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

(1.南昌工程學(xué)院，江西省精密驅(qū)動(dòng)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330099；2.謝菲爾德大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，謝菲爾德 S1 3JD)

0 引 言

隨著工業(yè)的快速發(fā)展，機(jī)械設(shè)備的電氣化程度不斷提高。電磁場(chǎng)會(huì)對(duì)機(jī)械設(shè)備零部件如發(fā)電機(jī)電刷、電磁-摩擦制動(dòng)器，高速鐵路導(dǎo)線(xiàn)、滑板等的摩擦學(xué)性能產(chǎn)生影響[1-4]。20世紀(jì)40年代中期，研究人員開(kāi)始采用外加電磁場(chǎng)來(lái)改善摩擦副的摩擦學(xué)性能[5]。研究表明，外加電磁場(chǎng)能提高刀具表面的硬度，增強(qiáng)銑削功能，減少磨損[6]。

摩擦副是指兩個(gè)直接接觸并同時(shí)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體體系，通過(guò)對(duì)其施加一定的外加電磁場(chǎng)來(lái)改善摩擦副的摩擦學(xué)性能是實(shí)現(xiàn)減摩抗磨的主要途徑之一。近年來(lái)，磁場(chǎng)摩擦學(xué)成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。研究主要集中在摩擦副材料的磁性、磁性固體潤(rùn)滑材料尺度以及電磁場(chǎng)對(duì)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(duì)外加電磁場(chǎng)對(duì)金屬材料摩擦副減摩抗磨性能的影響及其作用機(jī)理進(jìn)行了綜述。

1 外加電磁場(chǎng)對(duì)金屬材料摩擦副的作用

對(duì)摩擦副施加適度的外加電磁場(chǎng)，能有效改善金屬材料摩擦副的摩擦學(xué)性能。這主要是因?yàn)槭┘与姶艌?chǎng)對(duì)摩擦副產(chǎn)生了以下作用：電磁場(chǎng)促進(jìn)了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，即電磁場(chǎng)通過(guò)影響摩擦副的物理性能來(lái)影響其摩擦學(xué)性能；電磁場(chǎng)的增強(qiáng)氧化作用，即電磁場(chǎng)通過(guò)促進(jìn)摩擦副的氧化來(lái)影響其摩擦學(xué)性能；電磁場(chǎng)的磨屑潤(rùn)滑作用，即電磁場(chǎng)通過(guò)吸引金屬磨屑顆粒到接觸表面上作為固體潤(rùn)滑劑來(lái)影響其摩擦學(xué)性能。

1.1 促進(jìn)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)

電磁場(chǎng)能夠改變金屬材料的物理特性，如材料內(nèi)部殘余應(yīng)力、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)等。摩擦副材料在電磁場(chǎng)中發(fā)生磁化時(shí)，獲得的部分磁化能量能促進(jìn)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)[7]，即電磁場(chǎng)促使位錯(cuò)向摩擦副接觸表面遷移，使摩擦副接觸表面產(chǎn)生類(lèi)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(fā)現(xiàn)電磁場(chǎng)加快了位錯(cuò)向摩擦副接觸表面的移動(dòng)速度，提高了摩擦副的強(qiáng)度、硬度和耐磨性能；FU等[10]采用不同位錯(cuò)密度的馬氏體鋼研究了外加電磁場(chǎng)對(duì)馬氏體鋼耐磨性能的影響，發(fā)現(xiàn)外加電磁場(chǎng)有效降低了馬氏體鋼中的位錯(cuò)結(jié)合能，在摩擦過(guò)程中能使更多的位錯(cuò)向馬氏體鋼接觸表面加速移動(dòng)，從而提高了馬氏體鋼的耐磨性能；WU等[11]發(fā)現(xiàn)外加電磁場(chǎng)使得高鉻鋼接觸表面的碳化物含量顯著增加，位錯(cuò)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(qiáng)氧化

