张 斌，孙 超，孙乐民，杜三明，宋晨飞，张永振

(河南科技大学 a.高端轴承摩擦学技术与应用国家地方联合工程实验室；b.材料科学与工程学院，河南 洛阳 471023)

0 引言

众多机械摩擦部件都会受到周围环境磁场或地磁场的影响，如电磁制动器[1-2]、磁悬浮列车[3]、磁盘驱动器[4]等。国外学者进行相关研究起步较早[5]，国内研究虽起步晚但发展迅速[6-8]。磁场对摩擦磨损的干涉受诸多因素的影响，文献[9]研究发现:在磁场干涉下，配副材料的磁导率相差过大，不利于发挥磁场的耐磨减摩效果。文献[10]发现磁场的方向影响配副的摩擦磨损性能。文献[11]研究了磁场强度对45#钢摩擦磨损性能的影响，发现磁场强度增大时，摩擦因数减小、磨损率降低。文献[12]研究了大气环境和真空环境下磁场对铁磁性材料的摩擦磨损性能的影响，发现在大气环境下材料磨损率随着磁场增大而减小。可见磁场能够显著提高材料的耐磨性，并受包括摩擦材料、磁场条件、气氛条件等因素的影响，但是磁场对材料耐磨性的影响机制，研究人员提出了不同的见解。

文献[13]对刀具磁化处理的研究发现，磁化处理能有效提高刀具的耐磨性，改善切削使用性能，这主要归结于磁场促进位错运动，改善了刀具材料的力学性能[14-15]。文献[16]对马氏体钢耐磨性的研究也提出了磁场促进位错运动机理。文献[17-19]研究发现：磁场促进摩擦表面氧化，氧化膜的生成改善了摩擦磨损性能。文献[20-21]发现：磁场促进磨屑的吸附与氧化，形成“固体润滑”的效果，从而改善材料的摩擦性能。文献[22]利用不同磁导率的摩擦配副材料进行了试验，发现材料的磁导率也会影响磁场的减磨效果。

目前对磁场摩擦过程中磨屑的研究主要为定性分析[23]，其主要原因为在开放环境下无法收集一些粒径较小的磨屑。因此，基于自制的磁场摩擦试验机设计了一种集屑装置，完整收集摩擦过程中的全部磨屑，对磨屑进行定量分析，有助于完善磁场摩擦磨屑吸附机理和磁场摩擦氧化机理。本文根据对照试验设计规则，设计了4组试验条件，分别为无磁场开放环境、无磁场集屑环境、加磁场开放环境和加磁场集屑环境，研究集屑装置对45#钢磁场摩擦磨损性能的影响。对销表面以及次表层进行了微观表征，分析了集屑装置对磁场摩擦的影响机制。对收集到的磨屑进行了量化分析，包括磨屑质量分析、粒径分布分析与元素能谱分析，定量分析了磁场对45#钢磨屑的影响，完善了磁场摩擦磨屑机理。

1 试验

1.1 试验材料及设备

此试验采用销-盘式摩擦磨损测试，摩擦副材料是自配副正火态45#钢，其主要化学成分如表1所示。

表1 45#钢主要化学成分

摩擦磨损试验是在自制HY-100型销-盘式磁场摩擦磨损试验机上进行，设备主要机构如图1所示。本设备采用销-盘式摩擦副，销是长度为40 mm、直径为10 mm的圆柱体；盘是外径为165 mm、内直径为100 mm、厚度10 mm的空心圆盘。

1.动态扭矩传感器；2.盘；3.销；4.线圈；5.拉压力传感器；6.弹簧。

电动机通过转动轴带动盘试样进行匀速转动，销试样向前进，由弹簧提供载荷，外加磁场由缠绕在铁芯上的通电铜线圈(直流电或者交流电)产生，磁场强度由通电电流大小决定，外加磁场方向垂直于销盘摩擦接触面。

1.2 集屑装置的设计

为了能完整、便捷、无污染地收集全部磨屑，集屑装置设计和制作过程中尽量减少接缝长度，底部设计为半圆弧，并且在制作完成后，对内壁做了抛光处理。采用敞口半开放式的设计，在保证空气流通的情况下保持摩擦副周围空气环境的稳定。原材料选用2 mm无磁304不锈钢钢板，在不影响外加静磁场的前提下，有效屏蔽手机等电子设备的电磁干扰。

为了适配自制的HY-100型销-盘式磁场摩擦磨损试验机，集屑装置的尺寸设计如图2a所示，集屑装置安装在HY-100型销-盘式磁场摩擦磨损试验机后，摩擦副整体处于集屑装置中，如图2b所示。

