采用激光微加工技術(shù)制作不同孔徑與密度的表面織構(gòu)的摩擦副試樣，設(shè)計(jì)制造一對(duì)可產(chǎn)生均勻梯度磁場(chǎng)的亥姆霍茲線圈，將其安置于改造后的UMT3 摩擦試驗(yàn)機(jī)中，使摩擦副能在均勻梯度磁場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行摩擦試驗(yàn)。以磁性流體為潤(rùn)滑油，考察不同載荷、運(yùn)動(dòng)頻率下，不同表面織構(gòu)的摩擦副試樣在均勻梯度磁場(chǎng)作用下的摩擦性能。結(jié)果表明：適當(dāng)孔徑與密度的表面織構(gòu)能提高磁性流體的摩擦性能； 摩擦副表面織構(gòu)在均勻梯度磁場(chǎng)作用下抗磨性能和極壓性能明顯提高；摩擦因數(shù)隨均勻梯度磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而顯著減小。

　　隨著能源、機(jī)械、通訊電子和航空航天等領(lǐng)域的飛速發(fā)展，由摩擦磨損導(dǎo)致的工業(yè)設(shè)備零件表面損壞、失效和材料損耗等問(wèn)題日益突出，嚴(yán)重制約了經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。因此改善材料的摩擦磨損性能和機(jī)器零件的潤(rùn)滑狀態(tài)，延長(zhǎng)機(jī)器設(shè)備使用壽命，提高能源利用效率已是廣大摩擦學(xué)工作者面臨的重要挑戰(zhàn)。

　　由納米級(jí)的鐵磁性顆粒、表面活性劑和載液(潤(rùn)滑油) 構(gòu)成的磁性流體(Magnetic fluid) ，早已在密封等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。磁性流體實(shí)際上是一種由表面活性劑修飾的納米級(jí)顆粒作添加劑的特殊的潤(rùn)滑油，其具有普通潤(rùn)滑油所沒(méi)有的磁控特性，在外加磁場(chǎng)作用下可以被控制、定位和移動(dòng)，已被成功應(yīng)用于計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)硬盤(pán)的軸承潤(rùn)滑、機(jī)器人關(guān)節(jié)潤(rùn)滑等方面。因此，研究磁性流體在不同外加磁場(chǎng)作用下，對(duì)不同摩擦副的潤(rùn)滑性能具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和應(yīng)用前景。

　　不同類(lèi)型的磁場(chǎng)(梯度磁場(chǎng)、均勻磁場(chǎng)、均勻梯度磁場(chǎng)等) 對(duì)磁性流體作用的效果不一樣，所產(chǎn)生的摩擦學(xué)性能也不一樣。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展磁場(chǎng)作用下磁性流體的潤(rùn)滑性能以及應(yīng)用的基礎(chǔ)研究工作，涉及的只是梯度磁場(chǎng)、均勻磁場(chǎng)，而關(guān)于均勻梯度磁場(chǎng)作用下的磁性流體的摩擦性能的研究則少見(jiàn)報(bào)道，其影響機(jī)制遠(yuǎn)未明確。

　　為了揭示磁場(chǎng)調(diào)控磁性流體摩擦學(xué)性能的內(nèi)在機(jī)制，本文作者設(shè)計(jì)定制了一對(duì)能產(chǎn)生均勻梯度磁場(chǎng)的亥姆霍茲線圈，將其安置于改造后的UMT3 摩擦試驗(yàn)機(jī)中，考察激光表面織構(gòu)摩擦副在磁性流體潤(rùn)滑下的摩擦學(xué)性能。激光表面織構(gòu)摩擦副使磁性流體能更好地吸附成膜；均勻梯度磁場(chǎng)使磁性流體各處受力均等，使磁性流體潤(rùn)滑膜處的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁性流體潤(rùn)滑膜的摩擦因數(shù)、承載力等得以準(zhǔn)確測(cè)量。

