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东北大学硕士学位论文摘要 板带钢卷取机摩擦衬板的镶嵌式固体润滑材料研究 摘要 近三十年来，摩擦学的研究发生了明显的转变，即从润滑和润滑系统转向材 料科学和技术的研究。由于现代工业技术的发展，许多机械的工况条件已经超越 了润滑油脂的使用极限，这就促使人们去寻找新的润滑材料。固体润滑材料便应 运而生。固体润滑材料能满足许多特殊工况条件下对润滑的要求，能适应复杂的 工作环境，为机械零件设计的革命提供了很大的方便，同时还可以减少繁杂的润 滑维修问题。但是，固体润滑现象是很复杂的。目前，学术界还没有权威的理论 来解释它。只有运用物理、化学、机械和材料科学等多学科的综合知识来探索研 究，才能掌握其相应的规律。 本文系统分析了各种固体润滑材料特性及镶嵌式固体润滑材料的特性及设计 方法，根据板带钢卷取机卷筒的摩擦衬板的实际工况要求，确定了摩擦衬板的镶 嵌固体润滑材料的种类及组分配比。 论文研制了多种固体润滑材料的不同组分配比的镶嵌式固体润滑摩擦衬板和 模拟试验机，在实验室对各种镶嵌式固体润滑村板进行了试验，测取各种试验数 据。通过正交试验法对试验数据进行分析，得出了摩擦衬板的最佳镶嵌式固体润 滑材料及镶嵌孔径。使用电子扫描显微镜对摩擦衬板和对磨偶件的磨损表面和磨 屑形貌进行了观察和分析，总结出摩擦副的磨损规律。 试验结果表明，镶嵌固体润滑材料的锡青铜摩擦衬板的摩擦系数明显降低，并 使其耐磨性提高2 个数量级以上。而且，在试验中，没有发生严重的磨损失效现象 发生。通过换算，模拟试验结果完全可以满足卷取机摩擦衬板使用寿命的要求。 为下一步的工业试验提供了必要的依据。 本课题来源于本溪钢铁公司的冷轧钢板厂，不仅可以解决卷取机摩擦衬板的 - h 东北大学硕士学位论文 摘要 固体润滑问题，而且还可以将这项技术推广运用于其他重载低速往复运动工况下 工作的机械设备上。 关键词：镶嵌式固体润滑材料模拟试验摩擦衬板正交试验法耐磨性 i i i ， 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho fe m b e d d e ds o l i dl u b r i c a n t so ff r i c t i o n s c a l e b o a r di nb e l t s t e e lc o i l e r a b s t r a c t d u r i n gt h er e c e n tt h i 啊y e a r s ，t h eo b v i o u sc h a n g ei nt h es t u d yo ft h et r i b o l o g y a p p e a r e d n a m e l y , t h es t u d yo ft h et r i b o l o g yh a st u r n e dt o m a t e r i a ls c i e n c ea n d t e c h n o l o g yf r o ml u b r i c a t i n ga n dl u b r i c a t i n gs y s t e m w i t ht h em o d e mt e c h n o l o g y d e v e l o p m e n t ，i ts p u r sp e o p l et os e a r c han e wl u b r i c a n tm a t e r i a lb e c a u s et h ew o r k i n g c o n d i t i o n so f ag r e a td e a lm a c h i n e sh a v ee x c e e d e dt h eu s i n gl i m i to fl u b r i c a n ta n db a s t e c o n s e q u e n t l yt h es o l i dl u b r i c a n t sm a t e r i a l sa p p e a r e d s o l i dl u b r i c a t i o nm a t e r i a l sc a n m e e tm a n yn e e d st ol u b r i c a n t su n d e ral o to fs p e c i a lw o r k i n gc o n d i t i o n sa n da d a p tt o c o m p l i c a t e dw o r k i n gc o n d i t i o n s ，w h i c hp r o v i d e sag r e a tc o n d i t i o nf o rt h ed e s i g n d e v e l o p m e n ta n dc a nr e d u c em i s c e l l a n e o u sa n dt r o u b l e s o m el u b r i c a t i n ga n dm a i n t a i n b e c a u s es o l i dl