磁場在提高機械零件耐磨中的應(yīng)用

磁場在提高機械零件耐磨中的應(yīng)用

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是高頻技術(shù)的應(yīng)用，越來越多的設(shè)備和電器元件在電磁條件下服務(wù)。如磁極切割、電機刷或磁體磁體、電磁制動或配合、高速接觸線及滑動、電源連接等。因此,研究磁場環(huán)境下鐵磁性摩擦副的摩擦磨損性能顯得尤為重要。張家勝等研究表明,在大型球磨機中用金屬磁性襯板代替原用的優(yōu)質(zhì)錳鋼襯板,因磁性襯板上吸附的一層鐵屑起保護作用,使襯板、鋼球的磨損大大減少,每年節(jié)約費用20余萬元。在磁化切削方面,國外對切削刀具的磁化己工業(yè)化,創(chuàng)造的效益也是非常可觀的。因此在當(dāng)代摩擦學(xué)研究中,利用磁場控制摩擦、減小磨損將成為一種新的、很有前景的途徑,研究磁場環(huán)境下鐵磁性摩擦副的摩擦磨損特性的影響因素及規(guī)律性,為機械設(shè)計過程中的并行摩擦學(xué)設(shè)計提供理論依據(jù)和指導(dǎo)原則就成為亟待解決的課題。1材料的耐磨性縱觀國內(nèi)外磁場干摩擦學(xué)的研究成果可知,施加適當(dāng)磁場可以控制摩擦、減小磨損、提高機械零部件的耐磨性,但是并非任何情況下磁場均能降低摩擦磨損,這個方向的研究也處在起步階段,其研究參數(shù)均局限于材料硬度和幾種磨損理論。磁場干摩擦減磨理論可大概歸納為以下幾種理論:即磁場吸引磨屑減磨理論,磁致伸縮減磨理論,磁場促進氧化減磨理論,磁場降低摩擦振動減磨理論。1.1膜法文化磁場研磨法摩擦磨損過程中,摩擦面在波動正壓力和摩擦力的作用下形成較多碎屑,同時磁場吸力使鐵磁性磨屑停留在接觸表面,形成“三體磨損”,阻止摩擦面直接接觸,起到了隔離作用。有人還推測細(xì)而圓滑的磨屑可起類固體潤滑劑的作用。吸附的磨屑還可能起到磨料的作用而加速表面損傷,但試驗數(shù)據(jù)表明,磨屑為隔離層的有利作用大于其作為磨料的有害作用。但若要吸附住磨屑,磁場必須具有一定強度值。當(dāng)磁場強度升高到一定值后,吸附的磨屑量達到飽和,再增大磁場強度,磁場就不能吸附更多磨屑。因此,簡小剛等都認(rèn)為“三體磨損”是磁場條件下磨損降低的主要原因。1.2磁致撕裂試驗磁彈性材料在外磁場中被磁化時,其長度和體積都要發(fā)生微小變化,這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮效應(yīng)。磁致伸縮可使材料強化,硬度提高,這種強化不是金屬表面強化,而是整體的強化,這在很多研究及文獻中得以證實。磁致伸縮可以提高機加工刀具的壽命。1944年OΠNHΓ就曾試驗用磁化的辦法提高切削工具的耐磨性,較多的研究始于20世紀(jì)60年代后期,前蘇聯(lián)Bemshtein等在磁化刀具和鉆頭的應(yīng)用研究方面做了較多的工作,得出結(jié)論:磁場對刀具材料有磁致伸縮強化、硬化作用,明顯提高刀具的使用壽命。波斯特尼科夫的研究表明磁致伸縮改變金屬的結(jié)構(gòu),X射線結(jié)構(gòu)分析說明磁致伸縮還導(dǎo)致馬氏體晶格參數(shù)變化,使其原子間距平均減少約8×10-5nm;Shivaswami等用微衍射研究磁致伸縮對高碳鋼的影響后認(rèn)為高碳鋼中碳化物尺寸縮小,含量增加,且分布更均勻,他據(jù)此得出結(jié)論,這些結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致耐磨性提高。Pal等測定了鑄鐵在不同磁場強度下的硬度變化,得到磁場使其硬度波動近HV70,且不同磁場方向所導(dǎo)致的硬度曲線變化不同,稱這是不同磁場方向?qū)δp影響不同的原因之一。