耐磨减摩材料及热处理.ppt

耐磨减摩材料及表面处理,摩擦磨损一般都发生在材料的摩擦表面上，大量统计表明，在机械零件失效形式中，磨损失效约占80%，故磨损是造成材枓和能源损失的一个主要方面。为了节约材料和能源必须重视对材料的正确选择和使用，以及新型的耐磨、减摩材料的研制开发。,零件材料选择的一般原则：,满足零件使用性能的要求。它是根据零件的工作条件(如载荷的类型、大小和性质）、工作环境（如温度、周围介质的性质，以及某些特殊需要提出来的。满足加工工艺性能（如铸造性能、焊接性能、塑性加工性能、机械加工性能）和热处理工艺性能的要求。满足经济性(如材料价格便宜、符合国家的能源状况和供应情况等）的要求。着手点：工况，失效分析,1金属耐磨材料,金属耐磨材料在工程实际中应用最为广泛，因为黑色金属及其合金资源丰富，价格便宜，并且可以用各种表面处理方法加以强化，使之具有一定的强度、韧性及耐磨性，以满足各种工况条件下对材料提出的要求。金属耐磨材料包括耐磨钢、耐磨铸铁、复合钢材及耐磨堆焊焊条等。,材料的耐磨性定义：材料的耐磨性通常是指在一定的工况条件下，摩擦副材料在摩擦过程中抵抗磨损的能力。材料的耐磨性离不开工况条件(速度、载荷、温度、介质等)。同一种材料，在不同的工况条件下其耐磨性相差很大。例如，高锰钢，当受低应力磨损时，它的耐磨性不好，而在高应力磨损的场合，它具有特别高的耐磨性。高硬度的材料通常具有良好的抗磨料磨损性能，而在交变接触应力作用下抗疲劳磨损的能力却并不好。此外材料的配对、摩擦副的结构形状、磨损的型式、维护条件等的不同，其耐磨性也不相同。*因此，可以说并不存在一种材料，它在各种情况下都是耐磨(或减摩)的。材料的耐磨性是有条件的，也是相对的。,1.1耐磨钢,1）影响钢耐磨性的主要因素：含碳量的影响；合金元素的影响；碳化物的影响；金相组织的影响；,2）常用耐磨钢的种类,优质碳素结构钢；合金钢（锰钢、锰钒钢、锰钼钨钢、铬钢、铬锰钢等）；轴承钢；高锰钢（耐磨钢）；,1.2耐磨铸铁,铸铁的机械性能虽不及钢，但铸铁含有石墨，具有一定的耐磨性和减磨性，且成本低，可用于对减摩、耐磨要求不高的场合。作为耐磨铸铁主要是指各种合金白口铸铁，常用的有高铬合金白口铸铁(含Cr15-30)、镍硬白口铸铁(含Ni3.3-5)、钨系白口铸铁等。其中高铬合金白口铸铁是当代最优秀的耐磨材料之一，具有良好的抗磨粒磨损能力。但合金元素含量高，成本较高；其韧性较普通的白口铸铁和镍硬白口铸铁高，但比高锰钢和低合金耐磨钢却低得多，因此不能用于受强烈冲击载荷的零件。,常用的耐磨铸铁,冷硬铸铁白口铸铁中锰球墨铸铁磷系铸铁硼铸铁,2滑动轴承合金,2.1对轴承合金的要求：减摩性；耐磨性；有足够的强度（抗拉、抗压、抗剪、抗疲劳、抗冲击），尤其是在冲击载荷和交变裁荷作用下，应具有足够的抗疲劳强度；顺应性和嵌藏性；良好的物理、化学性能（高的导热性、热容量，热膨胀系数小，耐蚀性，润湿性等）；工艺性好；选择减摩材料还要根据摩擦副的工况条件考虑。,2.2常用的轴承合金,轴承合金（巴氏合金）锡（Sn）、铅（Pb）、锑(Sb)、铜（Cu）的合金，统称为轴承合金。它以锡铅作基体，以增加塑性，而悬浮的Sb-Sn相和Cu-Sn的硬晶粒则起抗磨作用。轴承合金由E.Babbitt（1839年）发明，故称之为巴氏合金。