摩擦与磨损全第6章-耐磨减摩材料及表面处理2

摩擦与磨损第六章耐磨减摩材料及表面处理（2）

.12024/6/13主要内容6.3聚合材料6.4表面处理技术6.5纳米表面技术.22024/6/136.3聚合材料聚合材料亦称塑料，它是高分子结合体，分子量在104-107之间，它由一万个以上的原子组成。各高分子由于其组成的单体性质不同，彼此之间可能是由化学键或物理键连接在一起。6.3.1聚合材料简介.32024/6/13聚合物可分为热塑性塑料、热固性塑料和弹性塑料。热塑性塑料：其大分子之间由物理键连接，这些大分子呈线状或分枝状的键形式彼此交叉在一起，在室温时很硬，加热时呈塑性，且可逆，冷下来又变硬。热固性塑料：在加热过程会发生化学反应，内部结成具有化学键结合的小晶格而硬化，达到固化成形。它们不能通过再加热，重熔塑制成其他形状。弹性塑料：具有由化学键连接在一起的大分子而形成的大网格，同时存在物理键连接。在常温时这种连接很薄弱，故它呈弹性，与橡胶相似。聚合物分类.42024/6/136.3.2摩擦副中常用的聚合物1.聚四氟乙烯(PTFE)是一种具有良好的自润滑性和高温(260℃)稳定性的聚合物，可作为固体润滑剂添加到复合材料中，也可用无机填料、纤维或金属颗粒使它增强，构成复合材料。是一种十分重要的工程聚合物。特点：能耐几乎所有化学药品的腐蚀。电绝缘性也很好，吸水性小，且耐老化。在金属表面上低速滑动时，其摩擦系数很低；在高速滑动时，摩擦系数虽稍有增加，但仍比其他多数聚合物的摩擦系数小。.52024/6/13局限性及改善纯PTFE与钢滑动摩擦时的磨损率比较高。如果加入某些有机填充剂，可使磨损率减少一百倍，甚至更多。常用填充剂：MoS2、石墨、WS2、MoSe2、CuS以及Cu等。填充物的体积分数宜在15%-40%之间。加入增强纤维，尤其纤维织物，PTFE的力学性能大大提高，摩擦学性能亦有所改善。硒Se.62024/6/132.聚酰胺(PA)聚酰胺又称尼龙。常见牌号有尼龙6，尼龙66、尼龙1010等。优点：具有较高的韧性、弹性和强度，摩擦系数小，耐磨性和热稳定性好。可在125℃下工作，加适当填充剂，能耐150℃高温。在干滑动条件下，磨损量随载荷增加而增加。加石墨或MoS2做成自润滑材料，可降低磨损率。应用：广泛用于制造结构零件，如轴套、齿轮、凸轮等。缺点：吸水性较大，尺寸稳定性差。.72024/6/133.聚乙烯(PE)分类：根据分子量不同，可分为低密度(低分子量)、高密度(高分子量)及超高分子量聚乙烯等。应用：低密度聚乙烯用于一般耐蚀、绝缘件等。高密度聚乙烯用来制作薄膜及某些注射模具的零件。超高分子量聚乙烯对于泥浆及硬颗粒的磨料磨损有抵抗能力，有很好的稳定性和抗生物破坏能力，可作人工关节。金属在超高分子量聚乙烯做的导轨上也有较好的滑动性能。.82024/6/134.酚醛酚类和醛类的缩聚产物统称为酚醛树脂。是热固性聚合物，仅可模压成形。特点：压缩强度比大部分其他聚合物高；可用水润滑，并可用水来冷却，这是一个优点；使用温度可达200℃；无润滑时，摩擦磨损特性不好；有足够润滑剂供给时，才可保持长的使用寿命。应用：与玻璃、织物及石棉等组成的层状制品，已广泛用于制造各种机械零件，如轴套、齿轮、凸轮等。.92024/6/135.聚酰亚胺属高温聚合物。分子结构非常复杂，不能像大部分聚合物那样通过熔融、固化成形。一般采用粉末冶金技术制作零件，可加入石墨或其他填充剂增加强度和润滑能力。特点与应用：结构强度与尼龙差不多，也有一定自润滑能力，但减摩性能不如PTFE。最高连续工作温度可达260℃，因成本较高，无法广泛使用，多用于工作温度较高的场合。.102024/6/136.3.3聚合物基复合材料复合材料是两种或两种以上的不同材料，通过一定工艺手段组合而成。在聚合物中加入一些添加剂，使材料具有低摩擦系数和高耐磨性，这类材料称为聚合物基减摩复合材料。这种复合材料具有单一材料无法比拟的、优越的综合性能，是一类新型的工程材料。

