材科的摩擦、磨損防護(hù)

前言任何機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，相互接觸的零件之間都將因相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生摩擦，而磨損正是由于摩擦產(chǎn)生的結(jié)果。由于磨損，將造成表層材料的損耗，零件尺寸發(fā)生變化，直接影響了零件的使用壽命。材料的摩擦、磨損防護(hù)一固體的表面特點(diǎn)與表面的相互接觸1固體表面的幾何形狀（1）表面形狀偏差（2）表面波紋度（3）表面粗糙度2材料表面的組織結(jié)構(gòu)及力學(xué)性質(zhì)材料表面的組織結(jié)構(gòu)（1）污染層（2）吸附層（3）氧化層（4）變形層3．固體表面的相互接觸當(dāng)兩個(gè)粗糙物體表面在法向載荷的作用下貼緊時(shí)，最先進(jìn)入接觸的是表面上最高的微凸體，隨著載荷的增加，接觸微凸體的變形增大，表面上接觸微凸體的數(shù)目增多，兩表面的接觸面積增大。二、摩擦摩擦：兩個(gè)接觸的物體相互運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所發(fā)生的阻力，摩擦的大小一般用摩擦系數(shù)表示。兩條摩擦定律:即摩擦系數(shù)與名義接觸面積無(wú)關(guān)；摩擦力和載荷成正比分類：固體表面摩擦按摩擦副的運(yùn)動(dòng)形式可分為滑動(dòng)摩擦和滾動(dòng)摩擦；按摩擦副的運(yùn)動(dòng)狀分為干摩擦、流體摩擦、邊界摩擦和混合摩擦.(1)干摩擦：常用于表示名義上無(wú)潤(rùn)滑的摩擦.一般發(fā)生在制動(dòng)器、摩擦傳動(dòng)及紡織、食品化工機(jī)械的部件。這些摩擦中，考慮到污染和安全問(wèn)題，不允許使用潤(rùn)滑劑.(2)邊界潤(rùn)滑摩擦：相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩表面被很薄的潤(rùn)滑膜隔開(kāi)，邊界膜的存在可使摩擦系數(shù)降低，并使表面磨損顯著減少?！?)流體潤(rùn)滑摩擦：摩擦表面完全被潤(rùn)滑膜隔開(kāi)。靠潤(rùn)滑膜的壓力平衡外載荷，在流體潤(rùn)滑中、摩擦阻力取決于潤(rùn)滑劑的內(nèi)摩擦(粘度)，這種摩擦狀態(tài)具有最小的摩擦系數(shù)，在節(jié)能、延長(zhǎng)壽命和減少磨損等方面作用顯著.(4)混合摩擦：介于上述各摩擦之間，即接觸表面間同時(shí)出現(xiàn)干摩擦、邊界摩檫和流體潤(rùn)滑摩擦的—種混合摩擦狀態(tài)。這是生產(chǎn)實(shí)際中最常見(jiàn)的—種摩擦狀態(tài).三、磨損1相互運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)物體，由于表面的接觸并發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而不斷損失的現(xiàn)象稱為磨損.磨損過(guò)程中摩擦表面的變化：（1）表面微裂紋的生成及其破壞作用（2）化學(xué)反應(yīng)過(guò)程（3）潤(rùn)滑劑的作用（4）摩擦表面間材料的轉(zhuǎn)移2磨損的分類〔1)疲勞磨損：疲勞磨損也稱為接觸疲勞磨損其基本原理為：兩表面在相村滾動(dòng)或滑動(dòng)過(guò)徑中，在外載荷引起的交變接觸應(yīng)力作用下，使裂紋在被磨面的表面或次表面形成、擴(kuò)展并連通。最后剝離下來(lái)，形成點(diǎn)蝕或剝落例如：具有潤(rùn)滑的軸承、齒輪與凸輪長(zhǎng)期使用后，摩擦副表面發(fā)生接觸疲勞磨損，在磨損表面出現(xiàn)麻點(diǎn)與剝落。

接觸疲勞是工件(如齒輪、滾動(dòng)軸承，鋼軌和輪箍，鑿巖機(jī)活塞和釬尾的打擊端部等)表面在接觸壓應(yīng)力的長(zhǎng)期不斷反復(fù)作用下引起的一種表面疲勞破壞現(xiàn)象，表現(xiàn)為接觸表面出現(xiàn)許多針狀或痘狀的凹坑，稱為麻點(diǎn)，也叫點(diǎn)蝕或麻點(diǎn)磨損。有的凹坑很深，呈“貝殼”狀，有疲勞裂紋發(fā)展線的痕跡存在。在剛出現(xiàn)少數(shù)麻點(diǎn)時(shí)，一般仍能繼續(xù)工作，但隨著工作時(shí)間的延續(xù)，麻點(diǎn)剝落現(xiàn)象將不斷增多和擴(kuò)大，例如齒輪，此時(shí)嚙合情況惡化，磨損加劇，發(fā)生較大的附加沖擊力，噪聲增大，甚至引起齒根折斷。

