解 挺， 閆照明， 楊婷婷， 田 明

（合肥工業(yè)大學(xué) 機 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，各種機械零部件的工作環(huán)境越來越復(fù)雜，如磁場、電場、輻射等環(huán)境［1－3］，這些工作環(huán)境會對摩擦副運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，進而影響到機器的運行穩(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行 于電 磁 場 環(huán) 境 中［4－5］。大 量 研 究［6－16］表明，磁場對摩擦磨損過程的影響是多方面的，在適當強度的磁場環(huán)境中，可以明顯提高摩擦副的減摩、耐磨性能。如何利用磁場對摩擦副摩擦學(xué)性能的有利影響，已成為近年來的研究熱點之一。

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

1 磁場對不同摩擦副摩擦學(xué)性能的影響

在外加磁場對摩擦副摩擦學(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，這是因為在低于居里溫度時，鐵磁性材料在很小的外加磁場作用下可產(chǎn)生很大的磁化強度；而非金屬材料（如聚四氟乙烯、石墨）很難被磁化或磁化強度很小，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［7－8］采用Ni／Fe銷盤摩擦副（銷為Ni合金，盤為碳鋼），研究外加磁場對其摩擦磨損性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，無磁場或弱磁場作用下，磨損較嚴重，摩擦表面可以觀察到有金屬光澤的磨屑產(chǎn)生。當外加磁場增大后，摩擦因數(shù)和磨損率顯著降低。

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

微觀分析表明，F(xiàn)e在磁場條件下磨損后，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［17］研究了外加磁場對Fe／Cu摩擦副摩擦學(xué)性能的影響，試驗結(jié)果表明，隨著外加磁場的增大，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，且磨屑顆粒非常細小。

文獻［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，由于磁場作用，磨屑顆粒吸附到銷上。當磨屑顆粒和盤摩擦表面的顯微硬度相差超過100時，外加磁場會促進盤磨損量的增加。

文獻［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。隨著磁場強度逐漸增加，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［20－21］研究了外加磁場作用下，干滑動摩擦條件下的XC48鋼／石墨摩擦副的摩擦學(xué)性能，并對有無磁場試驗結(jié)果進行對比。試驗氣氛分別為大氣環(huán)境、氬氣環(huán)境。試驗結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，在大氣環(huán)境中，與無磁場條件相比，外加磁場促進氧化層和轉(zhuǎn)移碳膜形成與生長，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，同樣與無外加磁場相比，在施加磁場后，摩擦副的摩擦因數(shù)和磨損率都升高，同時在石墨表面觀察到鐵顆粒。

2 不同磁場對摩擦副摩擦性能的影響

磁場可分為靜磁場和動磁場，靜磁場又稱為恒磁場，其磁場強度和方向保持不變；而交變磁場、脈動磁場和脈沖磁場屬于動磁場，其中交變磁場為磁場強度和方向發(fā)生規(guī)律變化。

2.1 交變電流線圈磁場影響

文獻［10］考察了大氣環(huán)境中磁場對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)由無磁場環(huán)境下的0.48降低到有磁場環(huán)境下的0.40，2種強度的磁場環(huán)境下摩擦因數(shù)非常接近。

（2）與沒有外加磁場的情況相對比，施加磁場后磨損量明顯降低。

（3）在磁場作用下，細小的具有磁性的氧化磨屑逐漸覆蓋在摩擦副表面。

2.2 直流電線圈磁場影響

文獻［12］考察了大氣環(huán)境中磁場對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）與無磁場條件相比，直流穩(wěn)恒磁場下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)恒磁場更容易促進45鋼磨損表面及磨屑的氧化。

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

3 磁場對摩擦磨損機理的影響

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

3.1 磨屑潤滑機理

文獻［8，11－14］分析認為，外加磁場加速摩擦表面和磨屑的氧化。由于外加磁場的作用，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，變得細小、圓滑，從而起到了潤滑劑的作用。

