第五章-減摩、耐磨及摩阻材料(2014-06-18 11-20)

第五章耐磨(naimó)、減摩及摩阻材料共三十四頁一、概述摩擦副的摩擦與磨損，是影響機(jī)器設(shè)備的工作效率和使用壽命的主要因素。根據(jù)摩擦副不同的工況條件(速度、負(fù)荷、溫度、介質(zhì)等)和使用要求，從摩擦學(xué)的觀點(diǎn)研究(yánjiū)分析摩擦副材料的摩擦、磨損特性，分別采用不同的耐磨、減摩或摩阻材料，以確定相應(yīng)的材質(zhì)選配。共三十四頁例如：在農(nóng)業(yè)機(jī)械、工程機(jī)械、礦山設(shè)備，摩擦副材料應(yīng)有高的耐磨性。各類軸承、齒輪(chǐlún)、蝸輪運(yùn)動(dòng)副、機(jī)床導(dǎo)軌等要求摩擦副材料有低的摩擦系數(shù)和高的耐磨性。運(yùn)輸和工程機(jī)械(如汽車、火車、拖拉機(jī)、飛機(jī)、起重機(jī)、提升和卷揚(yáng)機(jī)等)，制動(dòng)摩擦副材料應(yīng)有高而穩(wěn)定的摩擦系數(shù)和耐磨性。共三十四頁二、耐磨材料1、材料耐磨性的定義

材料的耐磨性通常是指在一定的工況條件下，摩擦副材料在摩擦過程中抵抗磨損的能力(nénglì)。材料的耐磨性離不開工況條件(速度、載荷、溫度、介質(zhì)等)。同一種材料，在不同的工況條件下其耐磨性相差很大。如，高錳鋼。高硬度的材料具有好的抗磨料磨損性能，而在交變接觸應(yīng)力作用下抗疲勞磨損的能力卻不好。材料的配對(duì)、摩擦副的結(jié)構(gòu)形狀、磨損的形式、維護(hù)條件等的不同，其耐磨性也不相同。**因此，可以說并不存在一種材料，它在各種情況下都是耐磨(或減摩)的。材料的耐磨性是有條件的，也是相對(duì)的。共三十四頁2、

材料耐磨性的評(píng)定指標(biāo)：(1)磨損量：磨損的大小用磨損量表示，表面被磨損的高度h、被磨損的體積V、被磨去的重量G或質(zhì)量m表示。(2)磨損率：由于磨損是一個(gè)過程，由此通常判斷材料磨損的快慢程度(chéngdù)，常采用移動(dòng)單位距離產(chǎn)生的磨損量表示，稱為磨損率。a.線磨損率KL：?jiǎn)挝换瑒?dòng)距離摩擦表面法向尺寸的減少量。線磨損率是一個(gè)(yīɡè)無量綱的量，用表面法向尺寸變化表示磨損率，即：共三十四頁b.體積磨損率KV

：?jiǎn)挝换瑒?dòng)距離摩擦表面體積的減少量。用磨損體積V表示磨損率，即：c.重量磨損率KG

：?jiǎn)挝换瑒?dòng)距離上，每單位面積摩擦表面重量的減少量。用磨損的重量G表示磨損率，即：?jiǎn)挝粸閗g/(m2s2)，式中Aa為名義(míngyì)接觸面積。d.質(zhì)量磨損率Km

：?jiǎn)挝换瑒?dòng)距離上，每單位面積摩擦表面質(zhì)量的減少量。用磨損的質(zhì)量m表示磨損率，

；單位(dānwèi)為m2；單位為kg/m3共三十四頁(3)耐磨性E：耐磨性E為磨損率的倒數(shù)。對(duì)于線磨損率，耐磨性表示為：對(duì)于體積磨損率，耐磨性表示為：對(duì)于重量磨損率，耐磨性表示為：(4)相對(duì)(xiāngduì)耐磨系數(shù)ε：在同一試驗(yàn)條件下，標(biāo)準(zhǔn)材料試樣的體積或線磨損量hs

(或磨損率)

與被測(cè)材料試樣的體積或線磨損量h(或磨損率)

之比：共三十四頁3、耐磨材料的選擇原則：一種材料對(duì)不同類型的磨損，具有不同的耐磨性，因此，在選擇耐磨材料時(shí)，首先應(yīng)了解磨損類型。例如：①以疲勞磨損為主的零件，由于它的磨損與裂紋的形成和擴(kuò)展有關(guān)，因此，材料的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)考慮其具有較好的組織連續(xù)性和具有抗裂紋擴(kuò)展能力，要盡量減少鋼中的夾雜物。②以磨料磨損為主的零件，一般是提高材料的硬度來提高它的耐磨性，但在承受(chéngshòu)載荷和沖擊較大的情況下，則應(yīng)首先考慮其韌性，然后才考慮其硬度。③以腐蝕磨損為主的零件，一般要求材料具有良好的抗腐蝕性能。

