摩擦與磨損全第6章-耐磨減摩材料及表面處理2

摩擦與磨損第六章耐磨減摩材料及表面處理（2）

.12024/6/13主要內(nèi)容6.3聚合材料6.4表面處理技術(shù)6.5納米表面技術(shù).22024/6/136.3聚合材料聚合材料亦稱塑料，它是高分子結(jié)合體，分子量在104-107之間，它由一萬(wàn)個(gè)以上的原子組成。各高分子由于其組成的單體性質(zhì)不同，彼此之間可能是由化學(xué)鍵或物理鍵連接在一起。6.3.1聚合材料簡(jiǎn)介.32024/6/13聚合物可分為熱塑性塑料、熱固性塑料和彈性塑料。熱塑性塑料：其大分子之間由物理鍵連接，這些大分子呈線狀或分枝狀的鍵形式彼此交叉在一起，在室溫時(shí)很硬，加熱時(shí)呈塑性，且可逆，冷下來(lái)又變硬。熱固性塑料：在加熱過(guò)程會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，內(nèi)部結(jié)成具有化學(xué)鍵結(jié)合的小晶格而硬化，達(dá)到固化成形。它們不能通過(guò)再加熱，重熔塑制成其他形狀。彈性塑料：具有由化學(xué)鍵連接在一起的大分子而形成的大網(wǎng)格，同時(shí)存在物理鍵連接。在常溫時(shí)這種連接很薄弱，故它呈彈性，與橡膠相似。聚合物分類.42024/6/136.3.2摩擦副中常用的聚合物1.聚四氟乙烯(PTFE)是一種具有良好的自潤(rùn)滑性和高溫(260℃)穩(wěn)定性的聚合物，可作為固體潤(rùn)滑劑添加到復(fù)合材料中，也可用無(wú)機(jī)填料、纖維或金屬顆粒使它增強(qiáng)，構(gòu)成復(fù)合材料。是一種十分重要的工程聚合物。特點(diǎn)：能耐幾乎所有化學(xué)藥品的腐蝕。電絕緣性也很好，吸水性小，且耐老化。在金屬表面上低速滑動(dòng)時(shí)，其摩擦系數(shù)很低；在高速滑動(dòng)時(shí)，摩擦系數(shù)雖稍有增加，但仍比其他多數(shù)聚合物的摩擦系數(shù)小。.52024/6/13局限性及改善純PTFE與鋼滑動(dòng)摩擦?xí)r的磨損率比較高。如果加入某些有機(jī)填充劑，可使磨損率減少一百倍，甚至更多。常用填充劑：MoS2、石墨、WS2、MoSe2、CuS以及Cu等。填充物的體積分?jǐn)?shù)宜在15%-40%之間。加入增強(qiáng)纖維，尤其纖維織物，PTFE的力學(xué)性能大大提高，摩擦學(xué)性能亦有所改善。硒Se.62024/6/132.聚酰胺(PA)聚酰胺又稱尼龍。常見(jiàn)牌號(hào)有尼龍6，尼龍66、尼龍1010等。優(yōu)點(diǎn)：具有較高的韌性、彈性和強(qiáng)度，摩擦系數(shù)小，耐磨性和熱穩(wěn)定性好?？稍?25℃下工作，加適當(dāng)填充劑，能耐150℃高溫。在干滑動(dòng)條件下，磨損量隨載荷增加而增加。加石墨或MoS2做成自潤(rùn)滑材料，可降低磨損率。應(yīng)用：廣泛用于制造結(jié)構(gòu)零件，如軸套、齒輪、凸輪等。缺點(diǎn)：吸水性較大，尺寸穩(wěn)定性差。.72024/6/133.聚乙烯(PE)分類：根據(jù)分子量不同，可分為低密度(低分子量)、高密度(高分子量)及超高分子量聚乙烯等。應(yīng)用：低密度聚乙烯用于一般耐蝕、絕緣件等。高密度聚乙烯用來(lái)制作薄膜及某些注射模具的零件。超高分子量聚乙烯對(duì)于泥漿及硬顆粒的磨料磨損有抵抗能力，有很好的穩(wěn)定性和抗生物破壞能力，可作人工關(guān)節(jié)。