外加磁场对摩擦副摩擦学性能影响的研究进展

解 挺， 闫照明， 杨婷婷， 田 明

（合肥工业大学 机 械与汽车工程学院，安徽 合 肥 230009）

0 引 言

随着现代科技的迅猛发展，各种机械零部件的工作环境越来越复杂，如磁场、电场、辐射等环境［1－3］，这些工作环境会对摩擦副运行过程中摩擦界面的物理、化学效应产生影响，直接影响到零部件的摩擦学性能，进而影响到机器的运行稳定性、精度和寿命。

随着电磁技术的广泛应用，越来越多的零部件运行 于电 磁 场 环 境 中［4－5］。大 量 研 究［6－16］表明，磁场对摩擦磨损过程的影响是多方面的，在适当强度的磁场环境中，可以明显提高摩擦副的减摩、耐磨性能。如何利用磁场对摩擦副摩擦学性能的有利影响，已成为近年来的研究热点之一。

本文系统介绍了外加磁场对不同摩擦副摩擦学特性的影响规律，分析了磁场对材料摩擦学行为的影响机理，以期能合理借鉴这一作用，对系统摩擦学性能的优化设计与调控提供一个新的思路。

1 磁场对不同摩擦副摩擦学性能的影响

在外加磁场对摩擦副摩擦学性能影响的研究中，大都使用铁磁性材料或金属材料作为配副材料，这是因为在低于居里温度时，铁磁性材料在很小的外加磁场作用下可产生很大的磁化强度；而非金属材料（如聚四氟乙烯、石墨）很难被磁化或磁化强度很小，故很少被用来作为配副材料。

1.1 铁磁性材料／铁磁性材料摩擦副

文献［7－8］采用Ni／Fe销盘摩擦副（销为Ni合金，盘为碳钢），研究外加磁场对其摩擦磨损性能的影响。研究发现，无磁场或弱磁场作用下，磨损较严重，摩擦表面可以观察到有金属光泽的磨屑产生。当外加磁场增大后，摩擦因数和磨损率显著降低。

文献［9－13］研究了Fe／Fe摩擦副，结果表明，与无磁场相比，外加磁场增大后，摩擦副的摩擦因数降低，磨损量明显减少，磨损表面光滑，磨屑细化。

微观分析表明，Fe在磁场条件下磨损后，摩擦表面出现氧化层，并且大量磨屑被氧化。

1.2 铁磁性材料／非铁磁性材料摩擦副

文献［17］研究了外加磁场对Fe／Cu摩擦副摩擦学性能的影响，试验结果表明，随着外加磁场的增大，铁磁性和非铁磁性试样不仅磨损率都在上升，而且它们的摩擦表面显微硬度也都在上升。在摩擦表面上发现磨屑发生氧化，且磨屑颗粒非常细小。

文献［18］研究了铁磁性销和顺磁性盘组成的摩擦副，销的材料分别为纯 Ni、S45C钢及SUS430不锈钢（铁磁性钢）；盘的材料为SUS304不锈钢（顺磁性钢）。结果表明，由于磁场作用，磨屑颗粒吸附到销上。当磨屑颗粒和盘摩擦表面的显微硬度相差超过100时，外加磁场会促进盘磨损量的增加。

文献［19］选用Al／Fe摩擦副，其中Al是顺磁性材料，制作成销，Fe制作成盘。随着磁场强度逐渐增加，发现摩擦因数从0.55稳定降低到0.45，同时销和盘的磨损率都增加，摩擦表面的显微硬度也增加，磨损颗粒氧化程度提高。

文献［20－21］研究了外加磁场作用下，干滑动摩擦条件下的XC48钢／石墨摩擦副的摩擦学性能，并对有无磁场试验结果进行对比。试验气氛分别为大气环境、氩气环境。试验结果分析发现，在大气环境中，与无磁场条件相比，外加磁场促进氧化层和转移碳膜形成与生长，同样有利于石墨向对偶件表面转移，摩擦因数和磨损率较低；在氩气环境中，同样与无外加磁场相比，在施加磁场后，摩擦副的摩擦因数和磨损率都升高，同时在石墨表面观察到铁颗粒。

