表面摩擦與磨損綜述總結(jié)

表面摩擦與磨損綜述總結(jié)表面摩擦與磨損綜述總結(jié)表面摩擦與磨損綜述總結(jié)表面摩擦與磨損大綱：簡(jiǎn)要介紹了摩擦與磨損的定義，摩擦的分類及議論方法；磨損的分類及議論方法；磨損的議論方法；抗摩擦磨損表面加強(qiáng)技術(shù)。要點(diǎn)詞：摩擦；磨損；表面1序言摩擦與磨損是自然界存在的寬泛現(xiàn)象,摩擦對(duì)人類的生活和生產(chǎn)活動(dòng)有利有弊,而磨損倒是有百害而無一利。摩擦與磨損對(duì)能源及資料的耗資是相當(dāng)可觀的,據(jù)大概估計(jì),有1/3～1/2的能源耗資于磨損,而磨損又經(jīng)常是機(jī)器零部件無效的主要原因。摩擦與磨損是發(fā)生在相互接觸并相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)固體表面之間,因此接觸表面的特點(diǎn),諸如表面粗糙度及硬度等與摩擦、磨損關(guān)系親近。有些表面特點(diǎn)是由資料的本性決定的,此外,還可以夠采用各種方法對(duì)資料表面進(jìn)行改性,其中表面辦理技術(shù)中的電鍍及復(fù)合鍍等則是常用的手段。在制備減摩及耐磨鍍層時(shí)需進(jìn)行檢測(cè),因此,有必要對(duì)摩擦及磨損的定義、產(chǎn)生原因和測(cè)試方法等有必然程度的認(rèn)識(shí)[1]。摩擦與磨損的定義摩擦的定義是:兩個(gè)相互接觸的物體在外力的作用下發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)也許相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí),在切相面見間產(chǎn)生切向的運(yùn)動(dòng)阻力,這一阻力又稱為摩擦力。磨損的定義是:任一工作表面的物質(zhì),由于表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)而不斷損失的現(xiàn)象。據(jù)估計(jì)耗資在摩掠過程中的能量約占世界工業(yè)能耗的30%。在機(jī)器工作過程中，磨損會(huì)造成部件的表面形狀和尺寸緩慢而連續(xù)損壞，使得機(jī)器的工作性能與可靠性逐漸降低，甚至可能以致部件的突然損壞。人類很早就開始對(duì)摩擦現(xiàn)象進(jìn)行研究，獲取了大量的成就，特別是近幾十年來已在一些機(jī)器或部件的設(shè)計(jì)中考慮了磨損壽命問題。在部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、資料采用、加工制造、表面加強(qiáng)辦理、潤(rùn)滑劑的采用、操作與維修等方面采用措施，能夠有效地解決部件的摩擦磨損問題，提高機(jī)器的工作效率，減少能量損失，降低資料耗資，保證機(jī)器工作的可靠性[2]。3摩擦的分類及議論方法在機(jī)器工作時(shí)，部件之間不僅相互接觸，而且接觸的表面之間還存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)。從摩擦學(xué)的角度看，這種存在相互運(yùn)動(dòng)的接觸面能夠看作為摩擦副。有四種摩擦分類方式：依照摩擦副的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分類、依照摩擦副的運(yùn)動(dòng)形式分類、依照摩擦副表面的潤(rùn)滑狀態(tài)分類、按照摩擦副所處的工況條件分類。