u b r i c a t i o ni sv e r yc o m p l i c a t e d ，p r e s e n t l yt h e r ei s n ta na u t h o r i t a t i v e t h e o r yi na c a d e m yt oe x p l a i ni t t h e r e f o r eo n l yr e s e a r c h i n gs o l i dl u b r i c a t i o nw i t h s y n t h e t i c a lk n o w l e d g eo f p h y s i c sa n dc h e m i s t r ya n dm e c h a n i c sa n dm a t e r i a la n ds oo n ， w ec a r lo b t a i ni t st h e o r y t h ep a p e rh a sa n a l y z e dt h ec h a r a c t e ro fs o m es o l i dl u b r i c a t i o na n ds o l i d l u b r i c a t i o ne m b e d d e da n dt h ed e s i g nm e t h o d t h ek i n d sa n dp r o p o r t i o no ft h es o f i d l u b r i c a t i o ne m b e d d e di nf r i c t i o ns c a l e b o a r dh a sb e e nm a d es u r ea c c o r d i n gt ot h ef a c t u a l w o r k i n gc o n d i t i o n so ff i i c t i o ns c a l e b o a r do f b e l t - s t e e lc o i l e r t h es o l i dl u b r i c a n t se m b e d d e df r i c t i o ns c a l e b o a r d sa c c o r d i n gt op r o p o r t i o no ft h e s o l i dl u b r i c a n t sa n ds i m u l a t i v et e s t e rh a v em a d e t h ef r i c t i o ns e a l e b o a r d sh a v eb e e n t e s t e da n ds o m et e s td a t u mh a v eb e e nm e a s u r e d t h eb e s ts o l i dl u b r i c a t i o na n d 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t e m b e d d e da p e r t u r eh a v eb e e nc o n f i r m e d w i t ho b s e r v i n ga n da n a l y z i n gw i t hs e mt h e w o r ns u r f a c e sa n dw e a rd e b r i so ft h ef r i c t i o ns c a l e b o a r d sa n dt h e i rc o u p l e s ，t h ew e a r r u l eo f t h ef r i c t i o nc o u p l e sc a l lb eo b t a i n e d t h er e s u l to ft h et e s ti n d i c a t e st h a tt h ef r i e t i o nc o e m c i e n to ft h es o l i dl u b r i c a n t s e m b e d d e dt i n b r o n z ef r i c t i o ns c a l e b o a r d so b v i o u s l yd e c r e a s ea n dt h e i rw e a rr e s i s t a n c e i n c r e a s et w oo r d e r so fm a g n i t u d ec o m p a r i n gw i t ht i n b r o n z ef r i c t i o ns c a l e b o a r d s m o r e o v e r , s e r i o u sw e a ri n v a l i d a t i o nd o e s n to c c u ri nt h et e s t b yc o u n t i n g ，t h e s i m u l a t i v et e s tr e s u l tc a nc o m p l e t e l ym e e