第五章-减摩、耐磨及摩阻材料(2014-06-1811-20)

第五章耐磨、减摩及摩阻材料一、概述摩擦副的摩擦与磨损，是影响机器设备的工作效率和使用寿命的主要因素。根据摩擦副不同的工况条件(速度、负荷、温度、介质等)和使用要求，从摩擦学的观点研究分析摩擦副材料的摩擦、磨损特性，分别采用不同的耐磨、减摩或摩阻材料，以确定相应的材质选配。例如：在农业机械、工程机械、矿山设备，摩擦副材料应有高的耐磨性。各类轴承、齿轮、蜗轮运动副、机床导轨等要求摩擦副材料有低的摩擦系数和高的耐磨性。运输和工程机械(如汽车、火车、拖拉机、飞机、起重机、提升和卷扬机等)，制动摩擦副材料应有高而稳定的摩擦系数和耐磨性。二、耐磨材料1、材料耐磨性的定义

材料的耐磨性通常是指在一定的工况条件下，摩擦副材料在摩擦过程中抵抗磨损的能力。材料的耐磨性离不开工况条件(速度、载荷、温度、介质等)。同一种材料，在不同的工况条件下其耐磨性相差很大。如，高锰钢。高硬度的材料具有好的抗磨料磨损性能，而在交变接触应力作用下抗疲劳磨损的能力却不好。材料的配对、摩擦副的结构形状、磨损的形式、维护条件等的不同，其耐磨性也不相同。**因此，可以说并不存在一种材料，它在各种情况下都是耐磨(或减摩)的。材料的耐磨性是有条件的，也是相对的。2、

材料耐磨性的评定指标：(1)磨损量：磨损的大小用磨损量表示，表面被磨损的高度h、被磨损的体积V、被磨去的重量G或质量m表示。(2)磨损率：由于磨损是一个过程，由此通常判断材料磨损的快慢程度，常采用移动单位距离产生的磨损量表示，称为磨损率。a.线磨损率KL：单位滑动距离摩擦表面法向尺寸的减少量。线磨损率是一个无量纲的量，用表面法向尺寸变化表示磨损率，即：b.体积磨损率KV

：单位滑动距离摩擦表面体积的减少量。用磨损体积V表示磨损率，即：c.重量磨损率KG

：单位滑动距离上，每单位面积摩擦表面重量的减少量。用磨损的重量G表示磨损率，即：单位为kg/(m2s2)，式中Aa为名义接触面积。d.质量磨损率Km

：单位滑动距离上，每单位面积摩擦表面质量的减少量。用磨损的质量m表示磨损率，

；单位为m2；单位为kg/m3(3)耐磨性E：耐磨性E为磨损率的倒数。对于线磨损率，耐磨性表示为：对于体积磨损率，耐磨性表示为：对于重量磨损率，耐磨性表示为：(4)相对耐磨系数ε：在同一试验条件下，标准材料试样的体积或线磨损量hs

(或磨损率)

与被测材料试样的体积或线磨损量h(或磨损率)

之比：3、耐磨材料的选择原则：一种材料对不同类型的磨损，具有不同的耐磨性，因此，在选择耐磨材料时，首先应了解磨损类型。例如：①以疲劳磨损为主的零件，由于它的磨损与裂纹的形成和扩展有关，因此，材料的设计应当考虑其具有较好的组织连续性和具有抗裂纹扩展能力，要尽量减少钢中的夹杂物。②以磨料磨损为主的零件，一般是提高材料的硬度来提高它的耐磨性，但在承受载荷和冲击较大的情况下，则应首先考虑其韧性，然后才考虑其硬度。③以腐蚀磨损为主的零件，一般要求材料具有良好的抗腐蚀性能。

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以粘着磨损为主的零件，其主要选用原则为：a.材料的脆性特征；b.材料的不互溶性特征；c.材料的组织不连续特征：由于多相金属的组织不连续，相互吸附力小，有利于控制粘着磨损的发生和扩展，故多相金属比单相金属的抗粘着磨损能力高。4、常用的耐磨金属

一种材料对不同类型的磨损，具有不同的耐磨性，因此在选择材料时，首先应了解磨损类型。(1)高锰钢成分：碳1.2％，锰12.5。特点：既硬又韧的钢种；只有充分加工硬化才具有优良的耐磨性。缺点：导热性差，热膨胀系数较大，无磁性；易于加工硬化，切削加工困难；屈服强度较低，工作中易变形。(2)低合金耐磨钢高锰钢在冲击载荷不大的情况下，由于其加工硬化不够，耐磨性并不高。而低合金钢在这种情况下，显示出更高的耐磨性。