此外，細小而圓滑的磨屑大大減小了摩擦副真實的接觸面積，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。當然，吸附的磨屑也可能引起磨粒磨損，增大磨損率。而試驗結(jié)果表明，大多情況下，這些磨屑充當潤滑劑的作用遠大于作為磨料的破壞作用。

3.2 氧化膜作用機理

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

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

文獻［9］分析認為，外加磁場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（無外加磁場時）摩擦界面轉(zhuǎn)變?yōu)殍F／氧化物／鐵（有外加磁場時）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)。

為了證明磁場條件下摩擦過程中的氧化膜作用，文獻［21］研究了外加磁場對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［19］研究了外加磁場的Ni／Fe摩擦副在不同氣氛中的摩擦學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)在氮氣或氬氣環(huán)境中，磁場對摩擦學(xué)性能影響很?。徽J為磁場促進了鐵磁性材料及磨屑對氧的化學(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，對摩擦學(xué)性能產(chǎn)生有利影響。

3.3 磁致伸縮機理

文獻［17］認為外加磁場對金屬的力學(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，其表面變得更加堅硬。鐵磁性材料磁化過程中，會產(chǎn)生磁致伸縮效應(yīng)，表現(xiàn)為鐵磁性材料的長度和體積變化。磁致伸縮效應(yīng)對鐵磁性金屬具有強化作用，如改變強度、硬度等，這些變化均可改變材料的摩擦學(xué)性能。

文獻［17］測定了中碳鋼／銅摩擦副在有、無磁場作用下，摩擦磨損試驗后中碳鋼表面顯微硬度的變化。

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

試驗中，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)致材料表面強度和硬度提高，從而改善其耐磨性。但外加磁場改變金屬組織結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果是在靜態(tài)下得到的，而摩擦磨損是動態(tài)過程。

摩擦過程中的載荷、線速度、溫度等因素，也會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摩擦磨損機理的影響還有待進一步探討。

3.4 位錯運動機理

文獻［22－26］測得磁場造成金屬內(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，認為材料內(nèi)應(yīng)力下降可使位錯遷移速度增加。在載荷、滑動線速度及外加磁場等同時作用下，促使位錯向摩擦表面遷移，這時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，進而提高了耐磨性。

施加磁場強度過高時，在摩擦表面聚集位錯過多，形成裂紋源，加速摩擦表面的破壞，從而增大磨損。

3.5 轉(zhuǎn)移膜機理

文獻［20－22］分析XC48鋼／石墨摩擦副的摩擦學(xué)性能認為，大氣環(huán)境下，由于受到外加磁場的影響，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的強度和摩擦表面磁學(xué)性能變化的影響。

在惰性氣體環(huán)境中，相同的外加磁場，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)性能都會受到外加磁場的影響。有外加磁場的作用，摩擦因數(shù)都會減?。坏p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。

（2）交變電流線圈磁場和直流電線圈磁場對大氣環(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)于在外加磁場下的摩擦磨損機理，主要觀點有磨屑潤滑機理、氧化膜作用機理、磁致伸縮機理、位錯運動機理及轉(zhuǎn)移膜機理等。本文認為磨屑氧化及其磨粒潤滑機理應(yīng)該起主導(dǎo)作用，對于不同的工況以及不同的體系應(yīng)該略有不同。

［1］ 董祥林，陳金榮，簡小剛.磁場對金屬摩擦磨損影響的研究及展望［J］.材料科學(xué)與工程，2000，18（1）：116－120，88.

［2］ 李 娜，張 弘.受電弓滑板－接觸導(dǎo)線摩擦磨損機理與特性分析［J］.中國鐵道科學(xué)，1996，17（4）：63－68.

［3］ 王 渭，張立祥，黃文浩，等.電子束輻射對PTFE／GF摩擦磨損和壓縮性能的影響［J］.工程塑料應(yīng)用，2006，34（2）：4－6.

［4］ 張建中，李秀人，王忠良.磁場作用于工藝系統(tǒng)對切削過程影響的 試驗 ［J］.遼寧工 程 技術(shù) 大 學(xué) 學(xué)報，2001，20（1）：89－92.