.112024/6/13聚合物基复合材料的特点比强度与比模量高，例如环氧树脂与高强度碳纤维复合，其比强度和比模量远远超过一般钢材和铝合金;化学稳定性好;减摩、耐磨、自润滑性好。例如在热塑性塑料中渗入少量短切碳纤维可大大提高它的耐磨性，其增加倍数为聚氯乙烯本身的3.8倍，聚四氟乙烯本身的3倍，聚丙烯本身的2.5倍，聚酰胺本身的1.2倍;耐热性高;韧性和抗冲击性得到改善;其他特殊性能。.122024/6/13实际使用的聚合物基减摩复合材料分两类：以固体润滑剂作为填充剂，即所谓自润滑聚合物复合材料；在聚合物中嵌入纤维，即所谓纤维增强聚合物复合材料。

.132024/6/131.自润滑聚合物复合材料在聚合物中加入固体润滑剂制成。常用固体润滑剂：石墨、MoS2、WS2、MoSe2、WSe2、NbSe2、BN、PbI2、CdI2、BI2、AgI2、SbS、PbO、CdO等。特点：层状结构，层与层间的切变阻力很低。某些固体润滑剂原子与配对的金属表面间有很强的粘着力，如硫和硒原子可牢牢地粘在金属表面上，逐步在金属表面上形成一层低切变阻力的膜，使摩擦系数显著降低。镉Cd；锑Sb.142024/6/13固体润滑剂的减摩作用在很大程度上取决于外界条件，如滑动速度、载荷、温度等。在强度、磨损寿命方面不如金属基复合材料以及聚合物—金属三层复合自润滑材料。.152024/6/13聚合物—金属三层复合自润滑材料由钢背-多孔青铜-聚合物复合而成；特点：综合了金属和聚合物的优点，机械强度高、摩擦系数低、耐热性好、热膨胀系数小、导热性优良、使用温度范围宽。应用：可用于制作齿轮泵轴承、机床导轨板、齿轮箱油泵齿轮止推片等。可制造万向节主销轴承套和十字轴万向节轴承、冷轧带钢机轴承、水轮机导水叶轴套等。.162024/6/132.纤维增强聚合物复合材料以碳纤维作为填充剂的聚合物复合材料制作滑动摩擦轴承、齿轮等，性能极好。摩擦系数低，耐磨性好，强度和刚性高。摩擦学特性与纤维取向有很大关系。纤维垂直于滑动方向时，摩擦学特性较好。热固性聚合物为基的纤维增强复合材料的摩擦学性能一般比热塑性聚合物为基的好。.172024/6/136.3.4聚合物的应用1.滑动轴承聚合物滑动轴承摩擦系数低、耐磨性高。无润滑时，摩擦系数一般是0.1-0.3，有润滑时可降至0.01左右。选材注意：应考虑其承受压力p、速度v和pv值。材料所允许的最高工作温度也应考虑。轴的材料对聚合物的磨损有相当大的影响。如用PTFE做滑动轴承，与铝轴配对时轴承磨损量比与钢配对时的磨损量大20-50倍。轴的表面粗糙度值应足够低。

