外加磁場(chǎng)對(duì)摩擦副摩擦學(xué)性能影響的研究進(jìn)展

解 挺， 閆照明， 楊婷婷， 田 明

（合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī) 械與汽車工程學(xué)院，安徽 合 肥 230009）

0 引 言

隨著現(xiàn)代科技的迅猛發(fā)展，各種機(jī)械零部件的工作環(huán)境越來越復(fù)雜，如磁場(chǎng)、電場(chǎng)、輻射等環(huán)境［1－3］，這些工作環(huán)境會(huì)對(duì)摩擦副運(yùn)行過程中摩擦界面的物理、化學(xué)效應(yīng)產(chǎn)生影響，直接影響到零部件的摩擦學(xué)性能，進(jìn)而影響到機(jī)器的運(yùn)行穩(wěn)定性、精度和壽命。

隨著電磁技術(shù)的廣泛應(yīng)用，越來越多的零部件運(yùn)行 于電 磁 場(chǎng) 環(huán) 境 中［4－5］。大 量 研 究［6－16］表明，磁場(chǎng)對(duì)摩擦磨損過程的影響是多方面的，在適當(dāng)強(qiáng)度的磁場(chǎng)環(huán)境中，可以明顯提高摩擦副的減摩、耐磨性能。如何利用磁場(chǎng)對(duì)摩擦副摩擦學(xué)性能的有利影響，已成為近年來的研究熱點(diǎn)之一。

本文系統(tǒng)介紹了外加磁場(chǎng)對(duì)不同摩擦副摩擦學(xué)特性的影響規(guī)律，分析了磁場(chǎng)對(duì)材料摩擦學(xué)行為的影響機(jī)理，以期能合理借鑒這一作用，對(duì)系統(tǒng)摩擦學(xué)性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)與調(diào)控提供一個(gè)新的思路。

1 磁場(chǎng)對(duì)不同摩擦副摩擦學(xué)性能的影響

在外加磁場(chǎng)對(duì)摩擦副摩擦學(xué)性能影響的研究中，大都使用鐵磁性材料或金屬材料作為配副材料，這是因?yàn)樵诘陀诰永餃囟葧r(shí)，鐵磁性材料在很小的外加磁場(chǎng)作用下可產(chǎn)生很大的磁化強(qiáng)度；而非金屬材料（如聚四氟乙烯、石墨）很難被磁化或磁化強(qiáng)度很小，故很少被用來作為配副材料。

1.1 鐵磁性材料／鐵磁性材料摩擦副

文獻(xiàn)［7－8］采用Ni／Fe銷盤摩擦副（銷為Ni合金，盤為碳鋼），研究外加磁場(chǎng)對(duì)其摩擦磨損性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，無磁場(chǎng)或弱磁場(chǎng)作用下，磨損較嚴(yán)重，摩擦表面可以觀察到有金屬光澤的磨屑產(chǎn)生。當(dāng)外加磁場(chǎng)增大后，摩擦因數(shù)和磨損率顯著降低。

文獻(xiàn)［9－13］研究了Fe／Fe摩擦副，結(jié)果表明，與無磁場(chǎng)相比，外加磁場(chǎng)增大后，摩擦副的摩擦因數(shù)降低，磨損量明顯減少，磨損表面光滑，磨屑細(xì)化。

微觀分析表明，F(xiàn)e在磁場(chǎng)條件下磨損后，摩擦表面出現(xiàn)氧化層，并且大量磨屑被氧化。

1.2 鐵磁性材料／非鐵磁性材料摩擦副

文獻(xiàn)［17］研究了外加磁場(chǎng)對(duì)Fe／Cu摩擦副摩擦學(xué)性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著外加磁場(chǎng)的增大，鐵磁性和非鐵磁性試樣不僅磨損率都在上升，而且它們的摩擦表面顯微硬度也都在上升。在摩擦表面上發(fā)現(xiàn)磨屑發(fā)生氧化，且磨屑顆粒非常細(xì)小。