tt h en e e do f f r i c t i o ns c a l e b o a r du s i n gl i f e s p a n o f b e l t - s t e e lc o i l e r , w h i c hp r o v e sn e c e s s a r yi n f o r m a t i o nf o rt h en e x ti n d u s t r i a lt e s t t h es u b j e c tr o o t i n gi nb e n x is t e e lc o r p o r a t i o nc a l ls o l v et h es o l i dl u b r i c a t i o n p r o b l e mo fb e l t - s t e e lc o f f e rf r i c t i o ns c a l e b o a r d so fb e l t - s t e e lc o i l e ra n db ea p p l i e dt o o t h e rm a c h i n e sa n de q u i p m e n t su n d e rb i gl o a da n dl o ws p e e da n dr e c i p r o c a t e k e yw o r d s ：e m b e d d e ds o l i dl u b r i c a n t s s i m u l a t i v et e s t f i - i c t i o ns c a l e b o a r d p e r p e n d i c u l a rt e s tm e t h o d w e a rr e s i s t a n c e v - 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成 果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也 不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：玉伽札 日期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规 定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论 文被查阅和借阅。本人授权东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 圭垩叁兰罂圭兰釜笙圭 苎= 主塑耋 第一章绪论 1 1 本课题的来源、研究的目的及意义 本课题来源于辽宁省教育厅2 0 0 0 年高等学校科学研究项目。项目名称为：镶 嵌固体润滑在板带钢卷取机上的应用研究。研究的目的是解决本溪钢铁公司的冷 轧钢板厂卷取机摩擦衬板的固体润滑问题。以固体润滑代替目前的稀油压力润滑。 本课题不仅可以解决本溪钢铁公司的冷轧钢板厂卷取机摩擦衬板的固体润滑问 题，而且还可以将这项技术推广运用于其他重载低速往复运动的机械设备上。 本溪钢铁公司共有板带钢卷取机7 台，国内各大钢铁公司共有板带钢卷取机 近4 0 台，其中大部分卷取机卷筒棱锥轴与扇形块之间的润滑均采用稀油润滑，这 种润滑方式存在两方面的问题：其一、稀油润滑需要一套润滑油路和供油装置； 其二、卷重大，造成径向压力大( 当卷重3 0 吨时，径向压力可达2 0 吨) ，使棱锥 轴与扇形块之间的压力过大，不利于润滑油膜的形成，造成棱锥轴与扇形块之间 磨损严重，需经常维修。本钢冷轧厂i # 卷取机为法国c l i c i m 公司设计，该卷取 机棱锥轴与扇形块之间采用镶嵌式固体润滑，并且该卷筒采用自动缩径( 当径向 压力过大，卷简直径自动缩小，以减少径向压力) 的结构设计，自动缩径装置如 图1 1 所示。其工作原理是：棱锥轴与伞形块摩擦副斜面与水平夹角为2 0 。，所 以不能自锁，在横截面上由四块伞形块组成。在卷取机卷取板材之前，由胀缩液 压缸卷筒胀开卷筒；在卷取板材过程中，随着板材卷重的增加，卷筒受到的径向 压力增加。当达到某一临界值p 。时，q q ，棱锥轴右移使卷筒缩径，径向压力 随之下降。径向压力的降低又使q i sq ，棱锥又在新的位鼍上平衡，径向压力又开 始回升。如此形成循环，直至卷取终了。c l i c h 订公司设计的1 # 卷取机的卷筒十 年之内不用维修，9 1 年投入使用。至今己9 年，从未发生任何故障。 目前，国内在该方面研究基本上是空白，还没有在棱锥轴与扇形块之间采用 图1 1 卷取机自动缩径装置示意图 f i g 1 1s e l f - a c t i n g w i t h d r a w i n g d i a m e t e r d e v i c es k e t c h d i a g r a m o f t o i l e r l 一胀缩液压缸；2 棱锥轴；3 伞形块 该项目的坟木夭键主曼有曲个万咖：具一、镶嵌吲体刑滑针艽，主黑包括： 衬板、固体润滑材料、固体润滑材料与衬板的粘接等方面的材料与制造。该方面 的研究最终要落实到衬板的使用寿命。