(2)粘著磨損：粘著磨損是指兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的表面發(fā)生相互焊合，在相互運(yùn)動(dòng)過(guò)程中焊合表面產(chǎn)生撕裂而發(fā)生的磨損。其基本過(guò)程為：兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的表面在摩擦力作用下，表面層發(fā)生塑性變形．表面的氧化膜或污染膜被破壞，露出新鮮表面而發(fā)生焊合、當(dāng)外力大干焊點(diǎn)的強(qiáng)度時(shí)，焊點(diǎn)將被剪斷，若剪切正好發(fā)生在接觸表面，將不會(huì)發(fā)生磨損，而大多數(shù)剪切發(fā)生在強(qiáng)度較低方的表面層，形成“材料轉(zhuǎn)移”。在以后的摩擦過(guò)程巾，轉(zhuǎn)移(粘著)物將從表面脫落下來(lái)形成磨屑。粘著磨損主要是微凸體接觸區(qū)域受損引起的，通常發(fā)生在重載、高速．特別是產(chǎn)生大量摩擦熱的運(yùn)動(dòng)副中。過(guò)載及潤(rùn)滑不良的軸承、齒輪等常發(fā)生粘著磨損

阿查德(Archard)提出粘著摩損模型，得出了粘著摩損規(guī)律的表達(dá)式。

磨損率為

阿查德公式說(shuō)明，粘著磨損所造成的體積磨損量和載荷及滑動(dòng)距離成正比，與材料的硬度成反比。式中K稱為粘著磨損系數(shù)，決定于摩擦條件和摩擦副材料。當(dāng)壓力不超過(guò)鋼的硬度的1/3時(shí)，實(shí)驗(yàn)證明這一公式所表示的規(guī)律是正確的，磨損與載荷成正比，K/H保持不變；但超過(guò)鋼的屈服強(qiáng)度時(shí)，K值急劇增大，磨損也急劇增大，結(jié)果造成大面積的焊合和咬死。此時(shí)整個(gè)表面發(fā)生塑性變形，接觸面積不再與載荷成正比。影響粘著磨損的因素

(1)脆性材料的抗粘著磨損能力比塑性材料高。

(2)金屬性質(zhì)越是相近的，構(gòu)成摩擦副時(shí)粘著磨損也越嚴(yán)重。反之，金屬間互溶程度越小，晶體結(jié)構(gòu)不同，原子尺寸差別較大，形成化合物傾向較大的金屬，構(gòu)成摩擦副時(shí)粘著磨損就較輕微?；瑒?dòng)軸承就是這樣的例子，選用淬火鋼軸與錫基或鋁基軸瓦配對(duì)。在受力較小時(shí)，選用金屬與塑料配對(duì)都能減小粘著磨損。

(3)通過(guò)表面化學(xué)熱處理，如滲硫、硫氮共滲、磷化、軟氮化等熱處理工藝，使表面生成一化合物薄膜，或?yàn)榱蚧?，磷化物，含氮的化合物，使摩擦系?shù)減小，起到減磨作用也減小粘著磨損。

(4)改善潤(rùn)滑條件，如在潤(rùn)滑油中添加極壓劑。

(5)粘著磨損嚴(yán)重時(shí)表現(xiàn)為膠合。粘著磨損失效舉例

(1)內(nèi)燃機(jī)中的活塞環(huán)和缸套襯這一運(yùn)動(dòng)的摩擦副，如不考慮燃?xì)饨橘|(zhì)的腐蝕性，主要表現(xiàn)為粘著磨損。

(2)正常情況下軸在滑動(dòng)軸承中運(yùn)轉(zhuǎn)，是一流體潤(rùn)滑情況，軸頸和軸承間被一楔形油膜隔開(kāi)，這時(shí)其摩擦和磨損是很小的。但當(dāng)機(jī)器啟動(dòng)或停車，換向以及載荷運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定時(shí)，或者潤(rùn)滑條件不好，幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)不恰當(dāng)而不能建立起可靠的油膜時(shí)，軸和軸承之間就不可避免發(fā)生局部的直接接觸，處于邊界摩擦或干摩擦的工作狀態(tài)，這時(shí)軸承就要考慮粘著磨(3)磨粒磨損：硬的顆?；?qū)δケ砻嫔嫌驳奈⑼贵w在摩擦過(guò)程中引起的材料損失，稱為磨粒磨損。磨粒磨損實(shí)質(zhì)上是材料表面在磨粒作用下發(fā)生塑性變形和斷裂的過(guò)程。