文獻(xiàn)［18］研究了鐵磁性銷和順磁性盤組成的摩擦副，銷的材料分別為純 Ni、S45C鋼及SUS430不銹鋼（鐵磁性鋼）；盤的材料為SUS304不銹鋼（順磁性鋼）。結(jié)果表明，由于磁場(chǎng)作用，磨屑顆粒吸附到銷上。當(dāng)磨屑顆粒和盤摩擦表面的顯微硬度相差超過100時(shí)，外加磁場(chǎng)會(huì)促進(jìn)盤磨損量的增加。

文獻(xiàn)［19］選用Al／Fe摩擦副，其中Al是順磁性材料，制作成銷，F(xiàn)e制作成盤。隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度逐漸增加，發(fā)現(xiàn)摩擦因數(shù)從0.55穩(wěn)定降低到0.45，同時(shí)銷和盤的磨損率都增加，摩擦表面的顯微硬度也增加，磨損顆粒氧化程度提高。

文獻(xiàn)［20－21］研究了外加磁場(chǎng)作用下，干滑動(dòng)摩擦條件下的XC48鋼／石墨摩擦副的摩擦學(xué)性能，并對(duì)有無磁場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)氣氛分別為大氣環(huán)境、氬氣環(huán)境。試驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，在大氣環(huán)境中，與無磁場(chǎng)條件相比，外加磁場(chǎng)促進(jìn)氧化層和轉(zhuǎn)移碳膜形成與生長(zhǎng)，同樣有利于石墨向?qū)ε技砻孓D(zhuǎn)移，摩擦因數(shù)和磨損率較低；在氬氣環(huán)境中，同樣與無外加磁場(chǎng)相比，在施加磁場(chǎng)后，摩擦副的摩擦因數(shù)和磨損率都升高，同時(shí)在石墨表面觀察到鐵顆粒。

2 不同磁場(chǎng)對(duì)摩擦副摩擦性能的影響

磁場(chǎng)可分為靜磁場(chǎng)和動(dòng)磁場(chǎng)，靜磁場(chǎng)又稱為恒磁場(chǎng)，其磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向保持不變；而交變磁場(chǎng)、脈動(dòng)磁場(chǎng)和脈沖磁場(chǎng)屬于動(dòng)磁場(chǎng)，其中交變磁場(chǎng)為磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向發(fā)生規(guī)律變化。

2.1 交變電流線圈磁場(chǎng)影響

文獻(xiàn)［10］考察了大氣環(huán)境中磁場(chǎng)對(duì)45鋼／45鋼組成的銷／盤摩擦副摩擦學(xué)性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)：

（1）摩擦因數(shù)由無磁場(chǎng)環(huán)境下的0.48降低到有磁場(chǎng)環(huán)境下的0.40，2種強(qiáng)度的磁場(chǎng)環(huán)境下摩擦因數(shù)非常接近。

（2）與沒有外加磁場(chǎng)的情況相對(duì)比，施加磁場(chǎng)后磨損量明顯降低。

（3）在磁場(chǎng)作用下，細(xì)小的具有磁性的氧化磨屑逐漸覆蓋在摩擦副表面。

2.2 直流電線圈磁場(chǎng)影響

文獻(xiàn)［12］考察了大氣環(huán)境中磁場(chǎng)對(duì)45鋼／45鋼組成的銷／盤摩擦副摩擦磨損性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)：

（1）與無磁場(chǎng)條件相比，直流穩(wěn)恒磁場(chǎng)下45鋼／45配副的摩擦系數(shù)降低，磨損量明顯減少。

（2）大氣環(huán)境下，直流穩(wěn)恒磁場(chǎng)更容易促進(jìn)45鋼磨損表面及磨屑的氧化。

（3）磁致伸縮強(qiáng)化、氧化磨損和磨屑潤(rùn)滑的共同作用，是直流穩(wěn)恒磁場(chǎng)減摩耐磨的主要原因。

3 磁場(chǎng)對(duì)摩擦磨損機(jī)理的影響

目前，關(guān)于外加磁場(chǎng)條件下的干摩擦機(jī)理眾說紛紜，研究中，目前主要有磨屑潤(rùn)滑機(jī)理、氧化膜作用機(jī)理、磁致伸縮機(jī)理、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)機(jī)理及轉(zhuǎn)移膜機(jī)理等5種機(jī)理，但至今仍沒有一條得到廣泛認(rèn)可的統(tǒng)一定論，這可能與摩擦條件等有關(guān)，不能一概而論。

