外加電磁場對金屬材料摩擦副摩擦學性能影響的 研究進展

熊 震，許春霞，胡 瑞,，熊 樂，MAITI Raman，MCQUADE Catherine

(1.南昌工程學院，江西省精密驅動與控制重點實驗室，南昌 330099；2.謝菲爾德大學機械工程學院，謝菲爾德 S1 3JD)

0 引 言

隨著工業的快速發展，機械設備的電氣化程度不斷提高。電磁場會對機械設備零部件如發電機電刷、電磁-摩擦制動器，高速鐵路導線、滑板等的摩擦學性能產生影響[1-4]。20世紀40年代中期，研究人員開始采用外加電磁場來改善摩擦副的摩擦學性能[5]。研究表明，外加電磁場能提高刀具表面的硬度，增強銑削功能，減少磨損[6]。

摩擦副是指兩個直接接觸并同時發生相對運動的物體體系，通過對其施加一定的外加電磁場來改善摩擦副的摩擦學性能是實現減摩抗磨的主要途徑之一。近年來，磁場摩擦學成為國內外研究的熱點。研究主要集中在摩擦副材料的磁性、磁性固體潤滑材料尺度以及電磁場對摩擦副摩擦磨損性能的影響方面。為了給廣大研究人員提供參考，作者對外加電磁場對金屬材料摩擦副減摩抗磨性能的影響及其作用機理進行了綜述。

1 外加電磁場對金屬材料摩擦副的作用

對摩擦副施加適度的外加電磁場，能有效改善金屬材料摩擦副的摩擦學性能。這主要是因為施加電磁場對摩擦副產生了以下作用：電磁場促進了位錯運動，即電磁場通過影響摩擦副的物理性能來影響其摩擦學性能；電磁場的增強氧化作用，即電磁場通過促進摩擦副的氧化來影響其摩擦學性能；電磁場的磨屑潤滑作用，即電磁場通過吸引金屬磨屑顆粒到接觸表面上作為固體潤滑劑來影響其摩擦學性能。

1.1 促進位錯運動

電磁場能夠改變金屬材料的物理特性，如材料內部殘余應力、位錯運動等。摩擦副材料在電磁場中發生磁化時，獲得的部分磁化能量能促進位錯運動[7]，即電磁場促使位錯向摩擦副接觸表面遷移，使摩擦副接觸表面產生類似加工硬化作用，從而提高接觸表面的硬度和耐磨性能[8]。

MANSORI等[9]發現電磁場加快了位錯向摩擦副接觸表面的移動速度，提高了摩擦副的強度、硬度和耐磨性能；FU等[10]采用不同位錯密度的馬氏體鋼研究了外加電磁場對馬氏體鋼耐磨性能的影響，發現外加電磁場有效降低了馬氏體鋼中的位錯結合能，在摩擦過程中能使更多的位錯向馬氏體鋼接觸表面加速移動，從而提高了馬氏體鋼的耐磨性能；WU等[11]發現外加電磁場使得高鉻鋼接觸表面的碳化物含量顯著增加，位錯密度顯著提高，從而顯著增大了高鉻鋼表面的硬度。

1.2 增強氧化

電磁場提高了摩擦副接觸表面對氧的吸附能力，降低了接觸表面的氧化活化能，使得接觸表面容易形成氧化層。氧化層的形成有利于降低摩擦副的磨損率和摩擦因數，改善摩擦副的摩擦學性能。SHI等[12]發現在外加電磁場的作用下，中碳鋼銷和盤摩擦后，在接觸表面檢測到氧化鐵，且存在氧化鐵的區域隨摩擦時間的延長逐漸擴大；江澤琦等[13]發現電磁場能促進鋼球與鋼球接觸表面的氧化，使接觸表面生成厚且致密的氧化膜，從而改善鋼球的減摩抗磨性能；XIE等[14]發現在電磁場的作用下碳元素也參與碳素鋼接觸表面的氧化反應，提出了競爭性鐵碳氧化機理，通過對比不同碳含量鋼的摩擦學性能，發現碳元素和鐵的氧化物均能減小接觸表面的摩損量，且碳含量越高,接觸表面磨損量越小。

1.3 提高磨屑潤滑

微觀上摩擦副表面由各種形狀不同的微凸峰和凹槽構成，接觸表面間是微凸峰之間的接觸，在摩擦過程中凸峰上的金屬顆粒會脫落形成磨屑。王鳳梅等[15]研究發現無外加磁場時摩擦副接觸表面吸附的磨屑顆粒呈長條狀和塊狀，尺寸粗大，有外加磁場時，表面吸附的磨屑顆粒經過反復的研磨發生細化；閆濤等[16]研究了磁場環境下Mo-W噴涂層摩擦副的摩擦學性能，發現外加電磁場可以促進接觸表面磨屑的氧化和細化；HAN等[17]發現磨屑被電磁場吸附到鋼球摩擦界面上，在磁場中反復摩擦，逐漸發生細化和氧化，使金屬與金屬的接觸轉變為氧化膜與氧化膜的接觸。在摩擦過程中，磨屑可以起到固體潤滑劑的作用，電磁場對磨屑的細化和氧化可以降低接觸表面的摩擦因數和磨損量，從而改善接觸表面的摩擦學性能。