(a) 尺寸设计图

1.3 摩擦磨损试验过程

本文设计了4组试验条件研究集屑装置对45#钢磁场摩擦磨损性能的影响，分别为无磁场开放环境、无磁场集屑环境、加磁场开放环境和加磁场集屑环境。试验在大气环境下进行，每组试验重复3次，试验参数如表2所示。

表2 试验参数

试验开始前，对销、盘试样进行预磨处理，具体过程如下：使用800#、1 000#砂纸对销和盘试样的摩擦表面进行打磨，至试样表面均匀平整；用丙酮擦拭销、盘试样的摩擦表面，并使用退磁器退磁处理；开始预磨，时间设定为180 s。

试验机得到摩擦过程中的扭矩变化，通过动态摩擦因数μ的计算公式可以得到摩擦因数，使用热电偶方法测量了摩擦前后销摩擦端的温度。

其中：M为实际扭矩(排除空转扭矩)，N·m;Fn为销-盘试验接触的法向压力，N;R为销-盘相对回转半径，m。

采用白光干涉三维形貌仪观察摩擦磨损表面的三维形貌，并测量计算摩擦后表面的粗糙度；使用LEICA DMI8金相显微镜观察磨损表面、次表层金相显微组织变化；使用OMCC-LS909型激光粒度分析仪对磨屑的粒径大小与分布进行分析；采用配有能谱仪(energy dispersive spectyrometer,EPS)的JSM-7800F型场发射扫描电子显微镜(field emission scanning electron microscope,FESEM)分析磨屑的化学元素含量。

2 结果与分析

2.1 摩擦因数与磨损率

试验得到了4组试验条件下45#钢的摩擦因数动态曲线，如图3所示。在有、无磁场条件下，动态摩擦因数曲线呈现出两种完全不同的特征。如图3a所示，摩擦因数曲线走势表现为在磨合阶段快速升高，完成磨合阶段的时间较短；之后达到稳定阶段，稳定阶段摩擦因数波动较大。如图3b所示，45#钢磁场摩擦因数变化曲线具有显著的动态过程，变化趋势和之前的研究结果相同[12,20,24]。对比开放环境和集屑环境两种条件下的摩擦因数动态曲线可知：在无磁场条件下，集屑环境的摩擦因数略高于开放环境；在磁场条件下，集屑环境对摩擦因数的影响较为明显，在跑合阶段摩擦因数陡增，且严重磨损阶段快速下降，300～600 s时又出现一次波动过程，过渡阶段稍长于开放环境，之后摩擦因数一直低于开放环境。

(a) 无磁场

4组试验条件45#钢的销位移动态曲线如图4所示。销位移指的是销在摩擦过程中，在载荷的作用下产生的一种轴向位移，可以用于表征摩擦过程中的磨损程度。有、无磁场条件下，销位移的动态曲线呈现出两种完全不同的变化趋势。由图4可知：无磁场条件下，销位移动态曲线呈正相关的线性关系，斜率为6.84 mm/h，销位移动态曲线的斜率可以反映摩擦过程中的磨损程度；施加磁场后，销位移动态曲线也呈线性且在稳定时曲线基本平行于x轴，斜率基本为零，这也符合之前的试验结果[23,25]。对比开放环境和集屑环境两种条件下的销位移动态曲线可知：有、无磁条件下，集屑环境中的销位移都高于开放环境，这说明集屑环境下的磨损程度比开放环境严重。

4组试验条件下，45#钢的摩擦因数和销位移的平均值如表3所示。由表3可知：在无磁场条件下，安装集屑装置后，45#钢自配副的摩擦因数变化率为2.19%，销位移变化率为2.4%；有磁场条件下，集屑装置使45#钢自配副摩擦因数变小，摩擦因数变化率为-5.56%；销位移增大，变化率为12.7%。试验数据表明：集屑装置对45#钢摩擦磨损性能影响较小，磁场对45#钢摩擦磨损性能的影响远大于集屑装置的影响，但是仍有必要分析集屑装置对45#钢摩擦磨损的影响机制。

