Effect of Carbon Content on the Dry Friction and Wear of Carbon Steel under Magnetic Field and the Mechanism
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摘要: 基于自制的HY-100销-盘式磁场摩擦磨损试验机，对比研究了有无外加磁场条件下，低碳钢、中碳钢和高碳钢的滑动干摩擦行为和其磨损特性，并使用扫描电子显微镜、金相显微镜等分析了摩擦微观表面与次表面，探讨了碳含量对碳素钢磁场摩擦的影响规律和作用机理. 试验结果显示：根据碳含量的不同，有无磁场条件下碳素钢摩擦系数的变化也不同，在外加磁场条件下，低碳钢摩擦系数降低，中碳、高碳钢摩擦系数升高；随着碳含量升高，磁场对其摩擦系数的影响越小. 外加磁场可以有效改善碳素钢的磨损性能，随着碳含量升高，磁场对其磨损率的改善程度越大. 分析其原因可能为铁碳竞争氧化，这既保证了铁氧化物的减磨效应，也减缓了铁氧化物积累后的剥落. EDS能谱分析结果表明高碳钢的氧铁比最低，和铁碳氧化竞争模型推论相一致.Abstract: To study the sliding dry friction behavior and wear properties of low carbon steel, medium carbon steel and high carbon steel based on a self-made HY-100 pin-disc friction and wear tester with and without magnetic field. The frictional surface and sub-surface were analyzed by scanning electron microscope and metallographic microscope, and the influence of carbon content on mechanism under magnetic field condition was explored. The results show that the friction coefficient of carbon steels with different carbon content varied with and without magnetic field. The friction coefficient of low carbon steels decreased and the medium and high carbon steels increased under the external magnetic field. The influence of magnetic field on the friction coefficient became not obvious with the increase of carbon content, and the tribo-oxidation decreased. This suggested the influence of magnetic control dry friction and wear characteristics of carbon steel was weakened. The external magnetic field effectively improved the wear performance of carbon steels. With the increase of carbon content, the effect of magnetic field on the wear rate was greate, which was due to the competitive oxidation of carbon and iron. The competitive oxidation of carbon and iron not only enabled the wear reduction effect of iron oxides but also slowed down the spalling of accumulated iron oxides. The EDS results indicated that high carbon steel had the lowest oxygen to iron ratio, which was in good agreement with the iron and carbon competitive oxidation model.
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Keywords:
- magnetic field /
- carbon content /
- carbon steel /
- friction and wear /
- compectitive oxidation
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随着电磁技术的快速发展，机械电子设备等在磁场环境中服役引起的摩擦磨损问题日渐突出，为降低材料消耗及提高摩擦副的使用寿命，需对材料磁控干摩擦行为及性能进行系统的研究. 磁控干摩擦学技术研究始于二十世纪四十年代，前苏联ОдингИ[1]通过磁化方法显著改善了切削刀具的摩擦磨损性能；之后，法国Mansori、Chin、Zaidi等[2–4]、日本Kumagai等[5]和英国Stolarski等[6]学者从不同方面研究了磁场对碳素钢材料摩擦磨损性能的影响，发现氧化层能够隔离金属摩擦副直接接触，加快材料从严重磨损向轻微磨损的转变，降低了磨损. 国内的磁场摩擦开展主要以铁磁性材料45钢为研究对象，中科院董祥林和简小刚等[7–9]利用钕铁硼稀土永磁体，研究磁场对中碳钢摩擦磨损的影响；清华大学蒋继乐等[10–11]通过中碳钢45钢研究表明外加磁场后摩擦的声发射信号减弱；西南交通大学徐敬业等[12]研究发现水平磁场可以起到减震降噪的作用；以及合肥工业大学摩擦学研究所解挺等[13]研究铁与高聚物复合材料摩擦过程中速度、载荷和填料含量对摩擦磁化的影响；东北大学宫明龙[14]基于Fe-C相图研究强磁场对高碳钢显微组织和性能的影响、西华大学董霖等[15]研究直流稳恒磁场环境中不同磁场强度等条件下对45钢摩擦系数和磨损量等的影响.
碳素钢是重要的工程结构材料，广泛应用于机械设计，是典型的铁磁性材料，国内外学者对45钢进行了丰富研究，但对低碳钢和高碳钢的磁场摩擦行为研究却未见报道. 磁场摩擦磨损特性具有强烈的系统依赖性，研究碳含量对碳素钢磁场摩擦行为的影响和作用机制，对磁场环境下机械设计、磁场调控摩擦等领域都具有极强的实用价值. 因此本文中选取低碳、中碳、高碳优质碳素钢作为自配摩擦副，利用自制HY-100销-盘式磁场摩擦磨损试验机开展磁场滑动干摩擦磨损试验，得到了三种碳素钢在有、无外加磁场条件下的干摩擦系数和磨损率，对比讨论了三种碳素钢磁场摩擦磨损行为，对试样表面进行了详尽的微观分析，揭示了碳含量对碳素钢磁场摩擦磨损的影响作用机制，相关研究以期为磁控干摩擦材料开发和磁场工况服役的机械设备设计提供参考借鉴.
