mm、內直徑為100 mm、厚度10 mm的空心圓盤。

1.動態扭矩傳感器；2.盤；3.銷；4.線圈；5.拉壓力傳感器；6.彈簧。

電動機通過轉動軸帶動盤試樣進行勻速轉動，銷試樣向前進，由彈簧提供載荷，外加磁場由纏繞在鐵芯上的通電銅線圈(直流電或者交流電)產生，磁場強度由通電電流大小決定，外加磁場方向垂直于銷盤摩擦接觸面。

1.2 集屑裝置的設計

為了能完整、便捷、無污染地收集全部磨屑，集屑裝置設計和制作過程中盡量減少接縫長度，底部設計為半圓弧，并且在制作完成后，對內壁做了拋光處理。采用敞口半開放式的設計，在保證空氣流通的情況下保持摩擦副周圍空氣環境的穩定。原材料選用2 mm無磁304不銹鋼鋼板，在不影響外加靜磁場的前提下，有效屏蔽手機等電子設備的電磁干擾。

為了適配自制的HY-100型銷-盤式磁場摩擦磨損試驗機，集屑裝置的尺寸設計如圖2a所示，集屑裝置安裝在HY-100型銷-盤式磁場摩擦磨損試驗機后，摩擦副整體處于集屑裝置中，如圖2b所示。

(a) 尺寸設計圖

1.3 摩擦磨損試驗過程

本文設計了4組試驗條件研究集屑裝置對45#鋼磁場摩擦磨損性能的影響，分別為無磁場開放環境、無磁場集屑環境、加磁場開放環境和加磁場集屑環境。試驗在大氣環境下進行，每組試驗重復3次，試驗參數如表2所示。

表2 試驗參數

試驗開始前，對銷、盤試樣進行預磨處理，具體過程如下：使用800#、1 000#砂紙對銷和盤試樣的摩擦表面進行打磨，至試樣表面均勻平整；用丙酮擦拭銷、盤試樣的摩擦表面，并使用退磁器退磁處理；開始預磨，時間設定為180 s。

試驗機得到摩擦過程中的扭矩變化，通過動態摩擦因數μ的計算公式可以得到摩擦因數，使用熱電偶方法測量了摩擦前后銷摩擦端的溫度。

其中：M為實際扭矩(排除空轉扭矩)，N·m;Fn為銷-盤試驗接觸的法向壓力，N;R為銷-盤相對回轉半徑，m。

采用白光干涉三維形貌儀觀察摩擦磨損表面的三維形貌，并測量計算摩擦后表面的粗糙度；使用LEICA DMI8金相顯微鏡觀察磨損表面、次表層金相顯微組織變化；使用OMCC-LS909型激光粒度分析儀對磨屑的粒徑大小與分布進行分析；采用配有能譜儀(energy dispersive spectyrometer,EPS)的JSM-7800F型場發射掃描電子顯微鏡(field emission scanning electron microscope,FESEM)分析磨屑的化學元素含量。

2 結果與分析

2.1 摩擦因數與磨損率

試驗得到了4組試驗條件下45#鋼的摩擦因數動態曲線，如圖3所示。在有、無磁場條件下，動態摩擦因數曲線呈現出兩種完全不同的特征。如圖3a所示，摩擦因數曲線走勢表現為在磨合階段快速升高，完成磨合階段的時間較短；之后達到穩定階段，穩定階段摩擦因數波動較大。如圖3b所示，45#鋼磁場摩擦因數變化曲線具有顯著的動態過程，變化趨勢和之前的研究結果相同[12,20,24]。對比開放環境和集屑環境兩種條件下的摩擦因數動態曲線可知：在無磁場條件下，集屑環境的摩擦因數略高于開放環境；在磁場條件下，集屑環境對摩擦因數的影響較為明顯，在跑合階段摩擦因數陡增，且嚴重磨損階段快速下降，300～600 s時又出現一次波動過程，過渡階段稍長于開放環境，之后摩擦因數一直低于開放環境。

