材科的摩擦、磨损防护

1、 任何机器运转时，相互接触的零件之间都任何机器运转时，相互接触的零件之间都 将因相对运动而产生摩擦，而磨损正是由将因相对运动而产生摩擦，而磨损正是由 于摩擦产生的结果。由于磨损，将造成表于摩擦产生的结果。由于磨损，将造成表 层材料的损耗，零件尺寸发生变化，直接层材料的损耗，零件尺寸发生变化，直接 影响了零件的使用寿命。影响了零件的使用寿命。 一一 固体的表面特点与表面的相互接触固体的表面特点与表面的相互接触 1固体表面的几何形状固体表面的几何形状 （1）表面形状偏差）表面形状偏差 （2）表面波纹度）表面波纹度 （3）表面粗糙度）表面粗糙度 材料表面的组织结构材料表面的组织结构 （1）污染层）污

2、染层 （2）吸附层）吸附层 （3）氧化层）氧化层 （4）变形层）变形层 当两个粗糙物体表面在法向载荷的作用下贴紧当两个粗糙物体表面在法向载荷的作用下贴紧 时，最先进入接触的是表面上最高的微凸体，随时，最先进入接触的是表面上最高的微凸体，随 着载荷的增加，接触微凸体的变形增大，表面上着载荷的增加，接触微凸体的变形增大，表面上 接触微凸体的数目增多，两表面的接触面积增大。接触微凸体的数目增多，两表面的接触面积增大。 摩擦：摩擦：两个接触的物体相互运动过程中所发两个接触的物体相互运动过程中所发 生的阻力，摩擦的生的阻力，摩擦的 大小一般用摩擦系数表大小一般用摩擦系数表 示示。 两条摩擦定律两条摩擦定

3、律:即摩擦系数与名义接触面积无即摩擦系数与名义接触面积无 关；摩擦力和载荷成正比关；摩擦力和载荷成正比 分类：分类：固体表面摩擦按摩擦副的运动形式可固体表面摩擦按摩擦副的运动形式可 分为滑动摩擦和滚动摩擦；按摩擦副的运动分为滑动摩擦和滚动摩擦；按摩擦副的运动 状分为干摩擦、流体摩擦、边界摩擦和混合状分为干摩擦、流体摩擦、边界摩擦和混合 摩擦摩擦. (1)干摩擦：干摩擦：常用于表示名义上无润滑的摩擦常用于表示名义上无润滑的摩擦.一般发生一般发生 在制动器、摩擦传动及纺织、食品化工机械的部件。在制动器、摩擦传动及纺织、食品化工机械的部件。 这些摩擦中，考虑到污染和安全问题，不允许使用这些摩擦中，考

4、虑到污染和安全问题，不允许使用 润滑剂润滑剂. (2)边界润滑摩擦：边界润滑摩擦：相对运动的两表面被很薄的润滑膜相对运动的两表面被很薄的润滑膜 隔开，边界膜的存在可使摩擦系数降低，并使表面隔开，边界膜的存在可使摩擦系数降低，并使表面 磨损显著减少。磨损显著减少。 3)流体润滑摩擦：流体润滑摩擦：摩擦表面完全被润滑膜隔开。摩擦表面完全被润滑膜隔开。 靠润滑膜的压力平衡外载荷，在流体润滑中、摩擦靠润滑膜的压力平衡外载荷，在流体润滑中、摩擦 阻力取决于润滑剂的内摩擦阻力取决于润滑剂的内摩擦(粘度粘度)，这种摩擦状态，这种摩擦状态 具有最小的摩擦系数，在节能、延长寿命和减少磨具有最小的摩擦系数，在节能

5、、延长寿命和减少磨 损等方面作用显著损等方面作用显著. (4)混合摩擦：混合摩擦：介于上述各摩擦之间，即接触表面间介于上述各摩擦之间，即接触表面间 同时出现干摩擦、边界摩檫和流体润滑摩擦的同时出现干摩擦、边界摩檫和流体润滑摩擦的种种 混合摩擦状态。这是生产实际中最常见的混合摩擦状态。这是生产实际中最常见的种摩擦种摩擦 状态状态. 1相互运动的两个物体，由于表面的接触并发生相相互运动的两个物体，由于表面的接触并发生相 对运动而不断损失的现象称为对运动而不断损失的现象称为磨损磨损. 磨损过程中摩擦表面的磨损过程中摩擦表面的 变化变化： （1）表面微裂纹的生成及其破坏作用）表面微裂纹的生成及其破坏作

