第五章-減摩、耐磨及摩阻材料(2014-06-1811-20)

第五章耐磨、減摩及摩阻材料一、概述摩擦副的摩擦與磨損，是影響機器設(shè)備的工作效率和使用壽命的主要因素。根據(jù)摩擦副不同的工況條件(速度、負荷、溫度、介質(zhì)等)和使用要求，從摩擦學的觀點研究分析摩擦副材料的摩擦、磨損特性，分別采用不同的耐磨、減摩或摩阻材料，以確定相應(yīng)的材質(zhì)選配。例如：在農(nóng)業(yè)機械、工程機械、礦山設(shè)備，摩擦副材料應(yīng)有高的耐磨性。各類軸承、齒輪、蝸輪運動副、機床導軌等要求摩擦副材料有低的摩擦系數(shù)和高的耐磨性。運輸和工程機械(如汽車、火車、拖拉機、飛機、起重機、提升和卷揚機等)，制動摩擦副材料應(yīng)有高而穩(wěn)定的摩擦系數(shù)和耐磨性。二、耐磨材料1、材料耐磨性的定義

材料的耐磨性通常是指在一定的工況條件下，摩擦副材料在摩擦過程中抵抗磨損的能力。材料的耐磨性離不開工況條件(速度、載荷、溫度、介質(zhì)等)。同一種材料，在不同的工況條件下其耐磨性相差很大。如，高錳鋼。高硬度的材料具有好的抗磨料磨損性能，而在交變接觸應(yīng)力作用下抗疲勞磨損的能力卻不好。材料的配對、摩擦副的結(jié)構(gòu)形狀、磨損的形式、維護條件等的不同，其耐磨性也不相同。**因此，可以說并不存在一種材料，它在各種情況下都是耐磨(或減摩)的。材料的耐磨性是有條件的，也是相對的。2、

材料耐磨性的評定指標：(1)磨損量：磨損的大小用磨損量表示，表面被磨損的高度h、被磨損的體積V、被磨去的重量G或質(zhì)量m表示。(2)磨損率：由于磨損是一個過程，由此通常判斷材料磨損的快慢程度，常采用移動單位距離產(chǎn)生的磨損量表示，稱為磨損率。a.線磨損率KL：單位滑動距離摩擦表面法向尺寸的減少量。線磨損率是一個無量綱的量，用表面法向尺寸變化表示磨損率，即：b.體積磨損率KV

：單位滑動距離摩擦表面體積的減少量。用磨損體積V表示磨損率，即：c.重量磨損率KG

：單位滑動距離上，每單位面積摩擦表面重量的減少量。用磨損的重量G表示磨損率，即：單位為kg/(m2s2)，式中Aa為名義接觸面積。d.質(zhì)量磨損率Km

：單位滑動距離上，每單位面積摩擦表面質(zhì)量的減少量。用磨損的質(zhì)量m表示磨損率，

；單位為m2；單位為kg/m3(3)耐磨性E：耐磨性E為磨損率的倒數(shù)。對于線磨損率，耐磨性表示為：對于體積磨損率，耐磨性表示為：對于重量磨損率，耐磨性表示為：(4)相對耐磨系數(shù)ε：在同一試驗條件下，標準材料試樣的體積或線磨損量hs

(或磨損率)

與被測材料試樣的體積或線磨損量h(或磨損率)

之比：3、耐磨材料的選擇原則：一種材料對不同類型的磨損，具有不同的耐磨性，因此，在選擇耐磨材料時，首先應(yīng)了解磨損類型。例如：①以疲勞磨損為主的零件，由于它的磨損與裂紋的形成和擴展有關(guān)，因此，材料的設(shè)計應(yīng)當考慮其具有較好的組織連續(xù)性和具有抗裂紋擴展能力，要盡量減少鋼中的夾雜物。②以磨料磨損為主的零件，一般是提高材料的硬度來提高它的耐磨性，但在承受載荷和沖擊較大的情況下，則應(yīng)首先考慮其韌性，然后才考慮其硬度。③以腐蝕磨損為主的零件，一般要求材料具有良好的抗腐蝕性能。

④

以粘著磨損為主的零件，其主要選用原則為：a.材料的脆性特征；b.材料的不互溶性特征；c.材料的組織不連續(xù)特征：由于多相金屬的組織不連續(xù)，相互吸附力小，有利于控制粘著磨損的發(fā)生和擴展，故多相金屬比單相金屬的抗粘著磨損能力高。4、常用的耐磨金屬

一種材料對不同類型的磨損，具有不同的耐磨性，因此在選擇材料時，首先應(yīng)了解磨損類型。(1)高錳鋼成分：碳1.2％，錳12.5。特點：既硬又韌的鋼種；只有充分加工硬化才具有優(yōu)良的耐磨性。缺點：導熱性差，熱膨脹系數(shù)較大，無磁性；易于加工硬化，切削加工困難；屈服強度較低，工作中易變形。(2)低合金耐磨鋼高錳鋼在沖擊載荷不大的情況下，由于其加工硬化不夠，耐磨性并不高。而低合金鋼在這種情況下，顯示出更高的耐磨性。