锡基轴承合金铅基轴承合金,2.2.1锡基轴承合金成分：以锡为主，由锡(78%-93%）、锑(4%-14%）、铜（3%-8%）组成。优点：膨胀系数小，嵌藏性好，摩擦系数低，韧性好，耐磨性好，减摩性好，抗粘着能力强，尤其在边界摩擦时抗粘着能力优于铅基合金，而且导热性、耐蚀性良好，它与钢背的附着好，工艺性能好缺点：抗疲劳强度较差，锡价格贵用途：主要用于汽轮机、发动机和压气机等的高速轴承。,2.2.2铅基轴承合金成分：以铅为主，加入锑(10%-18%）、锡（0-20%），加入Sn可提高固溶体的强度同时形成SnSb(硬质点）。优点：具有自润滑性，高温强度好，价格便宜缺点：耐磨性、导热性、耐蚀性比锡基合金差用途：用于低速、轻载或中载的次要轴承上，多用来制造汽车、拖拉机曲轴轴承，以及减速器、球磨机等的轴承,2.2.3铜合金,锡青铜成分：以锡为主要合金元素的铜基合金称为锡青铜。一般含锡量在3%-14%之间优点：机械强度较高，适于重载情况下使用，具有较好的耐磨性、耐蚀性、减摩性、耐疲劳性能，以及良好的铸造性能。分类：锡磷青铜(如ZQSnl0-l)，锡锌铅青铜（如ZQSn6-8-3）用途：用于化工机械、仪表、电动机、机床等轴承中。表3-11列出了锡青铜的主要化学成分、机械性能和用途。,铅青铜：成分：它是铜(硬基体）与铅(软质点）组成的轴承合金，铅含量8-33%之间。优点：其承载能力高，导热性好(为锡基轴承合金的6倍），摩擦系数低，具有较高的耐疲劳强度和抗胶合能力。在高温时（表面温度超过300）可以从摩擦表面析出铅，在基体上形成一层薄膜，能起润滑作用，可以在320以下工作缺点：顺应性、嵌藏性差，不耐腐蚀，对轴颈的相对磨损较大，与之相配的轴颈硬度以300HB为宜。用途：ZQPb30用于内燃机曲轴轴承和连杆轴承上。,铝青铜：成分：含铝约在8-11%之间优点：铝青铜比锡青铜机械性能高，耐磨性、耐腐蚀性好，它是铜合金中强度较高的一种减摩材料缺点：顺应性差，嵌藏性差用途：主要用于制造蜗轮、轴套等。,2.2.4铝基合金,成分：由铝(60%-95%）和锡（5%-10%）等组成。优点：减摩性好，可承受重裁荷，疲劳强度高，耐腐蚀也好，具有较高的高温硬度，适合于在高速重载下工作，其价格低，它是一种新型的耐磨减摩材料，被广泛用来制造高速重载轴承和一般轴套。缺点：抗粘着能力低，为改善抗粘着性、顺应性和嵌藏性，可以增加锡的含量到30%-40%。由于铝基合金硬度较高，故要求相配的轴颈硬度应不低于300HB。用途：它可以代替铜合金，从而节约大量的铜。,2.2.4多层合金减摩材料,为了更好的满足耐磨、减摩的要求，可将上述减摩材料制成两层、三层或多层合金减摩材料，以改善其表面性能。如用低碳钢带和上述减摩合金之一轧制成双金属减摩材料。也可以在减摩合金上再镀一层薄软的镀层，构成三层减摩材料，减摩合金厚度一般在1mm以下，用减薄减摩合金厚度的方法来增加其抗疲劳强度，减摩镀层厚度一般为0.02-0.04mm，以此来改善其表面性能。可用连续轧制和冲压加工的方法制成零件，其制造精度高，互换性好，适合大批生产，可用于高速重载条件下的动力机械上的轴瓦材料。钢背-铜铅双金属合金钢背-铝基双金属合金,2.2.6其他减摩材料1）粉末冶金减摩材料2）金属塑料减摩材料3）金属纤维减摩材料,3非金属耐磨减摩材料,非金属材料是指除金属材料之外的其它材料，其种类繁多。