共三十四頁④

以粘著磨損為主的零件，其主要選用原則為：a.材料的脆性特征；b.材料的不互溶性特征；c.材料的組織不連續(xù)特征：由于多相金屬的組織不連續(xù)，相互吸附力小，有利于控制(kòngzhì)粘著磨損的發(fā)生和擴(kuò)展，故多相金屬比單相金屬的抗粘著磨損能力高。共三十四頁4、常用的耐磨金屬

一種材料(cáiliào)對(duì)不同類型的磨損，具有不同的耐磨性，因此在選擇材料(cáiliào)時(shí)，首先應(yīng)了解磨損類型。(1)高錳鋼成分：碳1.2％，錳12.5。特點(diǎn)：既硬又韌的鋼種；只有(zhǐyǒu)充分加工硬化才具有優(yōu)良的耐磨性。缺點(diǎn)：導(dǎo)熱性差，熱膨脹系數(shù)較大，無磁性；易于加工硬化，切削加工困難；屈服強(qiáng)度較低，工作中易變形。共三十四頁(2)低合金耐磨鋼高錳鋼在沖擊載荷不大(bùdà)的情況下，由于其加工硬化不夠，耐磨性并不高。而低合金鋼在這種情況下，顯示出更高的耐磨性。

低合金鋼具有僅次于高錳鋼的高韌性，如果合理選擇合金成分和熱處理方法，能夠獲得比高錳鋼還高的強(qiáng)度和比較深的表面硬化層，其適用范圍較廣泛。在耐磨粒磨損方面使用的低合金鋼有中碳鉻錳硅鋼和高碳鉻錳硅鋼，其化學(xué)成分一般為Cr1-3%,Mn1%,Si1-3%。

共三十四頁(3)石墨鋼石墨鋼綜合了鋼和鑄鐵的優(yōu)點(diǎn)，既有良好的耐磨性，也有較高的機(jī)械性能和較好的鑄造性能，其化學(xué)成分一般為碳1.25％-1.45％，Si1％-1.25％，Mn0.3％-0.5％。

在低應(yīng)力的磨料(móliào)磨損條件下，石墨鋼比高錳鋼的耐磨性好，且成本低。但它的導(dǎo)熱性差，在熱應(yīng)力高的情況下會(huì)發(fā)生熱裂。

共三十四頁(4)耐磨鑄鐵機(jī)械性能不及鋼，但含有石墨，具有一定的耐磨性和減磨性，且成本低，可用于對(duì)減摩、耐磨要求不高的場(chǎng)合。各種合金白口鑄鐵，常用的有高鉻合金白口鑄鐵(含Cr15％-30％)、鎳硬白口鑄鐵(含Ni3.3％-5％)、鎢系白口鑄鐵等。高鉻合金白口鑄鐵，具有良好的抗磨粒磨損(mósǔn)能力。但合金元素含量高，成本較高；其韌性較普通的白口鑄鐵和鎳硬白口鑄鐵高，但比高錳鋼和低合金耐磨鋼卻低得多，因此不能用于受強(qiáng)烈沖擊載荷的零件。

共三十四頁三、減摩材料1、減摩材料的基本要求：(1)低的摩擦系數(shù)；(2)較好的耐磨性、抗粘著性和磨合性；磨合性：零件在試運(yùn)行期間(磨合期)，磨合性越好，所需磨合的時(shí)間(shíjiān)就越短、磨損量越小，磨合后表面耐磨性好。共三十四頁(3)良好的順應(yīng)性和嵌合性；順應(yīng)性:材料的表層通過彈塑性變形，對(duì)制造誤差、受載變形和表面租糙度的適應(yīng)性能。嵌合性:表示將外部雜質(zhì)和硬顆粒嵌入摩擦表面而不外露以防擦傷對(duì)偶表面，影響性能。

