摩擦与磨损全课件第章耐磨减摩材料及表面处理解析

2. 制造耐磨零件的常用钢种
① 优质碳素结构钢 ② 锰钢、锰钒钢及锰钼钨钢 ③ 铬钢 ④ 铬镍钢及铬镍钼钢 ⑤ 铬锰钢 ⑥ 含硅合金钢 ⑦ 轴承钢 ⑧ 高锰钢
6.1.3 耐磨铸铁
铸铁是一种良好的耐磨材料，广泛用于制造各 种摩擦副，如机床导轨、气缸套、活塞环等零 件。
铸铁的耐磨性通常比钢好，因为有石墨存在。 ① 工作时，石墨易在表面脱落成为润滑剂，起减
⑤ 铅青铜浇铸时，易产生比重偏析。为此，可加入适量的 镍、锑等元素，阻止铅的积聚；同时可增大冷却速度， 以减轻比重偏析。
4.铝基轴承合金
铝基轴承合金是随着近代发动机向高速、高压、 重载方向发展而出现的一种新型滑动轴承合金。
优点：密度小、导热性好、承载强度和疲劳强度 高，且有高的高温硬度，优良的耐蚀性和减摩性。
特点：有高的疲劳强度和承载压强，良好的耐磨、 耐热和耐蚀性。
可用于载荷变动大、有冲击载荷及润滑条件易受 破坏的动力机械上的轴承材料。如高速大功率内 燃机车、重型汽车和拖拉机的轴承。
5.多层合金减摩材料
上述各类合金可分别与低碳钢带一起轧制复合成 双金属轴承材料。
为改善表面性能，可在减摩合金表面再镀一层质 软而薄的金属层，构成三层减摩合金材料。
塑性变形能力，以减少安装和制造误差的影响。 嵌藏性是指油中杂质和外来的微粒能嵌入减摩合 金内而不至于划伤轴颈表面。
4)足够的强度。即有一定抗塑性变形的能力和良 好的抗疲劳性。
5)良好的物理、化学性能。如应有高的导热性和 热容量，热膨胀系数小，耐蚀性好，湿润性和亲 油性好等。
6) 工艺性好，生产工艺简单，成本低。
① 加入硅、锰、铬能提高硬度。
② 钼、钒、钨会部分溶于钢中生成M3C或M7C3形 化合物，提高耐磨性。
③ 锰是不易形成碳化物的元素，但在钢中可与铁或 其他碳化物作用，形成渗碳体型的碳化物；在高 锰钢中能扩大奥氏体相区，稳定奥氏体组织，对 提高耐磨性有好处。
(3) 碳化物 碳化物的类型与分布是影响钢耐磨性的主要因素
次是铁素体-屈氏体，而铁素体马氏体组织的耐 磨性最好；
② 共析钢的耐磨性依马氏体、屈氏体、索氏体、索 氏体-珠光体的顺序下降；
③ 过共析钢的耐磨性依珠光体-渗碳体、索氏体-渗 碳体、屈氏体-渗碳体、马氏体-渗碳体、马氏体 的顺序增高。
④ 同一摩擦条件，含碳量相同时，板状马氏体组织 的耐磨性比针状马氏体的好；片状珠光体组织的 耐磨性比球状的高；细珠光体组织比粗珠光体耐 磨性好。
摩作用； ② 石墨脱落后留下的显微孔洞能储存润滑油； ③ 显微孔洞还能容纳磨损产生的微小磨粒。
1. 影响铸铁耐磨性的因素
(1)基体组织 一般铸铁的基体组织有铁素体、珠光体、渗碳体、索氏
体和磷共晶；合金铸铁的基体还包括奥氏体、莱氏体、 马氏体和特殊的碳化物。 ① 铁素体质软，最不耐磨，故在一般的耐磨铸铁中，铁素 体的含量限制在15%以内。 ② 自由渗碳体硬而脆，不仅会损坏对偶件表面，本身也容 易脱落成磨粒，增大磨损，所以自由渗碳体含量应尽量 少。 ③ 珠光体是软质的铁素体与硬脆的渗碳体的组合，适合作 为耐磨材料的基体组织，形状以片状为佳。
② 锰是阻碍石墨化的元素。含量较低时，主要作用是阻碍 共析阶段石墨化，有利于获得珠光体基体铸铁。锰还能 与硫化合形成MnS，可消除硫的有害影响，所以是有益 元素。但锰含量过高易产生游离渗碳体，带来不利影响。
③ 硫是有害元素，其含量通常应控制在0.15%以下。 ④ 为进一步提高铸铁耐磨性，还可加入适量其他合金元素，
③ 其他各种类型石墨由于分布和粗细不均匀，对力 学性能影响较大，耐磨性较低，应尽量避免和限 制其数量。
(3)化学成分 化学成分对铸铁耐磨性的影响是通过组织的改变而起作
用的。
① 碳和硅都是强烈促使石墨化元素，一定量的石墨对耐磨 性有好处，但过多碳含量促使石墨数量增多而降低铸铁 的力学性能，导致耐磨性下降。
着软的铅质点。
铅含量增加，自润滑性、抗粘着性、顺应性及嵌 藏性均提高，但抗疲劳性能下降，偏析倾向增大。