表3 4组条件下45#钢的平均摩擦因数、销位移与其变化率

2.2 集屑装置对磁摩擦过程的影响

本试验对销试样进行了摩擦表面微观分析，使用三维形貌分析仪得到了4组试验条件下销摩擦表面的三维形貌，如图5所示。图5a中，摩擦表面犁沟数量多、磨痕深度较深，表面附着黏着物的颗粒大小与密度也明显增加，摩擦表面看起来也更为粗糙。施加磁场后，如图5b所示，表面较为平整，黏着物少，磨痕浅。图5c和图5d表面变化情况与图5a和图5b一致。所以施加磁场后，表面更加平整，粗糙度显著减低。从图5a和图5c可以看出：添加集屑装置后，摩擦表面黏着坑深度变深，粗糙度增加。从图5b和图5d可以看出：添加集屑装置后，表面磨痕数量减少，粗糙度降低。二维平面采样计算面粗糙度数据显示：无磁场开放环境Sa为10.978 μm，无磁场集屑环境Sa为14.890 μm，加磁场开放环境Sa为5.965 μm，加磁场集屑环境Sa为3.538 μm。对比施加磁场前后粗糙度的变化可知：在开放环境条件下，粗糙度下降了45.7%；在集屑环境中，粗糙度的下降更为显著，变化率为76.2%，另外，表面粗糙度的变化趋势与摩擦因数相一致。因此，三维形貌面粗糙度数据表明：施加磁场后的摩擦表面粗糙度显著低于无磁场条件，在安装集屑装置后，磁场对摩擦表面粗糙度的影响更为显著。

(a) Sa=10.978 μm

4组试验条件下45#钢销磨损表面形貌的SEM照片如图6所示。由图6a和图6c可以看出：无磁场条件下，在摩擦时表面发生塑性变形、黏着效应等微观力学行为，呈现出凹凸不平的摩擦表面，由于受到磨屑的犁沟作用和切削作用，产生大量的凹槽和凹坑，犁沟数量多且深度较深，主要磨损机制为黏着磨损和磨粒磨损，添加集屑装置后，犁沟的深度和宽度增加，粗糙度明显增加。图6b和图6d中，加磁场后，磨屑在电磁力的作用下被吸附在摩擦界面之间,被反复挤压、填充到犁沟中，填平磨痕，呈现出摩擦面形貌较平整，犁沟浅，主要磨损机制为氧化磨损和磨粒磨损，添加集屑装置后，摩擦表面更为细腻，摩擦表面剥落形成的凹坑数量和尺寸也大幅下降。集屑装置对表面形貌的影响在有、无磁场条件下截然不同。

为了进一步分析集屑装置在有、无磁场条件下，表面摩擦行为对45#钢表层和次表层的影响，制备了销试样纵剖面样品，沿平行于滑动方向做45°斜剖面，进行金相分析，如图7所示。开放环境中的金属材料在进行干滑动摩擦过程中，两个摩擦表面直接或者通过摩擦产生的转移层相互作用，磨痕的表层及次表层产生了强烈的塑性变形。从图7a和图7c中可以看出：无磁场条件下，变形层发生塑性变形，晶粒沿着摩擦方向被拉长，越靠近表层，变形程度越严重，集屑环境中变形层厚度减小，变化率为-14.9%。从图7b和图7d中可以看出：有磁场条件下，集屑环境中的影响深度减小，变化率为-17.1%。总的来看，添加集屑装置使得表面摩擦行为的影响深度减小。

(a) 无磁场，开放环境

在安装集屑装置后，有无磁场条件下的摩擦变形层深度都下降，这表明摩擦表面的45#钢的流塑性增加，其力学性能的变化必然与集屑装置有关。研究中测量了摩擦结束后的销表面温度，对比有无集屑装置的试验结果可知：无磁场条件下，销温度由306.6 K升高至325.1 K，升高了6.03%；有磁场条件下，销温度由309.2 K升高至358.4 K，升高了15.91%。磁场和集屑装置都会提升摩擦温度，增加摩擦表面45#钢的流塑性，引起摩擦变形层深度下降，但相比较而言，磁场对摩擦温度升高的贡献更大。磁场引起的销温升主要是由于磨损机制的变化，以及销-盘接触区产生的感应电流的热效应引起的[24]。集屑装置引起的销温升则主要是由于半开放环境下空气流通受限，散热条件相对于开放环境更加恶劣。温度升高，材料的流塑性增强，同等外力作用条件下，表面层变形程度增加，但高温下45#钢位错能下降，导致力的传导深度下降，因此变形深度减小，变形层厚度变化规律与前期的试验结果相同[26]。因此，添加集屑装置后提高了材料周围环境温度，使摩擦表面45#钢的流塑性增强，摩擦变形层深度下降，进而影响了其摩擦磨损性能。

2.3 磨屑分析

虽然集屑装置对45#钢摩擦磨损性能有一定影响，但与磁场的影响作用相比可忽略不计，而且半开放环境广泛存在于各类摩擦系统中，因此，安装集屑装置后的摩擦磨损试验仍然可以充分反映磁场对摩擦磨损的影响。考虑到安装集屑装置才可以完整地收集磨屑，磨屑的相关分析只包含无磁场集屑环境和加磁场集屑环境2组试验。