通常，硬度低、塑性好和彈性模量低的材料，其順應(yīng)性和嵌合性也較好。(4)足夠的強(qiáng)度(qiángdù)；(5)導(dǎo)熱性好、熱膨脹系數(shù)小、抗腐蝕好，與油膜的吸附能力強(qiáng)。共三十四頁2、常用的金屬減摩材料(1)巴氏合金：巴氏合金是最早應(yīng)用于滑動(dòng)軸承上的減摩材料，它是以錫或鉛為基體的軟合金，因主要用于軸瓦，也稱軸承合金。按組成的主要元素分，有錫基和鉛基兩類。a.錫基軸承合金：錫基合金的硬度較低(HB13-32)，熔點(diǎn)也較低(240-320oC)，當(dāng)溫度升高時(shí)，合金表面(biǎomiàn)軟化，起著潤滑的作用，而且磨合容易。錫基軸承合金有良好的減摩性能，具有摩擦系數(shù)和膨脹系數(shù)小，塑性和導(dǎo)熱好等優(yōu)點(diǎn)，但疲勞強(qiáng)度低。共三十四頁b.鉛基軸承合金鉛基合金以鉛為主，含有適量的銻(10-18％)和錫(0-20％)。特點(diǎn)：成本低，高溫(gāowēn)強(qiáng)度好，親油性好，有自潤滑性，適用于潤滑較差的場(chǎng)合。但機(jī)械強(qiáng)度、耐磨性、導(dǎo)熱性不及錫基合金，可用于載荷不大和轉(zhuǎn)速不高的場(chǎng)合，如汽車、拖拉機(jī)曲軸的軸瓦等。共三十四頁(2)鋁基軸承合金：特點(diǎn)：比重小，導(dǎo)熱性好，疲勞強(qiáng)度高和耐磨性好，且原料充足，價(jià)格低廉。但熱膨脹系數(shù)大，抗粘著(zhānzhe)性、嵌合性與順應(yīng)性較差。目前應(yīng)用的有鋁銻鎂軸承合金和高錫鋁基軸承合金。鋁銻鎂軸承合金適用于載荷不超過20N/mm2及滑動(dòng)速度不大于10m/s的滑動(dòng)軸承。高錫鋁基軸承合金適用于裁荷達(dá)28N/mm2，滑動(dòng)速度在13m/s以下的滑動(dòng)軸承。

共三十四頁(3)銅基軸承合金：用作減摩材料的銅基合金主要：錫青銅和鉛青銅。特點(diǎn)：錫青銅的機(jī)械強(qiáng)度較高，減摩性和耐磨性也較好，適宜于制造重載軸承。鉛青銅的承載能力和疲勞強(qiáng)度高，能在250oC以下的溫度正常工作(gōngzuò)，但順應(yīng)性和嵌合性較差，也不耐磨蝕。

共三十四頁(4)鐵基合金：鑄鐵的機(jī)械性能遠(yuǎn)不如鋼，但由于鑄鐵組織中含有大量的石墨而具有良好(liánghǎo)的減摩性，故在輕載低速的軸承中應(yīng)用比鋼廣泛。

鑄鐵的減摩性與石墨的形狀有關(guān)，球狀和厚片狀石墨比薄片狀石墨耐磨，同時(shí)組織中應(yīng)含有少量游離的滲碳體。

共三十四頁(5)粉末冶金減摩材料：金屬粉末與具有減摩性的非金屬固體粉末，按一定比例混合壓制成型，經(jīng)燒結(jié)和整形后得到(dédào)的有多孔性組織的材料。用浸漬方法使空隙中充滿潤滑油，可成為一種具有自潤滑性能的減摩材料，如含油軸承。這是一種具有自潤滑、減摩及耐磨并有吸振作用的減摩材料。

共三十四頁3、常用(chánɡyònɡ)的非金屬減摩材料：

很多無機(jī)和有機(jī)材料都具有減摩性能，可用于在干摩擦或邊界摩擦條件下工作的摩擦副，其中應(yīng)用(yìngyòng)較多的是高分子聚合物和各種工程塑料。(1)有機(jī)非金屬材料：主要是各類工程塑料。共三十四頁塑料優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)聚酰胺，尼龍，PA機(jī)械強(qiáng)度、耐磨性和自潤滑性能良好，摩擦系數(shù)適中(0.25)，價(jià)錢低、易成型、耐蝕性好。熱膨脹系數(shù)大，導(dǎo)熱性差，有吸濕性，尺寸不穩(wěn)定，不宜在潮濕或溫度變化較大的環(huán)境下工作。聚甲醛，POM物理機(jī)械性能好于尼龍，吸水小，尺寸穩(wěn)定，彈性模量、硬度高，蠕變和應(yīng)力松弛少，耐腐蝕，摩擦系數(shù)低而穩(wěn)定。熱穩(wěn)定性差，收縮率大，易老化，遇火會(huì)燃燒。聚四氟乙烯，PTFE化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定和電性能優(yōu)良，摩擦系數(shù)極低(0.1-0.04)，易形成轉(zhuǎn)移膜且與金屬形成強(qiáng)化學(xué)鍵結(jié)合。耐磨性差，機(jī)械強(qiáng)度低，易變形，線膨脹系數(shù)大，做為減磨材料，通常以填料形式加入其他塑料中，或在其中加入金屬或其他材料，改善性能。共三十四頁(2)無機(jī)非金屬減摩材料a.石墨：六方晶系晶體，層狀結(jié)構(gòu)，層內(nèi)碳原子以牢固的共價(jià)鍵相連，各層之間距離較大，碳原子以微弱的范德華鍵相連，各層間易被剪切而發(fā)生滑動(dòng)。自潤滑性能與環(huán)境條件密切相關(guān)，在潮濕大氣中，能吸附(xīfù)空氣中的水蒸汽，降低摩擦系數(shù)，在干燥條件下，減磨性能較差，不適宜用作真空或干燥條件下工作的減摩材料。導(dǎo)電、導(dǎo)熱和熱穩(wěn)定性很好，用作高溫潤滑劑及電接觸材料。