也有不同的觀點,簡小剛等研究了直流穩(wěn)恒磁場對鐵磁性材料GCr15SiMn鋼/45#鋼摩擦副干滑動摩擦磨損的影響,認(rèn)為以上學(xué)者的研究結(jié)果均是靜態(tài)狀況下得到的,而摩擦磨損為動態(tài)過程,因此他們通過測定有、無磁場下摩擦磨損后試樣表面的顯微硬度,發(fā)現(xiàn)硬度幾乎不變,所以得出結(jié)論:磁致伸縮強化效應(yīng)極小,不是磁場影響摩擦磨損的主要機制。筆者更趨向前者的結(jié)論。且董祥林等認(rèn)為磁致伸縮可對材料的硬度、強度、彈性產(chǎn)生影響,進而影響摩擦摩擦特性;HZaidi、MElMansori、KJChin、徐永智、商劍等分別通過研究不同鐵磁性摩擦副經(jīng)過磁場環(huán)境下摩擦磨損試驗,測量摩擦面的顯微硬度,均得出了顯著升高的結(jié)論。OmarBataineh等研究了脈沖磁場處理對高速鋼鉆頭耐磨性能的影響,結(jié)果表明:鉆頭壽命可提高35.5%,且脈沖磁場處理的時間越長,鉆頭壽命越長。需要指出的是,施加磁場強度過高,在摩擦應(yīng)力和應(yīng)變作用下,位錯將以較快的速度向接觸表面聚集,成為裂紋源,加速接觸點斷裂而成為磨屑,從而增大磨損。1.3有、無磁場測試磁場環(huán)境下進行的摩擦磨損試驗中,絕大多數(shù)研究者均得出磁場促進摩擦面氧化的試驗結(jié)果,但其影響機制分析不盡相同。DPaulmier、MAmirat、KHiratsuka、MElMansori等分別在多種氣氛下進行試驗,也都得出磁場促進氧化,原因分析為磁場降低O2的激活能,提高化學(xué)吸附性。而KKumagai等設(shè)計了3種有、無磁場下靜態(tài)試驗作為證明:(1)從O2磁化率高于空氣中的其他氣體出發(fā),試驗測得250mT磁場下空氣中O2的濃度增加了0.07%;(2)250℃下鋼銼屑保溫6h后,在磁場2.7×103A/m下比無磁場時質(zhì)量多增加了1mg;(3)在49～58.9mT磁場室溫暴露780天的鋼片,氧化面積多增加了16%～27%。這種說法顯然有失全面。雖然磁場可促進氧化,但其氧化極緩慢或其作用微小,難以作為在磨損試驗中短時間即出現(xiàn)大量氧化的證明,甚至對于小試樣塊摩擦面來說,空氣中的O2已足夠其氧化,O2的濃度增加0.07%與否,都是微不足道的。筆者認(rèn)為,磁場是間接促進了氧化,即磁場使摩擦副材料形成一定的磁能,摩擦試驗過程中,摩擦面物質(zhì)受壓應(yīng)力和摩擦力的作用,發(fā)生彈塑性變形,造成顆粒脫落或劃痕的同時,磁能以熱量的形式被釋放,導(dǎo)致摩擦面的溫度比無磁場情況下的溫度更高,所以,更高的溫度才是磁場下摩擦面氧化加劇的真正原因,而且徐永智、MAmirat等已通過試驗得出隨著磁場強度的增加,摩擦面的溫度升高的試驗結(jié)果,但摩擦面溫度升高不應(yīng)歸因于渦流效應(yīng)。1.4磨損特性的影響磁場能夠提高零部件的工作平穩(wěn)性,降低振動噪聲污染。KJChin、HZaidi、DPaulmie等學(xué)者分別研究了交流磁場或直流穩(wěn)恒磁場對不同鋼-鋼摩擦副磨損特性的影響(見圖1),得出結(jié)論,磁場使嚴(yán)重磨損加速向輕微磨損轉(zhuǎn)變,摩擦面平滑,摩擦因數(shù)的波動減小,振動降低,降低了噪聲污染。如公式(1)所示,磁場吸力F與磁感應(yīng)強度B的平方成正比,與摩擦面的接觸面積S成正比。摩擦過程中,摩擦副相互嚙合接觸,磁場吸力較大,而且嚙合越嚴(yán)密,磁感應(yīng)強度B越大,接觸面積S越大,磁吸力越大,因而摩擦副振動越小。