摩擦磨损-耐磨材料.ppt

摩擦学原理 主要内容 金属耐磨材料 表面处理技术 摩擦与磨损测试技术 1 2 3 影响钢耐磨性因素 含碳量 合金元素 金相组织 碳化物 金属耐磨材料 一 耐磨钢 含碳量的影响 对于碳钢来说 适当的增加含碳量 可以提高耐磨性 0 2 0 3 C淬火后获得低碳板条马氏体组织 韧性高并有适当的硬度 HRC40 50 适用于要求韧性高 耐磨性较低的工件 0 4 0 6 C淬火后获得混合型马氏体组织 适用于要求较高耐磨和足够韧性的工件 0 6 0 9 C淬火后显微组织以片状孪晶马氏体为主 硬度高 HRC60 脆性大 适用于要求较耐磨高 韧性较低的工件 低碳钢 中碳钢 高碳钢 合金元素的影响 对钢中基本相的影响1 溶于铁素体 起固溶强化作用非碳化物形成元素及过剩的碳化物形成元素都溶于铁素体 形成合金铁素体 Si Mn对强度 硬度提高显著 Cr Ni在适当范围内提高韧性 合金元素在钢中的作用 对铁素体冲击韧性影响 2 形成碳化物 起强化相作用合金元素与碳的亲和力从大到小的顺序为 Ti Zr Nb V W Mo Cr Mn Fe Ti Nb V为强碳化物形成元素 碳化物的稳定性 熔点 硬度 耐磨性高 如TiC VC等 钢中碳化物 合金元素在钢中的作用 W Mo Cr为中碳化物形成元素 碳化物的稳定性 熔点 硬度 耐磨性较高 如W2C等 Mn Fe为弱碳化物形成元素 碳化物的稳定性 熔点 硬度 耐磨性较低 如Fe3C等 合金元素在钢中的作用 对Fe Fe3C相图的影响1 对奥氏体相区的影响 Ni Mn Co C N等是扩大奥氏体相区的元素 使A1 A3点下降 A4点上升 当Mn 13 或Ni 9 时 S点降到0 以下 室温下为单相奥氏体组织 称奥氏体钢 锰对奥氏体相区的影响 合金元素在钢中的作用 Cr Mo Si Ti W Al等是缩小奥氏体相区的元素 使A1 A3点上升 A4点下降 当Cr 13 时 奥氏体相区消失 室温下为单相铁素体组织 称铁素体钢 铬对奥氏体相区的影响 合金元素在钢中的作用 对钢中相变过程的影响1 对奥氏体化的影响 对奥氏体形成速度的影响 除Ni Co外 都减缓奥氏体化过程 对奥氏体晶粒长大倾向的影响 碳 氮化物形成元素阻碍奥氏体晶粒长大 Mn P促进长大 合金元素在钢中的作用 2 对过冷奥氏体转变的影响 对C曲线和淬透性的影响 除Co外 凡溶入奥氏体的合金元素均使C曲线右移 淬透性提高 常用提高淬透性的元素为Mn Si Cr Ni B 对Ms Mf点的影响 除Co Al外 所有元素都使Ms Mf点下降 合金元素对钢淬透性的影响 合金元素在钢中的作用 淬火碳钢回火时的硬度变化 3 对回火转变的影响 提高耐回火性 淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力称耐回火性 合金元素能阻碍马氏体分解及碳化物的析出与聚集 当回火硬度相同时 合金钢比同含碳量碳钢回火温度高 如果同温度回火 合金钢硬度比碳钢高 合金元素在钢中的作用 产生二次硬化含高W Mo Cr V钢淬火后回火时 由于析出细小弥散的特殊碳化物及回火冷却时A 转变为M回 使硬度不仅不下降 反而升高的现象称二次硬化 防止第二类回火脆性加W Mo可防止第二类回火脆性 高速钢 合金元素在钢中的作用 碳化物的影响 碳化物的类型与分布是影响材料耐磨性的主要因素 QC活动带来的收获 珠光体 索氏体 屈氏体 马氏体 亚共析钢 F P的耐磨性最差 F M的耐磨性最好 共析钢 M T S S P耐磨性依次下降 过共析钢 P Fe3C S Fe3C T Fe3C M Fe3C M耐磨性提高 在同一条件下 含碳量相同 板状马氏体组织比针状马氏体组织耐磨性好 片状P比球状耐磨性好 细P比粗P耐磨性好 金相组织的影响 碳钢的耐磨性与金相组织的关系 制造曲轴 中低速的齿轮等 45 40钢 制造截面小载荷较高的零件 45Mn2 50Mn2 耐磨零件常用钢种 调质件 螺杆 1 性能要求 良好的综合力学性能 良好的淬透性 一 优质碳素结构钢 耐磨零件的常用钢种 2 成分特点 中碳 0 3 0 5 C 合金元素作用 提高淬透性 Mn Si Cr Ni B 强化铁素体 