材科的摩擦、磨损防护

前言任何机器运转时，相互接触的零件之间都将因相对运动而产生摩擦，而磨损正是由于摩擦产生的结果。由于磨损，将造成表层材料的损耗，零件尺寸发生变化，直接影响了零件的使用寿命。材料的摩擦、磨损防护一固体的表面特点与表面的相互接触1固体表面的几何形状（1）表面形状偏差（2）表面波纹度（3）表面粗糙度2材料表面的组织结构及力学性质材料表面的组织结构（1）污染层（2）吸附层（3）氧化层（4）变形层3．固体表面的相互接触当两个粗糙物体表面在法向载荷的作用下贴紧时，最先进入接触的是表面上最高的微凸体，随着载荷的增加，接触微凸体的变形增大，表面上接触微凸体的数目增多，两表面的接触面积增大。二、摩擦摩擦：两个接触的物体相互运动过程中所发生的阻力，摩擦的大小一般用摩擦系数表示。两条摩擦定律:即摩擦系数与名义接触面积无关；摩擦力和载荷成正比分类：固体表面摩擦按摩擦副的运动形式可分为滑动摩擦和滚动摩擦；按摩擦副的运动状分为干摩擦、流体摩擦、边界摩擦和混合摩擦.(1)干摩擦：常用于表示名义上无润滑的摩擦.一般发生在制动器、摩擦传动及纺织、食品化工机械的部件。这些摩擦中，考虑到污染和安全问题，不允许使用润滑剂.(2)边界润滑摩擦：相对运动的两表面被很薄的润滑膜隔开，边界膜的存在可使摩擦系数降低，并使表面磨损显著减少。〔3)流体润滑摩擦：摩擦表面完全被润滑膜隔开。靠润滑膜的压力平衡外载荷，在流体润滑中、摩擦阻力取决于润滑剂的内摩擦(粘度)，这种摩擦状态具有最小的摩擦系数，在节能、延长寿命和减少磨损等方面作用显著.(4)混合摩擦：介于上述各摩擦之间，即接触表面间同时出现干摩擦、边界摩檫和流体润滑摩擦的—种混合摩擦状态。这是生产实际中最常见的—种摩擦状态.三、磨损1相互运动的两个物体，由于表面的接触并发生相对运动而不断损失的现象称为磨损.磨损过程中摩擦表面的变化：（1）表面微裂纹的生成及其破坏作用（2）化学反应过程（3）润滑剂的作用（4）摩擦表面间材料的转移2磨损的分类〔1)疲劳磨损：疲劳磨损也称为接触疲劳磨损其基本原理为：两表面在相村滚动或滑动过径中，在外载荷引起的交变接触应力作用下，使裂纹在被磨面的表面或次表面形成、扩展并连通。最后剥离下来，形成点蚀或剥落例如：具有润滑的轴承、齿轮与凸轮长期使用后，摩擦副表面发生接触疲劳磨损，在磨损表面出现麻点与剥落。

接触疲劳是工件(如齿轮、滚动轴承，钢轨和轮箍，凿岩机活塞和钎尾的打击端部等)表面在接触压应力的长期不断反复作用下引起的一种表面疲劳破坏现象，表现为接触表面出现许多针状或痘状的凹坑，称为麻点，也叫点蚀或麻点磨损。有的凹坑很深，呈“贝壳”状，有疲劳裂纹发展线的痕迹存在。在刚出现少数麻点时，一般仍能继续工作，但随着工作时间的延续，麻点剥落现象将不断增多和扩大，例如齿轮，此时啮合情况恶化，磨损加剧，发生较大的附加冲击力，噪声增大，甚至引起齿根折断。

(2)粘着磨损：粘着磨损是指两个相对运动的表面发生相互焊合，在相互运动过程中焊合表面产生撕裂而发生的磨损。其基本过程为：两个相对运动的表面在摩擦力作用下，表面层发生塑性变形．表面的氧化膜或污染膜被破坏，露出新鲜表面而发生焊合、当外力大干焊点的强度时，焊点将被剪断，若剪切正好发生在接触表面，将不会发生磨损，而大多数剪切发生在强度较低方的表面层，形成“材料转移”。在以后的摩擦过程巾，转移(粘着)物将从表面脱落下来形成磨屑。粘着磨损主要是微凸体接触区域受损引起的，通常发生在重载、高速．特别是产生大量摩擦热的运动副中。过载及润滑不良的轴承、齿轮等常发生粘着磨损