金屬在超高分子量聚乙烯做的導(dǎo)軌上也有較好的滑動(dòng)性能。.82024/6/134.酚醛酚類和醛類的縮聚產(chǎn)物統(tǒng)稱為酚醛樹(shù)脂。是熱固性聚合物，僅可模壓成形。特點(diǎn)：壓縮強(qiáng)度比大部分其他聚合物高；可用水潤(rùn)滑，并可用水來(lái)冷卻，這是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)；使用溫度可達(dá)200℃；無(wú)潤(rùn)滑時(shí)，摩擦磨損特性不好；有足夠潤(rùn)滑劑供給時(shí)，才可保持長(zhǎng)的使用壽命。應(yīng)用：與玻璃、織物及石棉等組成的層狀制品，已廣泛用于制造各種機(jī)械零件，如軸套、齒輪、凸輪等。.92024/6/135.聚酰亞胺屬高溫聚合物。分子結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，不能像大部分聚合物那樣通過(guò)熔融、固化成形。一般采用粉末冶金技術(shù)制作零件，可加入石墨或其他填充劑增加強(qiáng)度和潤(rùn)滑能力。特點(diǎn)與應(yīng)用：結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與尼龍差不多，也有一定自潤(rùn)滑能力，但減摩性能不如PTFE。最高連續(xù)工作溫度可達(dá)260℃，因成本較高，無(wú)法廣泛使用，多用于工作溫度較高的場(chǎng)合。.102024/6/136.3.3聚合物基復(fù)合材料復(fù)合材料是兩種或兩種以上的不同材料，通過(guò)一定工藝手段組合而成。在聚合物中加入一些添加劑，使材料具有低摩擦系數(shù)和高耐磨性，這類材料稱為聚合物基減摩復(fù)合材料。這種復(fù)合材料具有單一材料無(wú)法比擬的、優(yōu)越的綜合性能，是一類新型的工程材料。

.112024/6/13聚合物基復(fù)合材料的特點(diǎn)比強(qiáng)度與比模量高，例如環(huán)氧樹(shù)脂與高強(qiáng)度碳纖維復(fù)合，其比強(qiáng)度和比模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)一般鋼材和鋁合金;化學(xué)穩(wěn)定性好;減摩、耐磨、自潤(rùn)滑性好。例如在熱塑性塑料中滲入少量短切碳纖維可大大提高它的耐磨性，其增加倍數(shù)為聚氯乙烯本身的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;耐熱性高;韌性和抗沖擊性得到改善;其他特殊性能。.122024/6/13實(shí)際使用的聚合物基減摩復(fù)合材料分兩類：以固體潤(rùn)滑劑作為填充劑，即所謂自潤(rùn)滑聚合物復(fù)合材料；在聚合物中嵌入纖維，即所謂纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料。

.132024/6/131.自潤(rùn)滑聚合物復(fù)合材料在聚合物中加入固體潤(rùn)滑劑制成。常用固體潤(rùn)滑劑：石墨、MoS2、WS2、MoSe2、WSe2、NbSe2、BN、PbI2、CdI2、BI2、AgI2、SbS、PbO、CdO等。特點(diǎn)：層狀結(jié)構(gòu)，層與層間的切變阻力很低。某些固體潤(rùn)滑劑原子與配對(duì)的金屬表面間有很強(qiáng)的粘著力，如硫和硒原子可牢牢地粘在金屬表面上，逐步在金屬表面上形成一層低切變阻力的膜，使摩擦系數(shù)顯著降低。