Mn Si Cr Ni 细化晶粒 Ti V 防止第二类回火脆性 W Mo 耐磨零件的常用钢种 3 热处理及组织特点调质件的加工工艺路线为 下料 锻造 退火 粗加工 调质 精加工 装配调质目的 获得良好综合力学性能使用状态下的组织为 S回 为提高表面耐磨性 调质后可进行表面淬火或氮化 回火索氏体 调质处理车间 耐磨零件的常用钢种 柴油机凸轮轴 4 常用钢号及用途45钢 使用硬度可达53 59HRC 主要用于制造较小的齿轮 轴 螺栓等 耐磨零件的常用钢种 载荷 频率达数万次 分 和摩擦 高而均匀的硬度和耐磨性 高的 b和接触疲劳强度 足够的韧性 淬透性和耐蚀性 二 轴承钢 用于制造轴承套和滚动体的专用钢种 1 性能要求轴承工作时 承受接触应力 达3000 3500MPa 周期性交变 耐磨零件的常用钢种 2 成分特点 高碳 0 95 1 10 C 合金元素 以Cr为主 加入Mn Si Cr Mn Si的主要作用是提高淬透性 Cr还提高耐磨性 形成合金渗碳体 和耐蚀性 当 1 65 Cr时 会因A 增加而使硬度和稳定性下降 耐磨零件的常用钢种 3 热处理和组织特点滚动轴承钢是过共析钢 热处理 球化退火 淬火 低温回火 组织 M回 颗粒状碳化物 A 少量 淬火后进行冷处理 60 80 可以减少A 稳定尺寸 轴承生产车间 耐磨零件的常用钢种 4 常用钢号及用途应用最广的是GCr15 大量用于大中型轴承 大型轴承用GCr15SiMn 这类钢还可用于制造模具 量具等 向心球轴承 耐磨零件的常用钢种 是指在冲击载荷作用下发生冲击硬化的高锰钢 钢号 ZGMn13 1 成分特点 高碳 1 0 1 3 C以保持高耐磨性 高锰 11 14 Mn以保证形成奥氏体组织 三 耐磨钢 耐磨零件的常用钢种 2 热处理及组织铸态组织为奥氏体 碳化物 性能硬而脆 热处理采用水韧处理 即将钢加热到1100 使碳化物溶入奥氏体 并进行水淬 室温组织为过饱和单相奥氏体 耐磨零件的常用钢种 水韧处理的工艺特征 铸态组织高锰钢 A A 表层MHB500 心部AHB220 A Cm 耐磨零件的常用钢种 高锰钢铸态和水韧处理后的组织 高锰钢铸态组织 化染 58 高锰钢水韧淬火组织 化染 58 水韧处理组织 铸态组织 耐磨零件的常用钢种 3 使用及用途水韧处理后 韧性高 硬度低 使用时必须伴随着压力和冲击作用 在压力及冲击作用下 表面奥氏体迅速加工硬化 形成马氏体并析出碳化物 使表面硬度提高到HB500 550 获得高耐磨性 而心部仍为奥氏体组织 具有高耐冲击能力 耐磨零件的常用钢种 高锰钢广泛用于既要求耐磨又要求耐冲击的零件 如拖拉机的履带板 球磨机衬板 破碎 机牙板 挖掘机铲齿和铁路辙岔等 耐磨零件的常用钢种 二 耐磨铸铁 1 高磷铸铁 高磷铸铁 一般指含磷量高于0 3 的灰铸铁 P在铸铁基体中的固溶度很低 凝固过程中在最后凝固的晶界处往往出现二元磷共晶 F Fe3P 或三元磷共晶 F Fe3C Fe3P 一般P 0 15 就会出现磷共晶 磷共晶硬度较高 600 800HV 以断续状分布在基体金属中 不易剥落 对提高铸铁的耐磨性有利 金属耐磨材料 组织 高磷铸铁P基 片状石墨 磷共晶 1 高磷铸铁 应用 机床导轨 汽缸套等 机床导轨 2 硼铸铁 B 0 03 0 08 硼铸铁凝固时 硼在A中固溶度只有0 018 在晶界的残留液体中富集B元素 当B在金属液富集到一定程度 大于0 5 后 将阻碍G析出 凝固按Fe Fe3C介稳定系进行 在共晶团晶界处析出断续状或连续状含硼碳化物相 这种固溶有B的碳化物硬度比Fe3C高 约1100HV 耐磨铸铁 活塞环 汽缸套 3 钒钛铸铁 V 0 3 0 5 Ti 0 15 0 35 V Ti与碳和氮有很强的亲和力 易形成高硬度的碳化物和氮化物质点 显微硬度可达960 1840HV 弥散分布在基体中 使铸铁的耐磨性大大提高 耐磨铸铁 发动机缸套 表面热处理 钢的表面淬火 仅把零件需耐磨的表层淬硬 而中心仍保持未淬火的高韧性状态 只改变表层组织而不改变化学成分 表面淬火零件所用的材料一般是中碳钢 如40 45钢及中碳合金结构钢如40Cr 40MnB等 表面淬火必须用高速加热法使零件表面层很快地达到淬火温度 