1. 试验部分
1.1 试验设备及材料
本试验中使用自制HY-100销-盘式磁场摩擦磨损试验机，外观如图1(a)所示. 本设备采用销-盘式摩擦副，电机通过转动轴带动盘试样回转进行摩擦试验，利用通电螺线圈提供外加磁场(直流和交流)，通过调节输入电流改变磁场，外加磁场方向垂直于销-盘摩擦接触面，见图1(a)中红色线条范围内，其示意图如图1(b)所示. 试验方式采用销-盘式摩擦磨损，其中销试样为长度40 mm，直径10 mm的圆柱体；盘试样为外直径165 mm，内直径100 mm，厚度为10 mm的空心圆盘，盘试样的机械加工图如图1(c)所示. 摩擦副为自配副，即销-盘试样材料为同种碳素钢，分别为正火态低碳钢(20钢)、中碳钢(45钢)、高碳钢(65钢)，三种碳素钢的主要化学成分列于表1中.
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图 1 磁场摩擦磨损销-盘式试验机：(a)设备外观图 (b)销-盘结构示意图 (c)盘试样加工图Figure 1. Pin-disk friction and wear tester with magnetic field: (a) Appearance of equipment (b) Structure schematic diagram of pin-disk (c) Configuration of disk sample表 1 三种碳素钢的主要化学成分Table 1. Main chemical components of three carbon steel materialsMaterials Mass fraction/% C Si Mn Cr Ni Fe 20 steel 0.17~0.23 0.17~0.37 0.35~0.65 ≤0.25 ≤0.25 Balance 45 steel 0.42~0.50 0.17~0.37 0.50~0.80 ≤0.25 ≤0.30 Balance 65 steel 0.62~0.70 0.20~0.35 0.50~0.80 ≤0.25 ≤0.30 Balance 1.2 摩擦磨损试验过程
为了保证试验结果的一致性和可重复性，试验前需要对销、盘试样进行以下预处理：(1) 依次使用400#、800#、1 000#砂纸均匀打磨摩擦表面；(2) 使用丙酮擦拭摩擦表面；(3) 使用退磁器进行退磁处理；(4) 预磨180 s. 由于本试验主要考察碳含量对于碳素钢磁场摩擦磨损行为的研究，因此试验参数设定一致：施加载荷N为100 N，滑动速度0.54 m/s，外加磁场强度H为26.1 kA/m，截断时间设为1 800 s. 试验过程中室内温度保持在20±3℃，相对湿度为50%±3%.
为了保证试验可靠性，减小系统误差，每组试验重复3次，选取可靠数据求算术平均值，作为最后的试验结果，其误差范围用误差棒表示. 动态摩擦系数μ和线磨损率W的计算公式如下所示：
$$ \mu = \frac{M}{{{F_{\rm n}} \cdot R}} $$ (1) $$ W = \frac{{\Delta G}}{{2{\text π} R \cdot n \cdot t}} $$ (2) 式中：M为实际扭矩(排除空转扭矩)；Fn为销-盘试样接触的法向压力；R为摩擦半径，即销-盘接触区回转半径；ΔG为磨损前后销试样质量损耗；n为盘试样的转速；t为磨损时间.
采用电子天平(Electronic Balance，SartouriusSecura，德国)对试验前后销试样进行称重测量. 在微观机理分析中，采用JSM-5610LV型扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope，TESCANVEGA3SBH，捷克)观察销试样磨损表面微观结构；使用能谱仪(Energy Dispersive Spectrometer，EDAX Octane SDD Series，美国)分析磨损表面的摩擦化学元素分布及含量；采用白光干涉三维形貌仪(White Light Interference 3D Profilometer，Nano Focus usurf expert，德国)观察磨损表面3D形貌和测量粗糙度；以及使用LEICA DMI8倒置显微镜观察磨损表面次表层金相组织.
2. 结果与分析
2.1 碳含量对碳素钢磁场摩擦动态摩擦系数和磨损率的影响
图2(a)为三种碳素钢在无外加磁场条件下的动态摩擦系数变化曲线：碳素钢动态摩擦系数在磨合阶段快速升高，经过较短时间完成跑合阶段，随后达到平稳状态. 三种碳素钢摩擦系数排序为低碳钢>中碳钢>高碳钢. 摩擦过程中高碳钢磨损严重，试验时间未达到预设截断时间，故65钢动态摩擦系数曲线较短.图2(b)为施加直流磁场条件下的碳素钢动态摩擦系数变化曲线：碳素钢磁场摩擦是一个具有显著规律的动态变化过程，可以分为磨合阶段、严重磨损阶段和轻微磨损阶段[16]. 在磨合阶段，碳素钢摩擦系数迅速升高，之后进入严重磨损阶段逐渐降低，最后摩擦系数稳定，进入轻微磨损阶段. 相比中碳钢和高碳钢，低碳钢进入轻微磨损阶段的时间较长. 磁场条件下，三种碳素钢摩擦系数排序为高碳钢≈中碳钢>低碳钢. 对比图2(a)和图2(b)的摩擦系数曲线，在外加磁场条件下，碳素钢摩擦磨损过程中的磨合阶段更长；稳定阶段的摩擦系数的波动程度更小.
