外加电磁场对金属材料摩擦副摩擦学性能影响的 研究进展

熊 震，许春霞，胡 瑞,，熊 乐，MAITI Raman，MCQUADE Catherine

(1.南昌工程学院，江西省精密驱动与控制重点实验室，南昌 330099；2.谢菲尔德大学机械工程学院，谢菲尔德 S1 3JD)

0 引 言

随着工业的快速发展，机械设备的电气化程度不断提高。电磁场会对机械设备零部件如发电机电刷、电磁-摩擦制动器，高速铁路导线、滑板等的摩擦学性能产生影响[1-4]。20世纪40年代中期，研究人员开始采用外加电磁场来改善摩擦副的摩擦学性能[5]。研究表明，外加电磁场能提高刀具表面的硬度，增强铣削功能，减少磨损[6]。

摩擦副是指两个直接接触并同时发生相对运动的物体体系，通过对其施加一定的外加电磁场来改善摩擦副的摩擦学性能是实现减摩抗磨的主要途径之一。近年来，磁场摩擦学成为国内外研究的热点。研究主要集中在摩擦副材料的磁性、磁性固体润滑材料尺度以及电磁场对摩擦副摩擦磨损性能的影响方面。为了给广大研究人员提供参考，作者对外加电磁场对金属材料摩擦副减摩抗磨性能的影响及其作用机理进行了综述。

1 外加电磁场对金属材料摩擦副的作用

对摩擦副施加适度的外加电磁场，能有效改善金属材料摩擦副的摩擦学性能。这主要是因为施加电磁场对摩擦副产生了以下作用：电磁场促进了位错运动，即电磁场通过影响摩擦副的物理性能来影响其摩擦学性能；电磁场的增强氧化作用，即电磁场通过促进摩擦副的氧化来影响其摩擦学性能；电磁场的磨屑润滑作用，即电磁场通过吸引金属磨屑颗粒到接触表面上作为固体润滑剂来影响其摩擦学性能。

1.1 促进位错运动

电磁场能够改变金属材料的物理特性，如材料内部残余应力、位错运动等。摩擦副材料在电磁场中发生磁化时，获得的部分磁化能量能促进位错运动[7]，即电磁场促使位错向摩擦副接触表面迁移，使摩擦副接触表面产生类似加工硬化作用，从而提高接触表面的硬度和耐磨性能[8]。

MANSORI等[9]发现电磁场加快了位错向摩擦副接触表面的移动速度，提高了摩擦副的强度、硬度和耐磨性能；FU等[10]采用不同位错密度的马氏体钢研究了外加电磁场对马氏体钢耐磨性能的影响，发现外加电磁场有效降低了马氏体钢中的位错结合能，在摩擦过程中能使更多的位错向马氏体钢接触表面加速移动，从而提高了马氏体钢的耐磨性能；WU等[11]发现外加电磁场使得高铬钢接触表面的碳化物含量显著增加，位错密度显著提高，从而显著增大了高铬钢表面的硬度。

1.2 增强氧化

电磁场提高了摩擦副接触表面对氧的吸附能力，降低了接触表面的氧化活化能，使得接触表面容易形成氧化层。氧化层的形成有利于降低摩擦副的磨损率和摩擦因数，改善摩擦副的摩擦学性能。SHI等[12]发现在外加电磁场的作用下，中碳钢销和盘摩擦后，在接触表面检测到氧化铁，且存在氧化铁的区域随摩擦时间的延长逐渐扩大；江泽琦等[13]发现电磁场能促进钢球与钢球接触表面的氧化，使接触表面生成厚且致密的氧化膜，从而改善钢球的减摩抗磨性能；XIE等[14]发现在电磁场的作用下碳元素也参与碳素钢接触表面的氧化反应，提出了竞争性铁碳氧化机理，通过对比不同碳含量钢的摩擦学性能，发现碳元素和铁的氧化物均能减小接触表面的摩损量，且碳含量越高,接触表面磨损量越小。

1.3 提高磨屑润滑

微观上摩擦副表面由各种形状不同的微凸峰和凹槽构成，接触表面间是微凸峰之间的接触，在摩擦过程中凸峰上的金属颗粒会脱落形成磨屑。王凤梅等[15]研究发现无外加磁场时摩擦副接触表面吸附的磨屑颗粒呈长条状和块状，尺寸粗大，有外加磁场时，表面吸附的磨屑颗粒经过反复的研磨发生细化；闫涛等[16]研究了磁场环境下Mo-W喷涂层摩擦副的摩擦学性能，发现外加电磁场可以促进接触表面磨屑的氧化和细化；HAN等[17]发现磨屑被电磁场吸附到钢球摩擦界面上，在磁场中反复摩擦，逐渐发生细化和氧化，使金属与金属的接触转变为氧化膜与氧化膜的接触。在摩擦过程中，磨屑可以起到固体润滑剂的作用，电磁场对磨屑的细化和氧化可以降低接触表面的摩擦因数和磨损量，从而改善接触表面的摩擦学性能。