而不等其热量传至内部 立即迅速冷却使表面层淬硬 表面处理技术 一 火焰加热表面淬火 加热源 氧 乙炔或氧 煤气的混合气体 特点 操作简单 无需特殊设备 淬硬层一般为2 6mm 淬火质量不易稳定 适于单件或小批量生产 二 感应加热表面淬火 高频淬火工艺水或聚乙烯醇水溶液冷却 油易燃 160 200 低温回火 提高韧性 降低淬火残余应力 自身回火淬火法高频淬火优缺点 利用电流的表面效应来实现的 一 化学热处理的分类依据所渗入元素的不同 可将化学热处理分为渗碳 渗氮 渗硼 渗铝等 如果同时渗入两种以上的元素 则称之为共渗 如碳氮共渗 铬铝硅共渗等 渗入钢中的元素 可以溶人铁中形成固溶体 也可以与铁形成化合物 表面化学热处理 渗碳 二 渗碳的目的 分类及应用1 定义 钢在渗碳就是钢件在渗碳介质中加热和保温 使碳原子渗入表面 获得一定的表面含碳量和一定碳浓度梯度的工艺 这是机器制造中应用最广泛的一种化学热处理工艺 2 目的 渗碳的目的是使机器零件获得高的表面硬度 耐磨性及高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度 3 分类 根据所用渗碳剂在渗碳过程中聚集状态的不同 渗碳方法可以分为a 固体渗碳法 b 液体渗碳法及c 气体渗碳法三种 表面化学热处理 渗碳 二 炉气反应与碳势控制1 炉气反应 2CO C CO2 QCH4 C 2H2 QCO H2 C H2OCO C 1 2O2渗碳气氛 CO和CH4脱碳气氛 H2 CO2 H2O O2等 气氛中的N2为中性气体整个气氛的渗碳能力取决于这些组分的综合作用 而不只是哪一个单组分的作用 表面化学热处理 渗碳 第一阶段升温排气阶段 第二阶段强渗阶段 第三阶段扩散阶段 第四阶段降温预冷阶段 使温度降到淬火温度 便于直接淬火 表面化学热处理 渗碳 三 渗碳后的组织和性能渗碳层的组织 在正常情况下 渗碳层在淬火后组织从表面到心部依次为 马氏体和残余奥氏体加碳化物 马氏体加残余奥氏体 马氏体 心部组织 表面化学热处理 渗碳 1电镀的特点电镀一般在100 以下 不会破坏零件的原来的热处理状态 不会使零件产生热应力和变形等 镀层与零件基体结合强度高 镀层质量和厚度比较容易控制 电镀可改善零件表面物理机械性能 如耐磨性 抗腐蚀性 光亮 硬度等 增大零件的几何尺寸 恢复配合性质 设备复杂 成本高 生产力较低 对工人技术条件要求高 污染大 对人体有一定的害处等 表面电镀 2电镀基本原理阴极 被镀零件 阳极 通常为被镀金属 镀槽 不溶解的金属或非金属 如铅 铅锑合金 塑料等 4 电解液 通常为被镀金属离子的盐溶液 3金属镀层的分类耐磨镀层 借镀层的硬度以增加抗磨损能力 如镀硬铬 松孔镀铬 镀铁等 修复性镀层 恢复磨损零件的原始尺寸 如镀铬 镀铁等 图电解原理示意图 表面电镀 电刷镀加工原理 特点及应用范围 1 原理 工件接负极 镀笔接正极 镀液中的金属正离子在电场作用下在阴极表面获得电子而沉积涂镀在阴极表面 满足工件尺寸和表面性能的要求 厚度可达到 0 001 0 5mm 图涂镀加工原理1 盛液盘 2 电解液 3 零件4 输液管 5 阳极及抱套 6 镀笔 7 稳压电源 表面电刷镀 2 特点 1 设备简单 施工方便 特别适合于现场施工 2 涂镀层种类多 可实现复合镀层以满足表面性能的要求 如 硬度 HRC40 50 耐磨性 耐腐性等 3 镀层与基体的结合力高 高于槽镀的结合强度 生产效率高 比常规电沉积高5 50倍 镀层厚度的可控性强 4 生产效率低 劳动强度较大 3 应用范围1 恢复零件的尺寸和几何形状 2 填补零件表面上的划伤 凹坑 斑蚀 孔洞等缺陷 3 改善表面性能 如大型 复杂 单个小批工件的表面局部镀镍 铜 锌 镉 钨 金 银等防腐层 耐磨层等 金属喷涂是用高速气流将被热源熔化的金属 丝材 棒材或粉末 雾化成细小的金属颗粒 以很高的速度吹敷到已准备好的零件表面上 根据熔化金属所用热源的不同 喷涂可分为电喷涂 气体火焰喷涂 高频电喷涂 等离子喷涂 爆炸喷涂等 由于气体火焰喷涂 具有设备简单 操作简便 应用灵活 噪声小等优点 因此在汽车零件修理中应用最广 主要用于修复曲轴 凸轮轴 气缸等 表面喷涂