脆屑磨粒磨損材料行進(jìn)P

(1)低應(yīng)力劃傷式的磨料磨損，它的特點(diǎn)是磨料作用于零件表面的應(yīng)力不超過(guò)磨料的壓潰強(qiáng)度，材料表面被輕微劃傷。生產(chǎn)中的犁鏵，及煤礦機(jī)械中的刮板輸送機(jī)溜槽磨損情況就是屬于這種類型。(2)高應(yīng)力輾碎式的磨料磨損，其特點(diǎn)是磨料與零件表面接觸處的最大壓應(yīng)力大于磨料的壓潰強(qiáng)度。生產(chǎn)中球磨機(jī)襯板與磨球，破碎式滾筒的磨損便是屬于這種類型。

(3)鑿削式磨料磨損，其特點(diǎn)是磨料對(duì)材料表面有大的沖擊力，從材料表面鑿下較大顆料的磨屑，如挖掘機(jī)斗齒及顎式破碎機(jī)的齒板。也有以磨損接觸物體的表面分類，分為兩體磨料磨損和三體磨料磨損。兩體磨損的情況是，磨料與一個(gè)零件表面接觸，磨料為一物體，零件表面為另一物體，如犁鏵。而三體磨損，其磨損料介于兩個(gè)滑動(dòng)零件表面，或者介于兩個(gè)滾動(dòng)物體表面，前者如活塞與汽缸間落人磨料，后者如齒輪間落人磨料。這兩種分類法最常用。材料的損失率與磨損粒子和滑動(dòng)表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)有關(guān)。如果表面比磨粒硬，磨損率小。對(duì)于要求高耐磨料磨損性的應(yīng)用，具有高硬度，高韌性，適當(dāng)?shù)臏囟确€(wěn)定性的材料是最好的選擇。常見(jiàn)的選擇包括回火馬氏體，表面硬化鋼，鈷合金和許多陶瓷材料。影響磨粒磨損的因素

(1)磨料的硬度、大小及形狀，磨粒的韌性、壓碎強(qiáng)度等。

(2)外界載荷大小、滑動(dòng)距離及滑動(dòng)速度。

(3)材料自身的硬度及內(nèi)部組織。磨粒磨損的主要試驗(yàn)規(guī)律雖然零件或材料的耐磨性能不是材料的固有特性，它與許多因素有關(guān)，但是材料本身的硬度和磨粒的硬度是影響磨料磨損的兩個(gè)最主要的因素，現(xiàn)已總結(jié)出它們的影響規(guī)律。(1)如果材料預(yù)先已經(jīng)過(guò)加工硬化，則對(duì)增加耐磨性就不再起作用。這說(shuō)明磨損試驗(yàn)本身，已使材料表面達(dá)到了最大的加工硬化狀態(tài)。(2)材料的耐磨性顯然與磨粒的硬度、幾何形狀、物理性能有關(guān)。

除了提高材料本身硬度可增加抗磨料磨損性能外，還可進(jìn)行感應(yīng)加熱淬火、滲碳、氮化、表面噴鍍與堆焊來(lái)提高耐磨性。磨粒磨損試驗(yàn)方法

磨損試驗(yàn)方法可分為兩類：

1．實(shí)物磨損試驗(yàn)——即以實(shí)物零件在機(jī)器實(shí)際工作條件下進(jìn)行試驗(yàn)，或者用實(shí)物零件在模擬機(jī)械使用條件的試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)。

2．試樣磨損試驗(yàn)——即將欲試材料制成規(guī)定試樣，在規(guī)定的試驗(yàn)條件下在專門設(shè)計(jì)的試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)。

(4)腐蝕磨損：化學(xué)和力學(xué)的協(xié)同破壞作用可以增加固體表面材料損失的速率。例如：與滑動(dòng)或滾動(dòng)相關(guān)的力學(xué)磨損可以破壞保護(hù)膜，從而將基底暴露于腐蝕環(huán)境中；另一方面，腐蝕的反應(yīng)產(chǎn)物，特別是堅(jiān)硬的氧化物顆粒，也會(huì)成為磨蝕粒子。(5)沖蝕磨損：沖蝕磨損指的是材料表面受到細(xì)小而松散的流動(dòng)粒子沖擊時(shí)而出現(xiàn)的—種磨損形式。(6)微動(dòng)磨損：微動(dòng)磨損是指兩固體接觸表面上因出現(xiàn)周期性小振幅振動(dòng)所造成損傷的一種特殊的磨損方式，微動(dòng)磨損主要發(fā)生在相對(duì)靜止的摩擦副表面，兩接觸表面無(wú)宏觀相對(duì)運(yùn)動(dòng)。只是在外界變載荷影響下存在微小振幅的相對(duì)震動(dòng)而引起磨損。影響磨損的主要因素(1)服役條件1）載荷：隨載荷增加，摩擦副表面實(shí)際接觸面積增大。從而摩擦力增大，摩擦熱增加使材料表面損傷加速。2）速度：如果滑動(dòng)速度的增加未引起摩擦表面溫度的激增，則隨滑動(dòng)速度的增加．摩擦?xí)r間減少，材料來(lái)不及變形、從而使磨損量減少。若滑動(dòng)速度增加使摩擦副表面急劇升混溫而軟化，則會(huì)加劇接觸表由的粘著傾向，使粘著磨損增加。