鎘Cd；銻Sb.142024/6/13固體潤(rùn)滑劑的減摩作用在很大程度上取決于外界條件，如滑動(dòng)速度、載荷、溫度等。在強(qiáng)度、磨損壽命方面不如金屬基復(fù)合材料以及聚合物—金屬三層復(fù)合自潤(rùn)滑材料。.152024/6/13聚合物—金屬三層復(fù)合自潤(rùn)滑材料由鋼背-多孔青銅-聚合物復(fù)合而成；特點(diǎn)：綜合了金屬和聚合物的優(yōu)點(diǎn)，機(jī)械強(qiáng)度高、摩擦系數(shù)低、耐熱性好、熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱性優(yōu)良、使用溫度范圍寬。應(yīng)用：可用于制作齒輪泵軸承、機(jī)床導(dǎo)軌板、齒輪箱油泵齒輪止推片等?？芍圃烊f(wàn)向節(jié)主銷軸承套和十字軸萬(wàn)向節(jié)軸承、冷軋帶鋼機(jī)軸承、水輪機(jī)導(dǎo)水葉軸套等。.162024/6/132.纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料以碳纖維作為填充劑的聚合物復(fù)合材料制作滑動(dòng)摩擦軸承、齒輪等，性能極好。摩擦系數(shù)低，耐磨性好，強(qiáng)度和剛性高。摩擦學(xué)特性與纖維取向有很大關(guān)系。纖維垂直于滑動(dòng)方向時(shí)，摩擦學(xué)特性較好。熱固性聚合物為基的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能一般比熱塑性聚合物為基的好。.172024/6/136.3.4聚合物的應(yīng)用1.滑動(dòng)軸承聚合物滑動(dòng)軸承摩擦系數(shù)低、耐磨性高。無(wú)潤(rùn)滑時(shí)，摩擦系數(shù)一般是0.1-0.3，有潤(rùn)滑時(shí)可降至0.01左右。選材注意：應(yīng)考慮其承受壓力p、速度v和pv值。材料所允許的最高工作溫度也應(yīng)考慮。軸的材料對(duì)聚合物的磨損有相當(dāng)大的影響。如用PTFE做滑動(dòng)軸承，與鋁軸配對(duì)時(shí)軸承磨損量比與鋼配對(duì)時(shí)的磨損量大20-50倍。軸的表面粗糙度值應(yīng)足夠低。

.182024/6/132.齒輪聚合物齒輪主要優(yōu)點(diǎn)是摩擦系數(shù)小，吸振和防沖擊性好，傳動(dòng)平穩(wěn)且噪聲小、耐蝕性好、重量輕。但強(qiáng)度較低，因此選材時(shí)要針對(duì)實(shí)際情況，選取合適的材料，另外應(yīng)盡量采用斜齒輪。聚合物齒輪配對(duì)情況可分三種:①同種聚合物;②不同聚合物;③金屬—聚合物。.192024/6/136.4表面處理技術(shù)目的與意義：摩擦磨損現(xiàn)象總是發(fā)生在表面層。選用優(yōu)良的整體材料來(lái)滿足零件表面耐磨要求，不經(jīng)濟(jì)。因此，采用表面處理技術(shù)，改善表面性質(zhì)，使零件具有良好的耐磨性，同時(shí)心部仍保持足夠的韌性等其他性能。實(shí)用、經(jīng)濟(jì)。.202024/6/13表面涂覆法：使表面上覆蓋一層耐磨材料。如堆焊、熱噴涂、電鍍、化學(xué)鍍、物理和化學(xué)氣相沉積等。表面合金化法：改善表層化學(xué)成分和組織。如間隙彌散強(qiáng)化法、擴(kuò)散處理、電火花熔滲等。改變表面顯微組織法：如表面形變處理、表面熱處理等。表面耐磨處理方法.212024/6/13表面熱處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藝，提高摩擦表面硬度。