磁场干涉对不同磁属性材料干摩擦学特性的影响

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Influence of M agnetic Field Interfering on Dry-sliding TribologicalCharacteristics of M aterials with Different M agnetic PropertiesWEI Yonghui ZHANG Yongzhen - CHEN Yue(1.School ofMechatronics，Northwestern Polytechnical University，Xian 710072；2.School of Materials Science and Engineering，Henan University of Science and Technology，Luoyang 47 1 003)Abstract： The lnfluence of magnetic field on dry-sliding friction and wear characteristics of materials with diferent magn eticproperties is presented and studied systematicaly.The formulas of magnetic field interference factor are defined.The relationship ofafecting degree of magn etic field and materials magnetism is analyzed.The results show that on the whole，under interfering ofmagn etic field，the dry tribological properties of material and their magn etic perm eability have a certain corresponding relationship；Th e afecting degree of magn etic field increases with magn etic perm eability of materials enlarging.WheD the diference of relativemagnetic perm eability of materials between friction pairs is too large，it is not conducive to play the reducing efect of magnetic fieldon friction and wear.Due to the afecting of diferent chemical properties(compositions)，mechanical properties and thermalconductivity of materials as wel as matching，obvious system dependent appears.In the aspect of wear rate，with exerting andincreasing of a magn etic field，the wear-resistance of ferromagn etic materials is improved，of which the diamagn etic materialsexacerbates.For paramagn etic materials，whose wear-resistance deteriorates when matching with ferromagn etic material，improveswhen matching with diamagnetic materials.In the aspect of friction coefi cient，the antifriction property of friction-pairs containingferomagnetic materials improves，which deteriorates when containing diamagnetic materials without ferromagnetic materials。

Through the analysis on wear rate of ring specimens，the magnetism of clamping devices for specimens may afect test results；Through the decreasing trend of wear rate of diamagnetic CuZn as ring specimens，additions to ferromagn etic materials on the backof diamagn etic materials can overcome the adverse efects of magnetic field on wear resistance of diamagn etic materials。

Key words：Magn etic field Dry-sliding tribology Electromagnetic gun Electric locomotive国家重点基础研究发展计划前期研究(973计划，2010CB635 1 13)、国家重点联合基金(ulO34O02)和国家自然科学基(50975078)资助项目。

20120602收到初稿，20121026收到修改稿2012年 12月 魏永辉等：磁场干涉对不同磁属性材料干摩擦学特性的影响 1030 前言磁撤境下的干摩擦是摩擦学研究中-个新分支的研究方向，主要研究磁撤境对摩擦副的干摩擦磨损特性的影响机制和规律u J。磁场干摩擦学的研究始于20世纪40年代，1944年前苏联人曾试验用磁化的办法提高切削刀具的耐磨性能L4J。随后前苏联 、印度[5、日本 刚、法国 和中 。- 等开展了相关的研究项目，把磁场干摩擦学的研究扩展到更广阔的干滑动摩擦学领域。

2010年 12月，美国新试射了先进的的动能杀伤武器--电磁炮 ，其基本原理是基于电磁发射技术而研发的，其发射过程中就存在磁撤境下的摩擦磨损问题。电磁炮是美国 星球大战”计划的科研项目之-，可极大地提高炮弹的速度和射程，因而引起了世界各国军事家们的关注，至今美国已投放 16亿美元进行该项研究。又如电力机车(地铁、高速列车或电力公交车等)中的接触滑板与输电导线之间为干摩擦状态L1 J∮触滑板和导线材料多用具有良好导电性能的铜合金制造，在摩擦磨损过程中除了电流的影响，还受到电流伴生的磁场的影响。随着高速列车输入电流从原来的200 A增加到现在 1 000 A，接触滑板和输电导线的接触面附近的磁场强度从5.3 kA/m增大到26.5 kA/m。因此随着电磁技术的广泛应用，磁场对材料摩擦磨损的影响情况越来越受到人们的重视。

关于磁场干涉下的材料干摩擦学研究，国外研究较早且多，但试验研究参数、工况不太-致，研究结论也不尽-致，国内研究较少且晚，仅有关于铁磁性材料的磁场干摩擦学特性的报道，少见有关于顺磁性、抗磁性、亚铁磁性和反铁磁性材料I 的研究报道，所以需要比较系统地研究不同磁属性材料的磁场干摩擦特性。由于亚铁磁性材料L1 多为陶瓷类铁氧体材料，脆性大，难以进行机械加工，故暂不研究亚铁磁性材料；而反铁磁性材料的磁导率(10～1Cr )略小于顺磁性材料 的磁 导率(106～10 )，二者差别较小，故选其-即可。因此本文将探讨抗磁性、顺磁性和铁磁性材料 白配副、互配副在磁场干涉下的干摩擦学特性。

