09-10学年-表面工程-第3章磨损

1、2020/6/22,第3章 材料磨损基础,3.1 摩擦与磨损 3.2 磨损的定义和分类 3.3 石油工业中的磨损 3.4 材料表面磨损防护,2020/6/22,3.1 摩擦与磨损,2020/6/22,谈到磨损,不得不提摩擦: 摩擦与磨损为因果关系。,3.1.1 摩擦,摩擦示意图,物体与另一物体沿接触面的切线方向运动或有相对运动趋势时,在两物体接触面之间有阻碍其相对运动的作用力,称为摩擦力 接触面之间这种现象或特性叫“摩擦”。,2020/6/22,摩擦有利也有害,但在多数情况下是不利的:,例如,机器运转时的摩擦,造成能量损耗、缩短机器寿命、降低效率。常设法减少摩擦,如加润滑油。,但摩擦又不可缺少

2、;,如人的行走,汽车的行驶都必须依靠摩擦。某些情况下又必须设法增大摩擦,如在路上撒灰渣或沙土,车轮加挂防滑链等。,2020/6/22,3.1.1 摩擦三定律,第一定律:摩擦力与两接触体表观接触面积无关;,第二定律:摩擦力与两接触体之间的法向载荷成正比;,第三定律:两相对运动物体表面的界面滑动摩擦阻力与滑动速度无关;,摩擦系数,与润滑条件,固体材料,环境介质,工作参数等有关;,经验性,不严格性摩擦学中无定律,2020/6/22,3.1.2 摩擦的分类,内摩擦:在物质的内部发生的阻碍分子之间相对运动的现象。,外摩擦:在相对运动的物体表面间发生的相互阻碍作用现象。,静摩擦:仅有相对运动趋势时的摩擦。

3、,动摩擦:在相对运动进行中的摩擦。,滑动摩擦:物体表面间的运动形式是相对滑动。,滚动摩擦:物体表面间的运动形式是相对滚动。,2020/6/22,3.1.3 四种滑动摩擦状态,干摩擦:表面间无任何润滑剂或保护膜的纯金属接触时的摩擦。,边界摩擦:摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开,其摩擦性质取决于边界膜和表面的吸附性能。,混合摩擦:摩擦表面间处于边界摩擦和流体摩擦的混合状态。混合摩擦能有效降低摩擦阻力,其摩擦系数比边界摩擦时要小得多。,流体摩擦:摩擦表面被流体膜隔开,其性质取决于流体内部分子间粘性阻力。流体摩擦时的摩擦系数最小,且不会有磨损产生,是理想的摩擦状态。,边界摩擦,混合摩擦在工程实际中很难

4、区分,常统称为不完全液体摩擦。,2020/6/22,3.2磨损的定义和分类,2020/6/22,3.2.1 磨损定义,两物体相对运动时,相对运动表面的物质不断损失,或尺寸不断减小而失效。,3.2.2 磨损的分类,当摩擦面发生相对滑动时,由于固相焊合作用产生粘着点,该点在剪切力作用下变形以致断裂,使材料从一个表面迁移到另一个表面造成的磨损。,3.2.2.1粘着磨损,2020/6/22,1)粘着磨损机理,粗糙度(微小凸起)微凸处先接触微凸体产生塑变和“冷焊”。,当两表面相对运动时:,焊合点被剪断摩擦力粘着分量; 较硬凸起对较软材料产生犁削作用摩擦力犁削分量。,后者较小,可忽略。,2020/6/22

5、,微凸总面积,平均剪切强度,另:,则据:,可得:,2020/6/22,2)影响粘着磨损的因素,硬度:一般认为硬度越高,耐磨性越好。 晶体结构和晶体互溶性:密排六方结构具有低磨擦系数,磨损率也低; 冶金上互溶性差的一对金属摩擦副可获得低摩擦系数和低磨损率。 温度:温度越高,硬度下降,且互溶性增强,摩擦加剧;温度升高导致氧化速度加剧也可影响磨损性能。,2020/6/22,a)流体润滑,边界润滑,可能发生粘着磨损的情形: 硬-软摩擦副:剪切发生于软侧,焊合点b较低,但A较大,Fr较大; 硬-硬摩擦副:剪切发生于两侧,焊合点b较高,虽然A较小,Fr较大; 润滑下摩擦副:两表面间存在润滑油膜,二者剪切力