其二、卷筒自动缩径的研究，国内大部分 卷取机没有自动缩径功能，这样使得带钢板在卷取的过程中，径向压力过大，从 而造成卷筒维修频繁。本硕士学位论文课题主要研究的内容是在棱锥轴锥面与扇 形斜面之间放置一摩擦衬板，在该衬板上镶嵌固体润滑材料。棱锥轴锥面与扇形 块斜面之间摩擦和磨损的研究主要是解决摩擦衬板的使用寿命。摩擦衬板的使用 寿命按八年计算，摩擦衬板的摩擦次数为1 1 05 以上，其极限磨损量( 最大允许 的磨损量) 为2 皿。 冶金机械设备一般处在重载和环境条件恶劣啪的工况下工作、磨损严重，故 障率、维修率较高。法国c l i c i m 公司设计的1 # 卷取机的卷筒十年不用维修在冶 金设备中罕见，该卷筒不但节省了大量的维修费用( 材料、备件及工时) ，同时还 避免了因卷筒发生故障造成停产带来的间接的经济损失。据本钢冷轧厂机动科介 绍，国产2 # 卷取机筒年维修费用2 5 万元。若按2 5 万元计算，每个卷筒十年需2 5 2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 万元，国内4 0 台卷取机，1 0 年共需1 0 0 0 多万元的维修费用。该项目研究不仅在卷 取机上具有较大的工程意义和经济效益，在很多方面( 面与面之问摩擦) 将有广 阔的应用前景。 1 2 镶嵌式固体润滑技术概况 固体润滑是用固体微粉、薄膜或复合材料代替润滑油脂，隔离相对运动的摩 擦面以达到减摩和耐磨的目的。随着现代科学技术的进步，为了解决高负荷、低 速度、高真空、高低温、强辐射和强腐蚀等特殊工况下机械的润滑问题，固体润 滑材料己从单一的微粉、粘膜或单元的整体材料发展成为由多种成分组成的复合 材料。其作用机理和使用方法的研究也得到了迅速的发展，并出现了许多制各和 应用这些材料的新工艺新技术。 固体润滑现象是很复杂的，影响因素也很多。负荷、速度、温度、环境介质 气氛、接触形式和运动形式等都与润滑效果直接有关。稍许改变其中的某一因素， 就可能导致润滑效果的急剧改变。这就是说，固体润滑材料的润滑特性是工况条 件与材料的机械、物理和化学性能综合反映的结果。因此，只有运用物理、化学、 机械和材料科学等多学科的综合知识来探索研究，才能掌握其相应的规律。 随着工业技术的不断进步和发展，在特殊条件和环境下工作的机械装置越来越 多。在某些条件下，机械和机构的摩擦副很难实现正常的给油( 脂) 润滑。为此，推动 了自润滑材料的研制与革新。镶嵌式固体润滑技术为机械设计师们解决这个难题。 镶嵌式固体润滑轴承的研制正是针对重载、低速、高温、水下、辐射等运行条件 苛刻场所的特殊要求来进行的。 1 2 1 镶嵌式固体润滑轴承的工作原理 镶嵌式固体润滑轴承是一种兼有金属轴承特点和自润滑轴承特点的新颖润滑 轴承。镶嵌式固体润滑轴承的构思是以金属材料为一完整金属基体，均匀地在基 体的各个有关位置上钻孔或开槽，镶嵌入充分数量的固体润滑块( 或柱) 。其中金 属基体起支承载荷的作用。而且，金属基体本身具有自润滑性，一般选用铜合金。 一3 查j ! 盔兰罂圭芏竺笙圭董= 圭塞垄 万元，国内4 0 台卷取机，1 0 年共需1 0 0 0 多万元的维修费用。该项目研究不仅在卷 取机上具有较大的工程意义和经济效益，在很多方面( 面与面之问摩擦) 将有广 阔的应用前景。 1 2 镶嵌式固体润滑技术概况 固体润滑是用固体微粉、薄膜或复合材料代替润滑油脂，隔离相对运动的摩 擦丽以达到减摩和耐磨的目的。随着现代科学技术的进步，为了解决高负荷、低 速度、高真空、高低温、强辐射和强腐蚀等特殊工况下机械的润滑问题，固体润 滑材料已从单一的微粉、粘膜或单元的整体材料发展成为由多种成分组成的复合 材料。其作用机理和使用方法的研究也得到了迅速的发展，并出现了许多制备和 应用这些材料的新工艺新技术。 固体润滑现象是很复杂的，影响因素也很多。负荷、速度、温度、环境介质 气氛、接触形式和运动形式等都与润滑效果直接有关。稍许改变其中的某一因素， 就可能导致润滑效果的急剧改变。这就是说，固体润滑材料的润滑特性是工况条 件与材料的机械、物理和化学性能综合反映的结果。因此，只有运用物理、化学、 机械和材料科学等多学科的综台知识来探索研究，才能掌握其相应的规律。 随着工业技术的不断进步和发展，在特殊条件和环境下工作的机械装置越来越 多。在某些条件下，机械和机构的摩擦副很难实现正常的给油( 脂) 润滑。为此，推动 了自润滑材料的研制与革新。镶嵌式固体润滑技术为机械设计师们解决这个难题。 镶嵌式固体润滑轴承的研制正是针对重载、低速、高温、水下、辐射等运行条件 苛刻场所的特殊要求来进行的。 1 2 1 镶嵌式固体润滑轴承的工作原理 镶嵌式固体润滑轴承是一种兼有金属轴承特点和自润滑轴承特点的新颖润滑 轴承。镶嵌式固体润滑轴承的构思是以金属材料为一完整金属基体，均匀地在基 体的各个有关位置上钻孔或开槽，镶嵌入充分数量的固体润滑块( 或柱) 。其中金 属基体起支承载荷的作用。而且，金属基体本身具有自润滑性，一般选用铜合金。 属基体起支承载荷的作用。而且，金属基体本身具有自润滑性，一般选用铜合金。 - 3 东北大学硕士学位论文第一章绪论 固体润滑块由多种有机和无机固体润滑剂混合、加温熔化后成型，镶嵌在金属基 体上。固体润滑剂起润滑、减摩和耐磨作用，多选用石墨、二硫化铝m o s ：、聚四 氟乙烯( p t f e ) 等【3 】。