抗磨损设计及表面涂层

2020 4 15 FreeT 1 第四章抗磨损设计与表面涂层 前景随着工业技术的发展 对各种机械装备的表面性能要求越来越高 一些在高温 高速 重载或腐蚀介质下工作的零件 往往因其表面局部损伤最终导致整个设备失效 所以 通过抗磨设计方法以达到提高零件的磨损性 受到人们的广泛重视 抗磨损设计的最有效的方法 1 在摩擦表面之间建立一层润滑膜 包括流体润滑膜 表面吸附膜和化学反应膜 2 合理选择摩擦副材料的配对和表面强化措施 3 润滑油的过滤与摩擦表面的密封 2020 4 15 FreeT 2 第四章抗磨损设计与表面涂层 4 1润滑方法简介 润滑方法的确定与润滑方式的选择 是决定润滑效果的最重要因素之一 2020 4 15 FreeT 3 第四章抗磨损设计与表面涂层 一 油润滑的润滑方法 1 间歇无压润滑 即通过人工用油壶将油注入油孔 油杯中 油沿摩接表面扩散形成暂时性油膜 这种方式结构简单 成本低 送油不均匀 可靠性差 其选用于轻载 低速 间歇工作的摩擦副 如开式齿轮 链条 钢丝绳 低速导轨等 2 间歇压力润滑 即通过人工用油枪将润滑油压人油杯中 实现对摩擦副的润滑 该方式也适用于载荷低 间歇工作的摩擦副 如金属切削机床 汽车 拖拉机以及农业机械中的某些润滑部位 2020 4 15 FreeT 4 第四章抗磨损设计与表面涂层 3 连续无压润滑 4 连续压力润滑 强制润滑 利用装在油池上的柱塞泵将润滑油通过管路输送到各个需要润滑的零件上 油雾润滑 用压缩空气将润滑油喷成油雾后送到润滑部位 2020 4 15 FreeT 5 第四章抗磨损设计与表面涂层 二 润滑脂的润滑方法 1 手工润滑手工润滑 即将润滑脂抹人轴承中 或用油枪将脂由油孔注入润滑部位 手工润滑一般用于中 低速机械 如密封合理 也可用于高速部位的润滑 2 滴下润滑滴下润滑 即将润滑脂装在脂杯里向润滑部位滴下 3 集中润滑集中润滑就是由压力泵将脂缸中的润滑脂输送到润滑点上 该方法常用于润滑点多的车间或工厂 2020 4 15 FreeT 6 第四章抗磨损设计与表面涂层 三 固体润滑方法 1 整体润滑整体润滑就是将具有自润滑性能的塑料基或金属基复合材料制成齿轮 轴承 途轮 活塞环 保持架 滚子等零件直接使用 而不需另外润滑 根据使用条件不同 可以选用不同类型的材料 聚四氟乙烯基复合材料适用于化工腐蚀条件下的泵 压缩机和轴承零件 酚醛基自润滑复合材料适用于与水接触的设备 如潜水泵 船院轴承 金属基自润滑组合材料适用于高温条件下的温控轴承 阀体 阀座等 2020 4 15 FreeT 7 第四章抗磨损设计与表面涂层 2 覆盖膜润滑采用各种方法将固体润滑剂覆盖在需要润滑的金属工件表面进行润滑 称为覆盖膜润滑 根据成膜方法的不同 有溅射膜 离子镀膜 电镀膜 沉积膜 粘结膜等 3 粉末润滑粉末润滑就是直接将固体润滑剂粉末加入到摩擦而进行润滑 固体润滑剂粉末目前应用较多的是将其加到润滑油和润滑脂中 随着固体润滑剂微细化技术的进步 这种方法发展很快 成为固体润滑剂粉末的主要应用方式之一 2020 4 15 FreeT 8 第四章抗磨损设计与表面涂层 4 2润滑油脂与添加剂选择一 润滑膜的厚度膜厚比 作为衡量润滑状态的参数 一般认为 大于或等于1 5就可以把各种类型的磨损控制在轻微的程度内而获得合理的寿命 详细划分 较低速度或较低的表面粗糙度 要求 大于或等于0 5 1较高的速度或粗糙的表面 则应使 大于或等于2对于磨合过的表面 取 大于或等于0 5 1对于未磨合过的表面 取 大于或等于2 2020 4 15 FreeT 9 第四章抗磨损设计与表面涂层 二 润滑油的选择润滑油的选择应当根据使用条件对润滑油的主要特性进行综合分析 P362表13 1选择各种基础油时考虑的特性 对润滑油的要求如下 粘度 