(a) 無磁場

4組試驗條件45#鋼的銷位移動態曲線如圖4所示。銷位移指的是銷在摩擦過程中，在載荷的作用下產生的一種軸向位移，可以用于表征摩擦過程中的磨損程度。有、無磁場條件下，銷位移的動態曲線呈現出兩種完全不同的變化趨勢。由圖4可知：無磁場條件下，銷位移動態曲線呈正相關的線性關系，斜率為6.84 mm/h，銷位移動態曲線的斜率可以反映摩擦過程中的磨損程度；施加磁場后，銷位移動態曲線也呈線性且在穩定時曲線基本平行于x軸，斜率基本為零，這也符合之前的試驗結果[23,25]。對比開放環境和集屑環境兩種條件下的銷位移動態曲線可知：有、無磁條件下，集屑環境中的銷位移都高于開放環境，這說明集屑環境下的磨損程度比開放環境嚴重。

4組試驗條件下，45#鋼的摩擦因數和銷位移的平均值如表3所示。由表3可知：在無磁場條件下，安裝集屑裝置后，45#鋼自配副的摩擦因數變化率為2.19%，銷位移變化率為2.4%；有磁場條件下，集屑裝置使45#鋼自配副摩擦因數變小，摩擦因數變化率為-5.56%；銷位移增大，變化率為12.7%。試驗數據表明：集屑裝置對45#鋼摩擦磨損性能影響較小，磁場對45#鋼摩擦磨損性能的影響遠大于集屑裝置的影響，但是仍有必要分析集屑裝置對45#鋼摩擦磨損的影響機制。

表3 4組條件下45#鋼的平均摩擦因數、銷位移與其變化率

2.2 集屑裝置對磁摩擦過程的影響

本試驗對銷試樣進行了摩擦表面微觀分析，使用三維形貌分析儀得到了4組試驗條件下銷摩擦表面的三維形貌，如圖5所示。圖5a中，摩擦表面犁溝數量多、磨痕深度較深，表面附著黏著物的顆粒大小與密度也明顯增加，摩擦表面看起來也更為粗糙。施加磁場后，如圖5b所示，表面較為平整，黏著物少，磨痕淺。圖5c和圖5d表面變化情況與圖5a和圖5b一致。所以施加磁場后，表面更加平整，粗糙度顯著減低。從圖5a和圖5c可以看出：添加集屑裝置后，摩擦表面黏著坑深度變深，粗糙度增加。從圖5b和圖5d可以看出：添加集屑裝置后，表面磨痕數量減少，粗糙度降低。二維平面采樣計算面粗糙度數據顯示：無磁場開放環境Sa為10.978 μm，無磁場集屑環境Sa為14.890 μm，加磁場開放環境Sa為5.965 μm，加磁場集屑環境Sa為3.538 μm。對比施加磁場前后粗糙度的變化可知：在開放環境條件下，粗糙度下降了45.7%；在集屑環境中，粗糙度的下降更為顯著，變化率為76.2%，另外，表面粗糙度的變化趨勢與摩擦因數相一致。因此，三維形貌面粗糙度數據表明：施加磁場后的摩擦表面粗糙度顯著低于無磁場條件，在安裝集屑裝置后，磁場對摩擦表面粗糙度的影響更為顯著。

(a) Sa=10.978 μm

4組試驗條件下45#鋼銷磨損表面形貌的SEM照片如圖6所示。由圖6a和圖6c可以看出：無磁場條件下，在摩擦時表面發生塑性變形、黏著效應等微觀力學行為，呈現出凹凸不平的摩擦表面，由于受到磨屑的犁溝作用和切削作用，產生大量的凹槽和凹坑，犁溝數量多且深度較深，主要磨損機制為黏著磨損和磨粒磨損，添加集屑裝置后，犁溝的深度和寬度增加，粗糙度明顯增加。圖6b和圖6d中，加磁場后，磨屑在電磁力的作用下被吸附在摩擦界面之間,被反復擠壓、填充到犁溝中，填平磨痕，呈現出摩擦面形貌較平整，犁溝淺，主要磨損機制為氧化磨損和磨粒磨損，添加集屑裝置后，摩擦表面更為細膩，摩擦表面剝落形成的凹坑數量和尺寸也大幅下降。集屑裝置對表面形貌的影響在有、無磁場條件下截然不同。