6、用 （2）化学反应过程）化学反应过程 （3）润滑剂的作用）润滑剂的作用 （4）摩擦表面间材料的转移）摩擦表面间材料的转移 1)疲劳磨损疲劳磨损：疲劳磨损也称为接触疲劳磨损：疲劳磨损也称为接触疲劳磨损 其基本原理为：两表面在相村滚动或滑动过其基本原理为：两表面在相村滚动或滑动过 径中，在外载荷引起的交变接触应力作用下，径中，在外载荷引起的交变接触应力作用下， 使裂纹在被磨面的表面或次表面形成、扩展使裂纹在被磨面的表面或次表面形成、扩展 并连通。最后剥离下来，形成点蚀或剥落并连通。最后剥离下来，形成点蚀或剥落 例如：具有润滑的轴承、齿轮与凸轮长期使例如：具有润滑的轴承、齿轮与凸轮长期使 用后，摩擦

7、副表面发生接触疲劳磨损，在磨用后，摩擦副表面发生接触疲劳磨损，在磨 损表面出现麻点与剥落。损表面出现麻点与剥落。 接触疲劳接触疲劳是工件是工件(如齿轮、滚动轴承，钢轨和如齿轮、滚动轴承，钢轨和 轮箍，凿岩机活塞和钎尾的打击端部等轮箍，凿岩机活塞和钎尾的打击端部等)表面表面 在接触压应力的长期不断反复作用下引起的一在接触压应力的长期不断反复作用下引起的一 种表面疲劳破坏现象，表现为接触表面出现许种表面疲劳破坏现象，表现为接触表面出现许 多针状或痘状的凹坑，称为麻点，也叫点蚀或多针状或痘状的凹坑，称为麻点，也叫点蚀或 麻点磨损。有的凹坑很深，呈麻点磨损。有的凹坑很深，呈“贝壳贝壳”状，有状，有 疲

8、劳裂纹发展线的痕迹存在。在刚出现少数麻疲劳裂纹发展线的痕迹存在。在刚出现少数麻 点时，一般仍能继续工作，但随着工作时间的点时，一般仍能继续工作，但随着工作时间的 延续，麻点剥落现象将不断增多和扩大，例如延续，麻点剥落现象将不断增多和扩大，例如 齿轮，此时啮合情况恶化，磨损加剧，发生较齿轮，此时啮合情况恶化，磨损加剧，发生较 大的附加冲击力，噪声增大，甚至引起齿根折大的附加冲击力，噪声增大，甚至引起齿根折 断。断。 (2)粘着磨损：粘着磨损：粘着磨损是指两个相对运动的表面发粘着磨损是指两个相对运动的表面发 生相互焊合，在相互运动过程中焊合表面产生撕裂而生相互焊合，在相互运动过程中焊合表面产生撕裂

9、而 发生的磨损。其基本过程为：两个相对运动的表面在发生的磨损。其基本过程为：两个相对运动的表面在 摩擦力作用下，表面层发生塑性变形表面的氧化膜摩擦力作用下，表面层发生塑性变形表面的氧化膜 或污染膜被破坏，露出新鲜表面而发生焊合、当外力或污染膜被破坏，露出新鲜表面而发生焊合、当外力 大干焊点的强度时，焊点将被剪断，若剪切正好发生大干焊点的强度时，焊点将被剪断，若剪切正好发生 在接触表面，将不会发生磨损，而大多数剪切发生在在接触表面，将不会发生磨损，而大多数剪切发生在 强度较低方的表面层，形成强度较低方的表面层，形成“材料转移材料转移”。在以后的。在以后的 摩擦过程巾，转移摩擦过程巾，转移(粘着粘