粘度指数及粘压系数适当的粘度可以保证达到油膜厚度的要求 但粘度值太高则摩擦阻力增加并引发热 粘度值受温度影响很大 当工作温度和环境温度变化较大时 还应考虑选择合适的粘度指数 它是衡量润滑油热稳定性的重要指标 粘度指数越高 2020 4 15 FreeT 10 第四章抗磨损设计与表面涂层 即温度影响越小 改变措施 加入增粘添加剂 如 聚乙烯基正丁基醚 稳定性在润滑油使用过程中 由于氧化变质会丧失润滑功能 大大降低工作寿命 常用的抗氧化添加剂 二烷基二硫磷酸盐对羟基二苯胺 其他要求 1 易氧化处及循环润滑系统不宜掺用动物油或植物油 2020 4 15 FreeT 11 第四章抗磨损设计与表面涂层 2 汽油机油与柴油不宜用于潮湿处 3 变压器油不宜作润滑油用 4 内燃机等高温机械不宜用汽轮机油和液压油 5 当工作温度或要求粘度较低时 可与煤油掺和使用 但煤油量不宜超过50 6 煤油不宜用于精密机械 2020 4 15 FreeT 12 第四章抗磨损设计与表面涂层 三 润滑脂的选择 润滑脂的组成 俗称黄油或干油 由润滑油加入稠化剂在高温下混合而成 润滑脂 质量分数 润滑油 75 85 稠化剂 10 20 其它添加剂 0 5 5 2020 4 15 FreeT 13 第四章抗磨损设计与表面涂层 稠化剂的作用 减少润滑油的流动性 同时增强密封性 耐压性 缓冲性 润滑脂添加剂 2020 4 15 FreeT 14 第四章抗磨损设计与表面涂层 四 固体润滑剂 定义 指一些低剪切强度的固体 如 软金属 软金属化合物 无机物 有机物和自润滑复合材料 优点 耐热 化学稳定性好 耐高压不挥发 不污染 特别适合于不能密封和供油的系统 2020 4 15 FreeT 15 第四章抗磨损设计与表面涂层 缺点 磨损率比油润滑高 使用场合 原子能工业 塑料工业 火箭 人造卫星等常规方法难解决的场合 2020 4 15 FreeT 16 第四章抗磨损设计与表面涂层 a 石墨 常用固体润滑剂 具有片状或层状结构的固体 由于它们有十分明显的各向异性或方向性的性质 因而具有低的摩擦阻力 2020 4 15 FreeT 17 第四章抗磨损设计与表面涂层 石墨的摩擦 2020 4 15 FreeT 18 第四章抗磨损设计与表面涂层 b 二硫化钼 温度升到800 以上 MoS2发生显著的分解 这样就剩下了固体钼 它产生很高的摩擦 二硫化钼在真空中的低摩擦使它特别适宜于太空中的应用 应用 在制造烧结金属零件时使之含有MoS2 MoS2作为润滑脂和润滑油的主要耐磨添加剂也取得了很好的效果 2020 4 15 FreeT 19 第四章抗磨损设计与表面涂层 五 过滤与密封 必要性 润滑剂清洁与否 能够使摩擦副寿命相差10倍 润滑剂中颗粒造成表面磨损的机理 磨粒磨损 疲劳磨损 粘着磨损 2020 4 15 FreeT 20 第四章抗磨损设计与表面涂层 1摩擦副材料的选材依据耐磨性 它是材料的硬度 韧性 互溶性 耐热性 耐腐蚀性等的综合性质摩擦副的匹配性 4 3摩擦副材料的选配原则 在具体的选配过程中 首先要分析主要磨损形式 如磨粒磨损 疲劳磨损 粘着磨损等 然后根据各自影响因素 对材料性能的要求 进行合理选择 2020 4 15 FreeT 21 第四章抗磨损设计与表面涂层 4 4表面改性处理 表面淬火 火焰加热表面淬火感应加热表面淬火高能密束表面淬火 化学热处理 渗碳氮化碳氮共渗渗硼渗金属和多元共渗 表面镀覆 电镀 化学镀 复合镀电刷镀化学气相沉积物理气相沉积离子注入 表面冶金强化 热喷涂与喷焊堆焊 2020 4 15 FreeT 22 第四章抗磨损设计与表面涂层 常见表面技术的强化原理 表层结构及性能 2020 4 15 FreeT 23 第四章抗磨损设计与表面涂层 一 化学热处理 1 概述化学热处理是利用固态扩散使其他元素渗入工作表面的一种热处理工艺 