阿查德(Archard)提出粘着摩损模型，得出了粘着摩损规律的表达式。

磨损率为

阿查德公式说明，粘着磨损所造成的体积磨损量和载荷及滑动距离成正比，与材料的硬度成反比。式中K称为粘着磨损系数，决定于摩擦条件和摩擦副材料。当压力不超过钢的硬度的1/3时，实验证明这一公式所表示的规律是正确的，磨损与载荷成正比，K/H保持不变；但超过钢的屈服强度时，K值急剧增大，磨损也急剧增大，结果造成大面积的焊合和咬死。此时整个表面发生塑性变形，接触面积不再与载荷成正比。影响粘着磨损的因素

(1)脆性材料的抗粘着磨损能力比塑性材料高。

(2)金属性质越是相近的，构成摩擦副时粘着磨损也越严重。反之，金属间互溶程度越小，晶体结构不同，原子尺寸差别较大，形成化合物倾向较大的金属，构成摩擦副时粘着磨损就较轻微。滑动轴承就是这样的例子，选用淬火钢轴与锡基或铝基轴瓦配对。在受力较小时，选用金属与塑料配对都能减小粘着磨损。

(3)通过表面化学热处理，如渗硫、硫氮共渗、磷化、软氮化等热处理工艺，使表面生成一化合物薄膜，或为硫化物，磷化物，含氮的化合物，使摩擦系数减小，起到减磨作用也减小粘着磨损。

(4)改善润滑条件，如在润滑油中添加极压剂。

(5)粘着磨损严重时表现为胶合。粘着磨损失效举例

(1)内燃机中的活塞环和缸套衬这一运动的摩擦副，如不考虑燃气介质的腐蚀性，主要表现为粘着磨损。

(2)正常情况下轴在滑动轴承中运转，是一流体润滑情况，轴颈和轴承间被一楔形油膜隔开，这时其摩擦和磨损是很小的。但当机器启动或停车，换向以及载荷运转不稳定时，或者润滑条件不好，几何结构参数不恰当而不能建立起可靠的油膜时，轴和轴承之间就不可避免发生局部的直接接触，处于边界摩擦或干摩擦的工作状态，这时轴承就要考虑粘着磨(3)磨粒磨损：硬的颗粒或对磨表面上硬的微凸体在摩擦过程中引起的材料损失，称为磨粒磨损。磨粒磨损实质上是材料表面在磨粒作用下发生塑性变形和断裂的过程。

脆屑磨粒磨损材料行进P

(1)低应力划伤式的磨料磨损，它的特点是磨料作用于零件表面的应力不超过磨料的压溃强度，材料表面被轻微划伤。生产中的犁铧，及煤矿机械中的刮板输送机溜槽磨损情况就是属于这种类型。(2)高应力辗碎式的磨料磨损，其特点是磨料与零件表面接触处的最大压应力大于磨料的压溃强度。生产中球磨机衬板与磨球，破碎式滚筒的磨损便是属于这种类型。

(3)凿削式磨料磨损，其特点是磨料对材料表面有大的冲击力，从材料表面凿下较大颗料的磨屑，如挖掘机斗齿及颚式破碎机的齿板。也有以磨损接触物体的表面分类，分为两体磨料磨损和三体磨料磨损。两体磨损的情况是，磨料与一个零件表面接触，磨料为一物体，零件表面为另一物体，如犁铧。而三体磨损，其磨损料介于两个滑动零件表面，或者介于两个滚动物体表面，前者如活塞与汽缸间落人磨料，后者如齿轮间落人磨料。这两种分类法最常用。材料的损失率与磨损粒子和滑动表面的相对运动有关。如果表面比磨粒硬，磨损率小。对于要求高耐磨料磨损性的应用，具有高硬度，高韧性，适当的温度稳定性的材料是最好的选择。常见的选择包括回火马氏体，表面硬化钢，钴合金和许多陶瓷材料。影响磨粒磨损的因素

(1)磨料的硬度、大小及形状，磨粒的韧性、压碎强度等。

(2)外界载荷大小、滑动距离及滑动速度。

(3)材料自身的硬度及内部组织。磨粒磨损的主要试验规律虽然零件或材料的耐磨性能不是材料的固有特性，它与许多因素有关，但是材料本身的硬度和磨粒的硬度是影响磨料磨损的两个最主要的因素，现已总结出它们的影响规律。(1)如果材料预先已经过加工硬化，则对增加耐磨性就不再起作用。这说明磨损试验本身，已使材料表面达到了最大的加工硬化状态。(2)材料的耐磨性显然与磨粒的硬度、几何形状、物理性能有关。