10、着)物将从表面脱落下来形成磨物将从表面脱落下来形成磨 屑。屑。 粘着磨损主要是微凸体接触区域受损引起的，粘着磨损主要是微凸体接触区域受损引起的， 通常发生在重载、高速特别是产生大量摩擦热的运通常发生在重载、高速特别是产生大量摩擦热的运 动副中。过载及润滑不良的轴承、齿轮等常发生粘着动副中。过载及润滑不良的轴承、齿轮等常发生粘着 磨损磨损 阿查德(Archard)提出粘着摩损模型，得出了粘着摩损规律 的表达式。 磨损率为 阿查德公式说明，粘着磨损所造成的体积磨损量和载荷及滑 动距离成正比，与材料的硬度成反比。式中K称为粘着磨损 系数，决定于摩擦条件和摩擦副材料。当压力不超过钢的硬 度的1/3时，

11、实验证明这一公式所表示的规律是正确的，磨损 与载荷成正比，K/H保持不变；但超过钢的屈服强度时，K值 急剧增大，磨损也急剧增大，结果造成大面积的焊合和咬死 。此时整个表面发生塑性变形，接触面积不再与载荷成正比。 影响粘着磨损的因素影响粘着磨损的因素 (1)脆性材料的抗粘着磨损能力比塑性材料高。脆性材料的抗粘着磨损能力比塑性材料高。 (2)金属性质越是相近的，构成摩擦副时粘着磨金属性质越是相近的，构成摩擦副时粘着磨 损也越严重。反之，金属间互溶程度越小，晶损也越严重。反之，金属间互溶程度越小，晶 体结构不同，原子尺寸差别较大，形成化合物体结构不同，原子尺寸差别较大，形成化合物 倾向较大的金属，构

12、成摩擦副时粘着磨损就较倾向较大的金属，构成摩擦副时粘着磨损就较 轻微。滑动轴承就是这样的例子，选用淬火钢轻微。滑动轴承就是这样的例子，选用淬火钢 轴与锡基或铝基轴瓦配对。在受力较小时，选轴与锡基或铝基轴瓦配对。在受力较小时，选 用金属与塑料配对都能减小粘着磨损。用金属与塑料配对都能减小粘着磨损。 (3)通过表面化学热处理，如渗硫、硫氮共渗、通过表面化学热处理，如渗硫、硫氮共渗、 磷化、软氮化等热处理工艺，使表面生成一磷化、软氮化等热处理工艺，使表面生成一 化合物薄膜，或为硫化物，磷化物，含氮的化合物薄膜，或为硫化物，磷化物，含氮的 化合物，使摩擦系数减小，起到减磨作用也化合物，使摩擦系数减小，

13、起到减磨作用也 减小粘着磨损。减小粘着磨损。 (4)改善润滑条件，如在润滑油中添加极压剂。改善润滑条件，如在润滑油中添加极压剂。 (5)粘着磨损严重时表现为胶合。粘着磨损严重时表现为胶合。 粘着磨损失效举例粘着磨损失效举例 (1)内燃机中的活塞环和缸套衬这一运动的摩擦内燃机中的活塞环和缸套衬这一运动的摩擦 副，如不考虑燃气介质的腐蚀性，主要表现为粘副，如不考虑燃气介质的腐蚀性，主要表现为粘 着磨损。着磨损。 (2)正常情况下轴在滑动轴承中运转，是一流体正常情况下轴在滑动轴承中运转，是一流体 润滑情况，轴颈和轴承间被一楔形油膜隔开，这润滑情况，轴颈和轴承间被一楔形油膜隔开，这 时其摩擦和磨损是很

14、小的。但当机器启动或停车，时其摩擦和磨损是很小的。但当机器启动或停车， 换向以及载荷运转不稳定时，或者润滑条件不好，换向以及载荷运转不稳定时，或者润滑条件不好， 几何结构参数不恰当而不能建立起可靠的油膜时，几何结构参数不恰当而不能建立起可靠的油膜时， 轴和轴承之间就不可避免发生局部的直接接触，轴和轴承之间就不可避免发生局部的直接接触， 处于边界摩擦或干摩擦的工作状态，这时轴承就处于边界摩擦或干摩擦的工作状态，这时轴承就 要考虑粘着磨要考虑粘着磨 (3)磨粒磨损磨粒磨损：硬的颗粒或对磨表面上硬的微凸：硬的颗粒或对磨表面上硬的微凸 体在摩擦过程中引起的材料损失，称为磨粒磨损体在摩擦过程中引起的材料