這里主要以前三種方式介紹分類[3]。3.1按摩擦副的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分類1）靜摩擦，兩個(gè)相互接觸的物體在外力作用下,有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)時(shí)產(chǎn)生的摩擦叫靜摩擦。2）動(dòng)摩擦，兩個(gè)相互接觸的物體在外力作用下,發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦叫動(dòng)摩擦。平時(shí)動(dòng)摩擦力比靜摩擦力要小。3.2按摩擦副的運(yùn)動(dòng)形式分類1）滑動(dòng)摩擦，兩個(gè)相互接觸的物體表面在外力作用下,相對(duì)滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦叫做滑動(dòng)摩擦。2）轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦，兩個(gè)相互接觸的物體在力矩作用下,一物體沿與另一相接觸物體表面轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦叫轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦[4]。3.3依照摩擦副表面的潤(rùn)滑狀態(tài)分類干摩擦當(dāng)摩擦副表面間不加任何潤(rùn)滑劑時(shí)，將出現(xiàn)固體表面直接接觸的摩擦，工程上稱為干摩擦。此時(shí)，兩摩擦表面間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)將耗資大量的能量并造成嚴(yán)重的表面磨損。這種摩擦狀態(tài)是無效，在機(jī)器工作時(shí)是不同樣意出現(xiàn)的。由于任何部件的表面都會(huì)由于氧化而形成氧化膜或被潤(rùn)滑油所濕潤(rùn)，因此在工程實(shí)質(zhì)中，其實(shí)不存在真切的干摩擦。界線摩擦當(dāng)摩擦副表面間有潤(rùn)滑油存在時(shí)，由于潤(rùn)滑油與金屬表面間的物理吸附作用和化學(xué)吸附作用，潤(rùn)滑油會(huì)在金屬表面上形成極薄的界線膜。界線膜的厚度特別小，平時(shí)只有幾個(gè)分子到十幾個(gè)分子厚，不足以將微觀不平的兩金屬表面分分開，因此相互運(yùn)動(dòng)時(shí)，金屬表面的微凸出部分將發(fā)生接觸，這種狀態(tài)稱為界線摩擦。當(dāng)摩擦副表面覆蓋一層界線膜后，誠然表面磨損不能夠除掉，但能夠起著減小摩擦與減少磨損的作用。與干摩擦狀態(tài)對(duì)照，界線摩擦狀態(tài)時(shí)的摩擦系數(shù)要小的多。在機(jī)器工作時(shí)，部件的工作溫度、速度和載荷大小等因素都會(huì)對(duì)界線膜產(chǎn)生影響，甚至造成界線膜破裂。因此，在界線摩擦狀態(tài)下，保持界線膜不破裂十分重要。在工程中，經(jīng)常經(jīng)過合理地設(shè)計(jì)摩擦副的形狀，選擇合適的摩擦副資料與潤(rùn)滑劑，降低表面粗糙度，在潤(rùn)滑[5]劑中加入合適的油性增加劑和極壓增加劑等措施來提高界線膜的強(qiáng)度。流體摩擦當(dāng)摩擦副表面間形成的油膜厚度達(dá)到足以將兩個(gè)表面的微凸出部分完好分開時(shí)，之間的摩擦就轉(zhuǎn)變?yōu)橛湍ぶg的摩擦，這稱為流體摩擦。形成流體摩擦的方式有兩種：