6、转变为油膜的内摩擦,当两表面被油膜完全隔开,即处于润滑状态,可细分为:流体动压润滑,弹流润滑。后者高得多。,3)粘着磨损的基本改善方法润滑,2020/6/22,运动速度太低,粗糙度太大油膜刺穿,微凸体接触称为边界润滑。,2020/6/22,b)固体润滑,利用剪切力低的固体材料来减少摩擦与磨损的方式: 大致分为三类: 固体粉末润滑,常用的固体润滑剂粉末有二硫化钼、二硫化钨、石墨、二硒化钨、硫化铅、聚四氟乙烯、氟化石墨、氮化硼等, 固体粉末润滑主要应用形式:润滑油(脂)添加剂、粉末飞溅润滑及制成悬浮液。,2020/6/22,固体润滑覆膜,按成膜方法,大致分为以下4种: .借助人力(或机械力),将固

7、体润滑剂擦在需要润滑的表面上形成润滑膜,特别适用于在低速、轻负荷下运转的精密仪器。 .将固体润滑剂制成膜剂,放在既有滚动又有滑动的摩擦表面,在机械力作用下形成润滑膜。,2020/6/22,.在真空条件下成膜,通过离子轰击的方法清洁工件表面,同时使靶材表面的原子或分子飞溅出来,镀敷在需要成膜的样品表面上形成固体滑膜。 .用粘结剂粘结固体润滑剂粉末,构成薄膜,粘合剂有合成树脂、无机盐、金属、陶瓷等。,2020/6/22,自润滑复合材料,所谓复合材料是由2种或2种以上的组份混合或组合而成的材料体系,这些组份的性质、形状是不同的,而且基本上互不可溶,复合的最终目的是要获得具有新性能的材料。 这类材料大

8、致包括金属基、石墨基、陶瓷基、塑料基自润滑复合材料、多层复合自润滑材料以及复合镀层和粘结膜。,2020/6/22,3.2.2.2磨粒磨损,由于硬表面的凸起和另一表面接触,或两摩擦面间存在硬颗粒,或硬颗粒嵌入其中某个面里,在两摩擦面发生相对运动时,使两个表面中某一面的材料发生位移而造成的磨损。,2020/6/22,1)磨粒磨损机理,两种机理:,磨粒与塑性表面相接触:塑性变形,显微犁沟 。,磨粒与脆性表面相接触:表面断裂破坏 。,断裂机理所造成的材料损失大得多。 无论塑性、脆性材料,两种机理均可能发生,只是某一种机理会占主导地位。,2020/6/22,2)磨粒磨损过程的影响因素,磨粒的影响,.磨粒

9、硬度的影响,对均质材料:,Ha/Hm1.2,硬磨粒磨损,磨损率大,达到一定值后,继续增加磨粒硬度,磨损率影响不大;,1.0Ha/Hm多角形圆形;,材料力学性能与微观组织的影响,硬度耐磨性;,对钢铁,同硬度下,A、B耐磨性优于P、M;,2020/6/22,工况与环境条件的影响,运动速率,载荷,磨损距离,磨粒冲击角,环境湿度,温度,腐蚀介质等条件都对磨粒磨损速率具有影响。,2020/6/22,3.2.2.3疲劳磨损,在滚动接触过程中,由于交变接触应力的作用而产生表面接触疲劳,使材料表面出现麻点或脱落的现象。,3.2.2.4腐蚀磨损,摩擦表面与周围介质发生化学反应而生成腐蚀产物,进一步摩擦后这些腐蚀