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图 2 三种碳素钢的动态摩擦系数曲线 (a) 无外加磁场 (b)直流磁场Figure 2. The dynamic friction coefficient curves of three carbon steels under (a) non-magnetic field (b) DC magnetic field为了直观对比有无外加磁场碳素钢的摩擦系数，选取稳定阶段的摩擦系数数据，计算其平均值用柱状图表示，如图3所示. 根据有无外加磁场条件下的碳素钢摩擦系数对比可以发现，外加磁场可以影响碳素钢的摩擦系数：施加磁场后，低碳钢摩擦系数明显降低，而中碳钢和高碳钢的摩擦系数则升高；三种碳素钢摩擦系数变化率分别为–8.8%、4.1%、5.9%，呈上升趋势. 施加磁场前后45钢的摩擦系数变化趋势与Chin等[17]的试验结果相一致. 综上所述，随碳含量升高，碳素钢的摩擦系数逐渐升高；施加外部磁场后碳素钢的摩擦系数变化，低碳钢摩擦系数降低，而中碳钢和高碳钢的摩擦系数则升高，变化率呈上升趋势.
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图 3 三种碳素钢在有无磁场条件下摩擦磨损过程稳定阶段平均摩擦系数柱状图Figure 3. Bar graph of average friction coefficient of three carbon steels in stable phase during sliding process with and without magnetic field由于外加载荷和磨损的作用，在摩擦磨损试验过程中，销试样会向盘试样方向靠近，这种动态位移可以反映动态磨损过程，图4为碳素钢在无磁场和有磁场条件下的动态销位移曲线. 两种条件下的动态销位移曲线都有较好的线性关系：(1)在无磁场条件下，销动态位移与时间呈正相关的线性关系，20钢、45钢和65钢销位移曲线的斜率分别为0.001 7，0.002 0，0.003 0，其物理意义为单位时间内的销位移(单位为mm/s)，随碳含量升高，其斜率逐渐升高，表明磨损随时间逐渐加剧. (2)施加直流磁场后，销动态位移曲线也为线性且平行于x轴，曲线斜率约等于零，这表明在摩擦稳定阶段几乎不存在磨损；随碳含量升高，销动态位移曲线越低，表明总的磨损量越小. (3)对比无磁场和有磁场的碳素钢销位移曲线特征，无磁场条件下曲线波动显著，而有磁场条件下则波动较为缓和，这表明外加磁场具有一定的减震作用.
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图 4 三种碳素钢在无磁场和外加磁场条件下摩擦磨损过程的动态销位移曲线Figure 4. Dynamic pin displacement curves of three carbon steels with and without magnetic field during friction and wear process为了综合分析碳素钢的磨损特性，根据摩擦前后的销试样质量变化，得到了三种碳素钢在有无磁场条件下的线磨损率柱状图，如图5所示. 碳素钢随碳含量升高，无磁场条件下，线磨损率逐渐增大，而在外加磁场条件下，线磨损率有逐渐减小的趋势. 有磁场条件下的碳素钢磨损率明显小于无磁场条件，磁场对碳素钢有明显的减磨作用，这与其他研究结果一致[18]；施加外部磁场后，三种碳素钢的线磨损率改善程度分别为87.5%、94.5%和96.2%，这表明外加磁场能极大地改善碳素钢的磨损性能，且随碳含量增加，改善效果更好.
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图 5 三种碳素钢在有无磁场条件下摩擦磨损的线磨损率柱状图Figure 5. Bar graph of linear wear rate of three carbon steels with and without magnetic field2.2 碳含量和磁场对碳素钢摩擦磨损的影响机制
为分析碳含量和磁场对碳素钢摩擦行为的影响机制，本文中对销试样进行了摩擦表面微观分析，包括三维形貌分析和扫描电镜成像. 为了更进一步分析表面硬化对摩擦行为的影响，本试验中制备了销试样纵剖面样品，并进行了金相分析和显微硬度的测量，获得了在外加磁场条件下，随磨损表面深度增加，20钢、45钢和65钢显微硬度的变化曲线.
图6为三种碳素钢在无磁场条件下[图6(a~c)]和外加磁场条件下[图6(d~f)]的三维形貌图像. (1)施加磁场后三种碳素钢的摩擦表面都变得更为平滑，主要表现如下：一是表面犁沟数量减少，深度降低，磨粒磨损损伤显著改善；二是摩擦表面的黏着物减少，黏着磨损程度降低. 图下方的表面粗糙度Ra也呈现出了相同趋势，施加磁场后的磨损表面粗糙度显著低于无磁场条件. (2)无磁场条件下，20钢有明显黏着磨损和犁沟，45钢犁沟深度比较大，65钢犁沟数量较少，表面粗糙度Ra分别为9.874、5.129和3.734 μm，磨损表面粗糙度随碳含量升高而逐渐降低；施加外部磁场后，20钢、45钢和65钢磨损表面三维形貌无明显差别，表面粗糙度Ra分别为1.743、1.977和2.499 μm，磨损表面粗糙度随碳含量升高逐渐升高，但变化程度较小. (3)与平均摩擦系数柱状图(图3)相对比，碳素钢磨损表面粗糙度Ra的变化趋势与摩擦磨损稳定阶段平均摩擦系数变化规律相一致，这表明在本试验中，摩擦系数大小与摩擦表面粗糙度正相关，符合Florda摩擦表面接触模型.