摩擦副一是經(jīng)過液壓系統(tǒng)向摩擦面之間供給壓力油，

逼迫形成壓力油膜分開摩擦表面，

這稱為流體靜壓摩擦；二是經(jīng)過兩摩擦表面在滿足必然的條件下，

相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的壓力油膜分開摩擦表面，這稱為流體動(dòng)壓摩擦。流體摩擦是在流體內(nèi)部的分子間進(jìn)行的，因此摩擦系數(shù)極小?；祀s摩擦當(dāng)摩擦副表面間處在界線摩擦與流體摩擦的混雜狀態(tài)時(shí)，稱為混雜摩擦。在一般機(jī)器中，摩擦表面多處于混雜摩擦狀態(tài)?；祀s摩擦?xí)r，表面間的微凸出部分仍有直接接觸，磨損依舊存在。但是，由于混雜摩擦?xí)r的流體膜厚度要比界線摩擦?xí)r的厚，減小了微凸出部分的接觸數(shù)量，同時(shí)增加了流體膜承載的比率，因此混雜摩擦狀態(tài)時(shí)的摩擦系數(shù)要比界線摩擦?xí)r小得多[6]。磨損的分類及議論方法摩擦副表面間的摩擦造成表面資料逐漸地?fù)p失的現(xiàn)象稱為磨損。部件表面磨損后不僅會(huì)影響其正常工作，如齒輪和轉(zhuǎn)動(dòng)軸承的工作噪聲增大，而承載能力降低，同時(shí)還會(huì)影響機(jī)器的工作性能，如工作精度、效率和可靠性降低，噪聲與能耗增大，甚至造成機(jī)器報(bào)廢。平時(shí)，部件的磨損是很難防范的。但是，只要在設(shè)計(jì)時(shí)注意考慮防范或減少磨損，在制造時(shí)注意保證加工質(zhì)量，而在使用時(shí)注意操作與保護(hù)，就可以在規(guī)定的年限內(nèi)，使部件的磨損量控制在贊同的范圍內(nèi)，就屬于正常磨損。另一方面，工程上也有很多利用磨損的場(chǎng)合，如研磨、跑合過程就是適用的磨損。4.1磨損過程分析工程實(shí)踐表示，機(jī)械部件的正常磨損過程大體分為三個(gè)階段：初期磨損階段、牢固磨損階段和激烈磨損階段。（1）初期磨損階段機(jī)械部件在初期磨損階段的特點(diǎn)是在較短的工作時(shí)間內(nèi)，表面發(fā)生了較大的磨損量。這是由于部件剛開始工作時(shí)，表面微凸出部分的曲率半徑小，實(shí)質(zhì)接觸面積小，造成較大的接觸壓強(qiáng)，同時(shí)曲率半徑小也不利于潤(rùn)滑油膜的形成與牢固。因此，在開始工作的較短時(shí)間內(nèi)磨損量較大。（2）牢固磨損階段經(jīng)過初期磨損階段后，部件表面磨損的很緩慢。這是由于經(jīng)過初期磨損階段后，表面微凸出部分的曲率半徑增大，高度降低，接觸面積增大，使得接觸壓強(qiáng)減小，同時(shí)還有利于潤(rùn)滑油膜的形成與牢固。牢固磨損階段決定了部件的工作壽命。因此，延長(zhǎng)牢固磨損階段對(duì)零件工作是十分有利的。工程實(shí)踐表示，利用初期磨損階段能夠改進(jìn)表面性能，提高部件的工作壽命。（3）激烈磨損階段部件在經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的工作此后，即牢固磨損階段此后，由于各種因素的影響，磨損速度急劇加速，磨損量明顯增大。此時(shí)，部件的表面溫度迅速高升，工作噪聲與振動(dòng)增大，以致部件不能夠正常工作而無效。在實(shí)質(zhì)中，這三個(gè)磨損階段并沒有明顯的界線[7]。