磁性流体在均匀梯度磁场中的摩擦学性能测试研究

陈善飞， 顾邦明， 龚 雁， 王正良

（1.浙江万里学院应用物理研究所，浙江宁波315101；2.宁波第六医院，浙江宁波 315400）

磁性流体在均匀梯度磁场中的摩擦学性能测试研究

陈善飞1， 顾邦明1， 龚 雁2， 王正良1

（1.浙江万里学院应用物理研究所，浙江宁波315101；2.宁波第六医院，浙江宁波 315400）

基于均匀梯度磁场能较准确反映出磁场影响磁性流体摩擦性能的认识，制造了一对产生均匀梯度磁场的线圈安置于改造后的UMT3摩擦试验机中。选用聚α-烯烃合成油基磁性流体为润滑油，测试不同均匀梯度磁场大小、不同载荷和不同往复频率下的磁性流体摩擦学性能。结果显示：载荷、往复运动频率一定时，磁性流体的摩擦系数随均匀梯度磁场的增大而减小；载荷、均匀梯度磁场一定时，磁性流体的摩擦系数随随往复运动频率的增大而减小；磁性流体在均匀梯度磁场中比无磁场中具有更高的承载能力和更长的耐磨寿命。

计量学；磁性流体；均匀梯度磁场；摩擦学性能

1 引 言

随着机器设备日益向高速、重载和高精度方向发展，由磨损导致表面损坏、零件失效和材料损耗等诸多问题日益突出，对高档、特种润滑油的需求量与日俱增。研制生产性能卓越的润滑油添加剂，提高润滑油行业整体技术水平［1，2］，已成为当今材料、表面工程和摩擦学等领域急需解决的技术难题。

纳米微粒由于具有尺寸小、比表面积大、表面活性强等独特的物理化学性质［3～5］，在摩擦学领域显示了广阔的应用前景，成为具有巨大潜力的润滑油添加剂。磁性流体是将纳米铁磁性颗粒通过表面活性剂均匀地分散于基础液（润滑油）中形成的特殊纳米流体，是一种由表面活性剂修饰纳米级颗粒作添加剂的润滑油，具有普通润滑油所没有的磁化特性，可利用外加磁场使磁性流体保持在润滑部位，可用于高精度、高转速转动轴的轴承润滑、计算机硬盘驱动器轴的润滑、机器人和精密仪器等机器设备中的润滑［6，7］，能大幅度地提高设备或部件的使用寿命。因此，利用磁性流体在外加磁场作用下呈现的特殊流动性和润滑特性，研究其在外磁场作用下的润滑能力，对磁性流体润滑理论和工程应用都有着重要的实用价值和科学意义。

目前，在工业发达国家，磁性流体已广泛用于运动结构，其在磁场作用下能准确地充满润滑表面，实现连续润滑并避免出现润滑剂贫乏的问题［8～12］。在国内，磁性流体润滑性能的方面虽然做了一些工作，取得了一些成果［13～16］，但是关于磁场作用下纳米磁性流体润滑机理的研究还处于起步阶段，再加上应用磁性流体作为润滑剂涉及纳米摩擦学、润滑学、纳米材料学、现代表面学等学科，所以其润滑机理方面远没有形成完整的理论体系，而关于均匀梯度磁场作用下磁性流体的摩擦磨损性能研究还未见报道。

磁性流体具有磁化特性，磁场力的作用直接影响磁性流体在摩擦副中的润滑性能。一般情况下磁场都是非均匀梯度磁场，油膜各层面的作用力不一样，且很难计算和测量，因此，为了研究分析磁场对磁性流体减摩抗磨的影响，必须建立一个均匀梯度磁场，使油膜各层面受磁场作用力一样。为实现摩擦副始终在均匀梯度磁场内运行，本文对已有的UMT3摩擦试验机进行改造，并设计制造了一对产生均匀梯度磁场的线圈，选用聚α-烯烃合成油为基液的磁性流体，实验测试均匀梯度磁场对纳米磁性流体摩擦学性能的影响。

2 实验测试装置

2.1 UM T3摩擦试验机夹具的改进

选择在UMT3摩擦试验机上进行往复运动实验。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及传力杆。

2.2 均匀梯度磁场的设计

设计并定制了一个产生均匀梯度磁场的线圈，如图1所示，用两个半径和匝数完全相同的线圈，将其同轴绕制在无磁性的铝合金框架上，线圈半径和两线圈间距为R＝h＝90 mm，漆包线的直径φ＝0.44 mm，线圈匝数ω＝3 500匝，上下线圈的电流方向相反，电流强度I＝0.5～2.5 A可调，建立了一个均匀梯度磁场［17］：