10、产物会被磨去,如此重复所造成的材料损伤称为腐蚀磨损。,2020/6/22,3.2.2.5微动磨损,在相互压紧的金属表面间由于小振幅振动而产生的一种复合型式的磨损。 在有振动的机械中，螺纹联接、花键联接和过盈配合联接等都容易发生微动磨损。 机理：摩擦表面间法向压力使微凸体粘着，粘合点被小振幅振动剪断成为磨屑，磨屑被氧化后在磨损过程中起磨粒的作用，造成表面麻点状磨损。,2020/6/22,3.2.2.6冲蚀磨损,含有固体粒子的流体按一定的速度或角度冲击固体表面,使固体表面造成材料流失的过程 。,3.2.2.7气蚀磨损,由于流动液体中气泡破裂形成的振动波而引起固体表面局部变形和被磨去的现象 。 常发

11、生在如离心泵叶片叶端的高速减压区。,3.2.2.8高温磨损,高温下相互接触工件间的磨损,是一种氧化磨损交错或同时发生的过程 。,2020/6/22,3.3 石油工业中的磨损,2020/6/22,3.3.1.1钻杆套管磨损机理,套管与钻杆接头之间的接触与摩擦作用通常发生在如下几种情况下：,井斜 钻杆弯曲 公转 横向振动 套管变形,3.3.1套管磨损,2020/6/22,（1）存在井斜与狗腿度； （2）钻杆发生弯曲变形而与套管表面接触； （3）钻杆发生公转与套管表面发生碰摩； （4）钻杆产生横向振动,与套管表面发生周期性碰摩； （5）套管发生变形。,套管与钻杆之间产生磨损的几种情况,2020/6/

12、22,关于狗腿度:,即全角变化率“单位井段长度井眼轴线在三维空间的角度变化”. 单位井段长度取决于生产实际中测斜需要。 全角变化率既包含了井斜角的变化又包含着方位角的变化。 常用“/100m”表示,实际生产工作中常用“/30m” 或“/10m”来表示。,2020/6/22,狗腿度使套管呈扭曲状态,钻杆在扭曲处时必然与套管接触并产生正压力,狗腿度越大, 套管扭曲越严重,正压力越大,磨损越严重,导致套管的使用性能(特别是抗挤毁和抗内压爆破性能)迅速降低。,当狗腿度2/10 m时,钻杆接头和钻杆本体均和套管接触, 正压力较大, 磨损显著增加。,2020/6/22,其中,(2)、(3)和(4)三种情况

13、一般出现在钻进过程中,而(1)和(5)两种情况在钻进和起下钻过程中均可能引起套管与钻杆/工具接头的接触与摩擦。,井斜 钻杆弯曲 公转 横向振动 套管变形,2020/6/22,套管的主要磨损形式有磨粒磨损、粘着磨损、腐蚀磨损、疲劳磨损和冲蚀磨损,这几种形式可能同时存在。 套管与钻杆接头表面不能被润滑剂有效分开且存在研磨时,粘着磨损和磨粒磨损占主导地位;,2020/6/22,当接触表面受交变或脉动应力作用,局部达到接触疲劳极限并发生材料剥落时,接触疲劳磨损会十分突出; 当钻井液中腐蚀性介质在摩擦过程中对摩擦表面产生交替腐蚀时,腐蚀磨损成为主导形式。,2020/6/22,3.3.1.2套管防磨技术,

14、钻杆接头敷焊硬合金圈,最初,在钻杆接头凸起部位敷焊硬合金圈的被认为是最有效的减磨方法,然而,正是凸起部位导致套管严重磨损,使套管过早报废。,例如:钻杆接头ARNCO耐磨带技术 实质是在钻杆接头上敷焊一层5076 mm宽的硬质合金材料。,2020/6/22,耐磨带可将钻杆接头本体与套管壁或井壁隔离,避免钻杆与套管壁或井壁直接接触磨损。 耐磨带的材料主要采用钨钴系列硬质合金,如碳化钨等。但耐磨带本体材料较软,尖利的碳化钨颗粒很快暴露出来,在钻柱旋转和上提下放过程中,导致套管壁的严重磨损。,近来,Arnco公司研发出合金(碳化钨,铬)敷焊接头Arnco 200XTTM, Arnco 300XTTM对