低合金钢具有仅次于高锰钢的高韧性，如果合理选择合金成分和热处理方法，能够获得比高锰钢还高的强度和比较深的表面硬化层，其适用范围较广泛。在耐磨粒磨损方面使用的低合金钢有中碳铬锰硅钢和高碳铬锰硅钢，其化学成分一般为Cr1-3%,Mn1%,Si1-3%。

(3)石墨钢石墨钢综合了钢和铸铁的优点，既有良好的耐磨性，也有较高的机械性能和较好的铸造性能，其化学成分一般为碳1.25％-1.45％，Si1％-1.25％，Mn0.3％-0.5％。

在低应力的磨料磨损条件下，石墨钢比高锰钢的耐磨性好，且成本低。但它的导热性差，在热应力高的情况下会发生热裂。

(4)耐磨铸铁机械性能不及钢，但含有石墨，具有一定的耐磨性和减磨性，且成本低，可用于对减摩、耐磨要求不高的场合。各种合金白口铸铁，常用的有高铬合金白口铸铁(含Cr15％-30％)、镍硬白口铸铁(含Ni3.3％-5％)、钨系白口铸铁等。高铬合金白口铸铁，具有良好的抗磨粒磨损能力。但合金元素含量高，成本较高；其韧性较普通的白口铸铁和镍硬白口铸铁高，但比高锰钢和低合金耐磨钢却低得多，因此不能用于受强烈冲击载荷的零件。

三、减摩材料1、减摩材料的基本要求：(1)低的摩擦系数；(2)较好的耐磨性、抗粘着性和磨合性；磨合性：零件在试运行期间(磨合期)，磨合性越好，所需磨合的时间就越短、磨损量越小，磨合后表面耐磨性好。(3)良好的顺应性和嵌合性；顺应性:材料的表层通过弹塑性变形，对制造误差、受载变形和表面租糙度的适应性能。嵌合性:表示将外部杂质和硬颗粒嵌入摩擦表面而不外露以防擦伤对偶表面，影响性能。

通常，硬度低、塑性好和弹性模量低的材料，其顺应性和嵌合性也较好。(4)足够的强度；(5)导热性好、热膨胀系数小、抗腐蚀好，与油膜的吸附能力强。2、常用的金属减摩材料(1)巴氏合金：巴氏合金是最早应用于滑动轴承上的减摩材料，它是以锡或铅为基体的软合金，因主要用于轴瓦，也称轴承合金。按组成的主要元素分，有锡基和铅基两类。a.锡基轴承合金：锡基合金的硬度较低(HB13-32)，熔点也较低(240-320ºC)，当温度升高时，合金表面软化，起着润滑的作用，而且磨合容易。锡基轴承合金有良好的减摩性能，具有摩擦系数和膨胀系数小，塑性和导热好等优点，但疲劳强度低。b.铅基轴承合金铅基合金以铅为主，含有适量的锑(10-18％)和锡(0-20％)。特点：成本低，高温强度好，亲油性好，有自润滑性，适用于润滑较差的场合。但机械强度、耐磨性、导热性不及锡基合金，可用于载荷不大和转速不高的场合，如汽车、拖拉机曲轴的轴瓦等。(2)铝基轴承合金：特点：比重小，导热性好，疲劳强度高和耐磨性好，且原料充足，价格低廉。但热膨胀系数大，抗粘着性、嵌合性与顺应性较差。目前应用的有铝锑镁轴承合金和高锡铝基轴承合金。

铝锑镁轴承合金适用于载荷不超过20N/mm2及滑动速度不大于10m/s的滑动轴承。高锡铝基轴承合金适用于裁荷达28N/mm2，滑动速度在13m/s以下的滑动轴承。

(3)铜基轴承合金：用作减摩材料的铜基合金主要：锡青铜和铅青铜。特点：锡青铜的机械强度较高，减摩性和耐磨性也较好，适宜于制造重载轴承。铅青铜的承载能力和疲劳强度高，能在250ºC以下的温度正常工作，但顺应性和嵌合性较差，也不耐磨蚀。