通過外加電磁場來改善摩擦副的摩擦學性能是一個復雜的過程，主要通過促進位錯運動、促進接觸表面氧化，以及使磨屑細化、氧化等的各自作用或共同作用而實現。

2 外加電磁場參數對摩擦副摩擦學性能的影響

2.1 磁場類型

目前，電磁場主要通過兩種方式施加，一是永磁鐵，二是電磁線圈[18]。兩者相比電磁線圈更便于調節磁場參數，是常用的電生磁方式。電磁線圈產生的磁場分為直流穩恒磁場和交流磁場。直流穩恒磁場與永磁鐵產生的磁場相似，其磁場強度和方向保持不變，交流磁場的磁場強度和方向均會隨時間發生變化。

YETIM等[19]研究了直流磁場環境中45鋼的摩擦學性能，發現直流磁場可將磨屑吸附到鐵磁性材料與WC球的摩擦界面上，并使其細化和氧化，減少了材料的磨損量；SONG等[20]研究了在同一干摩擦工況下有、無交流磁場對軸承鋼接觸表面磨損量的影響，發現有交流磁場的軸承鋼的平均磨損量較無交流磁場減少了近80%；郭浩等[21]對比了直流磁場與交流磁場對45鋼摩擦學性能的影響，發現兩種磁場均能降低接觸表面的摩擦因數，減少磨損量，在一定的磁場強度范圍內，交流磁場比直流磁場更利于摩擦學性能的改善。

2.2 磁場強度

已有研究發現，摩擦副的摩擦因數和磨損率并不隨磁場強度成線性變化。楊杰等[22]發現外加磁場能有效改善鋼軌與車輪間的摩擦學性能，在一定范圍內增大磁場強度時，接觸表面的摩擦因數和磨損量均減小；石紅信等[23]研究了磁場強度與45鋼磨損率之間的關系，發現隨著磁場強度增大，磨損率先快速減小再緩慢減小最后趨于穩定；孔二雷等[24]發現外加磁場強度存在兩個閾值，分別為6.22，12.43 kA·m-1，隨著磁場強度增大，45鋼的磨損量減小，當磁場強度超過6.22 kA·m-1時，磁場強度對磨損量的影響開始減小，超過12.43 kA·m-1時，磁場強度對摩擦量的影響進一步減小。

2.3 磁場布置方式

磁場布置方式指的是磁場方向與摩擦副接觸表面的相對位置。JIANG等[25]在摩擦副下方設置磁場方向垂直于摩擦副接觸表面的外加磁場源，結果表明接觸表面產生了垂直于接觸表面方向的磁作用力，使得接觸表面的法向載荷增加，摩擦因數減小；XU等[26]將外加磁場方向設置為與接觸表面平行，有效減小了鋼制摩擦副接觸表面的振動和噪聲，同時改善了摩擦副的摩擦學性能；IIDA等[27]將磁場方向與低碳鋼盤表面的夾角設置成0°，45°，90°，發現夾角為0°和45°時鋼盤表面的磨損顆粒較90°時的細，磨損量更小，夾角為90°時，磨損率與無磁場的相差不大。

2.4 磁場頻率

交流磁場的頻率會影響摩擦副接觸表面的硬度和耐磨性能，通過調整磁場頻率和磁化時間可以改善摩擦副的耐磨性能。BAO等[28]發現增大磁場頻率可以提高摩擦副的耐磨性能，但當頻率超過100 Hz時又會使耐磨性能降低；陳爽等[29]通過改變交流磁場的頻率來改善刀具的耐磨性能，發現在磁場頻率為2 Hz的磁場中磁化處理45 s后刀具的耐磨性能最好。

3 摩擦副磁性和外加磁性材料尺度對摩擦學性能的影響

磁性是材料的基本屬性之一。在磁場環境下，不同磁性材料的摩擦副接觸表面通常會表現出不同的摩擦磨損行為，同時，外加磁性材料的尺度也會影響摩擦副的減摩效應。外加磁性材料可作為潤滑介質，能夠被外加磁場控制在摩擦區域從而實現定域潤滑[30]；磁性材料混在懸浮液中，與摩擦副的旋轉效應相結合時會表現出優異的力學特性[31]，從而更好地改善其摩擦學性能。