突出优点：承载能力大，耐疲劳性能好，工作温 度可达250℃以上。
应用：适用于高载荷、高速度的轴承。如大功率 航空发动机、汽车发动机及其他机械的高压、高 速下工作的轴承。
铅青铜的缺点：
① 对轴颈的顺应性和嵌藏性差，故对轴颈的相对磨损较大， 所以与铅青铜相匹配的轴颈表面硬度> 300 HB为宜。
② 增加铅量，减摩性能增强，但强度降低，因此常浇铸在 钢带上，或将铜、铅粉末混合后烧结并粘合到钢带上， 制成双金属轴承。
③ 铅青铜轴承间隙要选大些，应为巴氏合金的两倍。
④ 铅青铜耐蚀性差，易受润滑油中有机酸的腐蚀。为此， 可在铅青铜合金表面电镀一层0.25 - 0.5 mm、含锡12% 的铅锡合金层，以提高其嵌藏性、顺应性及耐蚀性。
缺点：抗疲劳强度较差。一般来说减摩合金厚度 愈薄，其疲劳寿命愈长，但不宜低于3 mm。
应用：广泛用作柴油机的轴承材料。
2.铅基轴承合金 又称铅基巴氏合金，是以铅锑为基础的合金。
二元铅锑合金性能不好，常加入一些其他元素，以提高性 能。
加6% -16%的锡，既能溶于固溶体，提高强度、硬度，又 能形成金属化合物硬质点，提高合金耐磨性，还能改善耐 蚀性及合金与钢背的结合强度。
缺点：线膨胀系数较大，运转过程易与轴咬死。 为此，轴颈和轴承的表面粗糙度要求较低，可进 行表面镀锡改善轴承适应性以及采用较大的轴承 间隙。
铝基轴承合金分高锡铝基轴承合金、低锡铝基轴 承合金以及铝锑镁轴承合金等几种。
高锡铝基轴承合金中锡含量大于20%，锡起改善 咬合性、嵌藏性和适应性等作用。但随锡含量增 加，力学性能降低。所以目前采用轧制方法把合 金轧覆在钢质底板上，形成双金属复合板，然后 冲制成形。
6.1.1 金属耐磨材料的一般要求
(1)力学性能 要求强度和韧性有良好的配合。 与强度相应的性能指标是硬度。高硬度有利于抗
磨料磨损。一般希望磨损表面的硬度至少等于磨 料硬度一半，最好比磨料硬度高， 其他类型的磨损对硬度的要求不同。 表面疲劳磨损时，要求材料不仅有较高耐疲劳强 度，而且有适当的韧性。
(2)石墨的形状、大小及分布
石墨对铸铁耐磨性影响较大。石墨在灰铸铁中以 片状存在，分A、B、C、D、E、F六种类型。
① A型石墨呈均匀片状，无一定方向分布，是灰铸 铁中石墨的一种典型组织，具有这种石墨的灰铸 铁有最好的力学性能。
② B型石墨呈花朵状不均匀分布，外围的石墨片较 粗大，心部的石墨密集而细小，这种灰铸铁的力 学性能不如A型石墨。
主要内容
6.1 金属耐磨材料 6.2 滑动轴承合金 6.3 聚合材料 6.4 表面处理技术 6.5 纳米表面技术
摩擦和磨损性能并不是材料的固有特性， 而是相互作用、与系统有关的特性。
并不存在一种材料，它在各种情况下都耐 磨或减摩。
因此，笼统地说某种材料耐磨或减摩都是 不严密的。
6.1 金属耐磨材料
如镍、铬、铜、钛、钒、钨、钼、稀土等元素，以强化 基体或形成特殊的碳化物。
2. 耐磨铸铁的种类
(1) 高磷合金铸铁
① 磷-铬-钼铸铁；② 磷-铬-钼-铜铸铁；③ 磷-锑铸铁。
(2) 硼铸铁 (3) 钒钛铸铁 (4) 铬钼铜铸铁 (5) 在磨料磨损条件下工作的抗磨铸铁
① 普通白口铸铁；② 合金白口铸铁；③ 中锰球墨铸铁； ④ 冷硬铸铁。
可加1% -2%的Cu，形成化合物Cu6Sn5，防止比重偏析， 同时起硬质点作用。
特点与应用：与锡基轴承合金相比，强度、硬度、耐磨性 及冲击韧性都较低。用于低速、低载荷或静载下工作的中 载荷机械设备的轴承。
3.铜基轴承合金
分为铜锡合金(锡青铜)和铜铅合金(铅青铜)。
(1)锡青铜
锡含量通常为7% - 8% ，有时达15%。为单相组 织，减摩性差。需另加一些合金元素形成多相组 织，改善减摩性。
特点是发挥各层合金的长处，以满足现代机器高 速、重载的工作条件以及大批量生产的要求。
减摩合金层的厚度一般在1mm以下，表面镀层厚 度仅0.02-0.04mm的合金层有较高疲劳强度。
6.其他减摩材料 1)粉末冶金减摩材料。是用粉末冶金法，将一种