所以又称扩散热处理 它是将工件置于含有渗入元素的活性介质中 加热到一定温度后进行保温 渗入元素被吸附并扩散进表面层 改变工作表面层化学成分 使组织结构和性能发生变化 2020 4 15 FreeT 24 第四章抗磨损设计与表面涂层 化学热处理工艺分类 2020 4 15 FreeT 25 第四章抗磨损设计与表面涂层 化学热处理改性分类 2020 4 15 FreeT 26 第四章抗磨损设计与表面涂层 2 化学热处理的基本过程 1 渗剂中的反应 2 渗剂中的扩散 3 相界面反应 4 金属工件中的扩散 5 金属中的反应 2020 4 15 FreeT 27 第四章抗磨损设计与表面涂层 1 渗碳 渗碳处理的工艺实质是在钢材表面增加碳浓度 一般渗碳层中碳的浓度为0 8 一1 1 这将使表层的组织和硬度有显著变化 3 非金属扩渗 渗碳层厚度要求 各种工件对渗碳层厚度的要求 2020 4 15 FreeT 28 第四章抗磨损设计与表面涂层 表8 2三种渗碳方法的特点 2020 4 15 FreeT 29 第四章抗磨损设计与表面涂层 常用的渗碳方法有气体渗碳法 固体渗碳法和真空渗碳法 气体渗碳示意图 2020 4 15 FreeT 30 第四章抗磨损设计与表面涂层 合金元素对马氏体转变温度的影响 2020 4 15 FreeT 31 第四章抗磨损设计与表面涂层 2020 4 15 FreeT 32 第四章抗磨损设计与表面涂层 a 残余奥氏体对耐磨性的影响 2020 4 15 FreeT 33 第四章抗磨损设计与表面涂层 b 渗碳工艺对耐磨性的影响 固体渗碳层对耐磨性的影响 2020 4 15 FreeT 34 第四章抗磨损设计与表面涂层 2020 4 15 FreeT 35 第四章抗磨损设计与表面涂层 液体渗碳层对耐磨性的影响 2020 4 15 FreeT 36 第四章抗磨损设计与表面涂层 2020 4 15 FreeT 37 第四章抗磨损设计与表面涂层 2020 4 15 FreeT 38 第四章抗磨损设计与表面涂层 2020 4 15 FreeT 39 第四章抗磨损设计与表面涂层 2020 4 15 FreeT 40 第四章抗磨损设计与表面涂层 气体渗碳层对耐磨性的影响 2020 4 15 FreeT 41 第四章抗磨损设计与表面涂层 2020 4 15 FreeT 42 第四章抗磨损设计与表面涂层 2020 4 15 FreeT 43 第四章抗磨损设计与表面涂层 渗碳铬镍钢在不同接触压力下的磨痕宽度 2020 4 15 FreeT 44 第四章抗磨损设计与表面涂层 2 渗氮 渗氮工艺特点 1 温度 500 600度 2 时间 50h 3 适用钢材品种少 发展方向 缩短处理时间 开发新的适用钢材 2020 4 15 FreeT 45 第四章抗磨损设计与表面涂层 a 氨中渗氮层的耐磨性 2020 4 15 FreeT 46 第四章抗磨损设计与表面涂层 2020 4 15 FreeT 47 第四章抗磨损设计与表面涂层 2020 4 15 FreeT 48 第四章抗磨损设计与表面涂层 b 盐浴软氮化层的耐磨性 2020 4 15 FreeT 49 第四章抗磨损设计与表面涂层 2020 4 15 FreeT 50 第四章抗磨损设计与表面涂层 c 气体软氮化层的耐磨性 2020 4 15 FreeT 51 第四章抗磨损设计与表面涂层 d 离子渗氮层的耐磨性 离子渗氮消耗物少 无公害 处理温度低 500度 比气体渗氮时间短 在工业中被普遍应用 2020 4 15 FreeT 52 第四章抗磨损设计与表面涂层 各种渗氮层的耐磨性比较 2020 4 15 FreeT 53 第四章抗磨损设计与表面涂层 2020 4 15 FreeT 54 第四章抗磨损设计与表面涂层 2020 4 15 FreeT 55 