3.1 摩擦副材料的磁性

根據磁導率的不同，可將磁性材料分為五類：鐵磁性材料、亞鐵磁性材料、順磁性材料、抗磁性材料和反磁性材料[32]。由于目前的試驗條件研究不夠完善，理論研究不夠深入，難以對所有磁性材料進行規律性研究，并且鐵磁性材料與亞鐵磁性材料、順磁性材料與反磁性材料的磁導率相差不大，因此關于亞鐵磁性材料和反磁性材料的研究較少[33]。國內外學者認為摩擦副在磁場中的摩擦學性能與自身的磁性強弱有關，摩擦副材料的磁導率越大，電磁場對它們的減摩效果越明顯。

GAO等[34]研究表明，材料的磁導率會隨外加磁場強度變化以及摩擦過程中材料發生形變而引起的進一步磁化而發生變化。GAO等[35]研究了純鐵材料在摩擦過程中的磁化現象，建立了摩擦磁化模型，得出摩擦副表面的磁化主要來源于材料的塑性變形，并且磁場環境也會促進摩擦副材料的磁化，材料的磁化會使其磁導率提高，從而改善摩擦副的摩擦學性能。

魏永輝等[36]選用鐵磁性高速鋼、順磁性鋁合金、抗磁性鋅黃銅，分別組成抗/順、抗/鐵、鐵/順3種摩擦副，研究了電磁場下不同配對摩擦副材料的磁導率差異對摩擦副摩擦學性能的影響，發現磁導率相差較大時，接觸表面的磨損率也較高。因此，研究電磁場對接觸表面摩擦學性能的影響時需考慮配對摩擦副材料的磁導率差異，磁導率相差太大對電磁場的減摩抗磨作用不利。

3.2 外加磁性材料的尺度

外加磁性材料具有優良的承載能力和抗磨減摩性，在磁場中表現出優異的潤滑性能；磁性材料的尺度不同，對摩擦副的摩擦學性能的作用也會存在明顯差異。

WINGER等[37]比較了不同粒徑(20，40，63，80 μm)鐵磁性材料的磁流變效應，發現隨著顆粒粒徑增加，磁流變彈性體的彈性模量及其磁流變效應顯著增大，最小和最大粒徑鐵磁性材料的磁流變效應相差2倍；REEVES等[38]采用不同尺度hBN顆粒來改善不同表面粗糙度鋼摩擦副接觸表面的摩擦學性能，結果表明接觸表面較為粗糙時，尺度大的顆粒較尺度小的顆粒更能減少接觸表面的摩擦磨損，接觸表面較光滑時，尺度小的顆粒較尺度大的顆粒能使接觸表面產生更薄且含細小顆粒的轉移膜，更能改善接觸表面的摩擦學性能；HABIB等[39]研究了氧化鋁顆粒尺寸對由F-5220鋼和鎳基合金涂層鋁基材料組成的摩擦副接觸表面潤滑效果的影響，結果表明接觸表面粗糙度相同時，隨著氧化鋁顆粒尺寸增大，氧化鋁的潤滑效果明顯減弱，大尺寸顆粒增大了接觸表面的磨損率；PEA-PARS等[40]分析了磁性材料二氧化鈦顆粒尺度對鋼塊摩擦磨損的影響，結果表明在給定的接觸表面粗糙度下，存在一個最佳的尺度，此時二氧化鈦顆粒能夠填充在鋼塊接觸表面的凹槽中使表面光滑，從而減小摩擦界面的磨損量。

摩擦副材料的磁導率越大，構成摩擦副材料的磁導率相差越小，越有利于電磁場對接觸表面摩擦學性能的改善。磁性材料尺度對摩擦副接觸表面磨擦學性能的影響與接觸表面粗糙度有關。在選擇摩擦副材料時，應選擇磁導率相差不大的配對副；在選擇固體顆粒潤滑劑時，應根據摩擦副接觸表面粗糙度確定顆粒尺度，選擇潤滑效果最優的顆粒。

4 結束語

電磁場能加快位錯向接觸表面運動，促進接觸表面氧化，使磨屑發生細化和氧化，有利于金屬材料摩擦副摩擦學性能的改善。在一定范圍內，增大磁場強度和頻率，有利于摩擦學性能的改善。不同方向磁場對接觸表面摩擦學性能的作用大小不同。構成摩擦副材料的磁導率相差越小，越有利于摩擦學性能的改善。磁性材料尺度對摩擦學性能的影響與接觸表面的粗糙度有關。未來，引入電磁場的摩擦學研究將集中在：(1)考慮引入固體顆粒潤滑劑(如微、納米級磁粉等)和自控電磁場，對干摩擦工況下摩擦副接觸表面的抗磨減摩性能進行研究；(2)基于電磁學理論和軟件仿真知識，完善電磁多場耦合潤滑機理，同時對外加電磁場的空間磁場分布及電磁感應對摩擦副接觸表面抗磨減摩的影響進行深入研究。