·806 工程科学学报，第41卷，第6期 变形，会对摩擦界面的氧化过程起到促进作用.摩 的氧化温度较低，氧化物的体积分数也很低，并且随 擦过程中，摩擦界面不断的更新，进而发生新的氧化 着温度的变化升高很小，因此C可以在模型分析中 反应，也会加速氧化过程的进行.根据文献报道，同 简化为一个常数.采用该模型以NM500钢300N载 一个氧化过程，如4Fe+302→2Fe203,其摩擦氧化 荷下室温至300℃的磨损率进行拟合分析，拟合曲 所需的反应激活能为0.7kJ·mol-1,远低于热化学 线和实验数据对比如图11所示. 反应所需的激活能54kJ·mol-1.由于氧化现象的明 显发生，在高温摩擦过程中，氧化物被压入界面，参 0.19 与了摩擦副的相对运动，结合图3和8的结果可以 发现，氧化物的产生是高温下摩擦系数略微下降的 氧化模型拟合曲线 三0.18 主要原因. 3.2不同温度下的磨损机制分析 第0.17 当有氧化物存在时，磨损规律与氧化物的形成、 性能和是否发生与基体之间的剥落现象等规律存在 非常密切的内在联系，氧化磨损的数学模型多数是 .16- 050100150200250300 建立在以氧化物形成的动力学和表面磨损力学规律 温度/℃ 相结合的基础之上的.文献9]提出了室温氧化磨 图11NM500耐磨钢室温至300℃之间的磨损率实验数据与拟 合计算数据曲线 损的模型，这一模型在文献20]中得以修正，能够 Fig.11 Experimental data and calculation profiles of wear rate of 比较合理的描述室温摩擦的缓慢氧化问题.文献 NM400 steel in the temperature range from room temperature to 300C 21]中提出了高温氧化磨损的数学模型，用以解释 高温快速氧化时的磨损规律.但根据前文的分析， 虽然式(1)中提供的模型在未知摩擦界面氧化 NM400、NM500耐磨钢在室温至300℃范围内随着 动力学规律的前提下无法进行热激活能等参数的估 温度的升高氧化速率和氧化程度逐渐增加，但氧化 算和研究，但可以用于描述氧化过程中的磨损率变 物厚度有限，未发生大面积的氧化物剥离现象.因 化规律.图11中所示的计算数据曲线在室温至 此本文认为，这种情况下的磨损规律更近似于中小 200℃范围内与实验数据表现出了良好的匹配，说 载荷下均匀氧化时的磨损模型-.采用该模型 明此时式(1)描述的物理模型与磨损机制相适应. 分析磨损规律时，磨损率ω可用下式进行表达： 而300℃下的磨损率实验值与计算曲线的差异很 =LCA [e-0T)e]2 大，主要是由于此时氧化物的大量产生，使磨损量的 (1) UPs 测量误差增加导致的.从图4(b)、图7(e)~(f)和 其中：L为正压力载荷，N;v为转速，ms1;A为抛物 图8(b)之中可以看出，300℃下NM500钢的表面产 线型氧化Arrhenius常数，kg2·m-4·s-l;Q,为符合抛 生的氧化物数量和尺寸较其他温度下明显增加，因 物线型氧化规律时的氧化激活能，J·mol-1;R为摩 此附着在摩擦表面的氧化物也更多.因此，在测量 尔气体常数(Jmol-1,K-1):T为磨面接触凸台处的 失重并计算磨损率时，此时氧含量的增加会使得磨 温度；T为磨面未接触处的温度，也即环境温度；P 损率的测量值较真实值偏小.另外，由于实验中采 是耐磨钢基体的硬度.ε是氧化物与基体发生分离 用的样品尺寸较小，在摩擦磨损过程中测得的磨损 时的临界厚度.由于氧化物未能形成连续的覆盖 量实际数值也很小，也就更容易受到氧含量增加的 层，只是局部发生了破裂、剥离等现象，故本文实验 影响.因此，在氧化物磨损理论的研究中，通常把微 中观察到的氧化物分离厚度均在2~5m左右，其 量氧化和大量氧化的情况进行区分讨论，采用不同 数值变化不大，也可以视为定值. 的数学模型进行描述.本文的研究工作说明，室 式(1)中的C为氧化物膜中氧的质量分数，由 温至200℃下NM500钢表现出很明显的微量氧化 于基体中Fe是主要元素，其余合金元素如Cr、Ni等 磨损规律，而300℃下的磨损则应该属于大量氧化 的抗氧化能力远强于Fe,因此C可以简化成下式： 磨损的情况 6M (F) 从公式(1)可以看出，此时影响磨损规律的主 C=79-n)pM (o) (2) 要因素有耐磨钢基体的硬度、氧化物体积分数（常 式中，MMo分别是Fe和0的摩尔质量，n为 数C中体现)、氧化激活能，这表明耐磨钢NM400 Fe,O,的体积分数，p为Fe的密度.由于本实验研究 和NM500在室温至300℃的磨损机制是磨粒磨损、工程科学学报，第 41 卷，第 6 期 变形，会对摩擦界面的氧化过程起到促进作用． 摩 擦过程中，摩擦界面不断的更新，进而发生新的氧化 反应，也会加速氧化过程的进行． 