梁志強，馬利平，王西彬，解麗靜，趙文祥，姚洪民

（北京理工大學先進加工技術(shù)國防重點學科實驗室，北京100081）

脈沖磁場對高速鋼刀具材料摩擦磨損性能的影響

梁志強，馬利平，王西彬，解麗靜，趙文祥，姚洪民

（北京理工大學先進加工技術(shù)國防重點學科實驗室，北京100081）

研究了脈沖磁場處理對高速鋼（HSS）刀具材料W9Mo3Cr4V的摩擦磨損機制。通過進行HSS材料脈沖磁化摩擦試驗，對不同的脈沖磁場強度、磁場頻率和磁化時間條件下，HSS材料磨損率、摩擦系數(shù)以及表面形貌進行了檢測。結(jié)果表明：脈沖磁場能夠使得HSS材料的耐磨性明顯提高，摩擦系數(shù)降低，且其摩擦表面形貌較平坦；特別是在一定的脈沖磁場參數(shù)下，HSS磁化處理效果較好，摩擦系數(shù)小且耐磨性好。脈沖磁化處理前后材料微觀組織對比分析顯示：脈沖磁化處理后，材料內(nèi)部析出大量彌散碳化物，彌散強化是脈沖磁化處理增強材料耐磨性的主要機理。

機械制造工藝與設備；磁處理；高速鋼；摩擦磨損

0 引言

利用磁化處理來提高金屬切削刀具壽命是近年來發(fā)展起來的一種新的刀具強化方法，該方法具有操作簡單、投資少、見效快、無污染等優(yōu)點。試驗證實，適當?shù)拇呕幚砜筛纳频毒咔邢餍阅?、減少刀具的磨損與破損，從而增加刀具壽命［1-4］。

許多學者將刀具壽命的提高歸結(jié)于磁場作用下刀具材料摩擦磨損特性的改善，并進行了大量的磁場減摩方面的試驗研究，且根據(jù)試驗觀察給出了一些磁化處理改善材料摩擦磨損特性可能的原因。Hiratsuka等［5-6］發(fā)現(xiàn)大氣環(huán)境下，垂直于摩擦面的磁場有益于減輕磨損，認為磁場影響鐵磁體對氧的化學吸附活化能，材料表面更容易被氧化，從而降低磨損。Mansori等［7］在鋼/石墨摩擦副摩擦磨損過程中，首次提出了選擇性轉(zhuǎn)移機制：碳從石墨盤轉(zhuǎn)移到鋼銷上，摩擦系數(shù)降低，磨損量減少，反之則結(jié)果相反。Chin等［8］分析了磁場條件下試樣摩擦表面的接觸應力分布及氧化失效情況，初步建立了磁場對摩擦學行為影響的數(shù)學模型，認為磁場使試樣由嚴重磨損向輕微磨損轉(zhuǎn)變，摩擦面平滑，摩擦系數(shù)的波動減小，振動降低。Stolarski等［9］研究認為磁場能夠增強摩擦表面對金屬磨粒的吸附作用，進而減輕材料磨損。簡小剛［10］用直流穩(wěn)恒線圈磁場條件對GCrl5SiMn鋼與45#鋼的磨損機理進行了探討，認為三體磨損是磁場條件下磨損降低的主要原因。王秀麗等［11］研究發(fā)現(xiàn)：隨外磁場強度的增加，試樣銷的磨損質(zhì)量損失先降低后增加；施加磁場后，磨損表面犁溝較淺，磨面較為平坦。Wei等［12］研究了直流磁場下不同磁導率對材料摩擦磨損性能的影響，試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)磁場能夠降低磨損，促進表面氧化成為Fe2O3和Fe3O4，并且磁導率越大，材料耐磨性越高。Jian等［13］研究發(fā)現(xiàn)盡管磁場作用下摩擦力和聲發(fā)射信號增大，但是磨損和摩擦系數(shù)降低，認為這是由于磁場吸力時接觸副之間的壓力增加引起的。

綜上所述，磁場對金屬刀具材料的摩擦磨損的影響機制較復雜，涉及電子、位錯、空位運動、原子擴散、表面能和金相結(jié)構(gòu)等諸多微觀行為變化。目前研究仍只針對一些磁化效果的初步解釋，而沒有系統(tǒng)化、定量化的研究磁化處理機制，針對脈沖磁場對材料摩擦學性能影響與參數(shù)優(yōu)化研究也較少。為此，本文針對高速鋼（HSS）W9Mo3Cr4V刀具材料，進行銷—盤摩擦試驗，通過檢測磨損量、摩擦系數(shù)、摩擦表面形貌與磨損表面元素含量，研究磁場對HSS材料的摩擦磨損特性的影響，分析不同脈沖磁場參數(shù)對材料摩擦磨損的作用規(guī)律。通過磁化處理前后微觀組織分析，揭示脈沖磁場強化處理增加材料耐磨性機理，為磁化處理方法的應用提供理論參考。