為了進一步分析集屑裝置在有、無磁場條件下，表面摩擦行為對45#鋼表層和次表層的影響，制備了銷試樣縱剖面樣品，沿平行于滑動方向做45°斜剖面，進行金相分析，如圖7所示。開放環境中的金屬材料在進行干滑動摩擦過程中，兩個摩擦表面直接或者通過摩擦產生的轉移層相互作用，磨痕的表層及次表層產生了強烈的塑性變形。從圖7a和圖7c中可以看出：無磁場條件下，變形層發生塑性變形，晶粒沿著摩擦方向被拉長，越靠近表層，變形程度越嚴重，集屑環境中變形層厚度減小，變化率為-14.9%。從圖7b和圖7d中可以看出：有磁場條件下，集屑環境中的影響深度減小，變化率為-17.1%。總的來看，添加集屑裝置使得表面摩擦行為的影響深度減小。

(a) 無磁場，開放環境

在安裝集屑裝置后，有無磁場條件下的摩擦變形層深度都下降，這表明摩擦表面的45#鋼的流塑性增加，其力學性能的變化必然與集屑裝置有關。研究中測量了摩擦結束后的銷表面溫度，對比有無集屑裝置的試驗結果可知：無磁場條件下，銷溫度由306.6 K升高至325.1 K，升高了6.03%；有磁場條件下，銷溫度由309.2 K升高至358.4 K，升高了15.91%。磁場和集屑裝置都會提升摩擦溫度，增加摩擦表面45#鋼的流塑性，引起摩擦變形層深度下降，但相比較而言，磁場對摩擦溫度升高的貢獻更大。磁場引起的銷溫升主要是由于磨損機制的變化，以及銷-盤接觸區產生的感應電流的熱效應引起的[24]。集屑裝置引起的銷溫升則主要是由于半開放環境下空氣流通受限，散熱條件相對于開放環境更加惡劣。溫度升高，材料的流塑性增強，同等外力作用條件下，表面層變形程度增加，但高溫下45#鋼位錯能下降，導致力的傳導深度下降，因此變形深度減小，變形層厚度變化規律與前期的試驗結果相同[26]。因此，添加集屑裝置后提高了材料周圍環境溫度，使摩擦表面45#鋼的流塑性增強，摩擦變形層深度下降，進而影響了其摩擦磨損性能。

2.3 磨屑分析

雖然集屑裝置對45#鋼摩擦磨損性能有一定影響，但與磁場的影響作用相比可忽略不計，而且半開放環境廣泛存在于各類摩擦系統中，因此，安裝集屑裝置后的摩擦磨損試驗仍然可以充分反映磁場對摩擦磨損的影響。考慮到安裝集屑裝置才可以完整地收集磨屑，磨屑的相關分析只包含無磁場集屑環境和加磁場集屑環境2組試驗。

根據質量守恒原理，銷、盤的磨損質量之和應該等于磨屑的質量。如果銷、盤的磨損質量之和大于磨屑的質量，表明磨屑收集的不完全或者是C、S等元素發生氧化，轉化為氣體逸出體系；如果銷、盤的磨損質量之和小于磨屑的質量，表明在摩擦過程中Fe、Cr等元素氧化將氧氣固化，使整個體系的質量增加。研究中分別稱量并計算了銷磨損、盤磨損、磨屑的質量和試驗前后摩擦體系質量差，如表4所示。