根据文献报道，同 一个氧化过程，如 4Fe + 3O2→2Fe2O3，其摩擦氧化 所需的反应激活能为 0. 7 kJ·mol － 1，远低于热化学 反应所需的激活能 54 kJ·mol － 1 ． 由于氧化现象的明 显发生，在高温摩擦过程中，氧化物被压入界面，参 与了摩擦副的相对运动，结合图 3 和 8 的结果可以 发现，氧化物的产生是高温下摩擦系数略微下降的 主要原因． 3. 2 不同温度下的磨损机制分析 当有氧化物存在时，磨损规律与氧化物的形成、 性能和是否发生与基体之间的剥落现象等规律存在 非常密切的内在联系，氧化磨损的数学模型多数是 建立在以氧化物形成的动力学和表面磨损力学规律 相结合的基础之上的． 文献［19］提出了室温氧化磨 损的模型，这一模型在文献［20］中得以修正，能够 比较合理的描述室温摩擦的缓慢氧化问题． 文献 ［21］中提出了高温氧化磨损的数学模型，用以解释 高温快速氧化时的磨损规律． 但根据前文的分析， NM400、NM500 耐磨钢在室温至 300 ℃ 范围内随着 温度的升高氧化速率和氧化程度逐渐增加，但氧化 物厚度有限，未发生大面积的氧化物剥离现象． 因 此本文认为，这种情况下的磨损规律更近似于中小 载荷下均匀氧化时的磨损模型［22--24］． 采用该模型 分析磨损规律时，磨损率 ω 可用下式进行表达: ω = LC2 A vPε ［e － Qp /( 2ＲTc) + e － Qp /( 2ＲTs) ］2 ( 1) 其中: L 为正压力载荷，N; v 为转速，m·s － 1 ; A 为抛物 线型氧化 Arrhenius 常数，kg2 ·m － 4·s － 1 ; Qp为符合抛 物线型氧化规律时的氧化激活能，J·mol － 1 ; Ｒ 为摩 尔气体常数( J·mol － 1·K － 1 ) ; Tc为磨面接触凸台处的 温度; Ts为磨面未接触处的温度，也即环境温度; P 是耐磨钢基体的硬度． ε 是氧化物与基体发生分离 时的临界厚度． 由于氧化物未能形成连续的覆盖 层，只是局部发生了破裂、剥离等现象，故本文实验 中观察到的氧化物分离厚度均在 2 ～ 5 μm 左右，其 数值变化不大，也可以视为定值． 式( 1) 中的 C 为氧化物膜中氧的质量分数，由 于基体中 Fe 是主要元素，其余合金元素如 Cr、Ni 等 的抗氧化能力远强于 Fe，因此 C 可以简化成下式: C = 6M( Fe) ( 9 － η) ρM( O) ( 2) 式中，M( Fe) 、M( O) 分别是 Fe 和 O 的摩尔质量，η 为 Fe3O4的体积分数，ρ 为 Fe 的密度． 由于本实验研究 的氧化温度较低，氧化物的体积分数也很低，并且随 着温度的变化升高很小，因此 C 可以在模型分析中 简化为一个常数． 采用该模型以 NM500 钢 300N 载 荷下室温至 300 ℃ 的磨损率进行拟合分析，拟合曲 线和实验数据对比如图 11 所示． 图 11 NM500 耐磨钢室温至 300 ℃ 之间的磨损率实验数据与拟 合计算数据曲线 Fig． 11 Experimental data and calculation profiles of wear rate of NM400 steel in the temperature range from room temperature to 300 ℃ 虽然式( 1) 中提供的模型在未知摩擦界面氧化 动力学规律的前提下无法进行热激活能等参数的估 算和研究，但可以用于描述氧化过程中的磨损率变 化规律． 图 11 中所示的计算数据曲线在室温至 200 ℃范围内与实验数据表现出了良好的匹配，说 明此时式( 1) 描述的物理模型与磨损机制相适应． 而 300 ℃ 下的磨损率实验值与计算曲线的差异很 大，主要是由于此时氧化物的大量产生，使磨损量的 测量误差增加导致的． 从图 4( b) 、图 7( e) ～ ( f) 和 图 8( b) 之中可以看出，300 ℃下 NM500 钢的表面产 生的氧化物数量和尺寸较其他温度下明显增加，因 此附着在摩擦表面的氧化物也更多． 因此，在测量 失重并计算磨损率时，此时氧含量的增加会使得磨 损率的测量值较真实值偏小． 另外，由于实验中采 用的样品尺寸较小，在摩擦磨损过程中测得的磨损 量实际数值也很小，也就更容易受到氧含量增加的 影响． 因此，在氧化物磨损理论的研究中，通常把微 量氧化和大量氧化的情况进行区分讨论，采用不同 的数学模型进行描述［24］． 本文的研究工作说明，室 温至 200 ℃下 NM500 钢表现出很明显的微量氧化 磨损规律，而 300 ℃ 下的磨损则应该属于大量氧化 磨损的情况． 从公式( 1) 可以看出，此时影响磨损规律的主 要因素有耐磨钢基体的硬度、氧化物体积分数( 常 数 C 中体现) 、氧化激活能，这表明耐磨钢 NM400 和 NM500 在室温至 300 ℃的磨损机制是磨粒磨损、 · 608 ·