在非金属材料中用于耐磨减摩材料的有工程陶瓷材料、工程塑料及其复合材料等。,3.1工程陶瓷材料,3.1.1陶瓷材料的分类按历史的发展和成分、性能特点可将其分为传统陶瓷、特种陶瓷和金属陶瓷（属于复合材料）。传统陶瓷常用硅酸盐做原料，经粉碎、成型、烧结制成。按用途又可分为日用陶瓷、建筑陶瓷、化工用陶瓷(耐酸、碱能力强）、电器绝缘陶瓷、多孔陶瓷（隔热、保温）等。特种陶瓷主要采用人工化合物做原料，包括各种高纯氧化物、碳化物、氮化物等。制造工艺与普通陶瓷类似，它具有独特的物理、化学和力学性能，可以满足各种工程的特殊需要。按其性能可分为功能陶瓷和工程陶瓷。功能陶瓷又分为导电陶瓷、压电陶瓷、导体陶瓷、磁性陶瓷、光学陶瓷及传感器材料、耐烧蚀、耐腐蚀、抗氧化、蠕变小等特点；常用的工程陶瓷有氮化物、氧化物和碳化物陶瓷。,3.1.2陶瓷材料的特点,组成：晶相、玻璃相、气相晶相是主要组成相，决定陶瓷的性能。刚玉陶瓷性能：陶瓷材料的硬度比金属高，抗压强度大，耐磨损，耐腐蚀，抗氧化，耐高温，熔点比金属高。但是其质脆，塑性变形能力极低，受力大时，易发生脆性断裂。常见工程陶瓷：氧化铝、氧化锆、氮化硅、碳化硼、氮化钛、碳化硅、碳化钛、碳化硼等。此外，还有新研制的增韧氧化物等。,3.2工程塑料,具有优良的机械、物理、化学及电的综合性能的塑料称为工程塑料，它作为良好的工程材料已得到广泛的应用。,3.2.1塑料的特性,优点：比重小，一般塑料比重左0.9-2.3之间，钢的1/6，铝的l/2。大部分塑料的摩擦系数低，减摩性好，具有自润滑性能，部分塑料经过增强后耐磨性能大大提高，可在少油或无油条件下工作。耐蚀性好，它对酸碱等化学药物有良好的抵抗能力；可降低振动，减小噪音；具有良好的电绝缘性能，但在塑料中加入某些导电填料后，可制成导电材料。缺点：机械性能较差；抗蠕变性能低；耐热性低，其耐热性不如金属和陶瓷；易老化变质。,用途：传动零件：齿轮、蜗轮、凸轮；耐磨、减摩零件：轴承、导轨活塞环等；一般结构零件：壳罩、盖板、手轮、手柄、垫片等；耐蚀性零件：化工管道、容器、阀、泵等；电气绝缘零件：如插头、插座、线圈骨架等。,3.2.2工程塑料的分类,按工程塑料合成方法可以分为热塑性和热固性两种。1）热塑性工程塑料:聚酰胺、聚甲醛、ABS、聚碳酸脂、氯化聚醚、聚砜、聚酰亚胺、氟塑料、聚四氟乙烯、高密度聚乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲脂(有机玻璃）等。2）热固性工程塑料:酚醛塑料、环氧塑料、氨基塑料等。按用途可以分为耐磨、减摩、耐蚀、耐高温等几种塑料，有的塑料兼备多种用途。1）耐磨传动零件用塑料：如聚酰胺(尼龙），MC尼龙、聚甲醛、聚碳酸酯等。2）减摩自润滑零件用塑料：如聚四氟乙烯、填充的聚四氟乙烯等。3）耐蚀性塑料：如聚四氟乙烯、聚丙烯、低压聚乙烯等。4）耐高温塑料：如聚砜、聚酰亚胺、氟塑料等。5）一般结构件用塑料：聚丙烯、低压聚乙烯、ABS等。,3.2.3常用的工程塑料,（1）热塑性工程塑料聚酰胺(尼龙或PA）聚甲醛（POM）聚碳酸酯（PC）聚砜（PSU）ABS聚四氟乙烯（F-4）（2）热固性工程塑料酚醛塑料氨基塑料环氧塑料有机硅塑料,3.3橡胶,橡胶是高聚物，其分子形状呈线型，它在很宽的温度范围内具有高弹性，通常随品种不同而不同，一股橡胶在-4080范围内具有高强性。