2 不同磁场对摩擦副摩擦性能的影响

磁场可分为静磁场和动磁场，静磁场又称为恒磁场，其磁场强度和方向保持不变；而交变磁场、脉动磁场和脉冲磁场属于动磁场，其中交变磁场为磁场强度和方向发生规律变化。

2.1 交变电流线圈磁场影响

文献［10］考察了大气环境中磁场对45钢／45钢组成的销／盘摩擦副摩擦学性能的影响，研究发现：

（1）摩擦因数由无磁场环境下的0.48降低到有磁场环境下的0.40，2种强度的磁场环境下摩擦因数非常接近。

（2）与没有外加磁场的情况相对比，施加磁场后磨损量明显降低。

（3）在磁场作用下，细小的具有磁性的氧化磨屑逐渐覆盖在摩擦副表面。

2.2 直流电线圈磁场影响

文献［12］考察了大气环境中磁场对45钢／45钢组成的销／盘摩擦副摩擦磨损性能的影响，研究发现：

（1）与无磁场条件相比，直流稳恒磁场下45钢／45配副的摩擦系数降低，磨损量明显减少。

（2）大气环境下，直流稳恒磁场更容易促进45钢磨损表面及磨屑的氧化。

（3）磁致伸缩强化、氧化磨损和磨屑润滑的共同作用，是直流稳恒磁场减摩耐磨的主要原因。

3 磁场对摩擦磨损机理的影响

目前，关于外加磁场条件下的干摩擦机理众说纷纭，研究中，目前主要有磨屑润滑机理、氧化膜作用机理、磁致伸缩机理、位错运动机理及转移膜机理等5种机理，但至今仍没有一条得到广泛认可的统一定论，这可能与摩擦条件等有关，不能一概而论。

3.1 磨屑润滑机理

文献［8，11－14］分析认为，外加磁场加速摩擦表面和磨屑的氧化。由于外加磁场的作用，磨屑颗粒吸附在摩擦表面上，在摩擦作用下，磨屑颗粒被反复研磨，变得细小、圆滑，从而起到了润滑剂的作用。

此外，细小而圆滑的磨屑大大减小了摩擦副真实的接触面积，从而减少黏着磨损、微切削作用，降低了摩擦因数和磨损率。当然，吸附的磨屑也可能引起磨粒磨损，增大磨损率。而试验结果表明，大多情况下，这些磨屑充当润滑剂的作用远大于作为磨料的破坏作用。

3.2 氧化膜作用机理

还有一部分学者分析认为磁场作用下的磨损率与摩擦表面的氧化膜有关。

文献［10］研究Fe／Fe摩擦副发现，在磁场作用下，摩擦表面的氧化物主要为Fe3O4，还有少量的Fe2O3和FeO，认为外加磁场有利于氧化膜的形成与生长。

文献［9］分析认为，外加磁场有利于摩擦表面被氧化膜覆盖，并促使大量磨屑被氧化，所以摩擦界面发生了变化，由铁／铁（无外加磁场时）摩擦界面转变为铁／氧化物／铁（有外加磁场时）摩擦界面。产生的氧化膜有利于减少磨损率，降低了摩擦因数。

为了证明磁场条件下摩擦过程中的氧化膜作用，文献［21］研究了外加磁场对Ni／Fe摩擦副摩擦学性能的影响，发现在真空环境中，磨屑颗粒比大气环境中的颗粒大。

文献［19］研究了外加磁场的Ni／Fe摩擦副在不同气氛中的摩擦学行为，发现在氮气或氩气环境中，磁场对摩擦学性能影响很小；认为磁场促进了铁磁性材料及磨屑对氧的化学吸附作用，降低了材料表面的氧化激活能，从而材料表面更容易氧化，对摩擦学性能产生有利影响。

3.3 磁致伸缩机理

文献［17］认为外加磁场对金属的力学性能产生很大的影响，并通过磁致伸缩作用改变金属材料表面的显微硬度，其表面变得更加坚硬。铁磁性材料磁化过程中，会产生磁致伸缩效应，表现为铁磁性材料的长度和体积变化。磁致伸缩效应对铁磁性金属具有强化作用，如改变强度、硬度等，这些变化均可改变材料的摩擦学性能。

文献［17］测定了中碳钢／铜摩擦副在有、无磁场作用下，摩擦磨损试验后中碳钢表面显微硬度的变化。

结果显示，与无磁场条件相比，有磁场条件下钢的表面硬度明显提高，其对偶件铜表面硬度亦有增加，且随着试验速度和载荷提高，摩擦副硬度增加更大。

试验中，磁致伸缩效应和摩擦力的共同作用，可以引起金属相或组织结构的变化，使高速工具钢中因回火产生的残余奥氏体转变为马氏体，这些都导致材料表面强度和硬度提高，从而改善其耐磨性。但外加磁场改变金属组织结构的研究结果是在静态下得到的，而摩擦磨损是动态过程。

