均匀梯度磁场作用下的磁性流体摩擦性能试验研究

　　采用激光微加工技术制作不同孔径与密度的表面织构的摩擦副试样，设计制造一对可产生均匀梯度磁场的亥姆霍兹线圈，将其安置于改造后的UMT3 摩擦试验机中，使摩擦副能在均匀梯度磁场内进行摩擦试验。以磁性流体为润滑油，考察不同载荷、运动频率下，不同表面织构的摩擦副试样在均匀梯度磁场作用下的摩擦性能。结果表明：适当孔径与密度的表面织构能提高磁性流体的摩擦性能； 摩擦副表面织构在均匀梯度磁场作用下抗磨性能和极压性能明显提高；摩擦因数随均匀梯度磁场强度的增大而显著减小。

　　随着能源、机械、通讯电子和航空航天等领域的飞速发展，由摩擦磨损导致的工业设备零件表面损坏、失效和材料损耗等问题日益突出，严重制约了经济的快速发展。因此改善材料的摩擦磨损性能和机器零件的润滑状态，延长机器设备使用寿命，提高能源利用效率已是广大摩擦学工作者面临的重要挑战。

　　由纳米级的铁磁性颗粒、表面活性剂和载液(润滑油) 构成的磁性流体(Magnetic fluid) ，早已在密封等领域广泛应用。磁性流体实际上是一种由表面活性剂修饰的纳米级颗粒作添加剂的特殊的润滑油，其具有普通润滑油所没有的磁控特性，在外加磁场作用下可以被控制、定位和移动，已被成功应用于计算机驱动硬盘的轴承润滑、机器人关节润滑等方面。因此，研究磁性流体在不同外加磁场作用下，对不同摩擦副的润滑性能具有重要的学术价值和应用前景。

　　不同类型的磁场(梯度磁场、均匀磁场、均匀梯度磁场等) 对磁性流体作用的效果不一样，所产生的摩擦学性能也不一样。目前，国内外学者开展磁场作用下磁性流体的润滑性能以及应用的基础研究工作，涉及的只是梯度磁场、均匀磁场，而关于均匀梯度磁场作用下的磁性流体的摩擦性能的研究则少见报道，其影响机制远未明确。

　　为了揭示磁场调控磁性流体摩擦学性能的内在机制，本文作者设计定制了一对能产生均匀梯度磁场的亥姆霍兹线圈，将其安置于改造后的UMT3 摩擦试验机中，考察激光表面织构摩擦副在磁性流体润滑下的摩擦学性能。激光表面织构摩擦副使磁性流体能更好地吸附成膜；均匀梯度磁场使磁性流体各处受力均等，使磁性流体润滑膜处的磁场强度和磁性流体润滑膜的摩擦因数、承载力等得以准确测量。

1、实验部分

　　1.1、实验材料

　　1.1.1、磁性流体的制备

　　以油酸为表面活性剂修饰纳米Fe3O4，用超声波将其充分分散于聚α - 烯烃合成油中，制备出纳米颗粒在润滑油中保持长期分散稳定的磁性流体。其颗粒直径为30 nm 左右，在20 ℃时的黏度为68 mPa·s，饱和磁化强度为48 kA/m，密度为1.388 g /cm³。将制备的磁性流体在H1650R 高速离心机上进行稳定性检验，转速为15 000 r /min，相对离心力为163.50 N，时间为8 h。试验未发现沉淀分离现象，能满足在重力场中长期使用的要求。

　　1.1.2、激光表面织构摩擦副试样的加工

　　上试样选择直径为3 mm 的Gr15 钢球，硬度为HRC60。下试样选用T7A 碳素工具钢，尺寸规格为：12.01 mm × 9.00 mm × 3.00 mm，硬度为HRC55。激光表面织构加工：将下试样T7A 的表面研磨抛光至表面粗糙度约为Ra0.05 μm；在丙酮中超声波清洗干净后，选用波长为1 064 nm，YLP20 型号的激光器进行激光织构加工；用激光清洗以清除微坑附近的毛刺，得到微坑直径大小分别为50、75 和100μm，微坑深度均为12 μm 的试样，相应的织构面积密度分别为10%、20%和30%。

　　1.2、试验测试装置的改造

　　1.2.1、UMT3 摩擦试验机夹具的改造

　　采用美国产的UMT3 多功能摩擦磨损试验机进行往复运动实验。为了消除磁场对试验机传感器的影响，采用无磁性的304 不锈钢0Cr18Ni9 材料改制了试验机上用于固定上试样的夹具、传力杆及用于固定下试样的V 形块。

　　1.2.2、均匀梯度磁场的构建

　　如图1 所示，将2个半径和匝数完全相同的线圈，同轴绕制在无磁性的铝合金框架上，设计并制作了一个能产生均匀梯度磁场的亥姆霍兹线圈。其中：漆包线的直径为0.44 mm，线圈匝数ω = 3 500 匝，线圈半径为R，两线圈间距h =槡3R = 90 mm，上下线圈的电流方向相反，电流强度I 为0.5 ～2.5 A 可调。

图1 产生均匀梯度磁场的线圈示意图

　　其摩擦机制在于：

　　(1) 将摩擦副表面进行织构，构建了磁极阵列，有效提高磁性液体聚集处的磁场强度，增强了润滑膜的形成，均匀梯度磁场使磁性流体的极压性能得以提高，提高了均匀梯度磁场对存储在表面织构的磁性液体润滑。

　　(2) 相对于无织构试样，微坑存储的磁性流体润滑油，及时补充因磨损而流失的润滑油，从而更有效地将磁性流体保持在摩擦副中，提高润滑效果。

　　(3) 在磨损过程中，表面织构中存储磁性流体在摩擦力的驱动下被挤出，所产生流体挤压效应，提高了磁性流体在摩擦副表面形成纳米油膜的作用力，避免干摩擦的发生，降低了磨损。

　　(4) 摩擦过程中产生的磨粒可以储存在表面织构中，避免磨屑的二次磨损。

3、结论

　　(1) 适当孔径与密度的表面织构能提高磁性流体的摩擦性能。

　　(2) 摩擦副表面织构在均匀梯度磁场作用下抗磨性能和极压性能明显提高； 摩擦因数随均匀梯度磁场强度的增大而显著减小。