［5］ 張 敏，風 儀.電流對碳納米管－銀－石墨復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響［J］.摩擦學(xué)學(xué)報，2005，25（4）：328－332.

［6］ 張家勝，王 敏.磁性襯板在球磨機中的應(yīng)用［J］.礦業(yè)工程，2005，3（2）：31－32.

［7］ 魏健寧，鐘健松，余里生，等.宏觀石墨顆粒增強工業(yè)純鋁金屬基復(fù)合材料界面阻尼機制［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010，33（10）：1481－1484.

［8］ Kumagai K.Effects of magnetic fields on wear of ferromagnetic materials，Ⅰ：wear of nickel pin versus carbon steel disk under repeated rubbing condition［J］.Bulletin of the Japan Society of Precision Engineering，1985，19（1）：43－48.

［9］ Kumagai K，Suzuki K，Kamiya O.Study on reduction in wear due to magnetization ［J］.Wear，1993，162／164：196－201.

［10］ Chin K J，Zaidi H，Mathia T.Oxide film formation in magnetized sliding steel／steel contact analysis of the contact stress field and film failure mode［J］.Wear，2005，259：477－481.

［11］ Zaidi H，Amirat M，F(xiàn)rene J，et al.Magnetotribology of ferromagnetic／ferromagnetic sliding couple［J］.Wear，2007，263：1518－1526.

［12］ 商 劍，張永振，邱 明.直流穩(wěn)恒磁場對45鋼摩擦磨損性能的影響［J］.材料工程，2009（11）：4－7.

［13］ 徐永智，邱 明，張永振.直流磁場條件下45鋼干滑動摩擦磨損性能的研究［J］.潤滑與密封，2008，33（2）：64－67.

［14］ 董祥林，簡小剛，畢紅運，等.磁場對中碳鋼滑動摩擦磨損的影響［J］.金屬學(xué)報，1999，35（6）：577－580.

［15］ Bhushan1B，Ge S.Electromagnetic effects on the friction and wear of solid－solid interface［J］.Wear，2003，34（10／11）：939－945.

［16］ Jile J，Yu T，Yonggang M.Role of external magnetic field during friction of ferromagnetic materials［J］.Wear，2011，271（1）：2991－2997.

［17］ Hu Z D，Yan H，Qiu H Z，et al.Friction and wear of magnetorheological fluid under magnetic field［J］.Wear，2012，278／279：48－52.

［18］ Mansori M E，Zaidi H，Kadiri E K，et al.Surface modifications of a non－ferromagnetic copper／ferromagnetic steel XC48couple in magnetized sliding contact［J］.Surface and Coatings Technology，1996，86／87：511－515.

［19］ Kumagai K，Kamiya O.Effects of magnetization on wear［J］.Tribology Transactions，1997，40（4）：621－626.

［20］ Zaidi H，Senouci A.Influence of magnetic field on surface medication and the friction behavior of sliding couple aluminium／XC48steel［J］.Surface and Coatings Technology，1999，120／121：653－658.

［21］ Paulmier D，Mansori M E，Zadi H.Study of magnetized or electrical sliding contact of a steel XC48／graphite couple［J］.Wear，1997，203／204：148－154.

［22］ Mansori M E，Schmitt M，Paulmier D.Role of transferred layers in friction and wear for magnetized dry frictional applications［J］.Surface and Coatings Technology，1998，108／109：479－483.

［23］ Mansori M E，Paulmier D.Effects of selective transfer on friction and wear of magnetized steel／graphite sliding couple ［J］. Applied Surface Science，1999， 144／145：233－237.

［24］ Muju M K，Ghosh A.A model of adhesive wear in the presence of a magnetic field－Ι［J］.Wear，1977，41（1）：103－116.

［25］ Muju M K，Glosh A.A model for cross diffusion across a sliding conctact in the presence of a magnetic field［J］.Wear，1979，53：35－42.

［26］ Muju M K，Radhakrishna A.Wear of non－magnetic materials in the presence of a magnetic field［J］.Wear，1980，58（1）：49－58.