共三十四頁b.二硫化鉬：層狀結(jié)構(gòu)的六方晶體，晶體內(nèi)兩層硫原子中間夾一層鉬原子，層內(nèi)原子以共價(jià)鍵結(jié)合，層層間以范德華鍵結(jié)合，易發(fā)生層間滑動(dòng)。

硫原子與金屬表面的粘著結(jié)合力相當(dāng)強(qiáng)，能形成一層牢固的潤滑薄膜，承載能力大于石墨。在潮濕環(huán)境中表面化學(xué)活性易發(fā)生變化，在晶體表面形成無定形硫，同時(shí)在晶體活性棱面上形成氫鍵，阻礙晶體發(fā)生滑動(dòng)，增加摩擦系數(shù)。因此，二硫化鉬在干燥條件(tiáojiàn)下，具有優(yōu)良的減摩性。共三十四頁四、摩阻材料1、定義：

摩阻材料又稱制動(dòng)材料或剎車材料，是用于各種運(yùn)輸工具及各種機(jī)器設(shè)備的制動(dòng)器、離合器和摩擦傳動(dòng)裝置上，摩阻材料的性能(xìngnéng)直接關(guān)系到部件的工作能力和可靠性。共三十四頁2、對(duì)摩阻材料的基本要求有：具有高而且穩(wěn)定的摩擦系數(shù)。摩擦系數(shù)基本上不隨外界條件的變化而變化；有良好的耐磨性，不易劃傷摩擦配偶件的表面和發(fā)生嚴(yán)重的粘著；磨合性好，在摩擦過程(guòchéng)中噪音、振動(dòng)小；具有良好的物理、機(jī)械性能。摩阻材料工作時(shí)，因摩擦系數(shù)高，發(fā)熱量大，故要求摩阻材料具有良好的導(dǎo)熱性，大的熱容量，而且有一定的高溫機(jī)械強(qiáng)度；制造工藝簡(jiǎn)單，成本低，材料來源充足。共三十四頁3、常用摩阻材料（1）金屬基摩阻材料：

鑄鐵、鋼、青銅和粉末冶金摩阻材料等。金屬基摩阻材料的特點(diǎn)：強(qiáng)度高，不易破裂，對(duì)水的侵入不敏感，但溫度上升時(shí)，摩擦系數(shù)下降快。其中粉末冶金摩阻材料應(yīng)用最廣，發(fā)展最快，其特點(diǎn)是具有高且穩(wěn)定的摩擦系數(shù)，良好的耐磨性，許用壓強(qiáng)高，熱穩(wěn)定性好。缺點(diǎn)是噪聲高，脆性(cuìxìng)大。主要用于重載交通工具和工程機(jī)械的制動(dòng)器和離合器。共三十四頁粉末冶金摩阻材料由金屬基體、減摩成分和增摩成分三部分組成。金屬基體有鐵粉和銅粉兩類。減摩成分由低熔點(diǎn)金屬(鉛、鉍、銻)、非金屬固體潤滑劑(石墨(shímò)、二硫化鉬)等混合而成。加入這些成分雖提高了材料的耐磨性，但使摩擦系數(shù)減小，強(qiáng)度降低。增摩成分由一些高熔點(diǎn)金屬粉末(如鉻粉、鉬粉)、金屬氧化物(氧化鐵，氧化鋁，氧化鉻等)、氮化物(如氮化鈦)、碳化物以及非金屬材料(如石棉、二氧化硅等)組成。共三十四頁（2）非金屬基摩阻材料：主要以石棉為基體，添加調(diào)節(jié)摩擦性能的填料，再用粘結(jié)劑在熱壓模具(mújù)內(nèi)壓制成型。它包括以下幾類：a.石棉摩阻材料：

基體骨架為石棉，熔點(diǎn)高、摩擦系數(shù)大、機(jī)械強(qiáng)度良好、硬度適中，與粘結(jié)劑有強(qiáng)的吸附力。石棉在摩阻材料中的含量一般在30-60%之間。根據(jù)摩阻材料對(duì)摩擦性能的要求，加入的填料成分有