F=12μoB2S(1)F=12μoB2S(1)式中:B為磁場與導(dǎo)磁材料作用面處的磁感應(yīng)強度;S為磁場與導(dǎo)磁材料作用面的面積;μo為磁導(dǎo)率。2磁場對材料的磁化率為n-bs-pb-b縱觀國內(nèi)外磁場干摩擦學(xué)研究取得的理論研究成果,其摩擦磨損機制的分析均是立足于材料硬度及幾種磨損理論(如磨粒磨損、氧化磨損、三體磨損、黏著磨損等等),而均未涉及磁場對材料物理特性以及材料磁學(xué)參數(shù)(如磁能、磁導(dǎo)率、居里溫度以及實際的磁場強度或磁化強度,以及納米尺寸磨屑的超順磁現(xiàn)象)的影響。實際上,外磁場強度、材料磁導(dǎo)率、摩擦面溫度、磨屑顆粒尺寸等對磁場干摩擦有深刻的影響。磁場環(huán)境下,納米尺寸顆粒(磨屑)會發(fā)生超順磁現(xiàn)象(已在醫(yī)學(xué)、IT行業(yè)方面應(yīng)用),反映出磁場干摩擦學(xué)研究者與磁學(xué)研究者的聯(lián)系較少。首先,大多數(shù)研究者使用的磁場強度、磁化強度單位是安培/米(A/m),而不是特斯拉(T),這不但為大家進行互相學(xué)習(xí)、交流帶來諸多不便,而且使用單位A/m者,大多是通過電流線圈產(chǎn)生磁場而計算得出的,往往會忽略試驗中加入的鐵芯或者銷試樣的影響。實際上,銷試樣相當(dāng)于鐵芯的作用,能使電流線圈產(chǎn)生的磁場強度成千上萬倍地增加,此外任何銷試樣材料都有一定的磁導(dǎo)率,不可能完全被磁化,所以試樣的實際被磁化強度基本得不到真實表達。如圖2所示為一般的材料磁化曲線。磁吸力隨磁化強度的增大呈線性增大,磁化強度隨磁化率的增大呈線性增大;隨外磁場強度增大,材料的磁化強度不呈線性增大,因為材料的磁化率隨著外磁場強度的增大不成線性增大趨勢,隨外磁場H的增大,磁感應(yīng)強度B先緩慢增大(OA段),然后迅速增大(AB段),過B點后,磁感應(yīng)強度B又緩慢增大(BC段)。從S開始,磁感應(yīng)強度B幾乎不隨H的增大而增大,介質(zhì)的磁化達到飽和。與S對應(yīng)的HS稱飽和磁場強度,相應(yīng)地BS稱飽和磁感應(yīng)強度。其次,幾乎所有的研究者在分析磁場摩擦磨損特性時都沒有考慮居里溫度和超順磁現(xiàn)象。居里溫度是指材料在鐵磁體和順磁體之間發(fā)生轉(zhuǎn)變的溫度,是物質(zhì)的基本屬性之一。隨著溫度的升高,鐵磁性材料(磁化率χp為101～106數(shù)量級)的磁化率有降低趨勢,達到居里溫度Tc時,鐵磁性材料轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判圆牧?磁化率χp為10-3～10-6數(shù)量級)。此外,亞鐵磁性物質(zhì)χp為101～103數(shù)量級,鐵氧體是典型的亞鐵磁性物質(zhì),Fe3O4是鐵磁性物質(zhì)。磁場降低摩擦磨損,提高材料耐磨性,HZaidi、DPaulmier、徐永智、商劍等均通過摩擦磨損試驗證明了這一點。董祥林、HYBi等研究了磁場垂直于環(huán)-塊摩擦副接觸界面時,釹鐵硼永磁體磁場對中碳鋼摩擦磨損的影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)磁場為45mT時,環(huán)和塊的磨損量即分別下降約50%和60%,進一步增加磁場磨損量則緩慢下降,至193mT時,環(huán)和塊磨損量平均降低達70%,摩擦因數(shù)降低約30%,指出磁場使界面吸附磨屑、促進氧化以減少摩擦磨損。應(yīng)當(dāng)指出的是,磁場并不是在任何情況下均能減輕磨損,它與試驗材料,磁場參數(shù)以及摩擦試驗參數(shù)均有一定的相關(guān)性。