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图 6 三种碳素钢在有无磁场条件下销试样磨损表面的三维形貌图Figure 6. Three-dimensional topography of worn surfaces of three carbon steel pins with and without magnetic field为进一步探索有无磁场条件下，碳素钢随碳含量升高磨损表面微观形貌的变化，对磨损表面进行了扫描电镜测试，如图7所示. 有无外加磁场条件下碳素钢磨损表面明显呈现两种不同显微形貌：无磁场条件下，碳素钢磨损表面均呈现鱼鳞状，粘附部分颗粒状磨屑，磨损表面呈现有山脊型犁沟和剥落坑型的孤岛突出峰，且表面较粗糙；摩擦磨损试验后磨损表面呈现明亮的金属光泽，摩擦磨损过程保持平稳，主要磨损机制为黏着磨损和磨粒磨损. 在外加磁场条件下，磨损表面较平整，有部分山脊型犁沟，碳素钢磨损表面相比，低碳钢磨痕较宽，中碳钢相对均匀，高碳钢则起伏较大，且表面有吸附的磨屑被填充到磨痕中；摩擦磨损过程相对稳定，主要磨损机制为氧化磨损和磨粒磨损. 根据试验过程中观察分析，无磁场条件下是摩擦过程表面材料发生塑性变形、脱落、黏着等微观力学行为，导致出现鱼鳞状表面；磁化后的摩擦副捕获铁磁性磨屑，随摩擦过程磨屑被反复挤压并填充到犁沟中，表面磨痕被磨屑不断修复，宏观表现为致密平整. 综上所述，我们认为磨屑捕获作用是有无磁场条件下摩擦表面磨痕存在差异的主要原因. 前期研究表明，外加磁场还会加速碳素钢表面氧化，在摩擦表面形成黑色的氧化膜，使严重的黏着磨损转变为轻微的氧化磨损，改变了磨损机制[19]，实现了严重磨损—轻微磨损的转变.
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图 7 三种碳素钢在有无磁场条件下销试样磨损表面形貌的SEM照片Figure 7. SEM micrographs of worn surfaces of three carbon steel pins with and without magnetic field为了更进一步分析磁场条件下表面摩擦行为对碳素钢表层和次表层的影响，本试验制备了销试样纵剖面样品，沿销试样磨损面且平行于干摩擦滑动方向做45度斜剖面，并进行了金相分析，如图8(a~c)所示；20、45和65碳素钢，随磨损表面深度增加，显微硬度的变化曲线，如图8(d)所示. 图8(a~c)中，沿摩擦表面45度斜剖面组织结构明显分层，可以分为“氧化层”、“变形层”和“基体材料”. 三种碳素钢氧化层相似，都呈现暗黑色致密态，且厚度基本相近；在变形层中，金属晶粒沿摩擦方向倾斜拉长，发生明显的塑性变形，20、45和65碳素钢变形层宽度依次为91.6、97.9和119.2 μm，随着碳素钢碳含量增加，变形范围逐渐变大. 沿摩擦表面45度斜剖面进行显微硬度测试表明：中碳、高碳钢随深度增加显微硬度逐渐升高，低碳钢则逐渐降低，分析其原因为20钢在外加载荷下次表层塑性变形严重，导致加工硬化，使其次表层显微硬度高于基体硬度；三种碳素钢氧化层硬度接近，说明氧化后表面结构趋于一致；在200 μm左右深度的次表层显微硬度与基体材料基本一致，随碳素钢碳含量的升高而升高，可以认为在磁场和摩擦热的作用下表面摩擦行为的影响深度为200 μm左右，与金相分析观察结果相一致.
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图 8 外加磁场条件下三种碳素钢销试样磨损表面次表层组织金相图(a)20钢，(b)45钢，(c)65钢以及(d)对应不同深度显微硬度曲线图Figure 8. The microstructure metallography of three carbon steel pins with magnetic field (a)20 steel, (b)45 steel, (c)65 steel, and (d) micro-hardness curves of the subsurface layer of the worn surface2.3 碳含量对碳素钢磁控干摩擦磨损作用机理分析
前期研究结果对外加磁场的作用机理[20]暂没有统一的定论，主要有磨屑润滑、氧化膜作用、磁致伸缩、转移膜和位错运动机理，可能与摩擦条件有关，均可以合理解释不同工况下磁场摩擦磨损特性. 上文试验结果显示：在无磁条件下，三种碳素钢的线磨损率排序为高碳钢>中碳钢>低碳钢；而在外加磁场条件下，线磨损率排序则为高碳钢<中碳钢<低碳钢. 此结果表明在施加外加磁场后，随着碳素钢磨损机制的转变，碳元素对碳素钢摩擦磨损的影响从加速磨损转变为降低磨损.