4.2磨損的分類磨損的分類方法好多,主要有以下三種分類方法,即按發(fā)生磨損的環(huán)境及介質(zhì)分類；按發(fā)生磨損的表面接觸性質(zhì)分類及按磨損機(jī)理分類；下面介紹按磨損機(jī)理的分類。（1）粘著磨損在摩擦副表面間，微凸出部分相互接觸，承受著較大的載荷，相對(duì)滑動(dòng)引起表面溫度升高，以致表面的吸附膜（如油膜，氧化膜）破裂，造成金屬基體直接接觸并“焊接”到一起。與此同時(shí)，相對(duì)滑動(dòng)的切向作用力將“焊接”點(diǎn)，即粘著點(diǎn)，剪切開，造成資料從一個(gè)表面上被撕脫下來粘附到另一表面上。由此形成的磨損稱為粘著磨損。平時(shí)多是較軟表面上的材料被撕脫下來，粘附到較硬的表面上。部件工作時(shí)，載荷越大，速度越高，資料越軟，粘著磨損越簡(jiǎn)單發(fā)生。粘著磨損嚴(yán)重時(shí)也稱為“膠合”[8]。影響粘著磨損的主要因素；同類摩擦副資料比異類資料簡(jiǎn)單粘著；脆性資料比塑性資料的抗粘著能力高，在必然范圍內(nèi)的表面粗糙度越高抗粘著能力越強(qiáng)，其他粘著磨損還與潤(rùn)滑劑、摩擦表面溫度及壓強(qiáng)有關(guān)。在工程上，能夠從摩擦副的資料采用，潤(rùn)滑和控制載荷及速度等方面采用措施來減小粘著磨損。2）腐化磨損在機(jī)器工作時(shí)，摩擦副表面會(huì)與周圍介質(zhì)接觸，如有腐化性的液體、氣體、潤(rùn)滑劑中的某種成分，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)形成腐化物造成的磨損，稱為腐化磨損。腐化磨損過程十分復(fù)雜，它與介質(zhì)、資料和溫度等因素有關(guān)。響腐化磨損的主要因素；周圍介質(zhì)、部件表面的氧化膜性質(zhì)及環(huán)境溫度等[9]。3）磨料磨損落入摩擦副表面間的硬質(zhì)顆?；虮砻嫔系挠操|(zhì)突出物對(duì)接觸表面的刮擦和切削作用造成的資料零散現(xiàn)象，稱為磨料磨損。磨粒磨損造成表面成現(xiàn)凹痕或凹坑。硬質(zhì)顆?？赡軄碜岳渥饔不罅闵⒌慕饘傩蓟蛴赏饨邕M(jìn)入的磨粒。加強(qiáng)防范與密封，做好潤(rùn)滑油的過濾，提高表面硬度能夠增加部件耐磨粒磨損的壽命。粒磨損與摩擦資料的硬度、磨粒的硬度有關(guān)。（4）接觸疲倦磨損在接觸變應(yīng)力作用一段時(shí)間后，摩擦副表面會(huì)出現(xiàn)資料零散的現(xiàn)象，這稱為接觸疲倦磨損。接觸變應(yīng)力作用一段時(shí)間后造成的資料零散會(huì)不斷地?cái)U(kuò)展，形成成片的麻點(diǎn)或凹坑，導(dǎo)致部件無效。在實(shí)質(zhì)中，部件表面的磨損多半是幾種磨損作用的結(jié)果。因此，在機(jī)械設(shè)計(jì)中，必然要依照部件的詳盡工況，從結(jié)構(gòu)、資料、制造、潤(rùn)滑和保護(hù)等方面采用措施提高部件的耐磨性。影響接觸疲倦磨損的主要因素有；摩擦副資料組合、表面光潔度、潤(rùn)滑油粘度以及表面硬度等。（5）微動(dòng)磨損微動(dòng)磨損是—種復(fù)合型式的磨損，是兩表面之間由很小的振幅的相對(duì)振動(dòng)產(chǎn)生的磨損。機(jī)械部件配合較緊的部位，