15、损失，称为磨粒磨损 。磨粒磨损实质上是材料表面在磨粒作用下发生。磨粒磨损实质上是材料表面在磨粒作用下发生 塑性变形和断裂的过程。塑性变形和断裂的过程。 脆屑脆屑 磨粒磨粒 磨损材料磨损材料 行进行进 P (1)低应力划伤式的磨料磨损，它的特点是低应力划伤式的磨料磨损，它的特点是 磨料作用于零件表面的应力不超过磨料的磨料作用于零件表面的应力不超过磨料的 压溃强度，材料表面被轻微划伤。生产中压溃强度，材料表面被轻微划伤。生产中 的犁铧，及煤矿机械中的刮板输送机溜槽的犁铧，及煤矿机械中的刮板输送机溜槽 磨损情况就是属于这种类型。磨损情况就是属于这种类型。 (2)高应力辗碎式的磨料磨损，其特点是磨高应

16、力辗碎式的磨料磨损，其特点是磨 料与零件表面接触处的最大压应力大于磨料与零件表面接触处的最大压应力大于磨 料的压溃强度。生产中球磨机衬板与磨球，料的压溃强度。生产中球磨机衬板与磨球， 破碎式滚筒的磨损便是属于这种类型。破碎式滚筒的磨损便是属于这种类型。 (3)凿削式磨料磨损，其特点是磨料对材料凿削式磨料磨损，其特点是磨料对材料 表面有大的冲击力，从材料表面凿下较大表面有大的冲击力，从材料表面凿下较大 颗料的磨屑，如挖掘机斗齿及颚式破碎机颗料的磨屑，如挖掘机斗齿及颚式破碎机 的齿板。也有以磨损接触物体的表面分类，的齿板。也有以磨损接触物体的表面分类， 分为两体磨料磨损和三体磨料磨损。两体分为两体

17、磨料磨损和三体磨料磨损。两体 磨损的情况是，磨料与一个零件表面接触，磨损的情况是，磨料与一个零件表面接触， 磨料为一物体，零件表面为另一物体，如磨料为一物体，零件表面为另一物体，如 犁铧。而三体磨损，其磨损料介于两个滑犁铧。而三体磨损，其磨损料介于两个滑 动零件表面，或者介于两个滚动物体表面，动零件表面，或者介于两个滚动物体表面， 前者如活塞与汽缸间落人磨料，后者如齿前者如活塞与汽缸间落人磨料，后者如齿 轮间落人磨料。这两种分类法最常用。轮间落人磨料。这两种分类法最常用。 材料的材料的 损失率与磨损粒子和滑动表面的损失率与磨损粒子和滑动表面的 相对运动有关。相对运动有关。如果表面比磨粒硬，磨如

18、果表面比磨粒硬，磨 损率小。对于损率小。对于 要求高耐磨料磨损性的应要求高耐磨料磨损性的应 用，具有高硬度，高韧性，适当的温度用，具有高硬度，高韧性，适当的温度 稳定性的稳定性的 材料是最好的选择。材料是最好的选择。 常见的常见的 选择包括回火马氏体，表面硬化选择包括回火马氏体，表面硬化 钢，钴合金和许多陶瓷材料。钢，钴合金和许多陶瓷材料。 影响磨粒磨损的因素影响磨粒磨损的因素 (1)磨料的硬度、大小及形状，磨粒的韧磨料的硬度、大小及形状，磨粒的韧 性、压碎强度等。性、压碎强度等。 (2)外界载荷大小、滑动距离及滑动速度。外界载荷大小、滑动距离及滑动速度。 (3)材料自身的硬度及内部组织。材料