3.1 磨屑潤(rùn)滑機(jī)理

文獻(xiàn)［8，11－14］分析認(rèn)為，外加磁場(chǎng)加速摩擦表面和磨屑的氧化。由于外加磁場(chǎng)的作用，磨屑顆粒吸附在摩擦表面上，在摩擦作用下，磨屑顆粒被反復(fù)研磨，變得細(xì)小、圓滑，從而起到了潤(rùn)滑劑的作用。

此外，細(xì)小而圓滑的磨屑大大減小了摩擦副真實(shí)的接觸面積，從而減少黏著磨損、微切削作用，降低了摩擦因數(shù)和磨損率。當(dāng)然，吸附的磨屑也可能引起磨粒磨損，增大磨損率。而試驗(yàn)結(jié)果表明，大多情況下，這些磨屑充當(dāng)潤(rùn)滑劑的作用遠(yuǎn)大于作為磨料的破壞作用。

3.2 氧化膜作用機(jī)理

還有一部分學(xué)者分析認(rèn)為磁場(chǎng)作用下的磨損率與摩擦表面的氧化膜有關(guān)。

文獻(xiàn)［10］研究Fe／Fe摩擦副發(fā)現(xiàn)，在磁場(chǎng)作用下，摩擦表面的氧化物主要為Fe3O4，還有少量的Fe2O3和FeO，認(rèn)為外加磁場(chǎng)有利于氧化膜的形成與生長(zhǎng)。

文獻(xiàn)［9］分析認(rèn)為，外加磁場(chǎng)有利于摩擦表面被氧化膜覆蓋，并促使大量磨屑被氧化，所以摩擦界面發(fā)生了變化，由鐵／鐵（無外加磁場(chǎng)時(shí)）摩擦界面轉(zhuǎn)變?yōu)殍F／氧化物／鐵（有外加磁場(chǎng)時(shí)）摩擦界面。產(chǎn)生的氧化膜有利于減少磨損率，降低了摩擦因數(shù)。

為了證明磁場(chǎng)條件下摩擦過程中的氧化膜作用，文獻(xiàn)［21］研究了外加磁場(chǎng)對(duì)Ni／Fe摩擦副摩擦學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)在真空環(huán)境中，磨屑顆粒比大氣環(huán)境中的顆粒大。

文獻(xiàn)［19］研究了外加磁場(chǎng)的Ni／Fe摩擦副在不同氣氛中的摩擦學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)在氮?dú)饣驓鍤猸h(huán)境中，磁場(chǎng)對(duì)摩擦學(xué)性能影響很?。徽J(rèn)為磁場(chǎng)促進(jìn)了鐵磁性材料及磨屑對(duì)氧的化學(xué)吸附作用，降低了材料表面的氧化激活能，從而材料表面更容易氧化，對(duì)摩擦學(xué)性能產(chǎn)生有利影響。

3.3 磁致伸縮機(jī)理

文獻(xiàn)［17］認(rèn)為外加磁場(chǎng)對(duì)金屬的力學(xué)性能產(chǎn)生很大的影響，并通過磁致伸縮作用改變金屬材料表面的顯微硬度，其表面變得更加堅(jiān)硬。鐵磁性材料磁化過程中，會(huì)產(chǎn)生磁致伸縮效應(yīng)，表現(xiàn)為鐵磁性材料的長(zhǎng)度和體積變化。磁致伸縮效應(yīng)對(duì)鐵磁性金屬具有強(qiáng)化作用，如改變強(qiáng)度、硬度等，這些變化均可改變材料的摩擦學(xué)性能。

文獻(xiàn)［17］測(cè)定了中碳鋼／銅摩擦副在有、無磁場(chǎng)作用下，摩擦磨損試驗(yàn)后中碳鋼表面顯微硬度的變化。

結(jié)果顯示，與無磁場(chǎng)條件相比，有磁場(chǎng)條件下鋼的表面硬度明顯提高，其對(duì)偶件銅表面硬度亦有增加，且隨著試驗(yàn)速度和載荷提高，摩擦副硬度增加更大。