低合金鋼具有僅次于高錳鋼的高韌性，如果合理選擇合金成分和熱處理方法，能夠獲得比高錳鋼還高的強度和比較深的表面硬化層，其適用范圍較廣泛。在耐磨粒磨損方面使用的低合金鋼有中碳鉻錳硅鋼和高碳鉻錳硅鋼，其化學成分一般為Cr1-3%,Mn1%,Si1-3%。

(3)石墨鋼石墨鋼綜合了鋼和鑄鐵的優(yōu)點，既有良好的耐磨性，也有較高的機械性能和較好的鑄造性能，其化學成分一般為碳1.25％-1.45％，Si1％-1.25％，Mn0.3％-0.5％。

在低應(yīng)力的磨料磨損條件下，石墨鋼比高錳鋼的耐磨性好，且成本低。但它的導熱性差，在熱應(yīng)力高的情況下會發(fā)生熱裂。

(4)耐磨鑄鐵機械性能不及鋼，但含有石墨，具有一定的耐磨性和減磨性，且成本低，可用于對減摩、耐磨要求不高的場合。各種合金白口鑄鐵，常用的有高鉻合金白口鑄鐵(含Cr15％-30％)、鎳硬白口鑄鐵(含Ni3.3％-5％)、鎢系白口鑄鐵等。高鉻合金白口鑄鐵，具有良好的抗磨粒磨損能力。但合金元素含量高，成本較高；其韌性較普通的白口鑄鐵和鎳硬白口鑄鐵高，但比高錳鋼和低合金耐磨鋼卻低得多，因此不能用于受強烈沖擊載荷的零件。

三、減摩材料1、減摩材料的基本要求：(1)低的摩擦系數(shù)；(2)較好的耐磨性、抗粘著性和磨合性；磨合性：零件在試運行期間(磨合期)，磨合性越好，所需磨合的時間就越短、磨損量越小，磨合后表面耐磨性好。(3)良好的順應(yīng)性和嵌合性；順應(yīng)性:材料的表層通過彈塑性變形，對制造誤差、受載變形和表面租糙度的適應(yīng)性能。嵌合性:表示將外部雜質(zhì)和硬顆粒嵌入摩擦表面而不外露以防擦傷對偶表面，影響性能。

通常，硬度低、塑性好和彈性模量低的材料，其順應(yīng)性和嵌合性也較好。(4)足夠的強度；(5)導熱性好、熱膨脹系數(shù)小、抗腐蝕好，與油膜的吸附能力強。2、常用的金屬減摩材料(1)巴氏合金：巴氏合金是最早應(yīng)用于滑動軸承上的減摩材料，它是以錫或鉛為基體的軟合金，因主要用于軸瓦，也稱軸承合金。按組成的主要元素分，有錫基和鉛基兩類。a.錫基軸承合金：錫基合金的硬度較低(HB13-32)，熔點也較低(240-320oC)，當溫度升高時，合金表面軟化，起著潤滑的作用，而且磨合容易。錫基軸承合金有良好的減摩性能，具有摩擦系數(shù)和膨脹系數(shù)小，塑性和導熱好等優(yōu)點，但疲勞強度低。b.鉛基軸承合金鉛基合金以鉛為主，含有適量的銻(10-18％)和錫(0-20％)。特點：成本低，高溫強度好，親油性好，有自潤滑性，適用于潤滑較差的場合。但機械強度、耐磨性、導熱性不及錫基合金，可用于載荷不大和轉(zhuǎn)速不高的場合，如汽車、拖拉機曲軸的軸瓦等。(2)鋁基軸承合金：特點：比重小，導熱性好，疲勞強度高和耐磨性好，且原料充足，價格低廉。但熱膨脹系數(shù)大，抗粘著性、嵌合性與順應(yīng)性較差。目前應(yīng)用的有鋁銻鎂軸承合金和高錫鋁基軸承合金。

鋁銻鎂軸承合金適用于載荷不超過20N/mm2及滑動速度不大于10m/s的滑動軸承。高錫鋁基軸承合金適用于裁荷達28N/mm2，滑動速度在13m/s以下的滑動軸承。

(3)銅基軸承合金：用作減摩材料的銅基合金主要：錫青銅和鉛青銅。特點：錫青銅的機械強度較高，減摩性和耐磨性也較好，適宜于制造重載軸承。鉛青銅的承載能力和疲勞強度高，能在250oC以下的溫度正常工作，但順應(yīng)性和嵌合性較差，也不耐磨蝕。

(4)鐵基合金：鑄鐵的機械性能遠不如鋼，但由于鑄鐵組織中含有大量的石墨而具有良好的減摩性，故在輕載低速的軸承中應(yīng)用比鋼廣泛。

鑄鐵的減摩性與石墨的形狀有關(guān)，球狀和厚片狀石墨比薄片狀石墨耐磨，同時組織中應(yīng)含有少量游離的滲碳體。

(5)粉末冶金減摩材料：金屬粉末與具有減摩性的非金屬固體粉末，按一定比例混合壓制成型，經(jīng)燒結(jié)和整形后得到的有多孔性組織的材料。用浸漬方法使空隙中充滿潤滑油，可成為一種具有自潤滑性能的減摩材料，如含油軸承。這是一種具有自潤滑、減摩及耐磨并有吸振作用的減摩材料。

