摩擦與磨損全課件第章耐磨減摩材料及表面處理解析

主要內(nèi)容6.1金屬耐磨材料6.2滑動軸承合金6.3聚合材料6.4表面處理技術(shù)6.5納米表面技術(shù)第一頁第二頁，共33頁。摩擦和磨損性能并不是材料的固有特性，而是相互作用、與系統(tǒng)有關(guān)的特性。并不存在一種材料，它在各種情況下都耐磨或減摩。因此，籠統(tǒng)地說某種材料耐磨或減摩都是不嚴(yán)密的。第二頁第三頁，共33頁。6.1.1金屬耐磨材料的一般要求(1)力學(xué)性能要求強(qiáng)度和韌性有良好的配合。與強(qiáng)度相應(yīng)的性能指標(biāo)是硬度。高硬度有利于抗磨料磨損。一般希望磨損表面的硬度至少等于磨料硬度一半，最好比磨料硬度高，其他類型的磨損對硬度的要求不同。表面疲勞磨損時，要求材料不僅有較高耐疲勞強(qiáng)度，而且有適當(dāng)?shù)捻g性。6.1金屬耐磨材料第三頁第四頁，共33頁。(2)金相組織鋼的耐磨損能力隨著組織變細(xì)而增加。均勻分布的硬質(zhì)相（如碳化物、氮化物等）對耐磨性有利。

(3)耐腐蝕性對于在腐蝕介質(zhì)中工作的摩擦副，要求材料具有良好的耐蝕性。第四頁第五頁，共33頁。(4)其他方面要求材料有較高的導(dǎo)熱性、良好的熱穩(wěn)定性等；對于有潤滑油的摩擦副，要求材料表面有良好的潤濕性和持油能力。注意：上述要求有時相互矛盾，要根據(jù)具體情況，抓住主要矛盾，使材料顯示出最佳的耐磨性。第五頁第六頁，共33頁。6.1.2耐磨鋼1.影響鋼耐磨性的因素(1)含碳量碳鋼中適當(dāng)增加含碳量，能增加珠光體含量，提高硬度和抵抗擦傷的能力，增加耐磨性。在過共析鋼中，只要滲碳體不以網(wǎng)狀形式存在于晶界，耐磨性也隨含碳量增加而增加。隨含碳量增加，材料的塑性、韌性會下降，在受沖擊載荷較大時，摩擦副會因脆裂而失效，耐磨性反而降低。因此在選取含碳量時，應(yīng)考慮工況條件。工程中用于摩擦工作的零件，多數(shù)采用含碳0.5%-1.0%的碳素鋼和含碳0.4%-0.6%的中碳合金鋼。經(jīng)過適當(dāng)熱處理，可獲得一定的硬度和韌性，具有良好的耐磨性。第六頁第七頁，共33頁。圖6-2碳鋼耐磨性-顯微組織的關(guān)系曲線

a一鐵素體-珠光體;b一鐵素體-索氏體;c一鐵素體-屈氏體;d一鐵素體-馬氏體；e一珠光體-滲碳體;f一索氏體-滲碳體;g一屈氏體-滲碳體;h馬氏體-滲碳體;i一馬氏體

第七頁第八頁，共33頁。(2)合金元素鋼中加入一定量的某些合金元素，可以強(qiáng)化基體，生成特殊的金屬碳化物，改善鋼的物理、力學(xué)性能，達(dá)到提高耐磨性的目的。加入硅、錳、鉻能提高硬度。鉬、釩、鎢會部分溶于鋼中生成M3C或M7C3形化合物，提高耐磨性。錳是不易形成碳化物的元素，但在鋼中可與鐵或其他碳化物作用，形成滲碳體型的碳化物；在高錳鋼中能擴(kuò)大奧氏體相區(qū)，穩(wěn)定奧氏體組織，對提高耐磨性有好處。