或数种有一定粒度和形状的金属粉末，与改善摩 擦性能的粉状添加剂一起混匀、压制成形、烧结 和整形而成。
图6 -2 碳钢耐磨性-显微组织的关系曲线
a一铁素体-珠光体;b一铁素体-索氏体; c一铁素体-屈氏体;d一铁素体-马氏体； e一珠光体-渗碳体; f一索氏体-渗碳体;g一屈氏体-渗碳体;h马氏体-渗碳体; i一马氏体
(2)合金元素
钢中加入一定量的某些合金元素，可以强化基体， 生成特殊的金属碳化物，改善钢的物理、力学性 能，达到提高耐磨性的目的。
(2)金相组织 ① 钢的耐磨损能力随着组织变细而增加。
② 均匀分布的硬质相（如碳化物、氮化物等）对耐 磨性有利。
(3)耐腐蚀性 对于在腐蚀介质中工作的摩擦副，要求材料具有
良好的耐蚀性。
(4)其他方面 要求材料有较高的导热性、良好的热稳定性等； 对于有润滑油的摩擦副，要求材料表面有良好的
④ 硬脆的磷共晶对耐磨性影响较大，它在基体中 起骨架作用，若与基体结合牢固，对耐磨有利； 若与基体结合不牢，则易碎裂脱落成为磨粒， 耐磨性降低。
⑤ 奥氏体具有较好的热稳定性，且在摩擦过程中 会产生加工硬化，具有强化作用，使磨损减少， 尤其是在冲击载荷不大的磨料磨损中，其耐磨 性比普通灰铸铁高。
⑥ 合金铸铁基体中的莱氏体、马氏体及特殊碳化 物都具有高硬度，不易变形，经热处理后又有 一定的韧性，这种基体对抗磨料磨损十分有利。
润湿性和持油能力。
注意：上述要求有时相互矛Байду номын сангаас，要根据具体情况， 抓住主要矛盾，使材料显示出最佳的耐磨性。
6.1.2 耐磨钢
1. 影响钢耐磨性的因素 (1)含碳量 ① 碳钢中适当增加含碳量，能增加珠光体含量，提高硬度
和抵抗擦伤的能力，增加耐磨性。 ② 在过共析钢中，只要渗碳体不以网状形式存在于晶界，
6.2 滑动轴承合金
6.2.1 对轴承合金的要求
滑动轴承合金是一种典型的金属减摩材料，它的 基本要求是具有较高耐磨性，同时又有很低的摩 擦系数，具体要求如下:
1)减摩性。即应具有低而稳定的摩擦系数。 2)耐磨性。不仅减摩材料本身耐磨，而且对轴颈
的磨损也要小。 3)顺应性和异物嵌藏性。材料表层应有一定的弹
① 加适量的铅、锌或磷后，锡在铜或其他合金元素中能形 成α相以及金属间化合物Cu3Sn6，增加合金的抗粘着性 和顺应性；
② 加锌可提高合金塑性和铸造流动性，但强度和硬度有所 下降；
③ 加磷可形成硬化相如Cu3P等。
(2)铅青铜 铅含量通常为15% -30%，锡含量为3% - 10%。 铅与铜互溶度小，组织特点是硬的铜基体上分布
之一。 ① 碳化物的硬度通常比较高。 ② 当碳化物的粒度较大时，可有效阻止磨粒的显微
切削作用； ③ 弥散分布的碳化物的间距越小越有利于磨损作用
下的加工硬化作用。 ④ 钢中出现网状碳化物或部分呈块状，且碳化物沿
晶界析出或在基体上分布不均，会降低耐磨性。
(4) 金相组织的影响 ① 亚共析钢中，铁素体-珠光体的耐磨性最差，其
6.2.2 滑动轴承合金
1.锡基轴承合金 锡基轴承合金又称锡基巴氏合金或称白合金。 是在锡-锑合金基础上加铜的合金，分两类: ① 铜的质量分数为0.5% - 8%，锑的质量分数少于
8%。 ② 铜的质量分数为0.5% - 8%，锑的质量分数大于
8%。
锡基轴承合金的特点与应用
优点：有良好的减摩性，对轴颈的顺应性、嵌藏 性好，耐蚀性高，对钢背(经镀锡) 和青铜的粘着 性好。
优点：多孔结构。可吸入润滑油，制成自润滑减 摩材料或含油轴承材料。有较高的强度及良好的 耐磨性、减摩性和吸振性。
耐磨性也随含碳量增加而增加。 ③ 随含碳量增加，材料的塑性、韧性会下降，在受冲击载
荷较大时，摩擦副会因脆裂而失效，耐磨性反而降低。 因此在选取含碳量时，应考虑工况条件。 ④ 工程中用于摩擦工作的零件，多数采用含碳0.5% -1.0% 的碳素钢和含碳0.4% -0.6%的中碳合金钢。经过适当热 处理，可获得一定的硬度和韧性，具有良好的耐磨性。