Команда Чжу Миньхао и Фань Сяоцяна из Факультета материаловедения опубликовала результаты своих последних исследований в журнале «Journal of Cleaner Production»
2024-11-11
Механическое трение расходует около 23 % от общего объема энергии, потребляемой в мире, что противоречит провозглашённым целям энергосбережения и защиты окружающей среды, а также представляет собой огромный вызов для экологической устойчивости и энергоэффективности. Смазочные материалы являются наиболее распространённым и эффективным средством снижения износа, однако связанный с их использованием риск загрязнения почвы и водных ресурсов серьёзно подрывает цели «чистого производства» и угрожает экосистемам. Для решения этих проблем исследователи предложили ряд экологически безопасных решений, таких как контроль микроструктуры, термическая обработка и технологии нанесения покрытий; однако эти методы зачастую требуют много времени, являются дорогостоящими и сложными в реализации, что ограничивает их применение в промышленности. В последние годы исследования показали, что регулирование функций границы трения с помощью внешних стимулов (таких как температура и магнитное поле) может стать эффективным путем для разработки многофункциональных и экологически безопасных регуляторов. В частности, применение магнитного поля в процессе формования позволяет не только точно регулировать внутреннюю микроструктуру материала, но и значительно улучшать фрикционные характеристики, что делает его важным инструментом для снижения трения и износа, а также для обеспечения энергоэффективного производства.
Недавно исследовательская группа по теории и технологиям защиты от абразивного износа Юго-Западного транспортного университета изучила влияние магнитного поля на микроструктуру трибопленки (tribofilm), в частности, возможности управления окислением частиц, образующихся в результате износа, с помощью магнитного поля. В ходе исследования была разработана трибосистема с текстурированной поверхностью, характеристики которой отражают состояние поверхности после износа. С помощью метода конечных элементов был проведен углубленный анализ распределения магнитного поля на изношенной поверхности, что позволило выявить взаимосвязь между воздействием магнитного поля на накопление окислительного слоя и трибологическим поведением. Результаты экспериментов показали, что магнитное поле не только способствует окислению частиц износа, но и повышает плотность и толщину трибопленки за счет перегруппировки окисленных частиц, что приводит к снижению трения и износа. Данное исследование дает новые представления об основных механизмах трибологического поведения под воздействием магнитного поля и открывает новые перспективы для эффективного управления смазкой в трансмиссиях. Работа была опубликована в журнале «Journal of Cleaner Production» под названием «Magnetic-Manipulation of tribofilm for Si3N4/1045 steel contact toward sustainable reduction in friction and wear». Исследование было проведено при поддержке Национального фонда естественных наук Китая.
Рис. 1. Схематическое изображение процесса роста магнитно-контролируемой фрикционной пленки и принципа защиты от трения и износа
Во-первых, авторы продемонстрировали влияние магнитного поля на распределение магнитных частиц на изнашиваемой поверхности и на формирование фрикционной пленки. На рис. 2(a) показано распределение магнитной индукции на изнашиваемой поверхности под воздействием магнитного поля различной интенсивности: с увеличением интенсивности магнитного поля магнитная индукция (Bt) на выпуклостях поверхности заметно возрастает, тогда как на поверхности матрицы (Bs) она остается относительно однородной. На рис. 2 (b) количественно оценен градиент магнитного поля (ΔB) при различных условиях магнитного поля; показано, что чем выше интенсивность магнитного поля, тем больше ΔB, причем градиент магнитного поля становится особенно заметным при увеличении шероховатости поверхности. На рис. 2(c) показано скопление частиц износа на выпуклостях поверхности при различных градиентах магнитного поля. По мере усиления градиента магнитного поля скопление частиц на вершинах выпуклостей становится более заметным, образуя цепочкообразные структуры; в конечном итоге частицы в процессе многократного трения заполняют следы износа, образуя плотную фрикционную пленку, которая эффективно изолирует износ основания от трения.
Рис. 2. (a) Трехмерная визуализация распределения магнитного поля на изношенной поверхности, (b) градиент магнитного поля (ΔB) на изношенной поверхности, (c) схематическое изображение градиента магнитного поля на поверхности абразивных частиц и распределения магнитных частиц.