无磁场条件下以及磁控干摩擦前期过程主要为机械磨损，摩擦磨损受碳素钢本征力学性能影响较大，随碳含量的升高，其抗拉强度σb和屈服强度σs明显增强，伸长率δ和断面收缩率ψ逐渐减小，均列于表2中，即材料塑性逐渐降低，磨损剥落严重，磨损率增大；在磁化作用下，碳素钢力学性能发生变化，表面硬度会得到不同程度提高[21–22]，磁控干摩擦后期过程：(1)施加磁场产生的磁吸力将碳素钢磨损脱落的磨屑吸附在摩擦接触表面上，与摩擦副形成“三体”磨损体系，试验过程中盘磨损区上的磨屑多次参与摩擦过程被反复研磨细化，变得细小、圆滑，在摩擦接触面起到了“固体润滑剂”的效果[23]，从而减轻摩擦和降低了磨损[24]；(2)外加磁场对顺磁性的氧有化学吸附作用，降低了摩擦表面的氧化激活能[25]，从而使摩擦表面更易发生氧化[26–28]，由于表面氧化薄膜层产生，磨损机理的转变，碳素钢力学性能对摩擦磨损影响减弱.
表 2 三种碳素钢的拉伸力学性能Table 2. Tensile strengths of three carbon steelsMaterials σb/MPa σs/MPa δ/% ψ/% 20 steel 410 245 25 55 45 steel 600 355 16 40 65 steel 981 785 9 35 根据外加磁场作用机理，在施加磁场后，不同的作用机理会同时存在，使碳素钢严重的黏着磨损转变为轻微的氧化磨损，磁场条件下碳素钢摩擦表面氧化示意图如9所示. 分析碳含量的作用机理认为：碳元素也参与了摩擦表面氧化反应，并和铁元素竞争活化氧原子，图9中红框标记为铁碳竞争氧化示意图；高碳钢碳元素含量高，更多碳元素参与表面氧化反应，有效地调控了碳素钢表面铁元素的氧化速度，减缓了氧化磨损，这既保证了铁氧化物的减磨效应，也减缓了铁氧化物积累后的剥落. 铁和碳的氧化反应式如式(3~4)所示：
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图 9 磁场条件下碳素钢摩擦表面氧化示意图Figure 9. Schematic of one tribochemical reaction of the carbon steel friction surface in magnetic field$$n{\text{Fe}} + \frac{m}{2}{{\text{O}}_2} = {\text{F}}{{\text{e}}_n}{{\text{O}}_m}$$ (3) $$(m+n){\text{C}} + \left( {\frac{m}{2} + n} \right){{\text{O}}_2} = m{\text{CO}} \uparrow + n{\text{C}}{{\text{O}}_2} \uparrow $$ (4) 在外加磁场条件下，铁氧化后在摩擦表面形成致密氧化层，其成分主要为Fe2O3和部分Fe3O4[29–30]，氧分子会残留在摩擦表面；然而碳氧化后形成CO和CO2气体，这些氧无法在摩擦表面保留.由此可以推断：磁场条件下，高碳钢摩擦表面的氧元素更少，氧铁比更低.
为了验证碳含量的作用机理关于表面氧元素含量的推论，使用能谱仪对外加磁场条件下不同碳含量碳素钢销试样磨损表面相似区域进行EDS能谱扫描(见图10)，磨损表面能谱铁元素和氧元素的统计分析结果如表3所示. 20钢、45钢和65钢摩擦表面氧元素比例逐渐降低，质量分数分别为42.9%，26.5%和24.2%；氧铁比也逐渐减小，分别为0.75、0.36和0.32，高碳钢磨损表面的氧含量最低，EDS表面元素分析结果与碳含量作用机制的推论相一致，从侧面验证了铁碳氧化竞争模型. 综上所述，基于有无磁场条件下碳含量对碳素钢摩擦磨损机制影响方式不同，提出了铁碳氧化竞争模型，解释了外加磁场调控下高碳钢磨损性能显著改善的内在机制，为磁控摩擦材料设计开拓了新思路.
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图 10 外加磁场条件下三种碳素钢销试样磨损表面EDS扫描图Figure 10. EDS results of worn surfaces of three carbon steel pins with and without magnetic field表 3 三种碳素钢摩擦表面能谱分析元素统计表Table 3. Atomic fraction of elements Fe and O and O/Fe on worn surfaces of three carbon steelsMaterials Atomic fraction/% O/Fe Fe O 20 steel 57.1 42.9 0.75 45 steel 73.5 26.5 0.36 65 steel 75.8 24.2 0.32 3. 结论
a. 根据碳含量的不同，有无磁场条件下碳素钢摩擦系数的变化也不同：在外加磁场条件下，低碳钢摩擦系数降低，中碳、高碳钢摩擦系数升高；三种碳素钢摩擦系数变化率分别为–8.8%、4.1%和5.9%，随碳含量增加呈上升趋势. 在无磁场条件下，三种碳素钢的线磨损率排序为高碳钢>中碳钢>低碳钢，而在外加磁场条件下则相反. 施加外部磁场后，20钢、45钢和65钢线磨损率降幅分别为87.5%、94.5%和96.2%，随碳含量增加，外加磁场改善磨损性能效果更好.
b. 碳素钢磨损表面粗糙度Ra的变化趋势与摩擦磨损稳定阶段平均摩擦系数变化规律相一致，通过金相分析和显微硬度随深度的变化趋势分析，磁场作用下表面摩擦行为的影响深度约为200 μm.
c. 为了解释外加磁场调控下高碳钢磨损性能显著改善的内在机制，本文中提出了铁碳氧化竞争模型，并推出磁场条件下高碳钢摩擦表面的氧元素更少，氧铁比更低；EDS表面元素分析结果与模型推论相一致，该作用机制为磁控摩擦材料设计开拓了新思路.