在載荷和必然頻率振動(dòng)條件下，

部件表面產(chǎn)生渺小滑動(dòng)將以致微動(dòng)傷害。若是在微動(dòng)磨損過程中，表面之間的化學(xué)反應(yīng)起主要作用，則可稱為微動(dòng)腐化磨損。直接與微動(dòng)磨損相聯(lián)系的疲倦損壞稱為微動(dòng)疲倦磨損。微功磨損過程以下：接觸壓力使摩擦副表面的微凸體產(chǎn)生塑性變形和粘著，在外界小振幅振動(dòng)作用下，粘著點(diǎn)剪切，粘著物零散，剪切表面被氧化。磨屑不易排出，這些磨屑起著磨料的作用，加速了微功磨損的過程。這樣循環(huán)不僅，最后以致部件表面損壞。當(dāng)振動(dòng)應(yīng)力足夠大例，微動(dòng)磨損處會(huì)成為疲倦裂紋的核心，以致初期疲倦斷裂。6）沖蝕磨損沖蝕磨損是指流體或固體顆粒以必然的速度和角度對(duì)資料表面進(jìn)行沖擊所造成的磨損。依照顆粒及其攜帶介質(zhì)的不同樣，沖蝕磨損又可分為氣固沖蝕磨損、流體沖蝕磨損、液滴沖蝕平和蝕等。在自然界和工礦生產(chǎn)中，存在著大量的沖蝕磨損現(xiàn)象。比方礦山的氣動(dòng)輸送管道中物科對(duì)管道的磨損，鍋爐管道被燃燒的灰塵沖蝕，噴砂機(jī)的噴嘴受砂粒的沖蝕，拋丸機(jī)葉片被鐵(鋼)丸沖蝕等等。好多研究者提出了沖蝕磨損的理論和模型。其中影響較大的有切削磨損理論、斷裂磨損理論、變形磨損理論、絕熱剪切與變形局部化磨損理論和薄片剝落磨損理論等。4.3磨損的議論方法關(guān)于磨損的評(píng)定方法目前還沒有一致的標(biāo)準(zhǔn)下面介紹的是比較常用的方法：磨損量、耐磨性、磨損率。磨損量（1）質(zhì)量磨損量，是指資料或試樣在磨損過程中質(zhì)量的減小量,以M表示,單位為g或mg。（2）體積磨損量，資料或試樣在磨損過程中體積的減小量,是由測(cè)得的質(zhì)量磨損量和資料的密度換算得來的。從磨損的無效性考慮,用體積磨損量比質(zhì)量磨損量更合理。體積磨損量以V表示,33單位為mm或μm。（3）長(zhǎng)度磨損量，在磨損過程中資料或試樣表面尺寸的變化量,以L表示,單位為mm或μm。耐磨性耐磨性分為相對(duì)耐磨性和絕對(duì)耐磨性兩種。1）相對(duì)耐磨性，在同樣的工作條件下,某資料的磨損量(以該磨損量做標(biāo)準(zhǔn))與待測(cè)試樣磨損量之比叫做相對(duì)耐磨性。其中的磨損量為體積磨損量。2）絕對(duì)耐磨性，某資料或試樣體積磨損量的倒數(shù)[11]。磨損率主要用于沖蝕磨損,磨損率是指待測(cè)試樣的沖蝕體積磨損量與造成沖蝕磨損所用磨料的質(zhì)量之比,數(shù)學(xué)表達(dá)式為33:η=V試樣/m磨料。式中:η為磨損率,μm/g或mm/g；V試樣為待測(cè)試樣的體積磨損量33,μm或mm;m磨料為沖蝕磨損所用磨料的質(zhì)量。上述三種磨損評(píng)定方法所得數(shù)據(jù)均是相對(duì)的,都是在必然條件下測(cè)得的。因此,不同樣試驗(yàn)條件或不同樣工作條件下測(cè)得的數(shù)據(jù)不能夠進(jìn)行比較[12]?？鼓Σ聊p的表面加強(qiáng)技術(shù)采用表面加強(qiáng)技術(shù)能夠大大降低相互接觸或產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面的摩擦與磨損,從而降低了資料和能量的耗資,延長(zhǎng)工件的使用壽命。能夠?qū)⒈容^低價(jià)的資料經(jīng)表面加強(qiáng)后,達(dá)到某些價(jià)格昂貴或稀缺資料的性能。表面加強(qiáng)技術(shù)包括表面淬火辦理、化學(xué)熱辦理(如滲碳、滲氮、滲硼及滲金屬等)、表面冶金加強(qiáng)(如熱噴涂及堆焊等)及表面鍍覆等。其中表面鍍覆技術(shù)越來越碰到人們的重視,最常用的提高工件或資料表面減摩和耐磨性能的鍍覆技術(shù)主要有電鍍、化學(xué)鍍和復(fù)合鍍(復(fù)合鍍包括復(fù)合化學(xué)鍍、復(fù)合電鍍和復(fù)合電刷鍍),以下分別舉例說明。5.1電鍍耐磨減磨鍍層電鍍硬鉻鍍層硬度高,抗磨損性能好,常用在大型軸類如直軸、曲軸軸頸及印花輥的輥面的鍍覆