鐵磁性材料的磁化率χp為101～106數(shù)量級,隨著外磁場強度增加,摩擦副磁化率逐漸降低,磁場對摩擦副的作用增加程度逐漸減小,當(dāng)磁場強度增加到一定值后,摩擦副的磁化強度達到飽和,不再增加,磁場對摩擦副的作用幾乎消失;而且摩擦磨損試驗中,當(dāng)摩擦面溫度達到或超過摩擦副材料的居里溫度時,摩擦副表面材料轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾糯判圆牧?χp為10-3～10-6),磁場對摩擦副的作用也幾乎消失,磨損量就開始增加,伴隨摩擦產(chǎn)生的一些納米顆粒磨屑由于超順磁效應(yīng),也會產(chǎn)生降低磨損的作用,所以摩擦副的飽和磁化強度和居里溫度使得磨損量有升高趨勢,而超順磁效應(yīng)又使得磨損量不會升高得太快,出現(xiàn)一個磨損量或磨損率的臨界值。這一結(jié)論在一些試驗中也得到了證實。如MElMansori等研究了直流磁場和電流對非鐵磁性材料Cu與XC48鋼摩擦配副磨損行為的影響,結(jié)果表明,磁場H=45000A/m使摩擦銷和盤的磨損量均增加,且當(dāng)載荷增大時,磨損量增加更大。簡小剛等研究了直流穩(wěn)恒磁場對鐵磁性材料GCr15SiMn鋼/45#鋼摩擦副干滑動摩擦磨損影響(見圖3),指出磁場確實降低摩擦磨損,隨磁場強度增加磨損量先降低后有增加趨勢;商劍等研究了直流穩(wěn)恒磁場下45#鋼摩擦副的摩擦磨損特性(見圖4),指出:在相同速度(v)和磁場強度(H)下,磨損率均隨載荷的增大而呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢,也出現(xiàn)一個臨界值。然而,這些學(xué)者把拐點后磨損量或磨損率的增加趨勢歸咎于黏著磨損或氧化磨損或三體磨損等等,而忽略了磁場環(huán)境下,鐵磁性摩擦副材料的磁化率隨外磁場強度的非線性變化規(guī)律、居里溫度存在以及納米尺寸材料的超順磁效應(yīng)等這些磁性材料的基本特性和基本理論。在磁場環(huán)境下,納米尺寸顆粒(磨屑)會發(fā)生超順磁現(xiàn)象,即納米微粒尺寸小到一定臨界值時進入超順磁狀態(tài)。所謂超順磁性是指當(dāng)外加磁場減小到0時,納米微粒的矯頑力和剩磁均趨近于0,超順磁物質(zhì)的磁性消失的現(xiàn)象。如Fe2O3的晶體當(dāng)直徑達30nm左右時,具有超順磁性,表現(xiàn)在磁場中有較強的磁性,沒有磁場時,磁性很快消失,從而不會被永久磁化。磁場摩擦磨損試驗過程中一定會產(chǎn)生納米尺寸的磨屑,迄今為止,磁場摩擦學(xué)工作者并沒有關(guān)注這方面的影響。王琰研究了磁性磨料在磁力研磨加工中受磁場力的影響,指出磁場對磁性磨料的作用力大小與磁性磨料的粒度、磁性磨料的磁化率、加工區(qū)域的磁場強度、磁通集中情況以及磁場梯度有著重大的關(guān)系。最后,疇壁假設(shè)是按區(qū)域分布的,各個自發(fā)磁化的區(qū)域稱為磁疇,疇壁是兩相鄰磁疇之間的過渡層,在無外磁場作用時,各個磁疇都是自發(fā)磁化飽和,但各個磁疇的自發(fā)磁化方向按一定角度分布,使宏觀磁體的總磁矩等于0,對外不顯磁性。當(dāng)施加外磁場時,磁疇內(nèi)自發(fā)磁化方向改變或磁疇移動,形成磁能。磁晶各向異性是指當(dāng)沿單晶磁體不同晶軸方向磁化到相同狀態(tài),所需要的磁場能大小不同的性質(zhì)。鐵磁物質(zhì)在溫度低于居里溫度時,自發(fā)磁化形成許多磁疇,這是為了滿足能量極小的結(jié)果。形狀為有限幾何尺寸的正立方體的磁體自發(fā)磁化的取向應(yīng)該由交換能、磁晶各向異性能和退磁場