第四章抗磨损设计与表面涂层 4 金属扩渗 金属扩渗是金属化学热处理中常用的一种方法 其基本原理和其他化学热处理相似 1 渗硼 2020 4 15 FreeT 56 第四章抗磨损设计与表面涂层 各种元素对渗硼层的影响 2020 4 15 FreeT 57 第四章抗磨损设计与表面涂层 2020 4 15 FreeT 58 第四章抗磨损设计与表面涂层 2020 4 15 FreeT 59 第四章抗磨损设计与表面涂层 2020 4 15 FreeT 60 第四章抗磨损设计与表面涂层 2 渗钒 2020 4 15 FreeT 61 第四章抗磨损设计与表面涂层 2020 4 15 FreeT 62 第四章抗磨损设计与表面涂层 二 表面淬火 2表面淬火工艺的特点 工艺简单 热处理变形小和生产效率高 表面淬火主要是通过快速加热与立即淬火冷却相结合的方法来实现的 即利用快速加热使钢件表面很快地达到淬火的温度 而不待热量传至钢件中心 即迅速予以冷却 1表面淬火的定义 2020 4 15 FreeT 63 第四章抗磨损设计与表面涂层 3表面淬火工件的特点 组织特点 表面马氏体 心部原始组织性能特点 4表面淬火用钢的含碳量 0 4 0 5 Why 提高含碳量 则会增加淬硬层脆性 降低心部塑性和韧性降低含碳量 则会降低零件表面淬硬层的硬度和耐磨性 2020 4 15 FreeT 64 第四章抗磨损设计与表面涂层 5表面淬火的分类 2020 4 15 FreeT 65 第四章抗磨损设计与表面涂层 1 感应加热表面淬火 集肤效应 表8 2感应加热方式的适应范围 2020 4 15 FreeT 66 第四章抗磨损设计与表面涂层 感应加热表面淬火示意图 淬硬层深度易于控制 淬火操作容易实现机械化和自动化 感应加热表面淬火的工件不易氧化和服碳 变形也小 表面具有比普通淬火稍高的硬度和较低的脆性 并具有较高的疲劳强度 钢的加热速度大 珠光体转换为奥氏体转变温度范围扩大 转变时间缩短 2020 4 15 FreeT 67 第四章抗磨损设计与表面涂层 2 火焰加热表面淬火 火焰表面淬火示意图 火焰加热表面淬火方法简便 无需特殊设备 可适用单件或小批量生产的大型零件和需要局部淬火的工具或零件 如大型轴类 大模数齿轮 锤子等 但火焰加热表面淬火较易过热 淬火质量往往不够稳定 由此限制了它在机械制造工业中的广泛应用 2020 4 15 FreeT 68 第四章抗磨损设计与表面涂层 3 激光表面淬火 激光表面淬火也称为激光相强化 指碳钢或合金纲在室温下经激光辐照 表层被迅速加热至奥氏体化温度以上 在激光停止辐照后 快速自冷淬火得到马氏体组织的一种工艺方法 激光表面淬火对材料的性能有如下影响 1 硬度升高 2 改善疲劳性能 3 提高耐磨性能 4 残余应力 2020 4 15 FreeT 69 第四章抗磨损设计与表面涂层 表4 7几种激光束表面热处理的功率密度 2020 4 15 FreeT 70 第四章抗磨损设计与表面涂层 表4 8激光淬火与普通淬火耐磨性的比较 2020 4 15 FreeT 71 第四章抗磨损设计与表面涂层 与其他表面处理技术相比 激光表面处理具有如下特点 2020 4 15 FreeT 72 第四章抗磨损设计与表面涂层 4 电子束表面淬火 电子束表面淬火处理的主要特点如下 2020 4 15 FreeT 73 第四章抗磨损设计与表面涂层 4 5表面涂层1定义 表面涂层是在固体表面涂覆一层或多层不同材料的薄膜来达到强化表面或使表面具有特殊功能的目的 2表面涂层的常用方法 2020 4 15 FreeT 74 第四章抗磨损设计与表面涂层 2020 4 15 FreeT 75 第四章抗磨损设计与表面涂层 一 电镀 电镀是一种用电化学方法在镀件表面上沉积所需形态的金属覆层的工艺 电镀的目的改善材料的外观 提高材料的各种物理化学性能 