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图 1 磁场摩擦磨损销-盘式试验机：(a)设备外观图 (b)销-盘结构示意图 (c)盘试样加工图
Figure 1. Pin-disk friction and wear tester with magnetic field: (a) Appearance of equipment (b) Structure schematic diagram of pin-disk (c) Configuration of disk sample
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图 2 三种碳素钢的动态摩擦系数曲线 (a) 无外加磁场 (b)直流磁场
Figure 2. The dynamic friction coefficient curves of three carbon steels under (a) non-magnetic field (b) DC magnetic field
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图 3 三种碳素钢在有无磁场条件下摩擦磨损过程稳定阶段平均摩擦系数柱状图
Figure 3. Bar graph of average friction coefficient of three carbon steels in stable phase during sliding process with and without magnetic field
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图 4 三种碳素钢在无磁场和外加磁场条件下摩擦磨损过程的动态销位移曲线
Figure 4. Dynamic pin displacement curves of three carbon steels with and without magnetic field during friction and wear process
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图 5 三种碳素钢在有无磁场条件下摩擦磨损的线磨损率柱状图
Figure 5. Bar graph of linear wear rate of three carbon steels with and without magnetic field
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图 6 三种碳素钢在有无磁场条件下销试样磨损表面的三维形貌图
Figure 6. Three-dimensional topography of worn surfaces of three carbon steel pins with and without magnetic field
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图 7 三种碳素钢在有无磁场条件下销试样磨损表面形貌的SEM照片
Figure 7. SEM micrographs of worn surfaces of three carbon steel pins with and without magnetic field
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图 8 外加磁场条件下三种碳素钢销试样磨损表面次表层组织金相图(a)20钢，(b)45钢，(c)65钢以及(d)对应不同深度显微硬度曲线图
Figure 8. The microstructure metallography of three carbon steel pins with magnetic field (a)20 steel, (b)45 steel, (c)65 steel, and (d) micro-hardness curves of the subsurface layer of the worn surface
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图 9 磁场条件下碳素钢摩擦表面氧化示意图
Figure 9. Schematic of one tribochemical reaction of the carbon steel friction surface in magnetic field
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图 10 外加磁场条件下三种碳素钢销试样磨损表面EDS扫描图
Figure 10. EDS results of worn surfaces of three carbon steel pins with and without magnetic field
表 1 三种碳素钢的主要化学成分
Table 1 Main chemical components of three carbon steel materials
Materials Mass fraction/% C Si Mn Cr Ni Fe 20 steel 0.17~0.23 0.17~0.37 0.35~0.65 ≤0.25 ≤0.25 Balance 45 steel 0.42~0.50 0.17~0.37 0.50~0.80 ≤0.25 ≤0.30 Balance 65 steel 0.62~0.70 0.20~0.35 0.50~0.80 ≤0.25 ≤0.30 Balance 
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表 2 三种碳素钢的拉伸力学性能
Table 2 Tensile strengths of three carbon steels
Materials σb/MPa σs/MPa δ/% ψ/% 20 steel 410 245 25 55 45 steel 600 355 16 40 65 steel 981 785 9 35
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表 3 三种碳素钢摩擦表面能谱分析元素统计表
Table 3 Atomic fraction of elements Fe and O and O/Fe on worn surfaces of three carbon steels
Materials Atomic fraction/% O/Fe Fe O 20 steel 57.1 42.9 0.75 45 steel 73.5 26.5 0.36 65 steel 75.8 24.2 0.32
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[1] 曹丽强, 上官宝, 刘敬超, 等. 磁场干涉下材料干摩擦的研究进展[J]. 热加工工艺, 2010, 39(22): 5–8 doi: 10.3969/j.issn.1001-3814.2010.22.002 Cao Liqiang, Shangguan Bao, Liu Jingchao, et al. Research and development of dryfriction materials in magnetic field[J]. Material & Heat Treatment, 2010, 39(22): 5–8 doi: 10.3969/j.issn.1001-3814.2010.22.002
[2] M El Mansori, D Paulmier. Effects of selective transfer on friction and wear of magnetised steel-graphite sliding couples[J]. Applied Surface Science, 1999, 144–145(10): 233–237
[3] M El Mansori, D Paulmier, J Ginsztleret, et al. Lubrication mechanisms of a sliding contact by simultaneous action of electric current and magnetic field[J]. Wear, 1999, 225–229(2): 1011–1016