这样，材料便具有金属基体的优良的综合机械性能和热传 导性，而运转中固体润滑剂转移形成的润滑膜为摩擦副提供了充分的减摩和耐磨 功效。镶嵌式固体润滑轴承结构原理见图1 2 ，实物如图1 3 所示。 1 2 2 镶嵌式固体润滑轴承特性 镶嵌式固体润滑轴承与其他固体润滑轴承( 如含油轴承、石墨轴承等) 相比， 具备以下特性【4 】。 图1 2 镶嵌式固体润滑轴承结构原理图 f i g 1 2c o n f i g u r a t i o np r i n c i p l ed i a g r a mo f s o l i dl u b r i c a n te m b e d d e db e a r i n g 1 一金属基体；2 一固体润滑剂柱；3 一固体润滑膜 图1 3 镶嵌式固体润滑轴承实物图 f i g 1 3p r a c t i c a l i t yd i a g r a mo f s o l i dl u b r i c a n te m b e d d e db e a r i n g 4 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 1 ) 摩擦特性 镶嵌于基体上固体润滑块( 或柱) 在与对偶材料摩擦时发热，固体润滑剂受 热膨胀而挤出来，形成润滑膜，并在对偶材料表面形成转移膜，以实现润滑。使 摩擦发生在润滑剂内部，这样才能表现出良好的摩擦特性敬低的摩擦系数。 一般摩擦系数随着负荷和速度的增加而减少。 摩擦特性与固体润滑剂的剪切强度有关：剪切强度越小，摩擦系数则越小。 层状结构材料在摩擦力的作用下容易在层与层之间产生滑移，软金属和高分子润 滑剂也能产生晶间滑移，因而剪切强度都很小。 ( 2 ) 承载特性 金属基体一般选用铜合金、铸铁和不锈钢，它们具有较高的机械强度和承载 能力，固体润滑剂也具有承受一定负荷和运动速度的能力。 承载能力与滑动速度的关系是：在滑动速度较低时，只要滑动速度的增加还 没有引起摩擦表面上温度的激增，滑动速度会使摩擦与磨损减少。因为滑动速度 的大小决定着表面摩擦连接点作用的时间，如果时间很短，材料来不及变形，摩 擦和磨损都小。如果滑动速度很大，致使表面的温度增大，影响材料的热传导和 机械性能，则会加剧其磨损。滑动速度对磨损的影响是通过摩擦热使材料性能发 生变化而作用的。 工程计算里常用控制表面工作时的删值的方法b 卅来保证摩擦副的正常工作 状态。其承载能力可用值来表示。每种润滑材料都有其极限p v 值和工作p v 值。 通常，工作值是极限p l t 值的一半左右。镶嵌式固体润滑轴承的承载能力应该满 足p = p s p 】和p v = n s 纠p v 】要求。并且按照镶嵌的固体块( 或拄) 面积 与基底面积之比作相应的修正。 ( 3 ) 耐磨性 固体润滑材料一般都具有非常低的剪切强度，并且对金属基体表面有很强的 吸附性。在轴承运转的开始阶段，固体润滑剂发生剪切性滑移、在裸露的金属表面 不断吸附，使得整个摩擦界面迅速形成一层转移润滑膜。固体润滑膜的形成避免 5 东北大学硕士学位论文第一章绪论 了金属与金属的直接对摩，有效地减小了磨损量。在实际的运转中，摩擦表面的固 体润滑膜会产生破损。但在较低的运动速度下，镶嵌入的固体润滑剂总能通过滑 移与吸附而予以即时的修补，确保轴承具有稳定的自润滑性。 ( 4 ) 宽温性和时效性 固体润滑材料能在较宽的温度范围内工作。其上限使用温度l o o o 以上，最 低使用温度一1 5 0 * c 以下。实际上，无论何种固体润滑材料都没有这样宽的工作范 围，实际使用的固体润滑材料只要求适应于某个特定的温度范围即可。 所谓时效性，是指固体润滑材料的物理机械性能和摩擦学性能在规定的使用 期限内不发生变化，保持良好的润滑作用。某些处于恶劣环境下工作的固体润滑 材料很难维护和保养，这就要求它在使用期限内具有良好的固体润滑特性。 ( 5 ) 耐腐蚀性和耐辐射性 镶嵌固体润滑轴承与对偶件摩擦可处于酸、碱、盐、雾、水、海水和其他腐 蚀性液体或气体中工作。在腐蚀介质环境工作的固体润滑轴承可以保持性能稳定， 在规定的使用期限内保证其良好的润滑性能。 工作在核工业、原子能电站或有放射性物质存在的环境中的固体润滑轴承，应 该具有耐辐射性。在规定的使用期限内，能承受一定的放射性辐射。它的物理机 械性能和摩擦学性能应基本保持稳定。 ( 6 ) 免维护性 有些传动件要求免除或减少维护保养的次数。为了使其在缺少保养的条件下 延长有效运转期限，可以使用固体润滑轴承，即合理方便又可以节约开支。 1 2 3 镶嵌式固体润滑技术的现状及应用 早在2 0 世纪初人们就开始对镶嵌式自润滑复合材料进行了试制，到了四十年代 首先由美国的m e r r i m a n 公司推出正式产品，以后，日、法、德、英等国也有类似产 品相继问世。由于其良好的自润滑性能，可解决在特殊工况下其它润滑剂难以润滑 的技术问题，受到人们的重视。目前一些工业国家已形成相当规模的批量生产。但 随着工业和科技的迅速发展，对镶嵌材料的技术性能提出了更高要求，近年来人们 6 东北大学硕士学位论文第一章绪论 对嵌入的固体润滑剂的组成、不同类金属底材的适用性、镶嵌工艺以及润滑配套措 旋进行了多方面的试验探索。