分享：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1,许春霞1,胡 瑞1,2,熊 乐1,MAITIRaman 2,MCQUADECatherine 2 

(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 S13JD) 

摘 要:外加电磁场是改善摩擦副摩擦学性能的途径之一。从外加电磁场对位错运动的促 进、接触表面氧化的增强和磨屑的细化氧化3个方面,综述了电磁场对金属材料摩擦副摩擦学 性能改善的机理,介绍了外加电磁场类型、磁场强度、磁场施加方向、磁场频率以及摩擦副材料 的磁导率大小及差异、外加磁性颗粒尺度对摩擦副摩擦磨损的影响,指出了未来电磁场抗磨减 摩的研究方向。

 关键词:电磁场;摩擦学性能;摩擦副;摩擦磨损;磁导率 中图分类号:TH117.1 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2021)03-0001-05 

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 1 熊 震,等: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 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 2 熊 震,等: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 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, 12.43kA·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6.22kA·m -1时,磁场强度对 磨损量的影响开始减小,超过12.43kA·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100Hz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 2Hz的 磁 场 中 磁 化 处 理 45s 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, 80μm)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 3 熊 震,等: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 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;PE?A-PARáS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。 

来源：材料与测试网