[4] M Amirat, H Zaidi, A. Senouci Nucleation and formation of oxide film with the magnetic field on dry sliding contact of ferromagnetic steel[J]. Lubrication Science, 2011, 23(1): 19–31 doi: 10.1002/ls.v23.1
[5] K Kumagai, O Kamiya. Effects of magnetization on wear[J]. Tribology Transactions, 1997, 40(4): 621–626 doi: 10.1080/10402009708983700
[6] TA Stolarski, Y Makida. Performance of lubricated sliding contact in magnetic field[J]. Tribology Letters, 2012, 46(2): 113–121 doi: 10.1007/s11249-012-9926-7
[7] 董祥林, 简小刚, 毕红运, 等. 磁场对中碳钢滑动摩擦磨损的影响[J]. 金属学报, 1999, 35(6): 577–580 Dong Xianglin, Jian Xiaogang, Bi Hongyun, et al. Effcct of a magnetic field on sliding friction and wear of medium carbon steel[J]. Acta Metallurgica Sinica, 1999, 35(6): 577–580
[8] 董祥林, 简小刚, 毕红运, 等. 磁场对不同硬度碳钢滑动磨损的影响[C]. 摩擦材料与减磨耐磨技术学术会议论文集, 1999, 28 Dong Xianglin, Jian Xiaogang, Bi Hongyun, et al. Effect of a magnetic field on sliding wear of medium carbon steel with different hardness[C]. Proceedings of the academic conference on friction materials and wear reduction techniques, 1999, 28: 85–89(in Chinese)
[9] 简小刚, 陈金荣, 董祥林. 直流磁场对载荷变化时铁磁性材料摩擦磨损的影响[J]. 中国矿业大学学报, 1999, 28: 35–38 doi: 10.3969/j.issn.1009-105X.2000.01.007 Jian Xiaogang, Chen Jinrong, Dong Xianglin. Effcct of DC magnetic field on friction and wear of ferromagnetic materials under different load[J]. Journal of China University of Mining & Technology, 1999, 28: 35–38 doi: 10.3969/j.issn.1009-105X.2000.01.007
[10] Jiang Jile, Tian Yu, Meng Yonggang. Role of external magnetic field during friction of ferromagnetic materials[J]. Wear, 2011, 271: 2991–2997 doi: 10.1016/j.wear.2011.07.003
[11] 蒋继乐. 对外加磁场对导磁材料滑动摩擦的影响[C]. 第十一届全国摩擦学大会会议论文集, 2013 Jiang Jile. The influence of external magnetic field on sliding friction of magnetic materials[C]. Proceedings of the Eleventh National Conference on Tribology, 2013(in Chinese)
[12] 徐敬业. 水平磁场对滑动摩擦界面磨屑行为及振动噪声特性的影响[D]. 成都: 西南交通大学, 2018 Xu Jingye. The effect of horizontal magnetic field on wear debris behaviors and vibration and noise characteristics on sliding friction interface[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2018(in Chinese)
[13] 解挺, 齐永恒, 闫照明. Fe/PTFE复合材料的摩擦诱导磁化及摩擦学性能[J]. 摩擦学学报, 2015, 35(5): 592–597 doi: 10.16078/j.tribology.2015.05.011 Xie Ting, Qi Yongheng, Yan Zhaoming. Friction-induced magnetization and tribological performances of the Fe/PTFE composites[J]. Tribology, 2015, 35(5): 592–597 doi: 10.16078/j.tribology.2015.05.011
[14] 宫明龙. 强磁场对Fe-C相图及高碳钢显微组织的影响[D]. 沈阳: 东北大学, 2009 Gong Minglong. Effects of high magnetic field on Fe-C phase diagramand microstructure of high carbon steel[D]. Shenyang: Northeastern University, 2009(in Chinese)
[15] 董霖, 刘雄, 刘志伟, 等. 直流稳恒磁场条件下45钢小位移摩擦磨损试验研究[J]. 中国工程机械学报, 2016, 14(3): 263–266 doi: 10.3969/j.issn.1672-5581.2016.03.015 Dong Lin, Liu Xiong, Liu Zhiwei, et al. Experimental research on friction and wear properties of 45 steel under the DC magnetic field[J]. Chinese Journal of Construction Machinery, 2016, 14(3): 263–266 doi: 10.3969/j.issn.1672-5581.2016.03.015
[16] Han Hongbiao, Gao Yunkai, Zhang Yongzhen, et al. Effect of magnetic field distribution of friction surface on friction and wear properties of 45 steel in DC magnetic field[J]. Wear, 2015, 328–329: 422–435
[17] K J Chin, H Zaidi, M T Nguyen, et al. Tribological behavior and surface analysis of magnetized sliding contact XC 48 steel/XC 48 steel[J]. Wear, 2001, 250(1–12): 470–476
[18] 江泽琦, 郑哲, 方建华, 等. 磁场对摩擦磨损性能的影响[J]. 合成润滑材料, 2016, 43(1): 23–26 doi: 10.3969/j.issn.1672-4364.2016.01.008 Jiang Zeqi, Zheng Zhe, Fang Jianhua, et al. Effects of magnetic field on frictional & wearing properties[J]. Synthetic Lubricants, 2016, 43(1): 23–26 doi: 10.3969/j.issn.1672-4364.2016.01.008