19、自身的硬度及内部组织。 虽然零件或材料的耐磨性能不是材料的固有特性，它与许多虽然零件或材料的耐磨性能不是材料的固有特性，它与许多 因素有关，但是材料本身的硬度和磨粒的硬度是影响磨料磨因素有关，但是材料本身的硬度和磨粒的硬度是影响磨料磨 损的两个最主要的因素，现已总结出它们的影响规律。损的两个最主要的因素，现已总结出它们的影响规律。 (1)如果材料预先已经过加工硬化，则对增加耐磨性就不再起如果材料预先已经过加工硬化，则对增加耐磨性就不再起 作用。这说明磨损试验本身，已使材料表面达到了最大的加作用。这说明磨损试验本身，已使材料表面达到了最大的加 工硬化状态。工硬化状态。 (2)材料的耐磨性显然与磨

20、粒的硬度、几何形状、物理性能有材料的耐磨性显然与磨粒的硬度、几何形状、物理性能有 关。关。 除了提高材料本身硬度可增加抗磨料磨损性能外，还可进除了提高材料本身硬度可增加抗磨料磨损性能外，还可进 行感应加热淬火、渗碳、氮化、表面喷镀与堆焊来提高耐磨行感应加热淬火、渗碳、氮化、表面喷镀与堆焊来提高耐磨 性。性。 磨损试验方法可分为两类： 1实物磨损试验即以实物零件在机 器实际工作条件下进行试验，或者用实物 零件在模拟机械使用条件的试验台上进行 试验。 2试样磨损试验即将欲试材料制成 规定试样，在规定的试验条件下在专门设 计的试验机上进行试验。 (4)腐蚀磨损：腐蚀磨损：化学和力学的化学和力学的 协

21、同破坏作用协同破坏作用 可以增加固体表面材料损失的速率。可以增加固体表面材料损失的速率。 例如：与例如：与 滑动或滚动相关的滑动或滚动相关的 力学磨损可以力学磨损可以 破坏保护膜，从而将基底暴露于腐蚀环境中破坏保护膜，从而将基底暴露于腐蚀环境中 ；另一方面，腐蚀的另一方面，腐蚀的 反应产物，特别反应产物，特别 是坚是坚 硬的氧化物颗粒，也会成为磨蚀粒子。硬的氧化物颗粒，也会成为磨蚀粒子。 (5)冲蚀磨损：冲蚀磨损：冲蚀磨损指的是材料表面受到细小冲蚀磨损指的是材料表面受到细小 而松散的流动粒子冲击时而出现的而松散的流动粒子冲击时而出现的种磨损形式。种磨损形式。 (6)微动磨损：微动磨损：微动磨损

22、是指两固体接触表面上因微动磨损是指两固体接触表面上因 出现周期性小振幅振动所造成损伤的一种特殊的磨出现周期性小振幅振动所造成损伤的一种特殊的磨 损方式，微动磨损主要发生在相对静止的摩擦副表损方式，微动磨损主要发生在相对静止的摩擦副表 面，两接触表面无宏观相对运动。只是在外界变载面，两接触表面无宏观相对运动。只是在外界变载 荷影响下存在微小振幅的相对震动而引起磨损。荷影响下存在微小振幅的相对震动而引起磨损。 (1)服役条件服役条件 1）载荷：随载荷增加，摩擦副表面实际接触面积）载荷：随载荷增加，摩擦副表面实际接触面积 增大。从而摩擦力增大，摩擦热增加使材料表面损增大。从而摩擦力增大，摩擦热增加使

23、材料表面损 伤加速。伤加速。 2）速度：如果滑动速度的增加未引起摩擦表面温）速度：如果滑动速度的增加未引起摩擦表面温 度的激增，则随滑动速度的增加摩擦时间减少，度的激增，则随滑动速度的增加摩擦时间减少， 材料来不及变形、从而使磨损量减少。若滑动速度材料来不及变形、从而使磨损量减少。若滑动速度 增加使摩擦副表面急剧升混温而软化，则会加剧接增加使摩擦副表面急剧升混温而软化，则会加剧接 触表由的粘着倾向，使粘着磨损增加。触表由的粘着倾向，使粘着磨损增加。 温度温度：随温度升高，材料表面的硬度降低，：随温度升高，材料表面的硬度降低， 使实际接触面积增加，导致粘着磨损倾向上升使实际接触面积增加，导致粘着