1 試驗條件和試驗方法

1.1 試驗條件

摩擦磨損試驗在UMT-3摩擦試驗機上進行。為了近似模擬HSS刀具在切削加工過程中摩擦磨損特性，本試驗采用上銷下盤的配副方式，銷試樣固定，盤試樣旋轉(zhuǎn)，試驗平臺及原理如圖1所示。銷使用HSS刀具材料W9Mo3Cr4V，其化學組成如表1所示，盤使用45#鋼。

圖1 UMT-3摩擦試驗系統(tǒng)及原理圖Fig.1 UMT-3 tribometer test system and its schematic diagram

表1 HSS W9Mo3Cr4V化學組成Tab.1 Chemical composition of HSS W9Mo3Cr4V

試驗中使用相同的工況參數(shù)，即載荷為10 N，接觸線速度為60 m/min.磁化處理過程在脈沖磁處理試驗平臺上進行，圖2所示為該試驗平臺的示意圖。試驗平臺主要由脈沖電源和磁化線圈組成，能產(chǎn)生一個磁場強度大小、頻率可控，作用時間可調(diào)的脈沖磁場。工件放在磁化線圈的兩磁極之間并使磁場線垂直試樣平面。工件磁化處理，采用單因素試驗方法，其參數(shù)如表2所示。

圖2 脈沖磁處理平臺Fig.2 Pulsed magnetic treatment system

表2 單因素試驗參數(shù)Tab.2 Single-factor experiments conditions

1.2 試驗方法

為了評價不同參數(shù)下HSS銷頭的磨損程度，建立了銷頭磨損量的計算模型，如圖3所示。假設HSS銷頭的球半徑為R，銷頭的密度為ρ，被磨損掉的凸臺底圓的周長為L，磨損高度為a.

圖3 銷頭磨損量示意圖Fig.3 Schematic diagram of wear loss of pin

磨損量的體積可由積分公式得出：

圓周長L和磨損高度a的關(guān)系式為

整理得

由于a?R，所以

將（4）式帶入（1）式得

銷頭磨損量的計算公式為

試驗過程中，相對摩擦長度為360 m時，利用日本Keyence公司的VK-100三維激光顯微鏡測量銷頭端部磨損面的周長為L，如圖4所示。代入（6）式，即可計算出銷頭磨損量。相同的試驗重復進行3次，取平均值作為有效測量值。

圖4 銷頭磨損底圓周長的測量Fig.4 Measurement of circumference of pinwears area

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 脈沖磁場處理對HSS銷頭磨損量的影響

如圖5所示為不同脈沖磁場參數(shù)下HSS銷頭的磨損量測量結(jié)果。

由圖5可知，脈沖磁場處理對HSS材料銷頭耐磨性具有顯著影響。隨著磁場強度在0～200 kA/m范圍內(nèi)逐漸增加，磁化銷頭的磨損量逐漸降低，耐磨性提高，最高可達38.6%.隨著磁化時間在5～420 s范圍內(nèi)逐漸增加，HSS磨損量逐漸增加，耐磨性降低，但是耐磨性均比在無磁場情況下好，表明磁化處理時間不是越長越好。在本文試驗條件下，最佳處理時間為5 s.當磁場頻率在0～30 Hz范圍逐漸變化時，磁化銷頭磨損量逐漸減小；當磁場頻率在30～100 Hz范圍逐漸變化時，磁化銷頭磨損量逐漸增大。唐非等［14］認為在脈沖磁場處理工藝中，可能存在一個共振頻率會使材料內(nèi)部磁致振動達到最大值，但從本文試驗結(jié)果來看，磁場頻率對磁化銷頭的磨損量影響變化不大，因此未找到HSS銷頭的共振頻率。

圖5 脈沖磁場參數(shù)對HSS耐磨性的影響Fig.5 Effects of magnetic treatment parameters on wear resistance of HSS

脈沖磁場處理能夠提高HSS材料耐磨性，原因在于HSS在磁化過程中會產(chǎn)生磁致伸縮效應，促使位錯擴大和移動，位錯密度增加，材料組織硬化，從而耐磨性得到提高。如圖6所示為HSS材料脈沖磁化處理前后洛氏硬度變化圖，可看出經(jīng)脈沖磁化處理后，HSS材料硬度明顯增加。