試驗(yàn)中，磁致伸縮效應(yīng)和摩擦力的共同作用，可以引起金屬相或組織結(jié)構(gòu)的變化，使高速工具鋼中因回火產(chǎn)生的殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，這些都導(dǎo)致材料表面強(qiáng)度和硬度提高，從而改善其耐磨性。但外加磁場(chǎng)改變金屬組織結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果是在靜態(tài)下得到的，而摩擦磨損是動(dòng)態(tài)過程。

摩擦過程中的載荷、線速度、溫度等因素，也會(huì)引起摩擦表面顯微硬度的變化。但摩擦過程的其他因素也可能導(dǎo)致材料表面硬度提高，因此磁致伸縮作用對(duì)摩擦磨損機(jī)理的影響還有待進(jìn)一步探討。

3.4 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)機(jī)理

文獻(xiàn)［22－26］測(cè)得磁場(chǎng)造成金屬內(nèi)應(yīng)力下降而塑性增加，并根據(jù)內(nèi)應(yīng)力在塑性變形中的作用，認(rèn)為材料內(nèi)應(yīng)力下降可使位錯(cuò)遷移速度增加。在載荷、滑動(dòng)線速度及外加磁場(chǎng)等同時(shí)作用下，促使位錯(cuò)向摩擦表面遷移，這時(shí)鐵磁性材料表面類似于經(jīng)受加工硬化作用，提高了自身的顯微硬度，進(jìn)而提高了耐磨性。

施加磁場(chǎng)強(qiáng)度過高時(shí)，在摩擦表面聚集位錯(cuò)過多，形成裂紋源，加速摩擦表面的破壞，從而增大磨損。

3.5 轉(zhuǎn)移膜機(jī)理

文獻(xiàn)［20－22］分析XC48鋼／石墨摩擦副的摩擦學(xué)性能認(rèn)為，大氣環(huán)境下，由于受到外加磁場(chǎng)的影響，在鐵摩擦表面形成了一層石墨膜，由于石墨膜的隔離與潤(rùn)滑作用，摩擦因數(shù)和磨損率較低，這層轉(zhuǎn)移膜的多少主要受外加磁場(chǎng)的強(qiáng)度和摩擦表面磁學(xué)性能變化的影響。

在惰性氣體環(huán)境中，相同的外加磁場(chǎng)，促使磨屑中鐵顆粒釘扎在石墨表面，F(xiàn)e摩擦表面沒有很好的石墨膜，所以摩擦因數(shù)和磨損率都有不同程度的增大。

4 結(jié) 論

（1）鐵磁性材料／鐵磁性材料和鐵磁性材料／非鐵磁性材料摩擦副摩擦學(xué)性能都會(huì)受到外加磁場(chǎng)的影響。有外加磁場(chǎng)的作用，摩擦因數(shù)都會(huì)減??；但磨損率的變化有所不同，鐵磁性材料／鐵磁性材料摩擦副磨損率明顯降低，而鐵磁性材料／非鐵磁性材料摩擦副的磨損率呈現(xiàn)上升態(tài)勢(shì)。

（2）交變電流線圈磁場(chǎng)和直流電線圈磁場(chǎng)對(duì)大氣環(huán)境中鐵磁性材料／鐵磁性材料摩擦副摩擦學(xué)性能的影響作用類似，都會(huì)使摩擦副的摩擦因數(shù)降低，磨損量明顯減少。

（3）關(guān)于在外加磁場(chǎng)下的摩擦磨損機(jī)理，主要觀點(diǎn)有磨屑潤(rùn)滑機(jī)理、氧化膜作用機(jī)理、磁致伸縮機(jī)理、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)機(jī)理及轉(zhuǎn)移膜機(jī)理等。本文認(rèn)為磨屑氧化及其磨粒潤(rùn)滑機(jī)理應(yīng)該起主導(dǎo)作用，對(duì)于不同的工況以及不同的體系應(yīng)該略有不同。

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