第八頁第九頁，共33頁。(3)碳化物碳化物的類型與分布是影響鋼耐磨性的主要因素之一。碳化物的硬度通常比較高。當(dāng)碳化物的粒度較大時，可有效阻止磨粒的顯微切削作用；彌散分布的碳化物的間距越小越有利于磨損作用下的加工硬化作用。鋼中出現(xiàn)網(wǎng)狀碳化物或部分呈塊狀，且碳化物沿晶界析出或在基體上分布不均，會降低耐磨性。第九頁第十頁，共33頁。(4)金相組織的影響亞共析鋼中，鐵素體-珠光體的耐磨性最差，其次是鐵素體-屈氏體，而鐵素體馬氏體組織的耐磨性最好；共析鋼的耐磨性依馬氏體、屈氏體、索氏體、索氏體-珠光體的順序下降；過共析鋼的耐磨性依珠光體-滲碳體、索氏體-滲碳體、屈氏體-滲碳體、馬氏體-滲碳體、馬氏體的順序增高。同一摩擦條件，含碳量相同時，板狀馬氏體組織的耐磨性比針狀馬氏體的好；片狀珠光體組織的耐磨性比球狀的高；細(xì)珠光體組織比粗珠光體耐磨性好。第十頁第十一頁，共33頁。2.制造耐磨零件的常用鋼種優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼錳鋼、錳釩鋼及錳鉬鎢鋼鉻鋼鉻鎳鋼及鉻鎳鉬鋼鉻錳鋼含硅合金鋼軸承鋼高錳鋼第十一頁第十二頁，共33頁。6.1.3耐磨鑄鐵鑄鐵是一種良好的耐磨材料，廣泛用于制造各種摩擦副，如機(jī)床導(dǎo)軌、氣缸套、活塞環(huán)等零件。鑄鐵的耐磨性通常比鋼好，因為有石墨存在。工作時，石墨易在表面脫落成為潤滑劑，起減摩作用；石墨脫落后留下的顯微孔洞能儲存潤滑油；顯微孔洞還能容納磨損產(chǎn)生的微小磨粒。第十二頁第十三頁，共33頁。1.影響鑄鐵耐磨性的因素

(1)基體組織一般鑄鐵的基體組織有鐵素體、珠光體、滲碳體、索氏體和磷共晶；合金鑄鐵的基體還包括奧氏體、萊氏體、馬氏體和特殊的碳化物。鐵素體質(zhì)軟，最不耐磨，故在一般的耐磨鑄鐵中，鐵素體的含量限制在15%以內(nèi)。自由滲碳體硬而脆，不僅會損壞對偶件表面，本身也容易脫落成磨粒，增大磨損，所以自由滲碳體含量應(yīng)盡量少。珠光體是軟質(zhì)的鐵素體與硬脆的滲碳體的組合，適合作為耐磨材料的基體組織，形狀以片狀為佳。第十三頁第十四頁，共33頁。硬脆的磷共晶對耐磨性影響較大，它在基體中起骨架作用，若與基體結(jié)合牢固，對耐磨有利；若與基體結(jié)合不牢，則易碎裂脫落成為磨粒，耐磨性降低。奧氏體具有較好的熱穩(wěn)定性，且在摩擦過程中會產(chǎn)生加工硬化，具有強(qiáng)化作用，使磨損減少，尤其是在沖擊載荷不大的磨料磨損中，其耐磨性比普通灰鑄鐵高。合金鑄鐵基體中的萊氏體、馬氏體及特殊碳化物都具有高硬度，不易變形，經(jīng)熱處理后又有一定的韌性，這種基體對抗磨料磨損十分有利。第十四頁第十五頁，共33頁。(2)石墨的形狀、大小及分布石墨對鑄鐵耐磨性影響較大。石墨在灰鑄鐵中以片狀存在，分A、B、C、D、E、F六種類型。A型石墨呈均勻片狀，無一定方向分布，是灰鑄鐵中石墨的一種典型組織，具有這種石墨的灰鑄鐵有最好的力學(xué)性能。B型石墨呈花朵狀不均勻分布，外圍的石墨片較粗大，心部的石墨密集而細(xì)小，這種灰鑄鐵的力學(xué)性能不如A型石墨。其他各種類型石墨由于分布和粗細(xì)不均勻，對力學(xué)性能影響較大，耐磨性較低，應(yīng)盡量避免和限制其數(shù)量。