按加熱方式不同可分為：高頻感應(yīng)淬火；火焰淬火；鹽浴加熱淬火；激光淬火等。1.表面熱處理.222024/6/13(1)高頻感應(yīng)表面淬火特點(diǎn)：加熱速度快、熱效率高、變形小、表面氧化脫碳量小、生產(chǎn)率高，但要求較復(fù)雜的設(shè)備，且對(duì)不同形狀的零件表面需要相應(yīng)的感應(yīng)圈。應(yīng)用：應(yīng)用廣泛。得到的馬氏體組織比普通淬火的細(xì)，硬度比一般淬火高2-3HRC，且表面具有800MPa的殘余壓應(yīng)力，直接用于要求疲勞強(qiáng)度和耐磨性較高的場(chǎng)合。改進(jìn)：從耐磨性角度出發(fā)，高頻淬火后的結(jié)構(gòu)鋼應(yīng)在150-200℃下回火。消除表面殘余應(yīng)力，提高耐磨性?；诣F高頻淬火后，也應(yīng)在250℃左右回火，進(jìn)一步提高耐磨性。.232024/6/13(2)激光表面淬火用激光掃描金屬表面，在很短時(shí)間內(nèi)使金屬達(dá)高溫后，自冷淬火，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殡[狀或細(xì)針狀馬氏體；或使表面薄層熔化又迅速冷卻，使金屬表層產(chǎn)生非晶態(tài)組織，獲得較高耐磨性。應(yīng)用：適用于薄壁件的表面硬化處理，但不宜用于大型工件和重載工作條件的表面處理。用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸套等零件，效果較好。在激光處理的同時(shí)，還可以在表面加入合金元素，使表面獲得更佳的組織，進(jìn)一步增加耐磨性。.242024/6/13(1)表面滲碳原理：就是向表面層滲入碳原子，增加表層含碳量。將工件置于滲碳?xì)夥罩?，加熱?00-950℃，滲碳介質(zhì)分解產(chǎn)生活性碳原子并被鋼表面吸收。當(dāng)表面的碳濃度大于該元素在鐵中的固態(tài)溶解度時(shí)就形成化合物層，并通過(guò)此層向內(nèi)擴(kuò)散至一定深度。方法：方法很多，如固體滲碳、液體滲碳、氣體滲碳、電解滲碳等，其中氣體滲碳在表面耐磨處理方面應(yīng)用較廣。應(yīng)用：適宜表面滲碳的材料主要有低碳鋼及低合金鋼等。表面滲碳處理主要用于低速重載或承受交變載荷、受沖擊、疲勞磨損嚴(yán)重的場(chǎng)合，如齒輪、軸類、凸輪等零件的表面耐磨處理。2.表面化學(xué)熱處理.252024/6/13影響滲碳層耐磨性的因素滲碳硬化層的耐磨性與硬化層的深度、碳濃度、金相組織和硬度有關(guān)。碳濃度以0.8%-1.1%為宜；滲碳硬化層的組織是由珠光體加少量的碳化物及鐵素體組成；為改善耐磨性，滲碳后還需淬火或低溫回火，使組織轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體+少量碳化物+殘余奧氏體，且粒狀碳化物均布在細(xì)小的馬氏體上。.262024/6/13(2)表面氮化原理：滲入介質(zhì)通過(guò)加熱，分解為活性氮原子，被鋼表面吸收，并進(jìn)一步向內(nèi)層擴(kuò)散，形成一定厚度的氮化物表層。特點(diǎn)及應(yīng)用：氮化層硬度高，抗疲勞、耐蝕性好。主要用于滑動(dòng)速度和溫度較高及弱腐蝕介質(zhì)等工作條件下的零件作表面耐磨處理，如高速齒輪、轉(zhuǎn)軸和曲軸頸、閥門(mén)零件等，有較好的抗粘著疲勞及腐蝕磨損能力。.272024/6/13氮化工藝氮化工藝有氣體氮化、離子氮化和軟氮化等幾種。