.182024/6/132.齿轮聚合物齿轮主要优点是摩擦系数小，吸振和防冲击性好，传动平稳且噪声小、耐蚀性好、重量轻。但强度较低，因此选材时要针对实际情况，选取合适的材料，另外应尽量采用斜齿轮。聚合物齿轮配对情况可分三种:①同种聚合物;②不同聚合物;③金属—聚合物。.192024/6/136.4表面处理技术目的与意义：摩擦磨损现象总是发生在表面层。选用优良的整体材料来满足零件表面耐磨要求，不经济。因此，采用表面处理技术，改善表面性质，使零件具有良好的耐磨性，同时心部仍保持足够的韧性等其他性能。实用、经济。.202024/6/13表面涂覆法：使表面上覆盖一层耐磨材料。如堆焊、热喷涂、电镀、化学镀、物理和化学气相沉积等。表面合金化法：改善表层化学成分和组织。如间隙弥散强化法、扩散处理、电火花熔渗等。改变表面显微组织法：如表面形变处理、表面热处理等。表面耐磨处理方法.212024/6/13表面热处理是提高摩擦表面耐磨性最常用的方法之一，主要采用表面淬火工艺，提高摩擦表面硬度。按加热方式不同可分为：高频感应淬火；火焰淬火；盐浴加热淬火；激光淬火等。1.表面热处理.222024/6/13(1)高频感应表面淬火特点：加热速度快、热效率高、变形小、表面氧化脱碳量小、生产率高，但要求较复杂的设备，且对不同形状的零件表面需要相应的感应圈。应用：应用广泛。得到的马氏体组织比普通淬火的细，硬度比一般淬火高2-3HRC，且表面具有800MPa的残余压应力，直接用于要求疲劳强度和耐磨性较高的场合。改进：从耐磨性角度出发，高频淬火后的结构钢应在150-200℃下回火。消除表面残余应力，提高耐磨性。灰铁高频淬火后，也应在250℃左右回火，进一步提高耐磨性。.232024/6/13(2)激光表面淬火用激光扫描金属表面，在很短时间内使金属达高温后，自冷淬火，奥氏体转变为隐状或细针状马氏体；或使表面薄层熔化又迅速冷却，使金属表层产生非晶态组织，获得较高耐磨性。应用：适用于薄壁件的表面硬化处理，但不宜用于大型工件和重载工作条件的表面处理。用于汽车发动机气缸套等零件，效果较好。在激光处理的同时，还可以在表面加入合金元素，使表面获得更佳的组织，进一步增加耐磨性。.242024/6/13(1)表面渗碳原理：就是向表面层渗入碳原子，增加表层含碳量。将工件置于渗碳气氛中，加热到900-950℃，渗碳介质分解产生活性碳原子并被钢表面吸收。当表面的碳浓度大于该元素在铁中的固态溶解度时就形成化合物层，并通过此层向内扩散至一定深度。方法：方法很多，如固体渗碳、液体渗碳、气体渗碳、电解渗碳等，其中气体渗碳在表面耐磨处理方面应用较广。应用：适宜表面渗碳的材料主要有低碳钢及低合金钢等。表面渗碳处理主要用于低速重载或承受交变载荷、受冲击、疲劳磨损严重的场合，如齿轮、轴类、凸轮等零件的表面耐磨处理。2.表面化学热处理.252024/6/13影响渗碳层耐磨性的因素渗碳硬化层的耐磨性与硬化层的深度、碳浓度、金相组织和硬度有关。碳浓度以0.8%-1.1%为宜；渗碳硬化层的组织是由珠光体加少量的碳化物及铁素体组成；为改善耐磨性，渗碳后还需淬火或低温回火，使组织转变为马氏体+少量碳化物+残余奥氏体，且粒状碳化物均布在细小的马氏体上。.262024/6/13(2)表面氮化原理：渗入介质通过加热，分解为活性氮原子，被钢表面吸收，并进一步向内层扩散，形成一定厚度的氮化物表层。特点及应用：氮化层硬度高，抗疲劳、耐蚀性好。主要用于滑动速度和温度较高及弱腐蚀介质等工作条件下的零件作表面耐磨处理，如高速齿轮、转轴和曲轴颈、阀门零件等，有较好的抗粘着疲劳及腐蚀磨损能力。.272024/6/13氮化工艺氮化工艺有气体氮化、离子氮化和软氮化等几种。（1）离子氮化时间短，氮化层性能比其他氮化方式好、工件变形小。加钛离子氮化使表面获得更优良的渗层，目前已成功地用于船用柴油机气缸套的耐磨处理。（2）软氮化是低温条件下以渗氮为主的氰化过程或活性低温氰化过程。是指在较短时间内使钢表面形成N-C共渗硬化层，虽然硬度不太高，但有良好的抗粘着和抗擦伤性、脆性小、耐磨性好。广泛用于模具、量具、刃具摩擦面的处理。软氮化处理后表层的组织是由化合物层与扩散层组成。化合物层中以铁的氮化物为主。

