磁场在提高机械零件耐磨中的应用

磁场在提高机械零件耐磨中的应用

随着科学技术的发展，尤其是高频技术的应用，越来越多的设备和电器元件在电磁条件下服务。如磁极切割、电机刷或磁体磁体、电磁制动或配合、高速接触线及滑动、电源连接等。因此,研究磁场环境下铁磁性摩擦副的摩擦磨损性能显得尤为重要。张家胜等研究表明,在大型球磨机中用金属磁性衬板代替原用的优质锰钢衬板,因磁性衬板上吸附的一层铁屑起保护作用,使衬板、钢球的磨损大大减少,每年节约费用20余万元。在磁化切削方面,国外对切削刀具的磁化己工业化,创造的效益也是非常可观的。因此在当代摩擦学研究中,利用磁场控制摩擦、减小磨损将成为一种新的、很有前景的途径,研究磁场环境下铁磁性摩擦副的摩擦磨损特性的影响因素及规律性,为机械设计过程中的并行摩擦学设计提供理论依据和指导原则就成为亟待解决的课题。1材料的耐磨性纵观国内外磁场干摩擦学的研究成果可知,施加适当磁场可以控制摩擦、减小磨损、提高机械零部件的耐磨性,但是并非任何情况下磁场均能降低摩擦磨损,这个方向的研究也处在起步阶段,其研究参数均局限于材料硬度和几种磨损理论。磁场干摩擦减磨理论可大概归纳为以下几种理论:即磁场吸引磨屑减磨理论,磁致伸缩减磨理论,磁场促进氧化减磨理论,磁场降低摩擦振动减磨理论。1.1膜法文化磁场研磨法摩擦磨损过程中,摩擦面在波动正压力和摩擦力的作用下形成较多碎屑,同时磁场吸力使铁磁性磨屑停留在接触表面,形成“三体磨损”,阻止摩擦面直接接触,起到了隔离作用。有人还推测细而圆滑的磨屑可起类固体润滑剂的作用。吸附的磨屑还可能起到磨料的作用而加速表面损伤,但试验数据表明,磨屑为隔离层的有利作用大于其作为磨料的有害作用。但若要吸附住磨屑,磁场必须具有一定强度值。当磁场强度升高到一定值后,吸附的磨屑量达到饱和,再增大磁场强度,磁场就不能吸附更多磨屑。因此,简小刚等都认为“三体磨损”是磁场条件下磨损降低的主要原因。1.2磁致撕裂试验磁弹性材料在外磁场中被磁化时,其长度和体积都要发生微小变化,这种现象称为磁致伸缩效应。磁致伸缩可使材料强化,硬度提高,这种强化不是金属表面强化,而是整体的强化,这在很多研究及文献中得以证实。磁致伸缩可以提高机加工刀具的寿命。1944年OΠNHΓ就曾试验用磁化的办法提高切削工具的耐磨性,较多的研究始于20世纪60年代后期,前苏联Bemshtein等在磁化刀具和钻头的应用研究方面做了较多的工作,得出结论:磁场对刀具材料有磁致伸缩强化、硬化作用,明显提高刀具的使用寿命。波斯特尼科夫的研究表明磁致伸缩改变金属的结构,X射线结构分析说明磁致伸缩还导致马氏体晶格参数变化,使其原子间距平均减少约8×10-5nm;Shivaswami等用微衍射研究磁致伸缩对高碳钢的影响后认为高碳钢中碳化物尺寸缩小,含量增加,且分布更均匀,他据此得出结论,这些结构变化导致耐磨性提高。Pal等测定了铸铁在不同磁场强度下的硬度变化,得到磁场使其硬度波动近HV70,且不同磁场方向所导致的硬度曲线变化不同,称这是不同磁场方向对磨损影响不同的原因之一。也有不同的观点,简小刚等研究了直流稳恒磁场对铁磁性材料GCr15SiMn钢/45#钢摩擦副干滑动摩擦磨损的影响,认为以上学者的研究结果均是静态状况下得到的,而摩擦磨损为动态过程,因此他们通过测定有、无磁场下摩擦磨损后试样表面的显微硬度,发现硬度几乎不变,所以得出结论:磁致伸缩强化效应极小,不是磁场影响摩擦磨损的主要机制。笔者更趋向前者的结论。且董祥林等认为磁致伸缩可对材料的硬度、强度、弹性产生影响,进而影响摩擦摩擦特性;HZaidi、MElMansori、KJChin、徐永智、商剑等分别通过研究不同铁磁性摩擦副经过磁场环境下摩擦磨损试验,测量摩擦面的显微硬度,均得出了显著升高的结论。OmarBataineh等研究了脉冲磁场处理对高速钢钻头耐磨性能的影响,结果表明:钻头寿命可提高35.5%,且脉冲磁场处理的时间越长,钻头寿命越长。需要指出的是,施加磁场强度过高,在摩擦应力和应变作用下,位错将以较快的速度向接触表面聚集,成为裂纹源,加速接触点断裂而成为磨屑,从而增大磨损。