電磁場(chǎng)提高了摩擦副接觸表面對(duì)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(shù)，改善摩擦副的摩擦學(xué)性能。SHI等[12]發(fā)現(xiàn)在外加電磁場(chǎng)的作用下，中碳鋼銷(xiāo)和盤(pán)摩擦后，在接觸表面檢測(cè)到氧化鐵，且存在氧化鐵的區(qū)域隨摩擦?xí)r間的延長(zhǎng)逐漸擴(kuò)大；江澤琦等[13]發(fā)現(xiàn)電磁場(chǎng)能促進(jìn)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(fā)現(xiàn)在電磁場(chǎng)的作用下碳元素也參與碳素鋼接觸表面的氧化反應(yīng)，提出了競(jìng)爭(zhēng)性鐵碳氧化機(jī)理，通過(guò)對(duì)比不同碳含量鋼的摩擦學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)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(rùn)滑

微觀上摩擦副表面由各種形狀不同的微凸峰和凹槽構(gòu)成，接觸表面間是微凸峰之間的接觸，在摩擦過(guò)程中凸峰上的金屬顆粒會(huì)脫落形成磨屑。王鳳梅等[15]研究發(fā)現(xiàn)無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)摩擦副接觸表面吸附的磨屑顆粒呈長(zhǎng)條狀和塊狀，尺寸粗大，有外加磁場(chǎng)時(shí)，表面吸附的磨屑顆粒經(jīng)過(guò)反復(fù)的研磨發(fā)生細(xì)化；閆濤等[16]研究了磁場(chǎng)環(huán)境下Mo-W噴涂層摩擦副的摩擦學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)外加電磁場(chǎng)可以促進(jìn)接觸表面磨屑的氧化和細(xì)化；HAN等[17]發(fā)現(xiàn)磨屑被電磁場(chǎng)吸附到鋼球摩擦界面上，在磁場(chǎng)中反復(fù)摩擦，逐漸發(fā)生細(xì)化和氧化，使金屬與金屬的接觸轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸づc氧化膜的接觸。在摩擦過(guò)程中，磨屑可以起到固體潤(rùn)滑劑的作用，電磁場(chǎng)對(duì)磨屑的細(xì)化和氧化可以降低接觸表面的摩擦因數(shù)和磨損量，從而改善接觸表面的摩擦學(xué)性能。

通過(guò)外加電磁場(chǎng)來(lái)改善摩擦副的摩擦學(xué)性能是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，主要通過(guò)促進(jìn)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、促進(jìn)接觸表面氧化，以及使磨屑細(xì)化、氧化等的各自作用或共同作用而實(shí)現(xiàn)。

2 外加電磁場(chǎng)參數(shù)對(duì)摩擦副摩擦學(xué)性能的影響

2.1 磁場(chǎng)類(lèi)型

目前，電磁場(chǎng)主要通過(guò)兩種方式施加，一是永磁鐵，二是電磁線(xiàn)圈[18]。兩者相比電磁線(xiàn)圈更便于調(diào)節(jié)磁場(chǎng)參數(shù)，是常用的電生磁方式。電磁線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)分為直流穩(wěn)恒磁場(chǎng)和交流磁場(chǎng)。直流穩(wěn)恒磁場(chǎng)與永磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)相似，其磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向保持不變，交流磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向均會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化。

YETIM等[19]研究了直流磁場(chǎng)環(huán)境中45鋼的摩擦學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)直流磁場(chǎng)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(xì)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(wú)交流磁場(chǎng)對(duì)軸承鋼接觸表面磨損量的影響，發(fā)現(xiàn)有交流磁場(chǎng)的軸承鋼的平均磨損量較無(wú)交流磁場(chǎng)減少了近80%；郭浩等[21]對(duì)比了直流磁場(chǎng)與交流磁場(chǎng)對(duì)45鋼摩擦學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)兩種磁場(chǎng)均能降低接觸表面的摩擦因數(shù)，減少磨損量，在一定的磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍內(nèi)，交流磁場(chǎng)比直流磁場(chǎng)更利于摩擦學(xué)性能的改善。

