磁场与表面膜磁畴的耦合及对摩擦副磨损性能影响机制研究

With the expansion of the scope of application on magnetic technique, more and more equipments are operated in the magnetic field, thus demanding more reliable and stable for the friction pairs running in the magnetic circumstance. The performance of the surface film induced in the friction process is the key factor influencing the tribological behavior of the material. In this project, the surface film of the friction pair running in the magnetic field is regarding as the studying objects and the magnetic domain of the surface film as clues. On the basis of studying systematically the wear behavior of the friction pair under magnetic field conditions, the influence parameters of the interaction between the magnetic field and the magnetic domain of the surface on the wear behavior of the friction pair will be put forward. The evolving regularity of the magnetic domain in the surface film will be mainly studied. The interaction mechanism will be discussed, and the interaction model will be build. The intrinsic relationship between the interaction mechanism and the wear behavior will be revealed. Based on the results of the studying, the design theory and the effective strategy for improving the tribological properties of the friction pair under magnetic field conditions will be tried to put forward. The research results will be useful to provide a theoretical basis and technical support for tribological design of the equipments served in the transportation, national defense, aerospace, information technology fields under magnetic field conditions.

随着磁技术应用范围扩大, 愈来愈多的设备部件运行于磁场或诱发磁场中，对服役于磁场环境中摩擦副的可靠性和稳定性提出了更高的要求。 摩擦副接触表面摩擦过程中形成的表面膜性能决定了材料的摩擦磨损性能。本项目以在外加磁场条件下的摩擦副表面膜为研究对象，以表面膜磁畴的特征为线索，在系统研究外加磁场中摩擦副摩擦磨损性能基础上，尝试提出外加磁场与表面膜磁畴的耦合作用对摩擦副摩擦磨损行为的影响表征参量；重点研究摩擦副表面膜磁畴的演变规律；探讨外加磁场与表面膜磁畴的耦合作用机制，建立外加磁场与表面膜磁畴的耦合作用机制模型；揭示外加磁场与表面膜磁畴耦合作用与摩擦学性能的内在关联性；提出外加磁场条件下摩擦副的设计依据和改善摩擦学性能的控制策略。 研究结果对于交通运输、国防、航空航天、信息技术等行业服役于磁场环境中相关部件的摩擦学设计具有重要的理论指导意义和技术支撑。

随着现代科技的进步、磁性材料和电磁技术的发展，越来越多的电磁设备得到了应用。磁场能够引起磁性材料的机械性能、物理性能和化学性能等发生变化，从而影响电磁设备中摩擦副的摩擦学性能和使用寿命等。本项目利用研制的HY-100型销盘式摩擦磨损试验机，进行了有磁场和无磁场下不同磁属性材料的摩擦磨损试验，研究了不同条件下（磁感应强度、滑动速度、载荷）45钢表面膜的演变规律，利用电磁学理论，建立了销/盘摩擦副的三维静磁场有限元模型、微凸峰接触的二维静磁场有限元模型、磨屑受力模型，分析了外加磁场与表面膜的耦合作用机制。销试样与盘试样材料的磁性能和摩擦接触状态等影响摩擦接触区的磁场分布，而磁场分布影响了销试样和盘试样之间磁吸力、磨屑在摩擦接触区的分布和摩擦学行为、摩擦相对运动过程产生的电磁感应现象和动态磁化现象，从而影响材料的摩擦学性能。直流磁场对不同磁属性材料摩擦学性能的影响与材料的磁化特性有关。磁感应强度对铁磁性材料45钢的摩擦学性能的影响与其磁化曲线密切相关。在不同磁感应强度下，载荷的增大能够减小摩擦系数、增大销温升，对45钢的磨损机制影响较小。磁场对45钢摩擦学性能的影响与速度变化密切相关。磁场吸引磨屑所形成的表面膜的厚度、宽度、性能和成分等决定了材料磁场干摩擦的摩擦学性能。磨屑的尺寸和磁性能、速度、磁感应强度及其分布等因素影响捕获层的形成、厚度和宽度等。磨屑的尺寸越小、磨屑的磁导率和剩磁越大、速度越低、磁感应强度越大，磨屑越容易吸附在盘磨痕上形成表面膜。微凸峰间隙处较大的磁场强度梯度有利于氧气分子向微凸峰接触点聚集，促进该区域的氧化；磁场引起的动态磁化激活效应和热效应、摩擦过程的机械作用、磁场捕获磨屑反复参与摩擦导致的氧化积累作用、磁场促进磨屑的细化等都促进了磨痕和磨屑的氧化。当磨痕和磨屑的氧化、磨屑的细化达到一定程度时，逐渐在磨痕表面形成一层压实的氧化膜，促进严重磨损-轻微磨损的转变，提高了45钢的耐磨性。本项目的研究结果丰富了磁场干摩擦学理论，为磁场干摩擦学的实际应用、实现摩擦系统的主动控制提供理论依据。