除了提高材料本身硬度可增加抗磨料磨损性能外，还可进行感应加热淬火、渗碳、氮化、表面喷镀与堆焊来提高耐磨性。磨粒磨损试验方法

磨损试验方法可分为两类：

1．实物磨损试验——即以实物零件在机器实际工作条件下进行试验，或者用实物零件在模拟机械使用条件的试验台上进行试验。

2．试样磨损试验——即将欲试材料制成规定试样，在规定的试验条件下在专门设计的试验机上进行试验。

(4)腐蚀磨损：化学和力学的协同破坏作用可以增加固体表面材料损失的速率。例如：与滑动或滚动相关的力学磨损可以破坏保护膜，从而将基底暴露于腐蚀环境中；另一方面，腐蚀的反应产物，特别是坚硬的氧化物颗粒，也会成为磨蚀粒子。(5)冲蚀磨损：冲蚀磨损指的是材料表面受到细小而松散的流动粒子冲击时而出现的—种磨损形式。(6)微动磨损：微动磨损是指两固体接触表面上因出现周期性小振幅振动所造成损伤的一种特殊的磨损方式，微动磨损主要发生在相对静止的摩擦副表面，两接触表面无宏观相对运动。只是在外界变载荷影响下存在微小振幅的相对震动而引起磨损。影响磨损的主要因素(1)服役条件1）载荷：随载荷增加，摩擦副表面实际接触面积增大。从而摩擦力增大，摩擦热增加使材料表面损伤加速。2）速度：如果滑动速度的增加未引起摩擦表面温度的激增，则随滑动速度的增加．摩擦时间减少，材料来不及变形、从而使磨损量减少。若滑动速度增加使摩擦副表面急剧升混温而软化，则会加剧接触表由的粘着倾向，使粘着磨损增加。

⑦温度：随温度升高，材料表面的硬度降低，使实际接触面积增加，导致粘着磨损倾向上升，当温度升到—定程度后，将使接触表面局部熔化焊合，使粘着磨损急剧增加同时，温度升高导致摩擦副表面间润滑油氧化甚至失效，也会加剧磨损。因此在高温的服役条件下，应选择石墨、二氧化钼作为润滑剂。

4）表面粗糙度：—般情况下，表面越粗糙，摩擦阻力越大，摩擦系数也越大，磨损就愈严重但表面太光滑也会使接触面积增加和表面的储油能力下降，从而使磨损增加。5）表面污染层与润滑膜：材料表面吸附的表面污染层，在摩擦过程中可降低接触表面间的粘着倾向，起到减磨润滑作用。(2)材料本身性质的影响材料的机械除能：硬度对耐磨性有很大影响,一般说来，硬度越高，耐磨性越好。尤其对于软性材料来说，提高硬度可明显改善耐磨性。塑性与韧性对硬脆材料的耐磨性影响较大，硬脆材料在磨损过中，表层容易萌生裂纹并扩展，从而导致表层剥离，若提高材料的塑性与韧性，将增加材料阻止裂纹扩展的能力，可明显提高耐磨性。化学成分和组织结构的影响：材料的化学成分对磨损有较大影响。对钢材而言，原子半径小的元素，如；碳、氢、磷、硼等，以间隙固溶的形式存在于钢中，使钢的硬度增加，从而提高耐磨性，钛、、钒、钨、铌、铬等元素与钢中的碳、氮元素形成弥散而细小的碳化物或氮化物、提高钢的耐磨性，硼、钼、铬、镍等元素加人钢中，提高钢的淬透性而获得坚硬的马氏体组织，从而提高耐磨性，钢中的铅、硫、磷等元素能够提高耐磨性。如在摩檫过程中，钢材表面以自由状态存在的铅颗粒容易脱落．被碾压成膜而具有良好的润滑效果；硫元素与铁、钼、钨等元素反应形成具有减磨效果的FeS、MoS2、WS2化合物；钢中的磷元素可在表由形成五氧化二磷保护膜，减少表面粘着倾向，并抵抗大气腐蚀。

材料的组织结构对磨损有较大的影响，在摩擦过程中，两种金属材料的互溶性越好，粘着磨损的倾向越大，两种材料差别越大，则它们之间的粘着磨损倾向越小；

四、润滑与润滑材料1流体润滑固体摩擦表面之间靠一层充分厚的粘性流体膜进行润滑，叫流体润滑。流体润滑的条件是在摩擦表面之间维持一层足够厚度的流体润滑膜。边界润滑如果摩擦表面承受压力太大．相对运动速度太低，则摩擦表面粘性流体润滑剂的压力不足以平衡外载，流体膜的厚度就会减少到分子级大小，形成流体膜，在一定程度上起保护摩擦表面的作用，这种摩擦状态叫边界润滑。边界润滑摩