（1）離子氮化時(shí)間短，氮化層性能比其他氮化方式好、工件變形小。加鈦離子氮化使表面獲得更優(yōu)良的滲層，目前已成功地用于船用柴油機(jī)氣缸套的耐磨處理。（2）軟氮化是低溫條件下以滲氮為主的氰化過(guò)程或活性低溫氰化過(guò)程。是指在較短時(shí)間內(nèi)使鋼表面形成N-C共滲硬化層，雖然硬度不太高，但有良好的抗粘著和抗擦傷性、脆性小、耐磨性好。廣泛用于模具、量具、刃具摩擦面的處理。軟氮化處理后表層的組織是由化合物層與擴(kuò)散層組成?；衔飳又幸澡F的氮化物為主。

.282024/6/13圖6-4軟氮化表面組織.292024/6/13(3)表面滲硼滲硼處理常采用固體粉末(有時(shí)也用漿糊狀)。在900-1000℃下進(jìn)行。滲硼層硬度可達(dá)1500-2000HV。滲層厚度在10至800

m之間，在應(yīng)用上常見(jiàn)厚度為70-120

m。滲硼層由單相(Fe2B)或雙相(FeB+Fe2B)組成。雙相一般很脆，對(duì)耐磨性不利。通常希望形成單相組織。.302024/6/13最好的滲硼材料是碳鋼、低合金鋼、鑄鋼和球墨鑄鐵。性能：滲硼層硬度高，抗磨損性能好。滲硼后的刀具，壽命大大提高。原因是在摩擦狀況下形成的低硬度氧化鐵層對(duì)滲硼層起保護(hù)作用，不易發(fā)生粘著磨損。在缺氧環(huán)境中，滲硼層的滑動(dòng)副會(huì)因粘著磨損而發(fā)生咬合，在這種情況下，滲氮比滲硼好。.312024/6/13(4)滲硫、硫氮共滲滲硫是在含硫的電解鹽浴中，在200℃左右進(jìn)行處理。經(jīng)過(guò)電解，滲硫的零件表面上形成幾微米至10

m厚的FeS。FeS為黑色多孔的鱗片狀結(jié)構(gòu)，具有很好的抗粘著能力。硫氮共滲是在570℃左右，在摻有硫化物的氮化鹽浴中進(jìn)行處理。硫氮共滲的鋼和鑄鐵，耐磨性也很好。由于被處理的材料表面層呈微孔狀，初期磨損量較大，但正常磨損階段磨損量很小，特別在惡劣的條件下，耐磨性很好。在一定條件下，硫氮共滲的效果比離子氮化更佳。.322024/6/133．表面噴涂和噴焊(1)表面噴涂是利用各種熱源將耐磨材料熔化或加熱成接近熔化狀態(tài)的霧化微粒，高速噴到工件表面上，形成耐磨覆蓋層。特點(diǎn)：①適應(yīng)性廣，各種金屬、金屬陶瓷、無(wú)機(jī)物和高分子材料均可作為噴涂用料，形成各種用途的減摩耐磨涂層。②涂層具有多孔性，有利于自潤(rùn)滑。③涂層本身強(qiáng)度和結(jié)合強(qiáng)度都較低、抗沖擊性差。

.332024/6/13由于熱源不同，噴涂可分為兩大類：氣噴涂和電噴涂。1)氣噴涂。原理：是以乙炔—氧氣火焰為熱源，熔化噴涂線材或粉末，經(jīng)壓縮空氣或高壓氮?dú)獾膰娚浜挽F化，高速沉積在經(jīng)預(yù)處理的工件表面上。粉末氣噴方法應(yīng)用最廣泛。表面噴涂分類.342024/6/13特點(diǎn)與應(yīng)用：設(shè)備簡(jiǎn)單、投資少、收效快。但結(jié)合強(qiáng)度差，不適合承受高應(yīng)力載荷，但可用于一般的滑動(dòng)或滾動(dòng)摩擦件的耐磨、減摩涂層，如小型機(jī)床導(dǎo)軌面、各種密封配合面、軸套。改進(jìn)：為改善結(jié)合強(qiáng)度，可先噴涂一層0.1-0.15mm厚的結(jié)合層，然后再噴鎳基、鐵基或銅基合金粉末作為耐磨工作層。.352024/6/132)電噴涂分類：按產(chǎn)生電弧方式不同可分為電弧噴涂、高頻電流噴涂及等離子體噴涂等。等離子噴涂是以電弧放電產(chǎn)生的等離子體作為高溫?zé)嵩矗瑢⑺腿氲膰娡糠勰┭杆偃刍㈦S高速射流噴射到工件表面上，形成耐磨覆蓋層。