24、磨损倾向上升 ，当温度升到，当温度升到定程度后，将使接触表面局部定程度后，将使接触表面局部 熔化焊合，使粘着磨损急剧增加同时，温度熔化焊合，使粘着磨损急剧增加同时，温度 升高导致摩擦副表面间润滑油氧化甚至失效，升高导致摩擦副表面间润滑油氧化甚至失效， 也会加剧磨损。因此在高温的服役条件下，应也会加剧磨损。因此在高温的服役条件下，应 选择石墨、二氧化钼作为润滑剂。选择石墨、二氧化钼作为润滑剂。 4）表面粗糙度）表面粗糙度：般情况下，表面越粗糙，般情况下，表面越粗糙， 摩擦阻力越大，摩擦系数也越大，磨损就愈摩擦阻力越大，摩擦系数也越大，磨损就愈 严重严重 但表面太光滑也会使接触面积增加和表但表面太

25、光滑也会使接触面积增加和表 面的储油能力下降，从而使磨损增加。面的储油能力下降，从而使磨损增加。 5）表面污染层与润滑膜）表面污染层与润滑膜：材料表面吸附的表：材料表面吸附的表 面污染层，在摩擦过程中可降低接触表面间面污染层，在摩擦过程中可降低接触表面间 的粘着倾向，起到减磨润滑作用。的粘着倾向，起到减磨润滑作用。 (2)材料本身性质的影响材料本身性质的影响 材料的机械除能：硬度对耐磨性有很大影材料的机械除能：硬度对耐磨性有很大影 响响 ,一般说来，硬度越高，耐磨性越好。尤一般说来，硬度越高，耐磨性越好。尤 其对于软性材料来说，提高硬度可明显改其对于软性材料来说，提高硬度可明显改 善耐磨性。善

26、耐磨性。 塑性与韧性对硬脆材料的耐磨性影响较大，塑性与韧性对硬脆材料的耐磨性影响较大， 硬脆材料在磨损过中，表层容易萌生裂纹硬脆材料在磨损过中，表层容易萌生裂纹 并扩展，从而导致表层剥离，若提高材料并扩展，从而导致表层剥离，若提高材料 的塑性与韧性，将增加材料阻止裂纹扩展的塑性与韧性，将增加材料阻止裂纹扩展 的能力，可明显提高耐磨性。的能力，可明显提高耐磨性。 化学成分和组织结构的影响化学成分和组织结构的影响：材料的化学成分对磨损有较大材料的化学成分对磨损有较大 影响。对钢材而言，原子半径小的元素，如；碳、氢、磷、影响。对钢材而言，原子半径小的元素，如；碳、氢、磷、 硼等，以间隙固溶的形式存在

27、于钢中，使钢的硬度增加，从硼等，以间隙固溶的形式存在于钢中，使钢的硬度增加，从 而提高耐磨性，钛、钒、钨、铌、铬等元素与钢中的碳、而提高耐磨性，钛、钒、钨、铌、铬等元素与钢中的碳、 氮元素形成弥散而细小的碳化物或氮化物、提高钢的耐磨氮元素形成弥散而细小的碳化物或氮化物、提高钢的耐磨 性，硼、钼、铬、镍等元素加人钢中，提高钢的淬透性而获性，硼、钼、铬、镍等元素加人钢中，提高钢的淬透性而获 得坚硬的马氏体组织，从而提高耐磨性，钢中的铅、硫、磷得坚硬的马氏体组织，从而提高耐磨性，钢中的铅、硫、磷 等元素能够提高耐磨性。如在摩檫过程中，钢材表面以自由等元素能够提高耐磨性。如在摩檫过程中，钢材表面以自由 状态存在的铅颗粒容易脱落被碾压成膜而具有良好的润滑状态存在的铅颗粒容易脱落被碾压成膜而具有良好的润滑 效果；硫元素与铁、钼、钨等元素反应形成具有减磨效果的效果；硫元素与铁、钼、钨等元素反应形成具有减磨效果的 FeS、MoS2、WS2化合物；钢中的磷元素可在表由形成五化合物；钢中的磷元素可在表由形成五 氧化二磷保护膜，减少表面粘着倾向，并抵抗大气腐蚀。氧化二磷保护膜，减少表面粘着倾向，并