通过外加电磁场来改善摩擦副的摩擦学性能是一个复杂的过程，主要通过促进位错运动、促进接触表面氧化，以及使磨屑细化、氧化等的各自作用或共同作用而实现。

2 外加电磁场参数对摩擦副摩擦学性能的影响

2.1 磁场类型

目前，电磁场主要通过两种方式施加，一是永磁铁，二是电磁线圈[18]。两者相比电磁线圈更便于调节磁场参数，是常用的电生磁方式。电磁线圈产生的磁场分为直流稳恒磁场和交流磁场。直流稳恒磁场与永磁铁产生的磁场相似，其磁场强度和方向保持不变，交流磁场的磁场强度和方向均会随时间发生变化。

YETIM等[19]研究了直流磁场环境中45钢的摩擦学性能，发现直流磁场可将磨屑吸附到铁磁性材料与WC球的摩擦界面上，并使其细化和氧化，减少了材料的磨损量；SONG等[20]研究了在同一干摩擦工况下有、无交流磁场对轴承钢接触表面磨损量的影响，发现有交流磁场的轴承钢的平均磨损量较无交流磁场减少了近80%；郭浩等[21]对比了直流磁场与交流磁场对45钢摩擦学性能的影响，发现两种磁场均能降低接触表面的摩擦因数，减少磨损量，在一定的磁场强度范围内，交流磁场比直流磁场更利于摩擦学性能的改善。

2.2 磁场强度

已有研究发现，摩擦副的摩擦因数和磨损率并不随磁场强度成线性变化。杨杰等[22]发现外加磁场能有效改善钢轨与车轮间的摩擦学性能，在一定范围内增大磁场强度时，接触表面的摩擦因数和磨损量均减小；石红信等[23]研究了磁场强度与45钢磨损率之间的关系，发现随着磁场强度增大，磨损率先快速减小再缓慢减小最后趋于稳定；孔二雷等[24]发现外加磁场强度存在两个阈值，分别为6.22，12.43 kA·m-1，随着磁场强度增大，45钢的磨损量减小，当磁场强度超过6.22 kA·m-1时，磁场强度对磨损量的影响开始减小，超过12.43 kA·m-1时，磁场强度对摩擦量的影响进一步减小。

2.3 磁场布置方式

磁场布置方式指的是磁场方向与摩擦副接触表面的相对位置。JIANG等[25]在摩擦副下方设置磁场方向垂直于摩擦副接触表面的外加磁场源，结果表明接触表面产生了垂直于接触表面方向的磁作用力，使得接触表面的法向载荷增加，摩擦因数减小；XU等[26]将外加磁场方向设置为与接触表面平行，有效减小了钢制摩擦副接触表面的振动和噪声，同时改善了摩擦副的摩擦学性能；IIDA等[27]将磁场方向与低碳钢盘表面的夹角设置成0°，45°，90°，发现夹角为0°和45°时钢盘表面的磨损颗粒较90°时的细，磨损量更小，夹角为90°时，磨损率与无磁场的相差不大。

2.4 磁场频率

交流磁场的频率会影响摩擦副接触表面的硬度和耐磨性能，通过调整磁场频率和磁化时间可以改善摩擦副的耐磨性能。BAO等[28]发现增大磁场频率可以提高摩擦副的耐磨性能，但当频率超过100 Hz时又会使耐磨性能降低；陈爽等[29]通过改变交流磁场的频率来改善刀具的耐磨性能，发现在磁场频率为2 Hz的磁场中磁化处理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对摩擦学性能的影响

磁性是材料的基本属性之一。在磁场环境下，不同磁性材料的摩擦副接触表面通常会表现出不同的摩擦磨损行为，同时，外加磁性材料的尺度也会影响摩擦副的减摩效应。外加磁性材料可作为润滑介质，能够被外加磁场控制在摩擦区域从而实现定域润滑[30]；磁性材料混在悬浮液中，与摩擦副的旋转效应相结合时会表现出优异的力学特性[31]，从而更好地改善其摩擦学性能。