Далее автор раскрыл изменения коэффициента трения и объема износа образцов при различной интенсивности магнитного поля и нормальной нагрузке, как показано на рис. 3. С увеличением интенсивности магнитного поля коэффициент трения демонстрировал тенденцию к постоянному снижению, достигая порогового значения при воздействии MT-4. Применение магнитного поля способствовало раннему переходу состояния износа от сильного к слабому. Расчет средних значений коэффициента трения (AFC) и объема износа (Wv) при различных условиях показал, что при более высокой интенсивности магнитного поля как AFC, так и Wv значительно снижаются — на 22 % и 28 % соответственно. Это явление связано с образованием оксидной пленки: магнитное поле способствует формированию защитной пленки трения или изменяет химические реакции на границе скольжения, тем самым снижая коэффициент трения и скорость износа. На рисунке также показана взаимосвязь между напряженностью магнитного поля, нормальной нагрузкой, AFC и Wv, что свидетельствует о том, что синергетическое действие магнитного поля и нормальной нагрузки способствует измельчению частиц износа на поверхности и формированию плотного слоя трения, что, в свою очередь, снижает шероховатость поверхности и коэффициент трения. Кроме того, более сильное магнитное поле и меньшая нормальная нагрузка способствуют уменьшению объема износа, что свидетельствует о том, что магнитное поле стимулирует реорганизацию и выравнивание выступов на поверхности, что, в свою очередь, приводит к удалению материала основания и деградации поверхности.
Рис. 3. (a) Влияние напряженности магнитного поля на коэффициент трения; (b) AFC и Wv при воздействии различных магнитных полей; (c) изменение AFC при совместном воздействии магнитного поля и нормальной нагрузки; (d) изменение Wv при совместном воздействии магнитного поля и нормальной нагрузки.
Кроме того, при различных условиях внешнего воздействия магнитное поле оказывало заметное влияние на форму частиц, образовавшихся в результате износа, как показано на рис. 4. С увеличением напряженности магнитного поля частицы постепенно агрегировали и выстраивались в плотную структуру, при этом взаимодействие между ними усиливалось. В частности, в сильном магнитном поле размер частиц, образовавшихся в результате износа, заметно уменьшился: максимальный диаметр снизился с 3,10 мкм до 1,78 мкм, что соответствует уменьшению на 42,6 %. Магнитное поле не только способствует агрегации частиц, но и вызывает сдвиговую деформацию между ними, в результате чего частицы становятся более ломкими и подвергаются дальнейшему измельчению. Эти результаты свидетельствуют о том, что магнитное поле играет важную роль в регулировании формы частиц износа, что способствует снижению износа и оптимизации фрикционных характеристик.
Рис. 4. Процесс изменения микроморфологии абразивных частиц под воздействием магнитного поля. (a) NT, (b) MT-1, (c) MT-2, (d) MT-3, (e) MT-4, (f) Схематическое изображение измельчения абразивных частиц под воздействием магнитного поля.
В заключение автор на рис. 5 продемонстрировал изменения морфологии поперечного сечения изношенной поверхности и распределения элементов при различной интенсивности магнитного поля. В отсутствие воздействия магнитного поля (рис. а) траектория износа заполнена нерегулярными частицами, при этом заметного слоистого расслоения не наблюдается. С увеличением интенсивности магнитного поля (рис. б–е) толщина окислительного слоя значительно увеличивается — с 2 до 3 микрометров, а объем частиц уменьшается, и они становятся более мелкими. Воздействие магнитного поля способствует окислению частиц, образуя плотную окислительную пленку, которая повышает твердость и износостойкость поверхности, эффективно защищая поверхность матрицы и снижая дальнейший износ. Эти результаты показывают, что магнитное поле не только способствует измельчению частиц, но и повышает сопротивление трению и износостойкость за счет стимулирования образования окислительной пленки.
Рис. 5. Форма поперечного сечения и распределение элементов на траекториях износа при различных условиях магнитного воздействия.
В данном исследовании раскрыта ключевая роль магнитного поля в снижении трения и износа, что способствует повышению энергоэффективности производственных процессов. Благодаря углубленному анализу механизмов образования фрикционной пленки под воздействием магнитного поля, в исследовании показано, что магнитное поле способно эффективно изменять трибологические свойства границы трения и повышать механическую долговечность. Результаты экспериментов показывают, что магнитное поле не только повышает износостойкость за счет регулирования окисления изношенных частиц и структуры фрикционной пленки, но и значительно снижает коэффициент трения и объем износа. Регулирование интенсивности магнитного поля представляет собой экологически безопасное и контролируемое решение для управления трением и износом на границе соприкосновения, демонстрирует сложное и тесное взаимодействие между магнитным полем и трибологией, а также открывает новые направления для проектирования и оптимизации трибологических систем в будущем.
Пожалуйста, оставьте нам сообщение
-
-
-
-
WeChat
-
Сервис‑аккаунт WeChat