應(yīng)用：等離子射流中部溫度高達(dá)20000K，可熔化所有金屬與陶瓷無(wú)機(jī)材料，對(duì)獲得特殊難熔材料的高硬度耐磨涂層十分有利。.362024/6/13(2)表面噴焊原理：利用噴涂工藝，使被處理的工件表面發(fā)生薄層熔化，同時(shí)與噴射材料的熔化微粒形成焊接形式的冶金結(jié)合層—噴焊層。噴焊材料為各種金屬及合金粉末，其中自熔性合金粉末做噴焊耐磨層應(yīng)用最廣。自熔性合金：以鎳—鉻或鎳及鈷—鉻為基，添加少量硅、硼元素。特點(diǎn)：噴焊層與基材結(jié)合力比噴涂層大得多，涂層組織均勻，致密性好，可用于受沖擊和沖刷的工件。缺點(diǎn)是工件受熱大、易變形，不適合薄壁件及長(zhǎng)桿件的表面處理。.372024/6/134．表面電鍍和化學(xué)鍍分類：常用的表面耐磨鍍層有鍍鉻、鍍鐵、電鍍鎳、化學(xué)鍍鎳及化學(xué)復(fù)合鍍等。1)鉻鍍層的性能受鍍液化學(xué)成分、溫度、電流密度以及鍍層厚度等影響。一般耐磨用鉻鍍層硬度為900～l200HV，不過(guò)在工作溫度上升至250℃時(shí)，硬度會(huì)下降150～200HV。.382024/6/13鉻鍍層特點(diǎn)：鉻層硬度高、強(qiáng)度好、與許多金屬配對(duì)時(shí)摩擦系數(shù)低，所以它抗磨粒磨損較好。鉻表面會(huì)形成一層較厚的、結(jié)合緊密的氧化層，在摩擦溫度不很高和載荷不很大的條件下，鉻鍍層的抗粘著磨損能力也很好。鉻鍍層的油潤(rùn)性很差，在潤(rùn)滑油供應(yīng)不良和載荷高的情況下，油膜易破裂。致使摩擦副發(fā)生粘著磨損和膠合。為了改善其潤(rùn)滑特性，往往采用不同方式的多孔鍍鉻，如柴油缸套。.392024/6/132)化學(xué)鍍鎳是在亞磷酸鹽電介質(zhì)內(nèi)，經(jīng)還原反應(yīng)在工件表面沉積成鎳鍍層。根據(jù)處理工藝不同，在鎳沉積的同時(shí)，還有7％—10％磷和5％的硼也一起鍍上。鍍后鎳層硬度約為500HV，經(jīng)熱處理，鎳-磷鍍層硬度上升到約1100HV，鎳-硼鍍層硬度上升到1100～2000HV。.402024/6/13化學(xué)鍍鎳特點(diǎn)：鎳層硬度高、強(qiáng)度和韌性好，高溫下仍有好的抗腐蝕氧化能力，因而有較好的耐磨性?；瘜W(xué)鍍鎳比電鍍鎳層氣孔性小，所以比電鍍的鎳層耐蝕性好，但在滑動(dòng)摩擦?xí)r應(yīng)當(dāng)有好的潤(rùn)滑條件，否則會(huì)導(dǎo)致粘著磨損以至咬死。改進(jìn)：如在鍍鎳槽中附加一些硬材料微粒，如碳化硅和金剛砂，使鎳層成為含硬質(zhì)點(diǎn)的彌散層，其耐磨料磨損和耐粘著磨損性都得到進(jìn)一步改善。.412024/6/135．氣相沉積法氣相沉積法分為化學(xué)和物理兩類?；瘜W(xué)氣相沉積時(shí)，所用的反應(yīng)氣體是由金屬的氯化物和作為承載氣體的碳?xì)浠衔锘旌隙?。特點(diǎn)：沉積層是通過(guò)化學(xué)作用和基材連接在一起的，結(jié)合強(qiáng)度很好。如果中間鍍上一層過(guò)渡層，結(jié)合強(qiáng)度還可以提高。例如在鍍TiC之前先鍍一層鉻；在鍍W2C之前先鍍一層鎳等。.422024/6/136.表面耐磨堆焊堆焊是堆焊材料和基體表面材料發(fā)生熔融、混合和再凝固的過(guò)程，使表面形成冶金結(jié)合的覆層。特點(diǎn)：該硬的覆層不僅可以提高零件的耐磨性，而且只要選擇合適的堆焊材料，還可以使零件具有所要求的耐腐