1、實(shí)驗(yàn)部分

　　1.1、實(shí)驗(yàn)材料

　　1.1.1、磁性流體的制備

　　以油酸為表面活性劑修飾納米Fe3O4，用超聲波將其充分分散于聚α - 烯烴合成油中，制備出納米顆粒在潤(rùn)滑油中保持長(zhǎng)期分散穩(wěn)定的磁性流體。其顆粒直徑為30 nm 左右，在20 ℃時(shí)的黏度為68 mPa·s，飽和磁化強(qiáng)度為48 kA/m，密度為1.388 g /cm³。將制備的磁性流體在H1650R 高速離心機(jī)上進(jìn)行穩(wěn)定性檢驗(yàn)，轉(zhuǎn)速為15 000 r /min，相對(duì)離心力為163.50 N，時(shí)間為8 h。試驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)沉淀分離現(xiàn)象，能滿足在重力場(chǎng)中長(zhǎng)期使用的要求。

　　1.1.2、激光表面織構(gòu)摩擦副試樣的加工

　　上試樣選擇直徑為3 mm 的Gr15 鋼球，硬度為HRC60。下試樣選用T7A 碳素工具鋼，尺寸規(guī)格為：12.01 mm × 9.00 mm × 3.00 mm，硬度為HRC55。激光表面織構(gòu)加工：將下試樣T7A 的表面研磨拋光至表面粗糙度約為Ra0.05 μm；在丙酮中超聲波清洗干凈后，選用波長(zhǎng)為1 064 nm，YLP20 型號(hào)的激光器進(jìn)行激光織構(gòu)加工；用激光清洗以清除微坑附近的毛刺，得到微坑直徑大小分別為50、75 和100μm，微坑深度均為12 μm 的試樣，相應(yīng)的織構(gòu)面積密度分別為10%、20%和30%。

　　1.2、試驗(yàn)測(cè)試裝置的改造

　　1.2.1、UMT3 摩擦試驗(yàn)機(jī)夾具的改造

　　采用美國(guó)產(chǎn)的UMT3 多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)。為了消除磁場(chǎng)對(duì)試驗(yàn)機(jī)傳感器的影響，采用無(wú)磁性的304 不銹鋼0Cr18Ni9 材料改制了試驗(yàn)機(jī)上用于固定上試樣的夾具、傳力桿及用于固定下試樣的V 形塊。

　　1.2.2、均勻梯度磁場(chǎng)的構(gòu)建

　　如圖1 所示，將2個(gè)半徑和匝數(shù)完全相同的線圈，同軸繞制在無(wú)磁性的鋁合金框架上，設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)能產(chǎn)生均勻梯度磁場(chǎng)的亥姆霍茲線圈。其中：漆包線的直徑為0.44 mm，線圈匝數(shù)ω = 3 500 匝，線圈半徑為R，兩線圈間距h =槡3R = 90 mm，上下線圈的電流方向相反，電流強(qiáng)度I 為0.5 ～2.5 A 可調(diào)。

圖1 產(chǎn)生均勻梯度磁場(chǎng)的線圈示意圖

　　其摩擦機(jī)制在于：

　　(1) 將摩擦副表面進(jìn)行織構(gòu)，構(gòu)建了磁極陣列，有效提高磁性液體聚集處的磁場(chǎng)強(qiáng)度，增強(qiáng)了潤(rùn)滑膜的形成，均勻梯度磁場(chǎng)使磁性流體的極壓性能得以提高，提高了均勻梯度磁場(chǎng)對(duì)存儲(chǔ)在表面織構(gòu)的磁性液體潤(rùn)滑。

　　(2) 相對(duì)于無(wú)織構(gòu)試樣，微坑存儲(chǔ)的磁性流體潤(rùn)滑油，及時(shí)補(bǔ)充因磨損而流失的潤(rùn)滑油，從而更有效地將磁性流體保持在摩擦副中，提高潤(rùn)滑效果。

　　(3) 在磨損過(guò)程中，表面織構(gòu)中存儲(chǔ)磁性流體在摩擦力的驅(qū)動(dòng)下被擠出，所產(chǎn)生流體擠壓效應(yīng)，提高了磁性流體在摩擦副表面形成納米油膜的作用力，避免干摩擦的發(fā)生，降低了磨損。

　　(4) 摩擦過(guò)程中產(chǎn)生的磨粒可以儲(chǔ)存在表面織構(gòu)中，避免磨屑的二次磨損。

3、結(jié)論

　　(1) 適當(dāng)孔徑與密度的表面織構(gòu)能提高磁性流體的摩擦性能。

　　(2) 摩擦副表面織構(gòu)在均勻梯度磁場(chǎng)作用下抗磨性能和極壓性能明顯提高； 摩擦因數(shù)隨均勻梯度磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而顯著減小。