表4 銷、盤以及磨屑質量統計表

由表4可知：在無磁場情況下，整個摩擦過程質量損失僅為0.031 5 g，這部分質量損失包括碳在摩擦過程中會發生氧化生成二氧化碳逸出，但主要原因是仍有極少量磨屑附著于集屑裝置內壁，造成系統誤差。有磁場情況下，整個摩擦過程質量不僅沒有損失，質量還增加了0.034 4 g，這是由于45#鋼發生氧化，生成了鐵氧化物引起的質量增加，即可以認為增加的質量為氧元素質量。在下一步的研究中，通過氧元素質量變化可以進行氧化動力學的相關研究。

對收集到的磨屑進行了粒徑分析，磨屑的粒徑分布如圖8所示。由圖8可以看出：磨屑粒徑大致呈正態分布，且兩者的峰值粒徑都為28 μm左右；但無磁場條件下，磨屑粒徑分布的半峰寬較小，表示粒徑的分布較為集中，磨屑的中值粒徑為22.383 μm，最小粒徑為1.674 μm；而有磁場條件下磨屑粒徑分布的半峰寬較寬，主要體現在小粒徑磨屑分布較多，磨屑的中值粒徑為19.098 μm，最小粒徑為0.654 μm，兩個數據都明顯小于無磁場條件；有磁場條件下8.662 μm以下的磨屑粒徑比例大于無磁場條件。

圖8 有、無磁場條件下磨屑粒徑分布

使用配有能譜儀的場發射掃描電子顯微鏡得到了開放環境磨屑的微觀形貌，如圖9所示。圖9a中，黏著磨損產生的磨屑顆粒較大，可以觀察到磨屑呈現扁平的片狀結構，主要為摩擦過程中發生切削剝落產生。圖9b中，大粒徑的磨屑仍為片狀結構，但主要呈現為細小的顆粒狀，受磁化而表現出一定的團聚性。

(a) 無磁場

對磨屑的部分區域進行能譜分析，得到了鐵元素和氧元素的統計數據,如表5所示。由表5可知：無磁場條件下氧元素的原子個數百分比為7.9%，低于有磁場條件下氧元素的原子個數百分比(14.2%)，說明在磁場作用下，加速了磨屑在摩擦過程中的氧化反應。

表5 磨屑表面能譜分析元素統計表

分析磨屑在磁場的作用下氧化程度增加的原因有以下幾點：(1)由于部分磨屑在磁力作用下吸附在摩擦表面，不斷受到擠壓和變形，使得氧化反應時間增長；(2)磨屑被反復摩擦，磨屑粒徑減小，根據粒徑分布數據，在磁場的作用下磨屑質量比表面積從396.615 m2/kg提升至635.118 m2/kg，參與氧化反應的比表面積大幅增加；(3)磁場降低了鐵氧化反應的活化能，使鐵氧化反應更容易進行[27]，以上因素共同導致磁場增加了磨屑的氧化程度。

3 結論

(1)無磁場條件下，安裝集屑裝置后，45#鋼自配副的摩擦因數變化率為2.19%，銷位移變化率為2.4%；有磁場條件下，集屑裝置使45#鋼自配副摩擦因數變小，摩擦因數變化率為-5.56%，銷位移增大，變化率為12.7%。雖然集屑裝置對45#鋼摩擦磨損性能有一定影響，但與磁場的影響作用相比可忽略不計。

(2)集屑裝置劣化了摩擦散熱環境，增加了摩擦表面45#鋼的流塑性，摩擦變形層深度同步下降，進而影響了其摩擦磨損性能。在磁場條件下，集屑裝置對摩擦副升溫效果更為顯著。

(3)使用集屑裝置可以較為完整地收集磨屑，降低了磨屑分析過程中的系統誤差，計算了整個摩擦體系的質量變化，發現有磁場條件下質量增加0.034 4 g。在磁場作用下，45#鋼摩擦過程中產生的磨屑質量銳減，由7.32 g降為0.85 g；平均粒度也顯著下降，中值粒徑由22.383 μm降為19.098 μm，磨屑的氧化程度也有所增加，磨屑中氧元素的原子個數百分比由7.9%提升至14.2%。