.282024/6/13图6-4软氮化表面组织.292024/6/13(3)表面渗硼渗硼处理常采用固体粉末(有时也用浆糊状)。在900-1000℃下进行。渗硼层硬度可达1500-2000HV。渗层厚度在10至800

m之间，在应用上常见厚度为70-120

m。渗硼层由单相(Fe2B)或双相(FeB+Fe2B)组成。双相一般很脆，对耐磨性不利。通常希望形成单相组织。.302024/6/13最好的渗硼材料是碳钢、低合金钢、铸钢和球墨铸铁。性能：渗硼层硬度高，抗磨损性能好。渗硼后的刀具，寿命大大提高。原因是在摩擦状况下形成的低硬度氧化铁层对渗硼层起保护作用，不易发生粘着磨损。在缺氧环境中，渗硼层的滑动副会因粘着磨损而发生咬合，在这种情况下，渗氮比渗硼好。.312024/6/13(4)渗硫、硫氮共渗渗硫是在含硫的电解盐浴中，在200℃左右进行处理。经过电解，渗硫的零件表面上形成几微米至10

m厚的FeS。FeS为黑色多孔的鳞片状结构，具有很好的抗粘着能力。硫氮共渗是在570℃左右，在掺有硫化物的氮化盐浴中进行处理。硫氮共渗的钢和铸铁，耐磨性也很好。由于被处理的材料表面层呈微孔状，初期磨损量较大，但正常磨损阶段磨损量很小，特别在恶劣的条件下，耐磨性很好。在一定条件下，硫氮共渗的效果比离子氮化更佳。.322024/6/133．表面喷涂和喷焊(1)表面喷涂是利用各种热源将耐磨材料熔化或加热成接近熔化状态的雾化微粒，高速喷到工件表面上，形成耐磨覆盖层。特点：①适应性广，各种金属、金属陶瓷、无机物和高分子材料均可作为喷涂用料，形成各种用途的减摩耐磨涂层。②涂层具有多孔性，有利于自润滑。③涂层本身强度和结合强度都较低、抗冲击性差。