2.2 磁場(chǎng)強(qiáng)度

已有研究發(fā)現(xiàn)，摩擦副的摩擦因數(shù)和磨損率并不隨磁場(chǎng)強(qiáng)度成線(xiàn)性變化。楊杰等[22]發(fā)現(xiàn)外加磁場(chǎng)能有效改善鋼軌與車(chē)輪間的摩擦學(xué)性能，在一定范圍內(nèi)增大磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，接觸表面的摩擦因數(shù)和磨損量均減??；石紅信等[23]研究了磁場(chǎng)強(qiáng)度與45鋼磨損率之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度增大，磨損率先快速減小再緩慢減小最后趨于穩(wěn)定；孔二雷等[24]發(fā)現(xiàn)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度存在兩個(gè)閾值，分別為6.22，12.43 kA·m-1，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度增大，45鋼的磨損量減小，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)6.22 kA·m-1時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)磨損量的影響開(kāi)始減小，超過(guò)12.43 kA·m-1時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)摩擦量的影響進(jìn)一步減小。

2.3 磁場(chǎng)布置方式

磁場(chǎng)布置方式指的是磁場(chǎng)方向與摩擦副接觸表面的相對(duì)位置。JIANG等[25]在摩擦副下方設(shè)置磁場(chǎng)方向垂直于摩擦副接觸表面的外加磁場(chǎng)源，結(jié)果表明接觸表面產(chǎn)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(shù)減?。籜U等[26]將外加磁場(chǎng)方向設(shè)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(dòng)和噪聲，同時(shí)改善了摩擦副的摩擦學(xué)性能；IIDA等[27]將磁場(chǎng)方向與低碳鋼盤(pán)表面的夾角設(shè)置成0°，45°，90°，發(fā)現(xiàn)夾角為0°和45°時(shí)鋼盤(pán)表面的磨損顆粒較90°時(shí)的細(xì)，磨損量更小，夾角為90°時(shí)，磨損率與無(wú)磁場(chǎng)的相差不大。

2.4 磁場(chǎng)頻率

交流磁場(chǎng)的頻率會(huì)影響摩擦副接觸表面的硬度和耐磨性能，通過(guò)調(diào)整磁場(chǎng)頻率和磁化時(shí)間可以改善摩擦副的耐磨性能。BAO等[28]發(fā)現(xiàn)增大磁場(chǎng)頻率可以提高摩擦副的耐磨性能，但當(dāng)頻率超過(guò)100 Hz時(shí)又會(huì)使耐磨性能降低；陳爽等[29]通過(guò)改變交流磁場(chǎng)的頻率來(lái)改善刀具的耐磨性能，發(fā)現(xiàn)在磁場(chǎng)頻率為2 Hz的磁場(chǎng)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(duì)摩擦學(xué)性能的影響

磁性是材料的基本屬性之一。在磁場(chǎng)環(huán)境下，不同磁性材料的摩擦副接觸表面通常會(huì)表現(xiàn)出不同的摩擦磨損行為，同時(shí)，外加磁性材料的尺度也會(huì)影響摩擦副的減摩效應(yīng)。外加磁性材料可作為潤(rùn)滑介質(zhì)，能夠被外加磁場(chǎng)控制在摩擦區(qū)域從而實(shí)現(xiàn)定域潤(rùn)滑[30]；磁性材料混在懸浮液中，與摩擦副的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)相結(jié)合時(shí)會(huì)表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)特性[31]，從而更好地改善其摩擦學(xué)性能。

3.1 摩擦副材料的磁性

根據(jù)磁導(dǎo)率的不同，可將磁性材料分為五類(lèi)：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(yàn)條件研究不夠完善，理論研究不夠深入，難以對(duì)所有磁性材料進(jìn)行規(guī)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(dǎo)率相差不大，因此關(guān)于亞鐵磁性材料和反磁性材料的研究較少[33]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者認(rèn)為摩擦副在磁場(chǎng)中的摩擦學(xué)性能與自身的磁性強(qiáng)弱有關(guān)，摩擦副材料的磁導(dǎo)率越大，電磁場(chǎng)對(duì)它們的減摩效果越明顯。