橡胶在高弹变形时，弹性模量低，其弹性模量约在1MPa左右，而伸长率则在100-1000%之间。橡胶的抗拉强度或扯断强度与其结构有关，线型结构的强度高，支链多的强度低，在一定的范围内，分子量大的强度高。强度的高低，是决定其使用寿命的主要因素。橡胶有良好的耐磨性及绝缘、隔音等性能，可用它来制造传动件，密封件和减振件等；其耐油性及耐腐蚀气体介质性优良，耐热性也较好，常用来制造胶辊、胶圈及搓毛胶板等。,4复合材料,复合材料以韧性好的材料为基体，以高强度、高模量的材料为增强相，其增强相有粒状和纤维状（如玻璃纤维、碳纤维、硼纤维等）。比强度和比模量大；减震性能优良；耐磨性、减摩性优良，具有良好的自润滑性能，抗疲劳性能好，基体和增强纤维间的界面能有效地阻止裂纹的扩展故疲劳极限较高；化学稳定性优良，具有耐蚀性、隔热性、抗烧蚀、耐高温性。具有优良的工艺性能，适合一次整体成型；价格高，使用经济性差。,4.2复合材料的分类,根据复合材料的结构特点可分为：纤维复合材料；层叠复合材料；细粒复合材料；骨架复合材料。,4.2.1纤维增强材料,纤维增强材料有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维和晶须。玻璃纤维碳纤维和石墨纤维硼纤维晶须上述增强纤维具有较高的强度，它主要承担外载荷，但纤维排布方向要与构件的受力方向一致，才能发挥增强作用，而且纤维和基体的热膨胀系数要相适应。,4.2.2玻璃纤维增强塑料,玻璃纤维增强热塑性塑料种类：聚酰胺（尼龙）、聚碳酸酯、聚甲醛等；性能：强度（抗拉、抗压、抗弯）、抗蠕变性能；用途：制造耐磨、减摩的机械零件、密封件、泵、阀与汽车壳体等。玻璃纤维增强热固性塑料分类：环氧、酚醛、氨基、树脂、有机硅等树脂。性能：抗拉、抗压、抗弯和抗冲击强度，尤其是抗冲击强度提高较多，比强度高，脆性降低，收缩减小，具有较高的耐蚀性、耐热性和电绝缘性，但刚性比金属差。用途：制造机械零件，如轴承、齿轮及形状复杂的结构件，也用于车辆制造。,4.2.3碳纤维增强塑料碳纤维增强塑料以环氧树脂、酚醛树脂、聚四氟乙烯等为基体材料，用碳纤维增强。比强度、比模量高，抗冲击性能优良。疲劳强度较高，摩擦系数小，耐磨性好，重量轻，刚度较高，可以制造高温、高速、自润滑、耐磨零部件。用于无需润滑和不许使用润滑油的场合，可做轴承、齿轮、密封圈等。4.2.4纤维增强的金属基复合材料以氧，碳化物，硼化物以及某些难熔金属，例如Al2O3、ZrO2、SiC、B4C、TiB2、Mo、W等增强金属基形成的复合材料。,5表面处理技术,表面耐磨处理方法，按其处理特点可分为三大类：表面涂覆法使表面上覆盖一层耐磨材料，如耐磨堆焊、热喷涂（如火焰喷涂、氩弧喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂等）、电镀、化学镀、PVD、CVD等；表面合金法改善表层化学成分和组织。例如渗碳、渗氮、渗硼，扩散处理（渗硅、渗铝、渗铬、渗硫）、电火花熔渗等；改变表面显微组织法如表面形变处理（喷丸处理、滚压处理）、热