1.3有、无磁场测试磁场环境下进行的摩擦磨损试验中,绝大多数研究者均得出磁场促进摩擦面氧化的试验结果,但其影响机制分析不尽相同。DPaulmier、MAmirat、KHiratsuka、MElMansori等分别在多种气氛下进行试验,也都得出磁场促进氧化,原因分析为磁场降低O2的激活能,提高化学吸附性。而KKumagai等设计了3种有、无磁场下静态试验作为证明:(1)从O2磁化率高于空气中的其他气体出发,试验测得250mT磁场下空气中O2的浓度增加了0.07%;(2)250℃下钢锉屑保温6h后,在磁场2.7×103A/m下比无磁场时质量多增加了1mg;(3)在49～58.9mT磁场室温暴露780天的钢片,氧化面积多增加了16%～27%。这种说法显然有失全面。虽然磁场可促进氧化,但其氧化极缓慢或其作用微小,难以作为在磨损试验中短时间即出现大量氧化的证明,甚至对于小试样块摩擦面来说,空气中的O2已足够其氧化,O2的浓度增加0.07%与否,都是微不足道的。笔者认为,磁场是间接促进了氧化,即磁场使摩擦副材料形成一定的磁能,摩擦试验过程中,摩擦面物质受压应力和摩擦力的作用,发生弹塑性变形,造成颗粒脱落或划痕的同时,磁能以热量的形式被释放,导致摩擦面的温度比无磁场情况下的温度更高,所以,更高的温度才是磁场下摩擦面氧化加剧的真正原因,而且徐永智、MAmirat等已通过试验得出随着磁场强度的增加,摩擦面的温度升高的试验结果,但摩擦面温度升高不应归因于涡流效应。1.4磨损特性的影响磁场能够提高零部件的工作平稳性,降低振动噪声污染。KJChin、HZaidi、DPaulmie等学者分别研究了交流磁场或直流稳恒磁场对不同钢-钢摩擦副磨损特性的影响(见图1),得出结论,磁场使严重磨损加速向轻微磨损转变,摩擦面平滑,摩擦因数的波动减小,振动降低,降低了噪声污染。如公式(1)所示,磁场吸力F与磁感应强度B的平方成正比,与摩擦面的接触面积S成正比。摩擦过程中,摩擦副相互啮合接触,磁场吸力较大,而且啮合越严密,磁感应强度B越大,接触面积S越大,磁吸力越大,因而摩擦副振动越小。F=12μoB2S(1)F=12μoB2S(1)式中:B为磁场与导磁材料作用面处的磁感应强度;S为磁场与导磁材料作用面的面积;μo为磁导率。2磁场对材料的磁化率为n-bs-pb-b纵观国内外磁场干摩擦学研究取得的理论研究成果,其摩擦磨损机制的分析均是立足于材料硬度及几种磨损理论(如磨粒磨损、氧化磨损、三体磨损、黏着磨损等等),而均未涉及磁场对材料物理特性以及材料磁学参数(如磁能、磁导率、居里温度以及实际的磁场强度或磁化强度,以及纳米尺寸磨屑的超顺磁现象)的影响。实际上,外磁场强度、材料磁导率、摩擦面温度、磨屑颗粒尺寸等对磁场干摩擦有深刻的影响。磁场环境下,纳米尺寸颗粒(磨屑)会发生超顺磁现象(已在医学、IT行业方面应用),反映出磁场干摩擦学研究者与磁学研究者的联系较少。首先,大多数研究者使用的磁场强度、磁化强度单位是安培/米(A/m),而不是特斯拉(T),这不但为大家进行互相学习、交流带来诸多不便,而且使用单位A/m者,大多是通过电流线圈产生磁场而计算得出的,往往会忽略试验中加入的铁芯或者销试样的影响。实际上,销试样相当于铁芯的作用,能使电流线圈产生的磁场强度成千上万倍地增加,此外任何销试样材料都有一定的磁导率,不可能完全被磁化,所以试样的实际被磁化强度基本得不到真实表达。如图2所示为一般的材料磁化曲线。磁吸力随磁化强度的增大呈线性增大,磁化强度随磁化率的增大呈线性增大;随外磁场强度增大,材料的磁化强度不呈线性增大,因为材料的磁化率随着外磁场强度的增大不成线性增大趋势,随外磁场H的增大,磁感应强度B先缓慢增大(OA段),然后迅速增大(AB段),过B点后,磁感应强度B又缓慢增大(BC段)。从S开始,磁感应强度B几乎不随H的增大而增大,介质的磁化达到饱和。与S对应的HS称饱和磁场强度,相应地BS称饱和磁感应强度。其次,几乎所有的研究者在分析磁场摩擦磨损特性时都没有考虑居里温度和超顺磁现象。