第十五頁第十六頁，共33頁。(3)化學(xué)成分化學(xué)成分對鑄鐵耐磨性的影響是通過組織的改變而起作用的。碳和硅都是強(qiáng)烈促使石墨化元素，一定量的石墨對耐磨性有好處，但過多碳含量促使石墨數(shù)量增多而降低鑄鐵的力學(xué)性能，導(dǎo)致耐磨性下降。錳是阻礙石墨化的元素。含量較低時，主要作用是阻礙共析階段石墨化，有利于獲得珠光體基體鑄鐵。錳還能與硫化合形成MnS，可消除硫的有害影響，所以是有益元素。但錳含量過高易產(chǎn)生游離滲碳體，帶來不利影響。硫是有害元素，其含量通常應(yīng)控制在0.15%以下。為進(jìn)一步提高鑄鐵耐磨性，還可加入適量其他合金元素，如鎳、鉻、銅、鈦、釩、鎢、鉬、稀土等元素，以強(qiáng)化基體或形成特殊的碳化物。第十六頁第十七頁，共33頁。2.耐磨鑄鐵的種類(1)高磷合金鑄鐵①磷-鉻-鉬鑄鐵；②磷-鉻-鉬-銅鑄鐵；③磷-銻鑄鐵。(2)硼鑄鐵(3)釩鈦鑄鐵(4)鉻鉬銅鑄鐵(5)在磨料磨損條件下工作的抗磨鑄鐵①普通白口鑄鐵；②合金白口鑄鐵；③中錳球墨鑄鐵；④冷硬鑄鐵。第十七頁第十八頁，共33頁。6.2滑動軸承合金滑動軸承合金是一種典型的金屬減摩材料，它的基本要求是具有較高耐磨性，同時又有很低的摩擦系數(shù)，具體要求如下:1)減摩性。即應(yīng)具有低而穩(wěn)定的摩擦系數(shù)。2)耐磨性。不僅減摩材料本身耐磨，而且對軸頸的磨損也要小。3)順應(yīng)性和異物嵌藏性。材料表層應(yīng)有一定的彈塑性變形能力，以減少安裝和制造誤差的影響。嵌藏性是指油中雜質(zhì)和外來的微粒能嵌入減摩合金內(nèi)而不至于劃傷軸頸表面。6.2.1對軸承合金的要求第十八頁第十九頁，共33頁。4)足夠的強(qiáng)度。即有一定抗塑性變形的能力和良好的抗疲勞性。5)良好的物理、化學(xué)性能。如應(yīng)有高的導(dǎo)熱性和熱容量，熱膨脹系數(shù)小，耐蝕性好，濕潤性和親油性好等。6)

工藝性好，生產(chǎn)工藝簡單，成本低。第十九頁第二十頁，共33頁。6.2.2滑動軸承合金1.錫基軸承合金錫基軸承合金又稱錫基巴氏合金或稱白合金。是在錫-銻合金基礎(chǔ)上加銅的合金，分兩類:銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%-8%，銻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)少于8%。銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%-8%，銻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于8%。第二十頁第二十一頁，共33頁。錫基軸承合金的特點與應(yīng)用優(yōu)點：有良好的減摩性，對軸頸的順應(yīng)性、嵌藏性好，耐蝕性高，對鋼背(經(jīng)鍍錫)和青銅的粘著性好。缺點：抗疲勞強(qiáng)度較差。一般來說減摩合金厚度愈薄，其疲勞壽命愈長，但不宜低于3mm。應(yīng)用：廣泛用作柴油機(jī)的軸承材料。第二十一頁第二十二頁，共33頁。2.鉛基軸承合金又稱鉛基巴氏合金，是以鉛銻為基礎(chǔ)的合金。二元鉛銻合金性能不好，常加入一些其他元素，以提高性能。