赋予材料持殊的耐蚀性 耐磨性 装饰性 焊接性及电 磁 光学性能等 电镀缺点 1 形状复杂的零件不易得到均匀的镀层 2 电镀膜总有一些微小空隙 3 氢析会引致钢的氢脆 强度和疲劳抗力下降 4 工艺造成环境传染 2020 4 15 FreeT 76 第四章抗磨损设计与表面涂层 二 化学镀 含有镀层金属离子的溶液在还原剂的作用下 在有催化作用的工件表面上形成镀层的方法 称为化学镀 化学镀可用在金属和绝缘体工件上 镍 钴 钯 铂 铜 金和某些合金镀层都可用化学镀获得 与电镀相比 化学镀有如下的特点 1 镀覆过程不需外电源驱动 2 均镀能力好 形状复杂 有内孔 内腔的镀件均可获得均匀的镀层 3 孔隙率低 4 镀液通过维护 调整 可反复使用 但使用周期是有限的 5 可在金属 非金属以及有机物上沉积镀层 2020 4 15 FreeT 77 第四章抗磨损设计与表面涂层 三 冶金熔合法 冶金熔合是指通过堆敷或喷徐熔融状喷涂材料的方法在零件表面形成一层或几层具有特殊性能的材料 这里主要介绍堆焊和热喷涂 1 堆焊 堆焊是用焊接的方法在零件表面堆敷一层金属的工艺过程 其目的不是为了连接零件 而是为了使零件表面获得具有耐磨 耐热 耐蚀等特殊性能的熔敷金属 或是为了恢复零件因磨损或加工过程中的失效而造成的尺才不足 2020 4 15 FreeT 78 第四章抗磨损设计与表面涂层 按热源特点对堆焊方法的分类 2020 4 15 FreeT 79 第四章抗磨损设计与表面涂层 几种堆焊方法的主要特点 2020 4 15 FreeT 80 第四章抗磨损设计与表面涂层 2 热喷涂 热喷涂是指将熔融状态的喷涂材料 通过高速气流使其雾化喷射在零件表面上 形成喷涂层的一种金属表面加工方法 按照能源的种类 喷涂材料形态以及环境特点等可以将热喷涂进行以下分类 2020 4 15 FreeT 81 第四章抗磨损设计与表面涂层 图8 12涂层剖面示意图 2020 4 15 FreeT 82 第四章抗磨损设计与表面涂层 通常热喷涂技术具有以下特点 1 取材范围广 2 可以用于各种基体 3 可使基体保持较低温度 4 工效高 5 被喷涂物件的大小一般不受限制 6 涂层厚度较易控制 7 可赋予普通材料以特殊的表面性能 8 成本低 经济效益显著 2020 4 15 FreeT 83 第四章抗磨损设计与表面涂层 几种基本热喷涂方法的特性比较 2020 4 15 FreeT 84 第四章抗磨损设计与表面涂层 常用表面技术的比较 2020 4 15 FreeT 85 第四章抗磨损设计与表面涂层 几种热喷涂层的耐磨性 2020 4 15 FreeT 86 第四章抗磨损设计与表面涂层 三 气相沉积 Vapordeposition 气相沉积可分为物理气相沉积 PVD 和化学气相沉积 CVD 两种 1 物理气相沉积 PVD 物理气相沉积是指薄膜沉积不涉及化学反应 薄膜的生长基本是物理过程 包括 1 真空蒸发 2 离子镀 3 溅射 4 分子束外延 2020 4 15 FreeT 87 第四章抗磨损设计与表面涂层 2化学气相沉积 CVD 化学气相沉积是指利用流经衬底表面的气态物料的化学反应 生成固态物质 在衬底表面形成薄膜的方法 常用CVD分类方法 2020 4 15 FreeT 88 第四章抗磨损设计与表面涂层 PVD和CVD薄膜特点及主要应用 2020 4 15 FreeT 89 第四章抗磨损设计与表面涂层 表4 21TiC TiN涂层的应用效果 2020 4 15 FreeT 90 第四章抗磨损设计与表面涂层 4 7表面涂层设计 表面涂层技术是利用表面冶金强化或表面镀膜强化方法 获得高质量的表面涂层 应用时必须首先了解预涂零件的上作条件和可能发生的失效类型 从而设计涂层性能和选择涂层材料 其次是根据各种涂层方法特点及其适用范围 选择适合的涂层工艺