(4)铁基合金：铸铁的机械性能远不如钢，但由于铸铁组织中含有大量的石墨而具有良好的减摩性，故在轻载低速的轴承中应用比钢广泛。

铸铁的减摩性与石墨的形状有关，球状和厚片状石墨比薄片状石墨耐磨，同时组织中应含有少量游离的渗碳体。

(5)粉末冶金减摩材料：金属粉末与具有减摩性的非金属固体粉末，按一定比例混合压制成型，经烧结和整形后得到的有多孔性组织的材料。用浸渍方法使空隙中充满润滑油，可成为一种具有自润滑性能的减摩材料，如含油轴承。这是一种具有自润滑、减摩及耐磨并有吸振作用的减摩材料。

3、常用的非金属减摩材料：

很多无机和有机材料都具有减摩性能，可用于在干摩擦或边界摩擦条件下工作的摩擦副，其中应用较多的是高分子聚合物和各种工程塑料。(1)有机非金属材料：主要是各类工程塑料。(2)无机非金属减摩材料a.石墨：六方晶系晶体，层状结构，层内碳原子以牢固的共价键相连，各层之间距离较大，碳原子以微弱的范德华键相连，各层间易被剪切而发生滑动。自润滑性能与环境条件密切相关，在潮湿大气中，能吸附空气中的水蒸汽，降低摩擦系数，在干燥条件下，减磨性能较差，不适宜用作真空或干燥条件下工作的减摩材料。导电、导热和热稳定性很好，用作高温润滑剂及电接触材料。

b.二硫化钼：层状结构的六方晶体，晶体内两层硫原子中间夹一层钼原子，层内原子以共价键结合，层层间以范德华键结合，易发生层间滑动。

硫原子与金属表面的粘着结合力相当强，能形成一层牢固的润滑薄膜，承载能力大于石墨。在潮湿环境中表面化学活性易发生变化，在晶体表面形成无定形硫，同时在晶体活性棱面上形成氢键，阻碍晶体发生滑动，增加摩擦系数。因此，二硫化钼在干燥条件下，具有优良的减摩性。四、摩阻材料1、定义：

摩阻材料又称制动材料或刹车材料，是用于各种运输工具及各种机器设备的制动器、离合器和摩擦传动装置上，摩阻材料的性能直接关系到部件的工作能力和可靠性。2、对摩阻材料的基本要求有：具有高而且稳定的摩擦系数。摩擦系数基本上不随外界条件的变化而变化；有良好的耐磨性，不易划伤摩擦配偶件的表面和发生严重的粘着；磨合性好，在摩擦过程中噪音、振动小；具有良好的物理、机械性能。摩阻材料工作时，因摩擦系数高，发热量大，故要求摩阻材料具有良好的导热性，大的热容量，而且有一定的高温机械强度；制造工艺简单，成本低，材料来源充足。3、常用摩阻材料（1）金属基摩阻材料：

铸铁、钢、青铜和粉末冶金摩阻材料等。金属基摩阻材料的特点：强度高，不易破裂，对水的侵入不敏感，但温度上升时，摩擦系数下降快。其中粉末冶金摩阻材料应用最广，发展最快，其特点是具有高且稳定的摩擦系数，良好的耐磨性，许用压强高，热稳定性好。缺点是噪声高，脆性大。主要用于重载交通工具和工程机械的制动器和离合器。粉末冶金摩阻材料由金属基体、减摩成分和增摩成分三部分组成。金属基体有铁粉和铜粉两类。减摩成分由低熔点金属(铅、铋、锑)、非金属固体润滑剂(石墨、二硫化钼)等混合而成。加入这些成分虽提高了材料的耐磨性，但使摩擦系数减小，强度降低。增摩成分由一些高熔点金属粉末(如铬粉、钼粉)、金属氧化物(氧化铁，氧化铝，氧化铬等)、氮化物(如氮化钛)、碳化物以及非金属材料(如石棉、二氧化硅等)组成。（2）非金属基摩阻材料：主要以石棉为基体，添加调节摩擦性能的填料，再用粘结剂在热压模具内压制成型。它包括以下几类：a.石棉摩阻材料：

基体骨架为石棉，熔点高、摩擦系数大、机械强度良好、硬度适中，与粘结剂有强的吸附力。石棉在摩阻材料中的含量一般在30-60%之间。根据摩阻材料对摩擦性能的要求，加入的填料成分有的起增加摩擦系数作用，有的起降低摩擦系数作用。作为减摩剂的有：二硫化钼、铅、锡、硫酸钡等。起到提高耐磨性、导热性、稳定摩擦系数，减轻表面擦伤的作用。作为增摩剂的有：