15、预防套管磨损非常有效。,2020/6/22,整体式非旋转和分体式旋转保护接头,石油工具公司(如DBS 、 Weatherford等)研制的保护接头可直接连接在钻柱中,在钻杆的接头位置形成支撑,避免钻杆接头直接磨损套管。,2020/6/22,分体式旋转保护接头通过外滑套和心轴之间的轴承运动来防止套管磨损,降低钻井扭矩。,2020/6/22,钻杆橡胶护箍,国内主要有扩张式、插销式、对开插销式等三种。 扩张式寿命短; 插销式使用广泛; 对开插销式安装方便,寿命较长。,2020/6/22,3.3.2抽油杆磨损,抽油井,抽油杆,2020/6/22,有杆泵抽油系统中,抽油杆和油管的偏磨降低抽油杆的强度,造

16、成抽油杆断裂,磨穿管壁,造成油管漏失,影响油井的正常生产。,中间:抽油杆,2020/6/22,大庆、胜利、吉林等油田统计资料表明:由杆管偏磨造成检泵作业次数占总作业井次数的35%一55%。 如胜利油田胜沱区块85口机采油井中发生严重偏磨的井有43口,占50.6%; 中原油田某一采油厂每年由于抽油杆和油管偏磨造成的直接经济损失近千万元,间接经济损失在3000万元以上。,2020/6/22,防磨措施,在抽油杆表层制成固体润滑膜,或者采用形成固体润滑膜的扶正器(相比于滚动式扶正器)具有更好的防偏磨性； 加入缓蚀剂,防止磨损和腐蚀相互促进,而且缓蚀剂也有利于增加润滑。 开发和使用耐磨涂层材料。,202

17、0/6/22,3.3.3泥浆泵磨损,泥浆泵是旋转钻井泥浆循环系统的关键设备。由于泥浆泵所输送的泥浆含砂量多、粘度大、压力高，且有一定的腐蚀性，易引起缸套磨损失效。,2020/6/22,缸套和活塞是泥浆泵的一对易损摩擦副，橡胶活塞在缸套内往复运动，输送泥浆。泥浆中有砂粒，且有腐蚀性，使缸套受到磨损和腐蚀，从而失去密封性，导致失效。缸套失效以磨损为主。,2020/6/22,防磨措施,在缸套内层表面淬火，增加硬度，提高耐磨性； 采用抗磨材料制造缸套， 在缸套内侧附着一层耐磨材料。,2020/6/22,3.4 材料表面磨损防护,2020/6/22,3.4.1耐磨设计,零件磨损没有公式、手册可以利用,

18、很难预测。磨损试验数据与实际有很大差距,仅有参考价值。 因此,在对产品抗磨性或磨损寿命设计时:,应对零件的重要性、维修难易程度、产品成本、使用特点、环境特点等预先进行综合观察。 例如:在多数情况下更换轴瓦比换轴更方便和经济,因而要特别重视轴径的耐磨性。,2020/6/22,一种产品的抗磨性和磨损寿命设计原理的选择在不同的工业部门之间的差别是很大的。 例如航天,原子能等工业中,产品的可靠性和寿命是第一位的,因而为了追求高的抗磨性可以不惜成本。,2020/6/22,设计时还应注意一些反常情况:一般来说,材料硬度提高,抗磨性增强,但也有反常。 如青铜硬度比钢小,但用青铜加工的小齿轮比用硬化钢做的抗磨

19、性却更好。,2020/6/22,3.4.2抗磨材料的选择,选材前要查清影响产品寿命的基本因素,磨损过程是否始终以同样的磨损机理进行。,确定材料是否存在使用限制（包括工艺性能,使用环境,机械性能等）。,确定负荷限制:考察材料能否经受运行中的载荷而不变形或无过分变形。,2020/6/22,确定温度范围:温度对某些滑动系统有强烈影响,温升导致材料软化,咬合加剧。温度升高与摩擦生热有关,由此产生的T可用下式求得 TWv/2a(1+2)J 式中:为摩擦系数,W为施加载荷,v为滑动速度(m/s),1与2为材料的热传导率(W/mK), a为与滑动零件之间广泛分布触点有关的量,J为热功当量。,2020/6/22