.332024/6/13由于热源不同，喷涂可分为两大类：气喷涂和电喷涂。1)气喷涂。原理：是以乙炔—氧气火焰为热源，熔化喷涂线材或粉末，经压缩空气或高压氮气的喷射和雾化，高速沉积在经预处理的工件表面上。粉末气喷方法应用最广泛。表面喷涂分类.342024/6/13特点与应用：设备简单、投资少、收效快。但结合强度差，不适合承受高应力载荷，但可用于一般的滑动或滚动摩擦件的耐磨、减摩涂层，如小型机床导轨面、各种密封配合面、轴套。改进：为改善结合强度，可先喷涂一层0.1-0.15mm厚的结合层，然后再喷镍基、铁基或铜基合金粉末作为耐磨工作层。.352024/6/132)电喷涂分类：按产生电弧方式不同可分为电弧喷涂、高频电流喷涂及等离子体喷涂等。等离子喷涂是以电弧放电产生的等离子体作为高温热源，将送入的喷涂粉末迅速熔化并随高速射流喷射到工件表面上，形成耐磨覆盖层。应用：等离子射流中部温度高达20000K，可熔化所有金属与陶瓷无机材料，对获得特殊难熔材料的高硬度耐磨涂层十分有利。.362024/6/13(2)表面喷焊原理：利用喷涂工艺，使被处理的工件表面发生薄层熔化，同时与喷射材料的熔化微粒形成焊接形式的冶金结合层—喷焊层。喷焊材料为各种金属及合金粉末，其中自熔性合金粉末做喷焊耐磨层应用最广。自熔性合金：以镍—铬或镍及钴—铬为基，添加少量硅、硼元素。特点：喷焊层与基材结合力比喷涂层大得多，涂层组织均匀，致密性好，可用于受冲击和冲刷的工件。缺点是工件受热大、易变形，不适合薄壁件及长杆件的表面处理。.372024/6/134．表面电镀和化学镀分类：常用的表面耐磨镀层有镀铬、镀铁、电镀镍、化学镀镍及化学复合镀等。1)铬镀层的性能受镀液化学成分、温度、电流密度以及镀层厚度等影响。一般耐磨用铬镀层硬度为900～l200HV，不过在工作温度上升至250℃时，硬度会下降150～200HV。.382024/6/13铬镀层特点：铬层硬度高、强度好、与许多金属配对时摩擦系数低，所以它抗磨粒磨损较好。铬表面会形成一层较厚的、结合紧密的氧化层，在摩擦温度不很高和载荷不很大的条件下，铬镀层的抗粘着磨损能力也很好。铬镀层的油润性很差，在润滑油供应不良和载荷高的情况下，油膜易破裂。致使摩擦副发生粘着磨损和胶合。为了改善其润滑特性，往往采用不同方式的多孔镀铬，如柴油缸套。.392024/6/132)化学镀镍是在亚磷酸盐电介质内，经还原反应在工件表面沉积成镍镀层。根据处理工艺不同，在镍沉积的同时，还有7％—10％磷和5％的硼也一起镀上。镀后镍层硬度约为500HV，经热处理，镍-磷镀层硬度上升到约1100HV，镍-硼镀层硬度上升到1100～2000HV。.402024/6/13化学镀镍特点：镍层硬度高、强度和韧性好，高温下仍有好的抗腐蚀氧化能力，因而有较好的耐磨性。化学镀镍比电镀镍层气孔性小，所以比电镀的镍层耐蚀性好，但在滑动摩擦时应当有好的润滑条件，否则会导致粘着磨损以至咬死。改进：如在镀镍槽中附加一些硬材料微粒，如碳化硅和金刚砂，使镍层成为含硬质点的弥散层，其耐磨料磨损和耐粘着磨损性都得到进一步改善。.412024/6/135．气相沉积法气相沉积法分为化学和物理两类。化学气相沉积时，所用的反应气体是由金属的氯化物和作为承载气体的碳氢化合物混合而成。特点：沉积层是通过化学作用和基材连接在一起的，结合强度很好。如果中间镀上一层过渡层，结合强度还可以提高。例如在镀TiC之前先镀一层铬；在镀W2C之前先镀一层镍等。.422024/6/136.表面耐磨堆焊堆焊是堆焊材料和基体表面材料发生熔融、混合和再凝固的过程，使表面形成冶金结合的覆层。特点：该硬的覆层不仅可以提高零件的耐磨性，而且只要选择合适的堆焊材料，还可以使零件具有所要求的耐腐