式中，μ0为真空磁导率；ω为线圈匝数；I为电流强度，A；R为线圈半径，mm；h为两个线圈间距，mm。

图1 产生均匀梯度磁场的线圈示意图

测试时上夹具下端可伸入线圈框架内，使得摩擦副始终在均匀梯度磁场范围内运行。

2.3 磁性流体的选用

磁性流体在磁场中的润滑性能主要取决于它的磁化性能、粘滞特性和稳定性，因此着力于表面活性剂和润滑油载液的配伍为技术关键。选择以油酸为表面活性剂修饰纳米Fe3O4颗粒，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。将其在高速离心机H1650R上进行稳定性检验，转速设定为10 000 r／min，相对离心力为16 350 kg，时间为8 h，未发现沉淀分离现象。

实验测试选用颗粒直径为30 nm左右的Fe3O4的聚α-烯烃合成油基磁性流体为润滑油，其在20℃时的饱和磁化强度为48 kA／m，粘度为68 mPa·s，密度为1.388 g／cm3。

3 摩擦性能的测试方法

如图2所示，将设计制造的线圈及试验摩擦副置于改进后的UMT3摩擦磨损试验机上进行摩擦磨损试验，使摩擦副运动在均匀梯度磁场的磁场作用范围内。摩擦副的上试样选用φ＝8 mm的WC钢球，硬度为HRA85.1。下试样选用45＃钢块，经表面研磨抛光至表面粗糙度Ra约0.1μm，硬度为HRC25.4。摩擦副运动方式为上试样固定在上夹具上，下试样固定在下夹具中并随着下夹具做往复运动。

图2 改造的UMT3摩擦磨损试验机工作示意图

UMT3摩擦磨损试验机试验条件：选择往复运动行程为5 mm，运动频率不超过10 Hz，最大载荷不超过1 000 N，试验载荷、摩擦系数大小均由压力传感器通过软件自动计算存储。所有试验都在18℃温度条件下进行，每组试验均加入磁性流体0.3m l，均先在较低载荷5 N、频率1 Hz下磨合1 min，然后设置到试验所需载荷、运动频率，再通过调整电流大小以改变磁场梯度大小，进行摩擦试验并存储数据，考察磁性流体在不同均匀梯度磁场条件下的减摩抗磨性能。

4 实验测试结果与分析

4.1 均匀梯度磁场对磁性流体摩擦系数的影响

图3是载荷为100 N、运动频率为5 Hz、不同磁场条件（至上而下dB／dh分别为0.835、0、1.357、1.879、2.401 T·m－1）时摩擦系数的变化曲线。由图中可以看出：梯度磁场较小时，摩擦系数较无磁场时大，但随着梯度磁场增加，摩擦系数呈减小趋势。这主要是因为：无磁场时，磁性流体呈现基液润滑油特性，又因磁性颗粒细微及其在摩擦表面铺展成膜，使得磁性流体对物体的磨损较小。当施加梯度磁场时，磁性流体的粘滞特性增大，即在磁场作用下悬浮的纳米磁性颗粒会沿着磁力线方向，增大了流动阻力，进而增大了摩擦系数。但随着梯度磁场逐步增大，使吸附有分散剂的纳米磁性颗粒起到近似微型滚珠的作用［18］，这种微型滚珠的作用大于粘滞特性增大，导致摩擦系数下降明显，且这种差别随着磁场梯度的增大而增大。

图3 100 N、5 Hz不同磁场条件下摩擦系数变化曲线

4.2 运动频率对磁性流体摩擦系数的影响

图4是载荷为100 N、均匀梯度磁场大小为dB／dh＝1.357 T·m－1、不同运动频率（至上而下分别为2、5、8 Hz）时摩擦系数随时间的变化曲线。可见磁性流体摩擦系数随着摩擦副表面间滑动速度增加而减小，这也与一般润滑油的特性相似。缘于在梯度磁场作用下，磁性流体黏度增大，使润滑油膜增厚，在低速时，由于接触面间相对滑行速度不够，油膜层中的切应力增大，难以形成充分的流体动压润滑膜将两表面分离，导致摩擦系数较高。随着转速的提高，形成充分的流体动压润滑膜，大幅度降低了摩擦系数。