加6%-16%的錫，既能溶于固溶體，提高強(qiáng)度、硬度，又能形成金屬化合物硬質(zhì)點，提高合金耐磨性，還能改善耐蝕性及合金與鋼背的結(jié)合強(qiáng)度?？杉?%-2%的Cu，形成化合物Cu6Sn5，防止比重偏析，同時起硬質(zhì)點作用。特點與應(yīng)用：與錫基軸承合金相比，強(qiáng)度、硬度、耐磨性及沖擊韌性都較低。用于低速、低載荷或靜載下工作的中載荷機(jī)械設(shè)備的軸承。第二十二頁第二十三頁，共33頁。3.銅基軸承合金分為銅錫合金(錫青銅)和銅鉛合金(鉛青銅)。(1)錫青銅錫含量通常為7%-8%，有時達(dá)15%。為單相組織，減摩性差。需另加一些合金元素形成多相組織，改善減摩性。加適量的鉛、鋅或磷后，錫在銅或其他合金元素中能形成α相以及金屬間化合物Cu3Sn6，增加合金的抗粘著性和順應(yīng)性；加鋅可提高合金塑性和鑄造流動性，但強(qiáng)度和硬度有所下降；加磷可形成硬化相如Cu3P等。第二十三頁第二十四頁，共33頁。(2)鉛青銅鉛含量通常為15%-30%，錫含量為3%-10%。鉛與銅互溶度小，組織特點是硬的銅基體上分布著軟的鉛質(zhì)點。鉛含量增加，自潤滑性、抗粘著性、順應(yīng)性及嵌藏性均提高，但抗疲勞性能下降，偏析傾向增大。突出優(yōu)點：承載能力大，耐疲勞性能好，工作溫度可達(dá)250℃以上。應(yīng)用：適用于高載荷、高速度的軸承。如大功率航空發(fā)動機(jī)、汽車發(fā)動機(jī)及其他機(jī)械的高壓、高速下工作的軸承。第二十四頁第二十五頁，共33頁。鉛青銅的缺點：對軸頸的順應(yīng)性和嵌藏性差，故對軸頸的相對磨損較大，所以與鉛青銅相匹配的軸頸表面硬度>300HB為宜。增加鉛量，減摩性能增強(qiáng)，但強(qiáng)度降低，因此常澆鑄在鋼帶上，或?qū)~、鉛粉末混合后燒結(jié)并粘合到鋼帶上，制成雙金屬軸承。鉛青銅軸承間隙要選大些，應(yīng)為巴氏合金的兩倍。鉛青銅耐蝕性差，易受潤滑油中有機(jī)酸的腐蝕。為此，可在鉛青銅合金表面電鍍一層0.25-0.5mm、含錫12%的鉛錫合金層，以提高其嵌藏性、順應(yīng)性及耐蝕性。鉛青銅澆鑄時，易產(chǎn)生比重偏析。為此，可加入適量的鎳、銻等元素，阻止鉛的積聚；同時可增大冷卻速度，以減輕比重偏析。第二十五頁第二十六頁，共33頁。4.鋁基軸承合金鋁基軸承合金是隨著近代發(fā)動機(jī)向高速、高壓、重載方向發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型滑動軸承合金。優(yōu)點：密度小、導(dǎo)熱性好、承載強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度高，且有高的高溫硬度，優(yōu)良的耐蝕性和減摩性。缺點：線膨脹系數(shù)較大，運轉(zhuǎn)過程易與軸咬死。為此，軸頸和軸承的表面粗糙度要求較低，可進(jìn)行表面鍍錫改善軸承適應(yīng)性以及采用較大的軸承間隙。第二十六頁第二十七頁，共33頁。鋁基軸承合金分高錫鋁基軸承合金、低錫鋁基軸承合金以及鋁銻鎂軸承合金等幾種。高錫鋁基軸承合金中錫含量大于20%，錫起改善咬合性、嵌藏性和適應(yīng)性等作用。但隨錫含量增加，力學(xué)性能降低。所以目前采用軋制方法把合金軋覆在鋼質(zhì)底板上，形成雙金屬復(fù)合板，然后沖制成形。特點：有高的疲勞強(qiáng)度和承載壓強(qiáng)，良好的耐磨、耐熱和耐蝕性?？捎糜谳d荷變動大、有沖擊載荷及潤滑條件易受破壞的動力機(jī)械上的軸承材料。如高速大功率內(nèi)燃機(jī)車、重型汽車和拖拉機(jī)的軸承。第二十七頁第二十八頁，共33頁。5.多層合金減摩材料上述各類合金可分別與低碳鋼帶一起軋制復(fù)合成雙金屬軸承材料。為改善表面性能，可在減摩合金表面再鍍一層質(zhì)軟而薄的金屬層，構(gòu)成三層減摩合金材料。特點是發(fā)揮各層合金的長處，以滿足現(xiàn)代機(jī)器高速、重載的工作條件以及大批量生產(chǎn)的要求。減摩合金層的厚度一般在1mm以下，表面鍍層厚度僅0.02-0.04mm的合金層有較高疲勞強(qiáng)度。

第二十八頁第二十九頁，共33頁。6.其他減摩材料1)粉末冶金減摩材料。是用粉末冶金法，將一種或數(shù)種有一定粒度和形狀的金屬粉末，與改善摩擦性能的粉狀添加劑一起混勻、壓制成形、燒結(jié)和整形而成。優(yōu)點：多孔結(jié)構(gòu)。可吸入潤滑油，制成自潤滑減摩材料或含油軸承材料。有較高的強(qiáng)度及良好的耐磨性、減摩性和吸振性。缺點：不易形成完善和穩(wěn)定的油膜，承載能力低。應(yīng)用：主要用于加油潤滑困難或油飛濺、流出會影響產(chǎn)品質(zhì)量的場合，并且是輕載高速、低速載荷較大及常需換向的機(jī)器零件中。第二十九頁第三十頁，共33頁。2)金屬塑料減摩材料。將機(jī)械強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性好的金屬與減摩性好的塑料相結(jié)合制成的新型減摩材料。如：青銅粉燒結(jié)成多孔制