GAO等[34]研究表明，材料的磁導(dǎo)率會(huì)隨外加磁場(chǎng)強(qiáng)度變化以及摩擦過(guò)程中材料發(fā)生形變而引起的進(jìn)一步磁化而發(fā)生變化。GAO等[35]研究了純鐵材料在摩擦過(guò)程中的磁化現(xiàn)象，建立了摩擦磁化模型，得出摩擦副表面的磁化主要來(lái)源于材料的塑性變形，并且磁場(chǎng)環(huán)境也會(huì)促進(jìn)摩擦副材料的磁化，材料的磁化會(huì)使其磁導(dǎo)率提高，從而改善摩擦副的摩擦學(xué)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(chǎng)下不同配對(duì)摩擦副材料的磁導(dǎo)率差異對(duì)摩擦副摩擦學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)磁導(dǎo)率相差較大時(shí)，接觸表面的磨損率也較高。因此，研究電磁場(chǎng)對(duì)接觸表面摩擦學(xué)性能的影響時(shí)需考慮配對(duì)摩擦副材料的磁導(dǎo)率差異，磁導(dǎo)率相差太大對(duì)電磁場(chǎng)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(yōu)良的承載能力和抗磨減摩性，在磁場(chǎng)中表現(xiàn)出優(yōu)異的潤(rùn)滑性能；磁性材料的尺度不同，對(duì)摩擦副的摩擦學(xué)性能的作用也會(huì)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(yīng)，發(fā)現(xiàn)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(yīng)顯著增大，最小和最大粒徑鐵磁性材料的磁流變效應(yīng)相差2倍；REEVES等[38]采用不同尺度hBN顆粒來(lái)改善不同表面粗糙度鋼摩擦副接觸表面的摩擦學(xué)性能，結(jié)果表明接觸表面較為粗糙時(shí)，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(shí)，尺度小的顆粒較尺度大的顆粒能使接觸表面產(chǎn)生更薄且含細(xì)小顆粒的轉(zhuǎn)移膜，更能改善接觸表面的摩擦學(xué)性能；HABIB等[39]研究了氧化鋁顆粒尺寸對(duì)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(rùn)滑效果的影響，結(jié)果表明接觸表面粗糙度相同時(shí)，隨著氧化鋁顆粒尺寸增大，氧化鋁的潤(rùn)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(duì)鋼塊摩擦磨損的影響，結(jié)果表明在給定的接觸表面粗糙度下，存在一個(gè)最佳的尺度，此時(shí)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(dǎo)率越大，構(gòu)成摩擦副材料的磁導(dǎo)率相差越小，越有利于電磁場(chǎng)對(duì)接觸表面摩擦學(xué)性能的改善。磁性材料尺度對(duì)摩擦副接觸表面磨擦學(xué)性能的影響與接觸表面粗糙度有關(guān)。在選擇摩擦副材料時(shí)，應(yīng)選擇磁導(dǎo)率相差不大的配對(duì)副；在選擇固體顆粒潤(rùn)滑劑時(shí)，應(yīng)根據(jù)摩擦副接觸表面粗糙度確定顆粒尺度，選擇潤(rùn)滑效果最優(yōu)的顆粒。

4 結(jié)束語(yǔ)

電磁場(chǎng)能加快位錯(cuò)向接觸表面運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)接觸表面氧化，使磨屑發(fā)生細(xì)化和氧化，有利于金屬材料摩擦副摩擦學(xué)性能的改善。在一定范圍內(nèi)，增大磁場(chǎng)強(qiáng)度和頻率，有利于摩擦學(xué)性能的改善。不同方向磁場(chǎng)對(duì)接觸表面摩擦學(xué)性能的作用大小不同。構(gòu)成摩擦副材料的磁導(dǎo)率相差越小，越有利于摩擦學(xué)性能的改善。磁性材料尺度對(duì)摩擦學(xué)性能的影響與接觸表面的粗糙度有關(guān)。未來(lái)，引入電磁場(chǎng)的摩擦學(xué)研究將集中在：(1)考慮引入固體顆粒潤(rùn)滑劑(如微、納米級(jí)磁粉等)和自控電磁場(chǎng)，對(duì)干摩擦工況下摩擦副接觸表面的抗磨減摩性能進(jìn)行研究；(2)基于電磁學(xué)理論和軟件仿真知識(shí)，完善電磁多場(chǎng)耦合潤(rùn)滑機(jī)理，同時(shí)對(duì)外加電磁場(chǎng)的空間磁場(chǎng)分布及電磁感應(yīng)對(duì)摩擦副接觸表面抗磨減摩的影響進(jìn)行深入研究。