抗磨损设计及表面涂层

抗磨损设计及表面涂层第一页，共一百零五页，2022年，8月28日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。第二页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/112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。第三页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/113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第四页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/114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。第五页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/115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。

第六页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/116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。第七页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/117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λ作为衡量润滑状态的参数。一般认为λ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λ大于或等于0.5～1

较高的速度或粗糙的表面，则应使λ大于或等于2对于磨合过的表面，取λ大于或等于0.5～1对于未磨合过的表面，取λ大于或等于2第八页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/118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。第九页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/119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第十页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1110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第十一页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1111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％第十二页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1112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第十三页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1113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第十四页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1114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。第十五页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1115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。第十六页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1116第四章抗磨损设计与表面涂层石墨的摩擦

第十七页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1117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。第十八页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1118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、粘着磨损第十九页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1119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，进行合理选择第二十页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1120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

第二十一页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1121第四章抗磨损设计与表面涂层常见表面技术的强化原理、表层结构及性能第二十二页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1122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。第二十三页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1123第四章抗磨损设计与表面涂层化学热处理工艺分类第二十四页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1124第四章抗磨损设计与表面涂层化学热处理改性分类第二十五页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1125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。第二十六页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1126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第二十七页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1127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第二十八页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1128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

第二十九页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1129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第三十页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1130第四章抗磨损设计与表面涂层第三十一页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1131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第三十二页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1132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第三十三页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1133第四章抗磨损设计与表面涂层第三十四页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1134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第三十五页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1135第四章抗磨损设计与表面涂层第三十六页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1136第四章抗磨损设计与表面涂层第三十七页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1137第四章抗磨损设计与表面涂层第三十八页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1138第四章抗磨损设计与表面涂层第三十九页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1139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第四十页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1140第四章抗磨损设计与表面涂层第四十一页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1141第四章抗磨损设计与表面涂层第四十二页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1142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第四十三页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1143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，开发新的适用钢材第四十四页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1144第四章抗磨损设计与表面涂层a.氨中渗氮层的耐磨性第四十五页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1145第四章抗磨损设计与表面涂层第四十六页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1146第四章抗磨损设计与表面涂层第四十七页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1147第四章抗磨损设计与表面涂层b.盐浴软氮化层的耐磨性第四十八页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1148第四章抗磨损设计与表面涂层第四十九页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1149第四章抗磨损设计与表面涂层c.气体软氮化层的耐磨性第五十页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1150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。第五十一页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1151第四章抗磨损设计与表面涂层各种渗氮层的耐磨性比较第五十二页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1152第四章抗磨损设计与表面涂层第五十三页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1153第四章抗磨损设计与表面涂层第五十四页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1154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）渗硼第五十五页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1155第四章抗磨损设计与表面涂层各种元素对渗硼层的影响第五十六页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1156第四章抗磨损设计与表面涂层第五十七页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1157第四章抗磨损设计与表面涂层第五十八页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1158第四章抗磨损设计与表面涂层第五十九页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1159第四章抗磨损设计与表面涂层（2）渗钒第六十页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1160第四章抗磨损设计与表面涂层第六十一页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1161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：第六十二页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1162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第六十三页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1163第四章抗磨损设计与表面涂层5表面淬火的分类第六十四页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1164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第六十五页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1165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。第六十六页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1166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。第六十七页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1167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)残余应力第六十八页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1168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第六十九页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1169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第七十页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1170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：第七十一页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1171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：第七十二页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1172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第七十三页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1173第四章抗磨损设计与表面涂层第七十四页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1174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。第七十五页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1175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。第七十六页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1176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。第七十七页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1177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第七十八页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1178第四章抗磨损设计与表面涂层几种堆焊方法的主要特点第七十九页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1179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：第八十页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1180第四章抗磨损设计与表面涂层图8－12涂层剖面示意图第八十一页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1181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。第八十二页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1182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第八十三页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1183第四章抗磨损设计与表面涂层常用表面技术的比较第八十四页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1184第四章抗磨损设计与表面涂层几种热喷涂层的耐磨性第八十五页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1185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)分子束外延第八十六页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1186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分类方法第八十七页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1187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第八十八页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1188第四章抗磨损设计与表面涂层表4－21TiC、TiN涂层的应用效果第八十九页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1189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。第九十页，共一百零五页，2022年，8月28日2023/2/1190第四章抗磨损设计与表面涂层一、表面涂层设计的一般原则（1）满足工况条件的要求（2）具有适当的结构和性能（3）与基体材质、性能的适应性（4）技术上的可行性第九十一页，共一百零五页，2022年，8月28日2