⑦溫度：隨溫度升高，材料表面的硬度降低，使實(shí)際接觸面積增加，導(dǎo)致粘著磨損傾向上升，當(dāng)溫度升到—定程度后，將使接觸表面局部熔化焊合，使粘著磨損急劇增加同時(shí)，溫度升高導(dǎo)致摩擦副表面間潤(rùn)滑油氧化甚至失效，也會(huì)加劇磨損。因此在高溫的服役條件下，應(yīng)選擇石墨、二氧化鉬作為潤(rùn)滑劑。

4）表面粗糙度：—般情況下，表面越粗糙，摩擦阻力越大，摩擦系數(shù)也越大，磨損就愈嚴(yán)重但表面太光滑也會(huì)使接觸面積增加和表面的儲(chǔ)油能力下降，從而使磨損增加。5）表面污染層與潤(rùn)滑膜：材料表面吸附的表面污染層，在摩擦過(guò)程中可降低接觸表面間的粘著傾向，起到減磨潤(rùn)滑作用。(2)材料本身性質(zhì)的影響材料的機(jī)械除能：硬度對(duì)耐磨性有很大影響,一般說(shuō)來(lái)，硬度越高，耐磨性越好。尤其對(duì)于軟性材料來(lái)說(shuō)，提高硬度可明顯改善耐磨性。塑性與韌性對(duì)硬脆材料的耐磨性影響較大，硬脆材料在磨損過(guò)中，表層容易萌生裂紋并擴(kuò)展，從而導(dǎo)致表層剝離，若提高材料的塑性與韌性，將增加材料阻止裂紋擴(kuò)展的能力，可明顯提高耐磨性?；瘜W(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)的影響：材料的化學(xué)成分對(duì)磨損有較大影響。對(duì)鋼材而言，原子半徑小的元素，如；碳、氫、磷、硼等，以間隙固溶的形式存在于鋼中，使鋼的硬度增加，從而提高耐磨性，鈦、、釩、鎢、鈮、鉻等元素與鋼中的碳、氮元素形成彌散而細(xì)小的碳化物或氮化物、提高鋼的耐磨性，硼、鉬、鉻、鎳等元素加人鋼中，提高鋼的淬透性而獲得堅(jiān)硬的馬氏體組織，從而提高耐磨性，鋼中的鉛、硫、磷等元素能夠提高耐磨性。如在摩檫過(guò)程中，鋼材表面以自由狀態(tài)存在的鉛顆粒容易脫落．被碾壓成膜而具有良好的潤(rùn)滑效果；硫元素與鐵、鉬、鎢等元素反應(yīng)形成具有減磨效果的FeS、MoS2、WS2化合物；鋼中的磷元素可在表由形成五氧化二磷保護(hù)膜，減少表面粘著傾向，并抵抗大氣腐蝕。

材料的組織結(jié)構(gòu)對(duì)磨損有較大的影響，在摩擦過(guò)程中，兩種金屬材料的互溶性越好，粘著磨損的傾向越大，兩種材料差別越大，則它們之間的粘著磨損傾向越小；

四、潤(rùn)滑與潤(rùn)滑材料1流體潤(rùn)滑固體摩擦表面之間靠一層充分厚的粘性流體膜進(jìn)行潤(rùn)滑，叫流體潤(rùn)滑。流體潤(rùn)滑的條件是在摩擦表面之間維持一層足夠厚度的流體潤(rùn)滑膜。邊界潤(rùn)滑如果摩擦表面承受壓力太大．相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度太低，則摩擦表面粘性流體潤(rùn)滑劑的壓力不足以平衡外載，流體膜的厚度就會(huì)減少到分子級(jí)大小，形成流體膜，在一定程度上起保護(hù)摩擦表面的作用，這種摩擦狀態(tài)叫邊界潤(rùn)滑。邊界潤(rùn)滑摩