例如1 7 1 ，日本的多田博对石墨体系固体润滑剂的研究 表明，在石墨中添加某些物质( 如n a 2 s 0 4 、t i 0 2 、c a f 2 等) 能有效地改善镶嵌材料 的润滑性能；安部等人则认为，在高温下使用时，在石墨中添加1 0 的n a f 可使镶 嵌轴承的磨损率降至最低。其原因在于，通过摩擦可在对摩面上形成由铜、氧化铁 组成的抗剪切保护膜。另外，在金属底材的钻孔等加工工艺方面出现了数控机床的 自动操作，电触成孔等，固体润滑剂的嵌入则有固体压入，铸造法等。对金属底材 的理化性能方面，英国的l a n c a s t e r 等人一1 的研究提出，金属底材的硬度对镶嵌材料 的摩擦磨损有重要影响，多田博则认为金属底材的延展性对降低摩擦磨损有更重要 的意义。 国内的一些科研单位在八十年代开始镶嵌材料的试验研究。随着国内外科技 交流的深入，材料性能应用研究和技术开发有了一定进展。如武汉粉末冶金研究 所对m o s 2 基、石墨、p t f e 基镶嵌材料的研究、镶嵌轴承的试制等。他们的产品 己在化工、冶金等企业开始试用。但由于现场生产对镶嵌材料技术性能要求高， 配套措施注意不够等原因至今未能在国内得到广泛使用。其重要原因在于，不同 行业的应用工况极为复杂，需要生产单位与科研部门相配合，以便在固体润滑剂 组成和配比，金属底材的选择，镶嵌工艺以及其它润滑剂的联用等方面开展工作， 制造出适于不同特殊工况使用的系列镶嵌材料。 固体镶嵌无给油自润滑轴承是以高强度的金属为基体，嵌入成形的固体润滑 剂，制成的轴承、滑块、垫片等。它突破了一般轴承依靠油膜润滑的界限性，适 用于无油、高温、高负载、耐腐蚀及在水中或其它化学溶液中无法加油润滑的特 殊条件下使用，特别适用于重载，低速，往复或摆动等难以润滑和形成油膜的场 合，也不怕水冲和其它酸液的浸蚀和冲刷。目前产品已成功应用在冶金连铸机、 轧刚设备、桥梁支点的滑动体，船舶甲板起重机滑轮、矿山机械、船舶、汽轮机、 水轮机、注塑机及设备生产流水线中。实践证明，镶嵌材料是一类实用性强，应 用极为广泛并有良好发展前景的固体润滑材料。目前除了扩大镶嵌材料的应用范 围外，研究镶嵌方式、底材的j n t 设计以及固体润滑剂镶嵌材料的品种等是主要 - 7 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 的发展方向。 目前国际上镶嵌式自润滑复合材料的生产国主要有美、日、英、法、德等国。 由于其良好的自润滑性能。可解决在特殊工况下其它润滑剂难以润滑的技术问题， 产品已经系列化，并且形成相当规模的批量生产。向世界各地供应。但随着工业 和科技的迅速发展，对镶嵌材料的技术性能提出了更高要求，近年来人们对镶嵌 的固体润滑剂的组成、不同类型金属底材的适用性、镶嵌工艺以及润滑配套措施 进行了多方面的试验研究，以适于不同特殊工况使用的系列镶嵌材料，才可能大 面积推广。今后，实现镶嵌式固体润滑轴承多品种、高质量、新设计将是润滑和 摩擦学研究的重要课题。 1 3 机械零件的磨损失效 机械零件在摩擦中，相互接触的表面会发生磨损。磨损的本质是材料表面上 的物质在位鼍上的移动并伴随着某种化学和金相的变化。机械零件的磨损使机器 的效率降低，使用寿命缩短，造成能量和材料的消耗。长期以来，人们就对磨损 现象进行了大量的研究，积累了不少经验和资料。但是至今还未能得出一个简单 可靠的磨损定律来。这是因为磨损过程及其现象很复杂，受许多因素的影响。例 如：材料的性质、变形及强化；表面膜、表面微观粗糙度；以及其他因素如温度、 压力、润滑条件等。目前人们对它们的了解还远远不够。 1 3 1 机械零件磨损的主要形式 机械零件摩擦表面上可能出现的磨损形式有下列几种 1 0 , l i 】： ( 1 ) 粘着磨损 由于表面上存在着粗糙凸起，表面间的接触发生在分散的凸起处。摩擦时， 接触点处发生变形，润滑油膜及表面膜破裂时，会出现金属问的直接接触，连接 点不断被剪断，同时又产生出新的连接点。 如果剪切发生在结点界面上，则两表面没有磨损；如果剪切发生在金属内部， 则会出现表面间金属的转移，表面受到破坏和磨损。金属的转移现象是粘着磨损 8 东北大学顾士学位论文第一章堵论 的主要特点。 ( 2 ) 磨料磨损 磨料磨损是最常见的一种磨损形式。当摩擦表面之一具有硬质凸起时，它会 造成配对表面机械性的磨损。当表面间存在着第三者物体如砂粒、金属屑等硬质 微粒时，它们会和表面硬质凸起一起对表面进行切削、推挤、磨擦，造成表面的 损坏。 表面发生磨料磨损，主要是磨料对表面进行微切削的结果。磨料颗粒会使表面 层材料受到交变的变形，产生交变的接触应力使表面发生疲劳破坏。但是，磨料 颗粒对表面的机械作用总是占有主要地位的。 ( 3 ) 疲劳磨损 摩擦表面受到交变应力的作用，表面材料会由于疲劳而破坏。在滚动摩擦中， 物体所受的剪应力不断地改变方向，因此，疲劳破坏取决天交变剪应力的频率和 幅值。如果应力超过材料的持久极限，表面就会发生破坏，确切的破坏位置由表 面所含杂质、孔隙、微观裂纹的大小及分布和其他影响因素来确定。 滑动接触时，当滑动表面间接触并做相对运动时，某一微观凸起经过很多次 接触和变形，形成疲劳裂纹后脱落下来成为磨粒，并游离于摩擦表面之间。 ( 4 ) 微动磨损 微动磨损发生在两个相互接触的金属表面间并有小振幅的振动作用的情况 下。