[19] 韩洪彪. 直流磁场干摩擦的耦合作用机制研究[D]. 西安: 西北工业大学, 2016 Han Hongbiao. Study on coupling mechanism of dry friction in DC magnetic field[D]. Xi’an: Northwestern Polytechnical University, 2016(in Chinese)
[20] 解挺, 闫照明, 杨婷婷, 等. 外加磁场对摩擦副摩擦学性能影响的研究进展[J]. 合肥工业大学学报:自然科学版, 2012, 35(12): 1601–1604 Xie Ting, Yan Zhaoming, Yang Tingting, et al. Study progress of the effect of external magnetic field on trobological properties of friction pair[J]. Journal of hefei university technolgy(Natural Science Edition), 2012, 35(12): 1601–1604
[21] 沈俊波, 黄丽燕, 刘建永, 等. 激光-电磁场复合强化对45钢硬度的影响[J]. 钢铁研究学报, 2018, 30(6): 498–503 Shen Junbo, Huang Liyan, Liu Jianyong, et al. Influence of laser-electromagnetic field composite strengthening on hardness of 45 steel[J]. Journal of Iron and Steel Research, 2018, 30(6): 498–503
[22] 马利平, 梁志强, 王西彬, 等. 脉冲磁化处理对M42高速钢刀具组织和力学性能的影响[J]. 金属学报, 2015, 51(3): 307–314 Ma Liping, Liang Zhiqiang, Wang Xibin, et al. Influence of pulsde magnetic treatment on microstructures and mechanical properties of M42 high speed steel tool[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2015, 51(3): 307–314
[23] 张东亚, 董光能, 高峰, 等. 磁场强度对叠层复合材料摩擦学性能的影响[J]. 华中科技大学学报(自然科学版), 2016, 44(6): 52–56 Zhang Dongya, Dong Guangneng, Gao Feng, et al. Effect of magnetic field intensity on tribological properties of laminated composites[J]. Huazhong University of Science and Technology(Natural Science Edition), 2016, 44(6): 52–56
[24] 任冠鹏, 杜三明, 张永振. 钢在磁场环境中的摩擦磨损行为[J]. 润滑与密封, 2014, 39(10): 29–32 Ren Guanpeng, Du Sanming, Zhang Yongzhen. Friction and wear behaviors of steel in magnetic field[J]. Lubrication Engineering, 2014, 39(10): 29–32
[25] K Hiratsuka, T Sasada, S Norose. The magnetic effect on the wear of metals[J]. Wear, 1986, 110(3): 251–261
[26] 韩红彪, 吴育兵, 张永振, 等. 直流磁场下销盘摩擦过程中的电磁感应力矩分析[J]. 摩擦学学报, 2015, 35(1): 31–36 doi: 10.16078/j.tribology.2015.01.005 Han Hongbiao, Wu Yubing, Zhang Yongzhen, et al. Analysis of electromagnetic induction torque of the pin and disk during friction process under DC magnetic field[J]. Tribology, 2015, 35(1): 31–36 doi: 10.16078/j.tribology.2015.01.005
[27] 韩红彪, 刘何, 张永振, 等. 直流磁场下销盘摩擦接触区的电磁感应现象[J]. 摩擦学学报, 2015, 35(5): 557–563 doi: 10.16078/j.tribology.2015.05.007 Han Hongbiao, Liu He, Zhang Yongzhen, et al. The electromagnetic induction phenomena in friction contact area of pin and disk under DC magnetic field[J]. Tribology, 2015, 35(5): 557–563 doi: 10.16078/j.tribology.2015.05.007
[28] Wei Yonghui, Zhang Yongzhen, Chen Yue. et al Impact of material permeability on friction and wear Properties under the interference of DC steady magnetic field[J]. Tribology international, 2013, 57: 162–169 doi: 10.1016/j.triboint.2012.07.019
[29] 魏永辉, 张永振, 陈跃. 直流稳恒磁场下高速钢/45#钢环干滑动摩擦磨损特性研究[J]. 摩擦学学报, 2010, 30(4): 399–403 doi: doi:10.16078/j.tribology.2010.04.007 Wei Yonghui, Zhang Yongzhen, Chen Yue. Dry sliding friction and wear of high-speed steel/45 steel tribo-pair under direct current steady magnetic field[J]. Tribology, 2010, 30(4): 399–403 doi: doi:10.16078/j.tribology.2010.04.007
[30] H Zaidi, M Amirat, J Frene, et al. Magnetotribology of ferromagnetic/ferromagnetic sliding couple[J]. Wear, 2007, 263: 1518–1526 doi: 10.1016/j.wear.2007.01.081
-
期刊类型引用(6)
1. 李云，郭纯，王蕾，梁宇晨，刘武猛，营梦，康泰宇. 纯Fe在磁场下摩擦磨损行为研究. 热加工工艺. 2024(04): 132-135 . 
百度学术
2. 陈贺全，孙超，宋晨飞，杜三明，张永振. 相对湿度对磁场下45钢摩擦学性能与表面氧化的影响. 摩擦学学报. 2023(12): 1406-1415 . 本站查看
3. 高杰，郭克星，支泽林，陈思思，孙亚云，张银. 钒添加量对冷硬铸铁组织及耐磨性的影响. 机械工程材料. 2023(12): 45-50 . 百度学术
4. 高广东，熊毅，岳赟，秦小才，邹悟会，刘栋. 钼铌微合金化珠光体基灰铸铁的组织与摩擦磨损性能. 河南科技大学学报(自然科学版). 2021(04): 16-20+27+5 . 百度学术
5. 张斌，孙超，孙乐民，杜三明，宋晨飞，张永振. 集屑装置对45#钢磁场摩擦磨损性能的影响与磨屑量化分析. 河南科技大学学报(自然科学版). 2021(05): 6-13+4-5 . 百度学术
6. 宁会峰，郭文枭. 基于响应曲面法的珩磨油石寿命影响因素研究. 工具技术. 2020(07): 12-15 . 百度学术
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