摩擦过程中的载荷、线速度、温度等因素，也会引起摩擦表面显微硬度的变化。但摩擦过程的其他因素也可能导致材料表面硬度提高，因此磁致伸缩作用对摩擦磨损机理的影响还有待进一步探讨。

3.4 位错运动机理

文献［22－26］测得磁场造成金属内应力下降而塑性增加，并根据内应力在塑性变形中的作用，认为材料内应力下降可使位错迁移速度增加。在载荷、滑动线速度及外加磁场等同时作用下，促使位错向摩擦表面迁移，这时铁磁性材料表面类似于经受加工硬化作用，提高了自身的显微硬度，进而提高了耐磨性。

施加磁场强度过高时，在摩擦表面聚集位错过多，形成裂纹源，加速摩擦表面的破坏，从而增大磨损。

3.5 转移膜机理

文献［20－22］分析XC48钢／石墨摩擦副的摩擦学性能认为，大气环境下，由于受到外加磁场的影响，在铁摩擦表面形成了一层石墨膜，由于石墨膜的隔离与润滑作用，摩擦因数和磨损率较低，这层转移膜的多少主要受外加磁场的强度和摩擦表面磁学性能变化的影响。

在惰性气体环境中，相同的外加磁场，促使磨屑中铁颗粒钉扎在石墨表面，Fe摩擦表面没有很好的石墨膜，所以摩擦因数和磨损率都有不同程度的增大。

4 结 论

（1）铁磁性材料／铁磁性材料和铁磁性材料／非铁磁性材料摩擦副摩擦学性能都会受到外加磁场的影响。有外加磁场的作用，摩擦因数都会减小；但磨损率的变化有所不同，铁磁性材料／铁磁性材料摩擦副磨损率明显降低，而铁磁性材料／非铁磁性材料摩擦副的磨损率呈现上升态势。

（2）交变电流线圈磁场和直流电线圈磁场对大气环境中铁磁性材料／铁磁性材料摩擦副摩擦学性能的影响作用类似，都会使摩擦副的摩擦因数降低，磨损量明显减少。

（3）关于在外加磁场下的摩擦磨损机理，主要观点有磨屑润滑机理、氧化膜作用机理、磁致伸缩机理、位错运动机理及转移膜机理等。本文认为磨屑氧化及其磨粒润滑机理应该起主导作用，对于不同的工况以及不同的体系应该略有不同。

［1］ 董祥林，陈金荣，简小刚.磁场对金属摩擦磨损影响的研究及展望［J］.材料科学与工程，2000，18（1）：116－120，88.

［2］ 李 娜，张 弘.受电弓滑板－接触导线摩擦磨损机理与特性分析［J］.中国铁道科学，1996，17（4）：63－68.

［3］ 王 渭，张立祥，黄文浩，等.电子束辐射对PTFE／GF摩擦磨损和压缩性能的影响［J］.工程塑料应用，2006，34（2）：4－6.

［4］ 张建中，李秀人，王忠良.磁场作用于工艺系统对切削过程影响的 试验 ［J］.辽宁工 程 技术 大 学 学报，2001，20（1）：89－92.

［5］ 张 敏，风 仪.电流对碳纳米管－银－石墨复合材料摩擦磨损性能的影响［J］.摩擦学学报，2005，25（4）：328－332.

［6］ 张家胜，王 敏.磁性衬板在球磨机中的应用［J］.矿业工程，2005，3（2）：31－32.

［7］ 魏健宁，钟健松，余里生，等.宏观石墨颗粒增强工业纯铝金属基复合材料界面阻尼机制［J］.合肥工业大学学报：自然科学版，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，Frene J，et al.Magnetotribology of ferromagnetic／ferromagnetic sliding couple［J］.Wear，2007，263：1518－1526.

［12］ 商 剑，张永振，邱 明.直流稳恒磁场对45钢摩擦磨损性能的影响［J］.材料工程，2009（11）：4－7.

［13］ 徐永智，邱 明，张永振.直流磁场条件下45钢干滑动摩擦磨损性能的研究［J］.润滑与密封，2008，33（2）：64－67.

［14］ 董祥林，简小刚，毕红运，等.磁场对中碳钢滑动摩擦磨损的影响［J］.金属学报，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.