,

因硬鉻鍍層優(yōu)異的耐磨性又稱其為耐磨鉻。

但是在承受重任荷條件下工作的表面

,硬鉻鍍層處在干摩擦狀態(tài)下工作時(shí)

,

表面簡(jiǎn)單被擦傷、零散,

多采用松孔鍍鉻

,

即在較厚的硬鉻鍍層上用化學(xué)或電化學(xué)方法加深和擴(kuò)大硬鉻鍍層表面的溝紋

,

這些網(wǎng)狀溝紋能儲(chǔ)藏潤(rùn)滑油,

部件表面受到摩擦磨損時(shí)產(chǎn)生塑性變形

,

使溝紋中的潤(rùn)滑油被擠出并溢流到工作表面,

起到潤(rùn)滑作用

,減小了摩擦和磨損。一些軸瓦或軸套等滑動(dòng)接觸面電鍍一層韌性金屬或合金,

如Sn、Sn-Pb

合金等能夠減少滑動(dòng)摩擦

[13]。5.2化學(xué)鍍耐腐化耐磨損鍍層化學(xué)鍍

Ni-P

合金鍍層的突出優(yōu)點(diǎn)是耐蝕性好

,硬度高

,

經(jīng)400℃左右的熱辦理后其硬度與硬鉻鍍層相當(dāng)

,

擁有較好的耐磨性

,

常用于受到腐化磨損的場(chǎng)合

,如油田作業(yè)零部件的鍍覆。5.3復(fù)合鍍耐磨減摩鍍層在復(fù)合電鍍工藝中

,

耐磨減摩鍍層的制備所占比率最高

,

這應(yīng)歸因于復(fù)合電鍍自己的優(yōu)越性

,

它能夠采用多種基質(zhì)金屬和多種微粒制備出多種多樣性能各異的復(fù)合鍍層

,

有許多種硬質(zhì)微粒如

Al2O3、SiC、WC、Cr3C2

及B4C等,與基質(zhì)金屬如

Fe和

Ni

等共聚積獲取耐磨鍍層

,

同樣是這些基質(zhì)金屬與

MoS、CaF、氟化石墨及聚四氟乙烯等微粒共聚積獲取自潤(rùn)22滑復(fù)合鍍層

,鍍覆自潤(rùn)滑復(fù)合鍍層的工件表面在承受摩擦的場(chǎng)合工作時(shí)不用使用潤(rùn)滑劑

,其自己就擁有較好的減摩耐磨性。

在復(fù)合化學(xué)鍍中以

Ni-P

合金為基質(zhì)金屬

,與

SiC微粒共聚積為(Ni-P)-SiC化學(xué)復(fù)合鍍層,能夠耐腐化磨損和磨料磨損。復(fù)合電刷鍍和一般的復(fù)合電鍍和復(fù)合化學(xué)鍍同樣,也能夠制備出各種耐磨減摩復(fù)合鍍層。用表面鍍覆技術(shù)制備的耐磨減摩鍍層需要進(jìn)行摩擦磨損性能測(cè)試,特別是研制一種新的鍍層時(shí)需要改變各種條件如鍍液組成及操作條件等

,

在優(yōu)選組成和操作條件時(shí)必定同時(shí)測(cè)量鍍層耐磨和減摩性能。

其測(cè)量方法一般多采用實(shí)驗(yàn)室中的試樣測(cè)試。

由于現(xiàn)場(chǎng)使用條件下的測(cè)試不不過是周期長(zhǎng)

,

而且在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不能夠取數(shù)據(jù)

,長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)可能會(huì)發(fā)生鍍層零