由于零件的振动和周期性变形，会使表面的氧化膜破裂，并使材料发生粘着。 氧化物的脱落和粘着结点剪切产生的金属微粒变成了摩擦面间的磨料，新生成的 金属表面又会与大气中的氧反应而生成氧化物。此时，在摩擦表面间会同时存在 粘着磨损、磨料磨损和疲劳、腐蚀现象。在螺栓联接、铆钉联接的紧配合表面上， 以及在齿轮、联轴器、键、花键联接处可以看到这种工作表面的损坏情况。 ( 5 ) 腐蚀磨损 在摩擦中，物体表面有时会和周围环境中的腐蚀性气体或液体起化学反应或 电化学反应而受到损坏。摩擦表面的腐蚀再加上表面间的机械作用会造成表面的 腐蚀磨损。高温、潮湿的工作环境会加剧这种磨损。 避免腐蚀性磨损的措施主要有：改进机件结构，避免机件与腐蚀性介质接触， 9 圭i ! 盔主塑圭耋堡垒耋釜= 主兰釜 选用强度高、韧性好的耐腐蚀材料来制作零件。良好的润滑油可以避免零件受到 氧化和腐蚀作用。 我们把磨损按其特征区分为以上五种主要形式，为的是便于分析问题。实际 上，因为摩擦表面间摩擦条件不可能是恒定不变的，在摩擦表面上往往会同时出 现多种形式的磨损，只能说表面上某种形式的磨损占有主导地位。 1 3 2 机械零件干摩擦的磨损失效分析 ( 1 ) 机械零件的正常磨损失效 机械零件的正常磨损是一个多阶段的过程】。磨损量是磨损时间的函数，它 可以用磨损量一时间曲线来表示。图1 4 表示磨损量一时间( ) ，一r ) 与磨损速度一时 间( v 一，) 曲线。它们表示摩擦表面上的磨损随时间而变化的规律。 图1 3 表示一种最常见的磨损量时间曲线，它由三个阶段组成： 第1 阶段( a b ) 对应着摩擦表面的跑合过程。在此阶段里，表面上的原始粗 糙度( 它是由机械加工最后工序得出来的，称为工艺粗糙度) 经过跑合而发生了 变化，变成为一般正常使用的表面粗糙度，表面变得较光滑平整，磨损速度在此 阶段里由快减慢到等于某个常数。 第1 i 阶段( b c ) 是个稳定( 正常) 的磨损阶段。如果没有其他特殊原因会严 重改变摩擦过程的话，磨损就会一直平稳地发展下去。在此阶段里，磨损速度等 于常数。这是机器零件正常工作的阶段。 第1 i i 阶段( c d ) 是剧烈磨损阶段。由于表面受到损坏，表面温度升高，加上 材料机械性能的变化使磨损量急剧增大。磨损速度加快，最终导致零件失效。在 这个阶段里常会出现磨损形式的改变。 在生产实践中掌握和运用磨损过程的一般规律有很大意义，首先可以找出三 个阶段的过渡点，由于第1 阶段和第阶段都是不稳定的，所以通过分析和改进 机器的运行，使第一个过渡点进尽早和第二个过渡点尽迟地来，从而最大限度地 延长稳定磨损阶段，也既延长机器正常工作的寿命期。 1 0 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 时间 图1 4 磨损量一时间曲线与磨损速度一时间曲线 f i g 1 4c u r e so f w e a rq u a n t i t y - t i m ea n dw e a rs p e e d - t i m e 时间 当机械零件的磨损量达到极限磨损量时，如果继续运行，机械就可能失去工 作能力。因此，可以用极限磨损量( 最大允许的磨损量) 来评价机器的耐久性， 既使用寿命。 确定零件极限磨损量的标准为【1 0 】： 当零件的磨损量达到此极限值时，机器无法再继续工作，会发生零件的 断裂和破损，危及机器的安全操作和使用，或者由于机器磨损已无法完成原定功 能： 零件的磨损导致机器和部件进入剧烈损坏的阶段。配合面严重损坏，零 件间出现冲击，机器强烈振动，各部件温度升高； 由于磨损，机器的工作特性恶化，效率降低，生产率下降，噪音加大和 引起泄漏。 机器的工作特性的变坏是确定零件极限磨损量的主要标准。 ( 2 ) 严重磨损失效 严重磨损也叫涂复，偶而也会发生在磨合阶段。其表面的磨痕面积比较大， 甚至遍及整个表面，而且伴有局部的塑性流动讲1 ( 当塑性流动遍及整个表面时可 能发生胶合) 。因此表面加工痕迹已不复存在。严重滑动磨损的机理主要是粘着， 1 1 雠蜊辎埋 东北大学硕士学位论文第一章堵论 所以也有人称之为粘着磨损。实际上是由于良性、均衡的磨损状态遭到破坏而进 入一种剧烈磨损的恶性循环中，使零件失去工作能力。 严重磨损一般都伴随着胶合一起发生。 ( 3 ) 胶合失效 胶合是摩擦副中最常见的破坏性磨损形式，是表面之间发生熔焊，但尚未达 到熔化的程度所形成的局部损坏。一旦发生都表现得比较突然和严重，甚至使零 件不可修复，必须及时予以更换才能使得设备得以继续运行，因此胶合是一种必 须予以高度重视的磨损形式。 、 在重载下摩擦表面之间有产较高的滑移速度时，表面出现局部熔焊，并随即 被撕裂而破坏；一旦发生胶合，往往很快便达到咬死。 ( 4 ) 划伤和擦伤失效 发生划伤和擦伤的磨损表面会出现严重的抓痕，并且有轻度的熔焊，如进一 步发展会导致胶合的发生，因此可以看成是胶合的前奏，是由于润滑膜的破坏造 成的。主要机理是磨料磨损。 划伤所生成的磨损颗粒主要是切屑状磨损颗粒，南时也产生一些状磨损颗粒， 但是其表面带有被划伤的痕迹。 ( 5 ) 点蚀失效 点蚀是以一系列较深的小圆坑的形式出现的磨损，而且是磨损形式几乎在整 个接触面上渐进地把材料磨去，而是局部区域的材料剥落。