1 试验方法和试验方案1.1 试验材料铁磁性材料选择高速钢(W18Cr4V)、结构钢(40CrMoA)和铬钢(2Cr13)，硬度分别为 HRC60、HB190和 HB148，其化学成分如表 1所示。顺磁性材料选择了钛合金(Ti6A14V)和铝合金(2A02.A1)，硬度分别为 HRC32和 HB150，其化学成分如表 2所示」磁性材料选择 59-锌黄铜，硬度为 HB100，其化学成分如表 2所示～以上各材料分别加工出5对销、环试样，环试样尺寸为 0x42 mil，销试样尺寸为 ×15 rlll，销.环接触方式如图 1所示。

表 1 高速钢、结构钢和铬钢的化学成分 %1.2 试验方案在改进的MPV-1500型摩擦试验机上进行磁场干涉下的摩擦学试验〖虑到材料磁导率随着外磁场变化本身是个变值，但在低磁场时相对比较稳定，且关于磁撤境下的材料干摩擦学研究还处于起步阶段，故本试验研究是在低磁场下进行。采用通电绕组产生磁场，通过调整电压或电流获得不同的磁场强度。利用HT701数字磁通计测量通过未安装试样销时截面的磁通量，并通过式(1)计算截面的磁场强度H ： ： (1)机 械 工 程 学 报 第48卷第 23期图 1 销、环接触方式示意图式中 --磁通量截面积- 试样销截面直径线圈匝数试验过程，首先研究铁磁性/铁磁性和铁磁性/非铁磁性摩擦副，即以铁磁性高速钢为环，以铁磁性的结构钢、铬钢以及顺磁性的钛合金为销试样在线滑动速度 0.6 m/s、载荷 250 N和外磁场强度 0～128 mT的条件下运行20 min进行磁撤境下的摩擦磨损试验；而后采用铁磁性的高速钢、顺磁性的铝合金和抗磁性的锌黄铜互为销、环试样，采用 自配副、互配副方式在线滑动速度0.4 m/s、载荷 150 N和外磁场强度0～140 mT的条件下运行10 rain分别进行试验。其中铝合金/铝合金和高速钢/高速钢的试验和探讨不再进行。原因：铝合金/铝合金试验过程中环的磨损非常严重，致使无法完成多个磁场强度下的摩擦磨损试验；高速钢/高速钢作为铁磁性/铁磁性已进行过试验分析和探讨。每次试验前校准实际载荷，避免磁场力的影响。

考虑到装卡装置感应磁场的影响，销试样的装卡和磁场施加装置采用顺磁性铝合金材料制作比较合理；然而，由于各种力学装置和摩擦磨损试验机多采用具有良好力学性能(强度、硬度和韧性等)的钢质材料制造，难以采用低力学性能的铝合金、钛合金等顺磁性材料制造，故环试样必须安装在具有良好力学性能的铁磁性钢质转动轴上。施加磁丑，虽然不同磁属性的销、环试样瞬时接触面的磁场相同，但环试样本身的磁成能会有-定不同。

1.3 考察参数及公式磨损量采用测量磨损失重方法。为尽量减小误差，每组试验参数做三遍，并计算其平均值。每次试验后，分别对试样销和环进行退磁处理后，清洗(采用无水乙醇)，烘干，用精度为0.1 mg的BS210S电子天平对销和环试样进行称重，计算试验前、后的损失质量可得磨损量，并计算其线磨损率AW ，其物理意义为单位行程的磨损量(g/m)。 表示每次试验过程中的平均摩擦因数。

为较细致地研究磁场对不同磁性材料干摩擦磨损特性的影响程度，利用相对耐磨性分析方法，定义磁场干涉因子，尽量避开化学成分和力学性能不同的影响，得到磁性(磁导率)这个关键变量的影响情况，并进行相关分析。

磁场耐磨因子(有、无磁场下线磨损率的相对减少量1的计算公式△W 垒 二 100%△Ⅵ： 0(2)式中 - 外磁场强度△WⅣ：0-- 0mT时的线磨损率△： -- XmT时的磨损率磁初摩因子(有、无磁场下平均摩擦因数的相对减少量)的计算公式A/z 二 ×100%H 0式中 ：o-- 0mT时的平均摩擦因数H： -- mT时的平均摩擦因数与无磁场( 0 mT)时相比，AW 和 分别表示不同外磁场强度 mT时对线磨损率和平均摩擦因数的影响程度。AW 为正值时表示磁场有利于提高耐磨性能，AW 为负值时，表示磁场不利于耐磨性能的提高；AW 越大，表明磁场提高材料耐磨性能的效果越好。 为正值时表示磁场有利于降低摩擦因数，Aft 为负值时，表示磁场不利于降低摩擦因数； 越大，表明磁场的减摩效果越好。