2.2 脈沖磁場處理對HSS銷頭摩擦系數(shù)的影響

如圖7所示為不同脈沖磁場處理參數(shù)后磁化銷頭與45#鋼摩擦副之間的摩擦系數(shù)變化規(guī)律。由圖7可知，脈沖磁場處理對HSS銷頭摩擦系數(shù)具有顯著的影響，且其影響變化規(guī)律與脈沖磁場處理對HSS銷頭磨損量的影響是相似的。這是因為相同的摩擦工況下，一般材料的摩擦系數(shù)與耐磨性是反向關(guān)系，材料的耐磨性提高會導致材料摩擦系數(shù)的降低，同時，摩擦系數(shù)的降低也有利于HSS材料磨損量的減少。

圖6 脈沖磁化處理對材料洛氏硬度影響Fig.6 The effect of pulsed magnetic treatment on Rockwell hardness

圖7 脈沖磁場參數(shù)對HSS摩擦系數(shù)影響Fig.7 Effect of magnetic treatment parameter on the friction coefficient of HSS

2.3 脈沖磁場處理對HSS材料摩擦表面形貌的影響

通過對摩擦表面微觀形貌進行檢測，可在一定程度上反映HSS材料摩擦磨損性能的變化規(guī)律。圖8（a）和圖8（b）為未磁化與磁化銷頭摩擦一定長度后磨損表面形貌。從圖8可知，在未磁化條件下，HSS摩擦表面存在大量的凹坑及較深的條狀犁溝，主要表現(xiàn)形式為粘著磨損。而經(jīng)脈沖磁場處理后，HSS銷頭摩擦表面犁溝變淺變寬，摩擦表面形貌變得平坦。

圖8 HSS摩擦表面形貌圖Fig.8 Morphology of HSS frictional surface

如圖9所示為磁化銷頭與未磁化銷頭摩擦試驗現(xiàn)場圖。由圖9（a）可見，未磁化銷與盤接觸摩擦過程中，銷盤接觸處幾乎沒有磨屑存在。而當磁化銷與盤接觸摩擦時（如圖9（b）所示），銷盤接觸處存在大量磨屑聚集，說明在磨損過程中，磁場吸附了大量的磨屑。磨損產(chǎn)物能較長時間被吸附在摩擦界面，難以逸出，形成了三體磨損［15］。由于磁化銷摩擦時磨屑集聚在銷與盤接觸界面周圍，而這種磨屑聚集狀態(tài)可大大減小摩擦副的真實接觸面積。因此，磨屑在磁化銷的摩擦過程中起了一種隔離作用，在很大程度上阻止了對磨面的直接磨損，因而有效地減小粘著和犁削，從而減小了粘著磨損。

圖9 摩擦試驗現(xiàn)場圖Fig.9 Friction experiment

利用能譜分析儀（EDS）對有磁化和未磁化銷頭摩擦表面進行能譜分析，獲得摩擦磨損表面氧元素的含量。如圖10所示為有磁化和未磁化銷頭摩擦一定長度后磨損表面的EDS圖。

由圖10（a）可見，在未磁化處理條件下，磨損表面的成分主要為O、Fe、W、Mo、Cr等元素，其中氧的含量約為5.59%.對比圖10（b），在磁化處理后，HSS材料磨損表面成分比例發(fā)生了明顯的變化，表面含氧量增加，氧含量最高可達約8.13%，氧含量遠比無磁化處理時高。從而可表明，磁化處理可促進HSS材料表面氧化。原因在于在磨損過程中磨屑細化導致表面積增加，使其大量地吸收了表面自由能，同時也降低了表面的氧化激活能，從而促進表面氧的活化及磨屑的氧化。

圖10 HSS摩擦表面掃描電鏡照片與能譜圖Fig.10 SEM and EDS photography of HSS frictional surface

2.4 脈沖磁場對HSS材料微觀結(jié)構(gòu)的影響

通過對脈沖磁化處理前后材料微觀組織分析，可揭示脈沖磁場強化處理增加材料耐磨性作用機理。如圖11所示為含鈷HSS材料脈沖磁化處理前后材料碳化物分布圖。由圖11（b）可見，經(jīng)脈沖磁化處理后，材料中碳化物明顯增多，說明經(jīng)脈沖磁化處理，大量細小碳化物在晶內(nèi)均勻析出。