发生点蚀的机理是表 面接触疲劳，也即接触表面在交变压力作用下，即使两个表面之间存在着完好的 润滑膜，由于这种润滑膜照样能传递交变压力，表面或亚表面层也会萌生微裂纹 并且不断地扩张，最后造成表面局部材料脱离。点蚀严重可以使零件失去工作能 力。 1 4 本课题的主要研究内容 本课题的主要研究内容有以下几个方面： ( 1 ) 通过深入分析固体润滑的机理和各种固体润滑剂及复合固体润滑剂的特 1 2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 一i1 日目= 目e 目= = 目日日= e j 目目= 日e | e 日| e e j | t 日自t j 日t 自一 性及应用情况，根据板带钢卷取机实际工作情况，确定固体润滑剂的种类及组分 配比。 ( 2 ) 研制多种固体润滑剂和粘接剂不同组分配比的镶嵌式固体润滑衬板，以 便进行多种试验，利用正交试验设计法对试验结果进行比较和分析。 ( 3 ) 模拟卷取机的实际工作情况研制模拟试验机，进行试验室模拟试验，观 察是否有早期的严重磨损失效现象发生。如果没有此类现象发生，则测取各种试 验数据，并做好记录。 对各种试验数据进行分析，总结出各种复合固体润滑剂摩擦及磨损情况 和最佳的模拟试验方案，为下一步的工业试验提供必要的依据。 本课题来源于本溪钢铁公司的冷轧钢板厂，不仅可以解决卷取机摩擦衬扳的 固体润滑问题，而且还可以将这项技术推广运用于其他重载低速往复运动的机械 设备上。 1 5 本章小结 本章主要阐述了本课题的来源、研究的目的及意义，镶嵌式固体润滑轴承的工 作原理及特，目前世界上镶嵌式固体润滑技术的现状及应用情况，机械零件磨损 的主要形式和机械零件干摩擦的磨损失效分析。通过分析和研究确定了本课题的 主要研究内容。 1 3 查i ! 垄董罂圭茎垡丝耋箜三主里垒塑塑垒里垡塑望世 第二章固体润滑及固体润滑材料 固体润滑是用固体微粉、薄膜或复合材料代替润滑油脂，隔离相对运动的摩 擦面以达到减摩和耐磨的目的。随着现代科学技术的进步，为了解决高负荷、高 真空、高低温、强辐射和强腐蚀等特殊工况下机械的润滑问题，固体润滑材料已 从单一的微粉、粘膜或单元的整体材料发展成为由多种成分组成的复合材料。其 作用机理和使用方法的研究也得到了迅速的发展，并出现了许多制各和应用这些 材料的新工艺新技术。 固体润滑现象是很复杂的，影响因素也很多。负荷、速度、温度、环境介质 气氛、接触形式和运动形式等都与润滑效果直接有关。稍许改变其中的某一因素， 就可能导致润滑效果的急剧改变。这就是说，固体润滑材料的润滑特性是工况条 件与材料的机械、物理和化学性能综合反映的结果。因此，只有运用物理、化学、 机械和材料科学等多学科的综合知识来探索研究，才能掌握其相应的规律。 固体润滑材料应该具有【1 2 】：较小的摩擦系数和较好的耐磨性能；与负荷相适 应的承载能力；高温下的抗氧化稳定性；相当高的导热性和最佳的热膨胀系数； 在真空和各种特殊环境气氛中工作的适应能力，特别是抗咬合能力和抗疲劳破坏 的能力等。 2 1 固体润滑机理 2 1 1 固体润滑膜 在固体润滑状态下，摩擦取决于被润滑表面的性质和润滑剂表面膜的物理化 学性质及表面对它的作用。固体润滑的机理十分复杂。 固体润滑膜可分为物理吸附膜和化学吸附膜、化学反应膜和氧化膜。它们的 基本特性如下。 1 4 东北大学硕士学位论文第二章固体润滑及固体润滑材料 ( 1 ) 物理吸附膜 在摩擦中，当润滑剂的分子靠范德华氏表面力( 即偶极子与偶极子之间的相 互作用) 吸附在摩擦表面上，这就是物理吸附。在这种情况下，分子与表面的结 合力很弱。可以形成单分子层或多分子层。物理吸附的润滑膜对温度十分敏感， 热会导致分子的解吸、消向或使膜熔化。物理吸附膜只能工作在基体温度不高， 发生摩擦热少的情况下，也就是在低速、轻载的工作条件下。 ( 2 ) 化学吸附膜 当润滑剂的极性分子靠化学键吸附在金属表面上时，发生化学吸附。和物理 吸附相比，这种吸附比较稳定，形成的吸附膜是不完全可逆的，它具有较高的吸 附热。 ( 3 ) 化学反应膜 润滑剂中的某些分子如s 、p 、c l 等元素会与金属表面发生化学反应，它们之 间发生价电子相互交换，形成新的化合物，构成表面化学反应膜，化学反应膜很 厚。它的特点是活性高，结合能力强而且不可逆。s 、p 、c l 等与表面形成的金属 盐薄膜熔点高，剪切强度低，具有良好的润滑性能。它比物理吸附膜和化学吸附 膜要稳定得多。能适应重载、高速和高温的工作条件，但只限于形成在能起化学 反应的金属表面上。 ( 4 ) 氧化膜 洁净的金属表面会很快地氧化生成氧化膜。氧化膜能防止表面金属间的直接 接触，如果形成的氧化膜较厚，其强度较低，在摩擦中容易脱落成为摩擦表面间 磨粒，与表面相互作用，会加剧表面磨损。 2 1 2 固体润滑膜的性能 固体润滑材料全都具有层状结构，石墨、二硫化钼、云母和其它固体润滑材 料，由光滑的分子或原子组成层状结构，聚四氟乙烯和其它一些聚合物，由长的 平行直分子链组成层状结构。 这种材料在垂直于层的方向上耐压强度高，而在平行于层的方向上抗剪强度 1 5 低，故能减小摩擦系数。因为具有方向性，所以固体润滑材料只有在层状结构平 行于滑动方向时才有效。 为保证固体润滑有效，需研究使固体润滑膜丧失承载能力的条件，并确定影 响破裂载荷的因素。