3.1 摩擦副材料的磁性

根据磁导率的不同，可将磁性材料分为五类：铁磁性材料、亚铁磁性材料、顺磁性材料、抗磁性材料和反磁性材料[32]。由于目前的试验条件研究不够完善，理论研究不够深入，难以对所有磁性材料进行规律性研究，并且铁磁性材料与亚铁磁性材料、顺磁性材料与反磁性材料的磁导率相差不大，因此关于亚铁磁性材料和反磁性材料的研究较少[33]。国内外学者认为摩擦副在磁场中的摩擦学性能与自身的磁性强弱有关，摩擦副材料的磁导率越大，电磁场对它们的减摩效果越明显。

GAO等[34]研究表明，材料的磁导率会随外加磁场强度变化以及摩擦过程中材料发生形变而引起的进一步磁化而发生变化。GAO等[35]研究了纯铁材料在摩擦过程中的磁化现象，建立了摩擦磁化模型，得出摩擦副表面的磁化主要来源于材料的塑性变形，并且磁场环境也会促进摩擦副材料的磁化，材料的磁化会使其磁导率提高，从而改善摩擦副的摩擦学性能。

魏永辉等[36]选用铁磁性高速钢、顺磁性铝合金、抗磁性锌黄铜，分别组成抗/顺、抗/铁、铁/顺3种摩擦副，研究了电磁场下不同配对摩擦副材料的磁导率差异对摩擦副摩擦学性能的影响，发现磁导率相差较大时，接触表面的磨损率也较高。因此，研究电磁场对接触表面摩擦学性能的影响时需考虑配对摩擦副材料的磁导率差异，磁导率相差太大对电磁场的减摩抗磨作用不利。

3.2 外加磁性材料的尺度

外加磁性材料具有优良的承载能力和抗磨减摩性，在磁场中表现出优异的润滑性能；磁性材料的尺度不同，对摩擦副的摩擦学性能的作用也会存在明显差异。

WINGER等[37]比较了不同粒径(20，40，63，80 μm)铁磁性材料的磁流变效应，发现随着颗粒粒径增加，磁流变弹性体的弹性模量及其磁流变效应显著增大，最小和最大粒径铁磁性材料的磁流变效应相差2倍；REEVES等[38]采用不同尺度hBN颗粒来改善不同表面粗糙度钢摩擦副接触表面的摩擦学性能，结果表明接触表面较为粗糙时，尺度大的颗粒较尺度小的颗粒更能减少接触表面的摩擦磨损，接触表面较光滑时，尺度小的颗粒较尺度大的颗粒能使接触表面产生更薄且含细小颗粒的转移膜，更能改善接触表面的摩擦学性能；HABIB等[39]研究了氧化铝颗粒尺寸对由F-5220钢和镍基合金涂层铝基材料组成的摩擦副接触表面润滑效果的影响，结果表明接触表面粗糙度相同时，随着氧化铝颗粒尺寸增大，氧化铝的润滑效果明显减弱，大尺寸颗粒增大了接触表面的磨损率；PEA-PARS等[40]分析了磁性材料二氧化钛颗粒尺度对钢块摩擦磨损的影响，结果表明在给定的接触表面粗糙度下，存在一个最佳的尺度，此时二氧化钛颗粒能够填充在钢块接触表面的凹槽中使表面光滑，从而减小摩擦界面的磨损量。

摩擦副材料的磁导率越大，构成摩擦副材料的磁导率相差越小，越有利于电磁场对接触表面摩擦学性能的改善。磁性材料尺度对摩擦副接触表面磨擦学性能的影响与接触表面粗糙度有关。在选择摩擦副材料时，应选择磁导率相差不大的配对副；在选择固体颗粒润滑剂时，应根据摩擦副接触表面粗糙度确定颗粒尺度，选择润滑效果最优的颗粒。

4 结束语

电磁场能加快位错向接触表面运动，促进接触表面氧化，使磨屑发生细化和氧化，有利于金属材料摩擦副摩擦学性能的改善。在一定范围内，增大磁场强度和频率，有利于摩擦学性能的改善。不同方向磁场对接触表面摩擦学性能的作用大小不同。构成摩擦副材料的磁导率相差越小，越有利于摩擦学性能的改善。磁性材料尺度对摩擦学性能的影响与接触表面的粗糙度有关。未来，引入电磁场的摩擦学研究将集中在：(1)考虑引入固体颗粒润滑剂(如微、纳米级磁粉等)和自控电磁场，对干摩擦工况下摩擦副接触表面的抗磨减摩性能进行研究；(2)基于电磁学理论和软件仿真知识，完善电磁多场耦合润滑机理，同时对外加电磁场的空间磁场分布及电磁感应对摩擦副接触表面抗磨减摩的影响进行深入研究。