如圖12所示為含鈷HSS材料脈沖磁化處理前后材料碳化物形貌變化圖。

圖11 脈沖磁化處理對碳化物分布影響Fig.11 Effect of pulsed magnetic treatment on the distribution of carbides

由圖12（a）與圖12（b）圓形框?qū)Ρ确治隹珊苊黠@看出，在白色塊狀碳化物的旁邊有細小的碳化物析出。同時，從圖12（a）和圖12（b）的方框?qū)Ρ瓤煽闯?，磁化處理前可見的白色碳化物?jīng)磁化處理后消失，同時出現(xiàn)很多細小的碳化物。

HSS材料在磁化處理過程中，材料內(nèi)部各原子的自旋矩趨向于同向排列起來，從而改變了晶體格點之間的平衡距離，引起了晶格畸變，這一過程可導致奧氏體產(chǎn)生較小的磁化形變。而在脈沖磁場作用下，材料不斷產(chǎn)生晶格畸變，奧氏體不斷產(chǎn)生小的形變。由于奧氏體在形變壓力作用下，可顯著降低奧氏體對碳的溶解度，所以從奧氏體基體內(nèi)析出了大量彌散碳化物，這種彌散碳化物可強化馬氏體基體，增強材料的耐磨性。同時，由于在脈沖磁化處理過程中，材料內(nèi)部晶格產(chǎn)生畸變，位錯不斷發(fā)生滑移、攀移，當遇到部分碳化物時，部分位錯可以切過碳化物從而造成部分碳化物形態(tài)發(fā)生變化或碎化。綜上所述，HSS材料經(jīng)脈沖磁化處理后，材料內(nèi)部析出大量彌散碳化物，因此彌散強化是脈沖磁場強化處理增強HSS材料耐磨性的主要原因。

圖12 脈沖磁化處理對碳化物形貌影響Fig.12 Effects of pulsed magnetic treatment on the carbide morphology

3 結(jié)論

通過銷盤摩擦試驗，分析了不同脈沖磁場參數(shù)對HSS材料耐磨性、摩擦系數(shù)及其摩擦表面形貌的影響規(guī)律。結(jié)果表明：利用脈沖磁場能夠提高HSS材料的耐磨性，降低摩擦系數(shù)，促進摩擦表面氧化，改善摩擦表面形貌使其更加平坦。在相同的脈沖磁場的頻率和磁化時間時，隨著磁場強度的增加，HSS材料的耐磨性逐漸增大，摩擦系數(shù)降低；在相同的脈沖磁場強度和磁化時間時，存在一個最佳的磁場處理頻率，此時HSS材料的耐磨性最好，摩擦系數(shù)最??；在相同的磁場強度和頻率時，存在一個合理的磁場處理時間，而不是磁化時間越長越好。磁化處理前后微觀組織對比分析結(jié)果表明，HSS材料經(jīng)脈沖磁化處理后，材料內(nèi)部析出大量彌散碳化物，因此彌散強化是脈沖磁場強化處理增強HSS材料耐磨性的主要原因。

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The Effect of Pulsed Magnetic Field on Friction and Wear Properties of High Speed Steel Tool Materials

LIANG Zhi-qiang，MA Li-ping，WANG Xi-bin，XIE Li-jing，ZHAO Wen-xiang，YAO Hong-min
（Key Laboratory of Fundamental Science for Advanced Machining，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China）

The effect of pulsed magnetic field on the friction and wear mechanisms of high speed steel（HSS）cutting tool material W9Mo3Cr4V is investigated.The wear rate，friction coefficient and surface morphology of HSS material are detected under the different conditions of magnetic field strength，frequency and magnetization time in the pulse magnetization friction experiments.The experimental results show that the pulse magnetization treatment results in the improved wear resistance of HSS，the reduced friction coefficient，and the flat friction surface topography.Especially in certain parameters of pulsed magnetic field，the effect of HSS magnetization treatment is better with a lower coefficient of friction and better wear resistance.The comparative analysis of microstructures before and after magnetization treatment shows that a large number of dispersed carbides in the material are separated out after magnetization treatment.Dispersion strengthening is the main mechanism of pulsed magnetization treatment to enhance the wear resistance of the material.

manufaturing technology and equipment；magnetization treatment；high speed steel；friction and wear

TG156

A

1000-1093（2015）05-0904-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.05.021

2014-06-19

國家自然科學基金項目（50935001）

梁志強（1984—），男，副教授。E-mail：liangzhiqiang@bit.edu.cn