图4 100 N、dB／dh＝1.357 T·m－1、不同运动频率时摩擦系数变化曲线

4.3 载荷对磁性流体摩擦系数的影响

图5所示是保持梯度磁场大小与运动频率不变、载荷（至上而下分别为15、30、100 N）时对磁性流体摩擦系数的影响曲线。显示出在载荷越大时摩擦系数越小，载荷越小摩擦系数反而相对较大。表明磁性流体在均匀梯度磁场作用下具有较高的承载能力，载荷越大，承载能力越强。出现这一结果的主要原因是随着梯度磁场增加，摩擦副增加了对磁性流体的吸附力，更易形成油膜，油膜强度也随之增大，抗压能力增大，承载能力增强。

图5 dB／dh＝1.357 T·m－1、8 Hz、不同载荷时摩擦系数变化曲线

4.4 磁场对磁性流体磨损寿命的影响

图6和图7是载荷为100 N、运动频率为5 Hz、无磁场和梯度磁场为dB／dh＝2.401 T·m－1条件下摩擦系数随时间的变化曲线。从图6、图7中可以看出：在均匀梯度磁场作用下磁性流体的耐磨寿命远大于无磁场，无磁场时运行至1 600 s润滑已明显失效，而对润滑油施以磁场时其耐磨寿命则可以运行至23 264 s，约为无磁场时的14.5倍。

图6 100 N、0磁场、5 Hz时摩擦系数变化曲线

其摩擦机制在于：

（1）摩擦过程中，一般边界润滑膜的形成主要依靠物理吸附、化学吸收和摩擦化学反应形成［19］。所以，当对磁性流体施以均匀梯度磁场后，提高了磁性流体在摩擦副表面形成纳米油膜的作用力，避免干摩擦发生，降低了磨损。

图7 100 N、dB／dh＝2.401 T·m－1、5 Hz时摩擦系数变化曲线

（2）纳米磁性颗粒被磁场紧紧吸附在摩擦副表面，像滚珠一样自由滚动，在这种类似“滚珠”的作用机制下，提供更为有效的润滑，表现出较强的耐磨寿命。

（3）在重载和高温条件下，激发和促进了摩擦表面间纳米微粒物理化学作用的进行，增强了修复磨损表面的能力，从而使磨损表面摩擦系数降低，减小磨损。

5 结 论

经测试研究发现：（1）载荷、往复运动频率一定时，磁性流体的摩擦系数随均匀梯度磁场增大而减小；（2）载荷、均匀梯度磁场一定时，磁性流体的摩擦系数随往复运动频率增大而减小。（3）磁性流体在均匀梯度磁场中比无磁场中具有更高的承载能力和更长的耐磨寿命。

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Experimental Investigation on the Tribological Performance of the Ferrofluids in Uniform GradientMagnetic Field

CHEN Shan-fei1， Gu Bang-ming1， Gong Yan2， Wang Zheng-liang1
（1.Institute of Applied Physics ZhejiangWanliUniversity，Ningbo，Zhejiang 315101，China；2.Ningbo No.6 Hospital，Ningbo，Zhejiang 315400，China）

Uniform gradientmagnetic field can，more accurately，reflects the friction performance of ferrofluids in the magnetic field.Based on this，two coils，which could produce uniform gradientmagnetic field，were constructed and placed on the commercial UMT3 tribo-meter.Using the poly-α-olefin synthetic oil（PAO）-based magnetic fluids as the lubricant，the tribological propertieswere tested with different loads，different reciprocating frequency and variousmagnetic field.The results show that：when the load and reciprocating frequency are constant，the friction coefficient decreased with the increase of themagnetic field；when the load，a uniform gradientmagnetic field，the friction coefficient also decreased with the increase of the reciprocating frequency.Comparing with nomagnetic field，the ferrofluids has higher bearing capacity and a longer wear life in the uniform gradientmagnetic field.

Metrology；Ferrofluids；Uniform gradientmagnetic field；Tribological behavior

TB972

A

1000-1158（2014）04-0373-05

10．3969／j．issn．1000-1158．2014．04．15

2013-02-18；

2013-05-11

浙江省自然科学基金（LY12E05005）；浙江省公益项目（2012C21084）；宁波自然科学基金（2011A610147）；宁波社会发展项目（2010C50005）

陈善飞（1968－），女，浙江宁波人，浙江万里学院教授，从事磁性流体的物理特性研究和开发应用。wzlcsf＠21cn.com