磁场性质对45钢摩擦磨损性能的影响

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The Influenceof M agnetic Field 0n Friction and W ear 0f 45 SteelGUO Hao Du Sanming Liu Jingchao Zhanq Yongzhen(School of Material Science and Engineering，Henan University of Science and Technology，Luoyang Henan 471003.China)Abstract：The influence of constant magnetic field and alternating magnetic field on tribological behaviors of 45 steelpin against W18Cr4V disc was investigated under the same conditions.The results indicate that both alternating magneticfield and constant magnetic field can reduce the ction coefficient and weal"loss of 45 stee1.Within the deftnite scope ofthe magnetic field，alternating magnetic field can improve the tribological behaviors of 45 steel much better than constantmagnetic field.but the field direction has less influence on the tribological behaviors of 45 stee1.The wear mechanism of45 steel without a magnetic field iS abrasive wear.and it iS oxidation wear and adhesion wear under the magnetic field。

Keywords：alternating magnetic field；constant magnetic field；friction and weal"随着磁技术应用范围的扩大及磁性材料 (包括永磁材料、软磁材料、磁记录材料、磁滞伸缩材料等)的应用 日益广泛，愈来愈多的设备中摩擦副需要在磁场中运转 ，如磁悬浮列车的转向、制动系统、电磁离合器或制动器 等。研究表明，在金属摩擦副接触面间加-适当的磁瞅预先将其磁化，不仅可以改变铁磁性材料的摩擦学特性，对顺磁性和抗磁性材料也能发生影响 ，而且对于铁、镍、钴等铁磁性材料，即使在无外加磁场时，摩擦可以诱发磁场，磁场反过来又影响了材料的摩擦磨损性能。目前对直流磁场的影响的研究较多 ，然而，对于磁场类型，如交 、直流磁嘲磁场方向对金属材料摩擦磨损性能的影响鲜见报道。

本文作者以45 钢销/W18Cr4V环为摩擦副，在基金项目：国家重点联合基金项 目 (U1034002)；河南势技厅省院科技合作项目 (1 12106000034)；清华大学摩擦学国家重点实验室开放基金项 目 (SKLTKF11BIO)。

收稿 日期 ：2012-10-10作者简介：郭浩 (1986-)，男，硕士研究生，从事材料干摩擦学研究.E-mail：guohao19860609###126.COB。

通讯作者：张永振 (1963-)，男，博士，教授，目前主要从事材料摩擦学方面研究。

相同的滑动速度和载荷条件下，研究交流、直流磁场及磁场方向对 45 钢摩擦磨损性能的影响。

1 实验部分1.1 实验设备及材料摩擦实验在自制摩擦试验机上进行，其结构如图1所示。

摩擦接触方式为销 -环接触。销固定于线圈之中，线圈连人电路，通过电路中整流桥的不同接法实现交、直流及磁场方向的转换，改变线圈的电压来控制施加磁场的大校5 1.线圈架2.压块3.盖板6 4·销试样5.环试样6.线 圈7坝9肋7 8.底板9.空心轴8 1O.轴承图1 磁场施加装置示意图Fig 1 The sketch of equipment for testing润滑与密封 第 38卷销试样采用 45 钢，尺寸为 4)16 mm×38 mm。环试样是 W18Cr4V高速钢 ，尺寸为 635 mm×42 inll，硬度为 HRC60。

1.2 实验 方法每次实验前 ，用无水乙醇对销、环试样进行清洗并进行退磁处理。实验在载荷 160 N、速度 0.2 m/s的条件下预磨 5 min，之后施加交、直流磁嘲载荷250 N 条 件下 摩 擦 12 min。用 精 度 为 0.1 mg的BS210S电子分析天平测量销试样试验前后的质量，计算磨损量。摩擦因数通过测量主轴转矩及转动半径并计算获得。采用扫描电镜观察销试样磨损形貌。

2 实验结果与讨论2.1 磁场对摩擦磨损的影响图2示出了室温及载荷 250 N、速度 0.2 m/s条件下 ，交、直流磁嘲磁场方向对 45 钢摩擦磨损性能的影响。由图 (a)可以看出，无磁场时，45 钢的摩擦因数和磨损率都较高。当施加外加磁丑 (小于 7.154 kA/m)，磨损率急剧减少 ，继续施加磁场(大于7.154 kA/m)，45 钢的磨损率减少幅度趋缓。

由图 (b)可看 出，施加磁丑 ，45 钢的摩擦 因数降低，且交流磁场条件下 45 钢的摩擦因数最低。这可能是最初，摩擦表面机械、物理化学、磁场等综合作用较少，摩擦副表面凸凹不平 ，摩擦较严重；随着摩擦的进行，较大的凸起被磨平 ；施加磁丑磁吸力又吸附磨屑在摩擦界面，磨屑在表面反复研磨后变得非常细小 ，具有润滑作用，最终使摩擦因数 、磨损率减少 ；当磁场大到-定程度，磁能-部分通过热量放出，使摩擦界面温度升高，磨损加剧。此外 ，从图中还可以看出，磁场施加的初期，减磨效果明显且不同磁极的直流磁场对摩擦磨损性能的影响基本-致 ，而交流磁场相对直流磁初磨效果较好。原因可能是通入交流电后，磁场改变了磨屑在摩擦表面的存在方式，摩擦作用使摩擦表面温度升高，利于表面氧化，隔离了45 钢与 W18Cr4V高速钢的直接接触，从而使磨损量、摩擦因数减少。

Magnetic Intensity E/(kAm ) Magnetic intensity E/(kA ·m )(a)磨损率 (b)摩擦因数图2 不同磁场条件对45 钢摩擦磨损性能的影响 (250 N，0.2 m/s)Fig 2 The influence of magnetic field on tribological behaviors of 45 steels at different magnetic field conditions(250 N，0.2 n s)(a)wear rate；(b)friction coeficient2.2 磨损表 面分析图 3示出了相同载荷、不同磁场强度下磨损表面形貌∩以看出，无磁场强度下 ，磨痕很深，有明显的犁沟，并有明显的磨粒磨损特征，磨损较严重(见图 3 (a))；当施加 11.45 kA/m的磁场强度时 ，摩擦表面较平滑，犁沟明显减少 ，而且未完全脱离表面的颗粒的相对数量较少 、尺寸较小，并且摩擦表面有磨屑产生。磨屑产生后将会以不同的形式存在，其中-部分磨屑脱离摩擦接触表面形成松散的磨损颗粒，导致材料的摩擦损失；另外-部分则留在摩擦表面。由于摩擦过程中，磨屑经摩擦力及热应力等反复作用以至于不断发生塑性变形和断裂，磨屑破碎变得细校-旦磨屑细小到-定程度，由于表面能而产生的黏着力，使得磨损颗粒在摩擦表面发生团聚。同时在磁吸力作用下在摩擦界面反复研磨变得平坦光滑 ，填补了部分犁沟。因此，摩擦表面有黏着 ，磨痕边缘有破坏和氧化的痕迹 (见图 3(b)、(C)、(d))。比较图 (C)和 (d)可以看出，二者磨损表面都有氧化膜的存在，有类似的剥落坑，可见磁场方向对45钢摩擦磨损性能的影响基本-致。

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