居里温度是指材料在铁磁体和顺磁体之间发生转变的温度,是物质的基本属性之一。随着温度的升高,铁磁性材料(磁化率χp为101～106数量级)的磁化率有降低趋势,达到居里温度Tc时,铁磁性材料转变为顺磁性材料(磁化率χp为10-3～10-6数量级)。此外,亚铁磁性物质χp为101～103数量级,铁氧体是典型的亚铁磁性物质,Fe3O4是铁磁性物质。磁场降低摩擦磨损,提高材料耐磨性,HZaidi、DPaulmier、徐永智、商剑等均通过摩擦磨损试验证明了这一点。董祥林、HYBi等研究了磁场垂直于环-块摩擦副接触界面时,钕铁硼永磁体磁场对中碳钢摩擦磨损的影响,发现当磁场为45mT时,环和块的磨损量即分别下降约50%和60%,进一步增加磁场磨损量则缓慢下降,至193mT时,环和块磨损量平均降低达70%,摩擦因数降低约30%,指出磁场使界面吸附磨屑、促进氧化以减少摩擦磨损。应当指出的是,磁场并不是在任何情况下均能减轻磨损,它与试验材料,磁场参数以及摩擦试验参数均有一定的相关性。铁磁性材料的磁化率χp为101～106数量级,随着外磁场强度增加,摩擦副磁化率逐渐降低,磁场对摩擦副的作用增加程度逐渐减小,当磁场强度增加到一定值后,摩擦副的磁化强度达到饱和,不再增加,磁场对摩擦副的作用几乎消失;而且摩擦磨损试验中,当摩擦面温度达到或超过摩擦副材料的居里温度时,摩擦副表面材料转变为顺磁磁性材料(χp为10-3～10-6),磁场对摩擦副的作用也几乎消失,磨损量就开始增加,伴随摩擦产生的一些纳米颗粒磨屑由于超顺磁效应,也会产生降低磨损的作用,所以摩擦副的饱和磁化强度和居里温度使得磨损量有升高趋势,而超顺磁效应又使得磨损量不会升高得太快,出现一个磨损量或磨损率的临界值。这一结论在一些试验中也得到了证实。如MElMansori等研究了直流磁场和电流对非铁磁性材料Cu与XC48钢摩擦配副磨损行为的影响,结果表明,磁场H=45000A/m使摩擦销和盘的磨损量均增加,且当载荷增大时,磨损量增加更大。简小刚等研究了直流稳恒磁场对铁磁性材料GCr15SiMn钢/45#钢摩擦副干滑动摩擦磨损影响(见图3),指出磁场确实降低摩擦磨损,随磁场强度增加磨损量先降低后有增加趋势;商剑等研究了直流稳恒磁场下45#钢摩擦副的摩擦磨损特性(见图4),指出:在相同速度(v)和磁场强度(H)下,磨损率均随载荷的增大而呈现先下降后上升的趋势,也出现一个临界值。然而,这些学者把拐点后磨损量或磨损率的增加趋势归咎于黏着磨损或氧化磨损或三体磨损等等,而忽略了磁场环境下,铁磁性摩擦副材料的磁化率随外磁场强度的非线性变化规律、居里温度存在以及纳米尺寸材料的超顺磁效应等这些磁性材料的基本特性和基本理论。在磁场环境下,纳米尺寸颗粒(磨屑)会发生超顺磁现象,即纳米微粒尺寸小到一定临界值时进入超顺磁状态。所谓超顺磁性是指当外加磁场减小到0时,纳米微粒的矫顽力和剩磁均趋近于0,超顺磁物质的磁性消失的现象。如Fe2O3的晶体当直径达30nm左右时,具有超顺磁性,表现在磁场中有较强的磁性,没有磁场时,磁性很快消失,从而不会被永久磁化。磁场摩擦磨损试验过程中一定会产生纳米尺寸的磨屑,迄今为止,磁场摩擦学工作者并没有关注这方面的影响。王琰研究了磁性磨料在磁力研磨加工中受磁场力的影响,指出磁场对磁性磨料的作用力大小与磁性磨料的粒度、磁性磨料的磁化率、加工区域的磁场强度、磁通集中情况以及磁场梯度有着重大的关系。最后,畴壁假设是按区域分布的,各个自发磁化的区域称为磁畴,畴壁是两相邻磁畴之间的过渡层,在无外磁场作用时,各个磁畴都是自发磁化饱和,但各个磁畴的自发磁化方向按一定角度分布,使宏观磁体的总磁矩等于0,对外不显磁性。当施加外磁场时,磁畴内自发磁化方向改变或磁畴移动,形成磁能。磁晶各向异性是指当沿单晶磁体不同晶轴方向磁化到相同状态,所需要的磁场能大小不同的性质。铁磁物质在温度低于居里温度时,自发磁化形成许多磁畴,这是为了满足能量极小的结果。形状为有限几何尺寸的正立方体的磁体自发磁化的取向应该由交换能、磁晶各向异性能和退磁场