2 试验结果与分析由于采用的试验参数(载荷、滑动速度、磁场强度和磨损时间)不同，特对两次试验获得的数据进行分开探讨。

2.1 铁/铁和非铁/铁磁性摩擦副的摩擦学特性探讨图 2a为磁场对与铁磁性高速钢环配副的结构钢、铬钢和钛合金材料磨损率的影响。由图2可知，随着磁场强度的增大，铁磁性材料结构钢和铬钢销的磨损率有降低趋势，而非铁磁性材料钛合金销的磨损率却有升高趋势。图2b为磁场对各配副平均摩2012年 12月 魏永辉等：磁场干涉对不同磁属性材料干摩擦学特性的影响 105擦因数的影响。由图2b可知，与无磁场相比，随着磁场强度的增大，结构钢、铬钢和钛合金与高速钢环摩擦配副的平均摩擦因数均有降低趋势。

言叉司静鞲籁圜辎蟹彝1斗外磁场强度H/mT(a)外磁场强度H/mT(b)图2 结构钢、铬钢和钛合金的磨损率及其配副的摩擦因数图3a为外磁场 0～128 mT范围内，与高速钢环配副的各销试样磁场耐磨因子随外磁场强度的变化。由图3a可知，随着磁场强度的增大，结构钢和铬钢销试样的磁场耐磨因子为正值，且有逐渐增大趋势，而钛合金的磁场耐磨因子为负值且逐渐减校表明外磁场强度越大，对于结构钢和铬钢销试样，磁场的施加有利于提高其耐磨性能，且外磁场越大，耐磨性能提高越大，而对于钛合金销则呈相反变化趋势。

图3b为外磁场在Hx0 128 mT范围内，各配副的磁初摩因子随外磁场强度的变化。由图3b可知，随着磁场强度的增大，与高速钢环配副的磁初摩因子均为正值，且有逐渐增大趋势。表明磁场强度越大，磁场的施加有利于减型降低平均摩擦因数，且外磁场越大，越有利于提高减摩性能，节省能耗。

由图 3b还可看出，不同外磁场下，结构钢/高速钢和铬钢/高速钢的磁初摩因子大于钛铝合金/高速钢的磁初摩因子，表明当销、环摩擦配副均为铁磁性材料时，更有利于磁初摩降摩效果的提高。

由图 2、3还可以看出，在相同的外磁场下，结构钢、铬钢销虽均为铁磁性材料，但磁场干涉下其干摩擦特性和磁场干涉因子的变化趋势线并不重司殴趣碹耀司H圜辎贽桓O外磁场强度 H/mT(a)外磁场强度H/mT(b)图3 销试样的磁场耐磨因子及其配副的减摩因子合。分析可知，由于两种销试样的化学成分不同，其力学性能、化学性能、导热性能也各不相同。无磁场时，它们的摩擦学特性各不相同；有磁场时，又由于它们的磁性不同，也会导致其磁场摩擦学特性不完全相同。

2.2 不同磁属性材料自、互配副图4a为磁场干涉下，与铁磁性高速钢环配副锌黄铜和铝合金销的磨损率的变化趋势。由图 4a可知，随着磁场强度的增大，顺磁性铝合金销和抗磁性锌黄铜销的磨损率有升高趋势，表明与高速钢环配副时，磁场的施加和增大加剧了锌黄铜销和铝合金销的磨损程度，分析可知，这可能是由于高速钢环的磁导率远远大于铝合金和锌黄铜的磁导率，且锌黄铜销在磁场中又产生排斥力，更加剧了其磁场环境下耐磨性能下降。

图 4b为各配副平均摩擦因数的变化趋势。由图4b可知，与无磁场相比，随着磁场强度的增大，铝合金和锌黄铜与高速钢环摩擦配副的平均摩擦因数均有降低趋势，表明与高速钢环配副时，磁场的施加和增大有利于提高摩擦副的减摩降摩性能。

图 5为磁场对与抗磁性锌黄铜环配副的锌黄铜、铝合金和高速钢销磨损率的影响趋势。由图5a可知，随着磁场强度的增大，抗磁性材料锌黄铜销的磨损率有升高趋势，而铁磁性高速钢销的磨损率有降低趋势。由图5还可知，与图2和图4中的与高速钢环配副的钛合金销和铝合金销的磨损率有增大趋势相反，当顺磁性铝合金销与抗磁性锌黄铜环配副时，却有减小趋势。分析认为，这可能是由于越矮能量/keVfc1 B区图n 锌黄铜销摩擦面的形貌和EDs能谱分析外磁场强度H/mT(c)图l3 磁场对不同磁属性材料自、互配副中环磨损率的影q2012年 12月 魏永辉等：磁场干涉对不同磁属性材料干摩擦学特性的影响总体上说，对于环试样，磁场干涉下铁磁性、抗磁性和顺磁性材料环的磨损率基本均有减小趋势；这-结果与销试样的情况差别较大，理论上也难以解释。分析认为，可能是由于安装环试样的转动轴是铁磁性的钢制部件；铁磁性的钢制部件具有相对很高的磁导率(10～10。)，而抗磁性材料锌黄铜(1 )磁导率的绝对值远小于铁磁性材料的磁导率，