根据质量守恒原理，销、盘的磨损质量之和应该等于磨屑的质量。如果销、盘的磨损质量之和大于磨屑的质量，表明磨屑收集的不完全或者是C、S等元素发生氧化，转化为气体逸出体系；如果销、盘的磨损质量之和小于磨屑的质量，表明在摩擦过程中Fe、Cr等元素氧化将氧气固化，使整个体系的质量增加。研究中分别称量并计算了销磨损、盘磨损、磨屑的质量和试验前后摩擦体系质量差，如表4所示。

表4 销、盘以及磨屑质量统计表

由表4可知：在无磁场情况下，整个摩擦过程质量损失仅为0.031 5 g，这部分质量损失包括碳在摩擦过程中会发生氧化生成二氧化碳逸出，但主要原因是仍有极少量磨屑附着于集屑装置内壁，造成系统误差。有磁场情况下，整个摩擦过程质量不仅没有损失，质量还增加了0.034 4 g，这是由于45#钢发生氧化，生成了铁氧化物引起的质量增加，即可以认为增加的质量为氧元素质量。在下一步的研究中，通过氧元素质量变化可以进行氧化动力学的相关研究。

对收集到的磨屑进行了粒径分析，磨屑的粒径分布如图8所示。由图8可以看出：磨屑粒径大致呈正态分布，且两者的峰值粒径都为28 μm左右；但无磁场条件下，磨屑粒径分布的半峰宽较小，表示粒径的分布较为集中，磨屑的中值粒径为22.383 μm，最小粒径为1.674 μm；而有磁场条件下磨屑粒径分布的半峰宽较宽，主要体现在小粒径磨屑分布较多，磨屑的中值粒径为19.098 μm，最小粒径为0.654 μm，两个数据都明显小于无磁场条件；有磁场条件下8.662 μm以下的磨屑粒径比例大于无磁场条件。

图8 有、无磁场条件下磨屑粒径分布

使用配有能谱仪的场发射扫描电子显微镜得到了开放环境磨屑的微观形貌，如图9所示。图9a中，黏着磨损产生的磨屑颗粒较大，可以观察到磨屑呈现扁平的片状结构，主要为摩擦过程中发生切削剥落产生。图9b中，大粒径的磨屑仍为片状结构，但主要呈现为细小的颗粒状，受磁化而表现出一定的团聚性。

(a) 无磁场

对磨屑的部分区域进行能谱分析，得到了铁元素和氧元素的统计数据,如表5所示。由表5可知：无磁场条件下氧元素的原子个数百分比为7.9%，低于有磁场条件下氧元素的原子个数百分比(14.2%)，说明在磁场作用下，加速了磨屑在摩擦过程中的氧化反应。

表5 磨屑表面能谱分析元素统计表

分析磨屑在磁场的作用下氧化程度增加的原因有以下几点：(1)由于部分磨屑在磁力作用下吸附在摩擦表面，不断受到挤压和变形，使得氧化反应时间增长；(2)磨屑被反复摩擦，磨屑粒径减小，根据粒径分布数据，在磁场的作用下磨屑质量比表面积从396.615 m2/kg提升至635.118 m2/kg，参与氧化反应的比表面积大幅增加；(3)磁场降低了铁氧化反应的活化能，使铁氧化反应更容易进行[27]，以上因素共同导致磁场增加了磨屑的氧化程度。

3 结论

(1)无磁场条件下，安装集屑装置后，45#钢自配副的摩擦因数变化率为2.19%，销位移变化率为2.4%；有磁场条件下，集屑装置使45#钢自配副摩擦因数变小，摩擦因数变化率为-5.56%，销位移增大，变化率为12.7%。虽然集屑装置对45#钢摩擦磨损性能有一定影响，但与磁场的影响作用相比可忽略不计。

(2)集屑装置劣化了摩擦散热环境，增加了摩擦表面45#钢的流塑性，摩擦变形层深度同步下降，进而影响了其摩擦磨损性能。在磁场条件下，集屑装置对摩擦副升温效果更为显著。

(3)使用集屑装置可以较为完整地收集磨屑，降低了磨屑分析过程中的系统误差，计算了整个摩擦体系的质量变化，发现有磁场条件下质量增加0.034 4 g。在磁场作用下，45#钢摩擦过程中产生的磨屑质量锐减，由7.32 g降为0.85 g；平均粒度也显著下降，中值粒径由22.383 μm降为19.098 μm，磨屑的氧化程度也有所增加，磨屑中氧元素的原子个数百分比由7.9%提升至14.2%。