3、常用的非金屬減摩材料：

很多無機和有機材料都具有減摩性能，可用于在干摩擦或邊界摩擦條件下工作的摩擦副，其中應(yīng)用較多的是高分子聚合物和各種工程塑料。(1)有機非金屬材料：主要是各類工程塑料。(2)無機非金屬減摩材料a.石墨：六方晶系晶體，層狀結(jié)構(gòu)，層內(nèi)碳原子以牢固的共價鍵相連，各層之間距離較大，碳原子以微弱的范德華鍵相連，各層間易被剪切而發(fā)生滑動。自潤滑性能與環(huán)境條件密切相關(guān)，在潮濕大氣中，能吸附空氣中的水蒸汽，降低摩擦系數(shù)，在干燥條件下，減磨性能較差，不適宜用作真空或干燥條件下工作的減摩材料。導電、導熱和熱穩(wěn)定性很好，用作高溫潤滑劑及電接觸材料。

b.二硫化鉬：層狀結(jié)構(gòu)的六方晶體，晶體內(nèi)兩層硫原子中間夾一層鉬原子，層內(nèi)原子以共價鍵結(jié)合，層層間以范德華鍵結(jié)合，易發(fā)生層間滑動。

硫原子與金屬表面的粘著結(jié)合力相當強，能形成一層牢固的潤滑薄膜，承載能力大于石墨。在潮濕環(huán)境中表面化學活性易發(fā)生變化，在晶體表面形成無定形硫，同時在晶體活性棱面上形成氫鍵，阻礙晶體發(fā)生滑動，增加摩擦系數(shù)。因此，二硫化鉬在干燥條件下，具有優(yōu)良的減摩性。四、摩阻材料1、定義：

摩阻材料又稱制動材料或剎車材料，是用于各種運輸工具及各種機器設(shè)備的制動器、離合器和摩擦傳動裝置上，摩阻材料的性能直接關(guān)系到部件的工作能力和可靠性。2、對摩阻材料的基本要求有：具有高而且穩(wěn)定的摩擦系數(shù)。摩擦系數(shù)基本上不隨外界條件的變化而變化；有良好的耐磨性，不易劃傷摩擦配偶件的表面和發(fā)生嚴重的粘著；磨合性好，在摩擦過程中噪音、振動??；具有良好的物理、機械性能。摩阻材料工作時，因摩擦系數(shù)高，發(fā)熱量大，故要求摩阻材料具有良好的導熱性，大的熱容量，而且有一定的高溫機械強度；制造工藝簡單，成本低，材料來源充足。3、常用摩阻材料（1）金屬基摩阻材料：

鑄鐵、鋼、青銅和粉末冶金摩阻材料等。金屬基摩阻材料的特點：強度高，不易破裂，對水的侵入不敏感，但溫度上升時，摩擦系數(shù)下降快。其中粉末冶金摩阻材料應(yīng)用最廣，發(fā)展最快，其特點是具有高且穩(wěn)定的摩擦系數(shù)，良好的耐磨性，許用壓強高，熱穩(wěn)定性好。缺點是噪聲高，脆性大。主要用于重載交通工具和工程機械的制動器和離合器。粉末冶金摩阻材料由金屬基體、減摩成分和增摩成分三部分組成。金屬基體有鐵粉和銅粉兩類。減摩成分由低熔點金屬(鉛、鉍、銻)、非金屬固體潤滑劑(石墨、二硫化鉬)等混合而成。加入這些成分雖提高了材料的耐磨性，但使摩擦系數(shù)減小，強度降低。增摩成分由一些高熔點金屬粉末(如鉻粉、鉬粉)、金屬氧化物(氧化鐵，氧化鋁，氧化鉻等)、氮化物(如氮化鈦)、碳化物以及非金屬材料(如石棉、二氧化硅等)組成。（2）非金屬基摩阻材料：主要以石棉為基體，添加調(diào)節(jié)摩擦性能的填料，再用粘結(jié)劑在熱壓模具內(nèi)壓制成型。它包括以下幾類：a.石棉摩阻材料：

基體骨架為石棉，熔點高、摩擦系數(shù)大、機械強度良好、硬度適中，與粘結(jié)劑有強的吸附力。石棉在摩阻材料中的含量一般在30-60%之間。根據(jù)摩阻材料對摩擦性能的要求，加入的填料成分有的起增加摩擦系數(shù)作用，有的起降低摩擦系數(shù)作用。作為減摩劑的有：二硫化鉬、鉛、錫、硫酸鋇等。起到提高耐磨性、導熱性、穩(wěn)定摩擦系數(shù)，減輕表面擦傷的作用。作為增摩劑的有：