摩擦磨损-耐磨材料

挖掘机
耐磨零件的常用钢种
• 高锰钢广泛用于既要求耐磨又 要求耐冲击的零件。如拖拉机 的履带板、球磨机衬板、破碎 机牙板、挖掘 破 碎 机铲齿和铁路 机 牙 板 辙岔等。
挖 掘 机 铲 齿 铁路辙岔
Байду номын сангаас
球磨机衬板
履带
金属耐磨材料
二.耐磨铸铁 1.高磷铸铁

高磷铸铁——一般指含磷量高于0.3%的灰铸铁
P在铸铁基体中的固溶度很低，凝固过程中在最后凝固的晶界 处往往出现二元磷共晶（F+Fe3P）或三元磷共晶 （F+Fe3C+Fe3P）。一般P﹥0.15%就会出现磷共晶。
一、化学热处理的分类
依据所渗入元素的不同，可将化学热处理 分为渗碳、渗氮、渗硼、渗铝等。如果同时渗 入两种以上的元素，则称之为共渗，如碳氮共 渗、铬铝硅共渗等。渗入钢中的元素，可以溶 人铁中形成固溶体，也可以与铁形成化合物。
表面化学热处理——渗碳
二、渗碳的目的、分类及应用 1、定义： 钢在渗碳就是钢件在渗碳介质中加热和保温，使碳原子渗 入表面，获得一定的表面含碳量和一定碳浓度梯度的工艺。这 是机器制造中应用最广泛的一种化学热处理工艺。 2、目的： 渗碳的目的是使机器零件获得高的表面硬度、耐磨性及高 的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度。 3、分类： 根据所用渗碳剂在渗碳过程中聚集状态的不同，渗碳方法 可以分为a）固体渗碳法、b)液体渗碳法及c)气体渗碳法三种。
Mn
Si
只溶于固溶体， 使F强化，提高钢 的回火能力
脱氧、去硫、净化 钢液、细化晶粒、 稀土 改善钢的质量
合金元素 的影响
Cr
溶于固溶体，形成 碳化物提高淬透性， 增加回火脆性， <2%
强烈提高淬透性 过高使脆性增大， 可获B组织
B
Ni
只溶于固溶体，提 高淬透性、塑性、 韧性，<1%
合金元素在钢中的作用
破碎机主轴
耐磨零件的常用钢种
• 3、热处理及组织特点 • 调质件的加工工艺路线为：下料→锻造→退火→粗 加工→调质→精加工→装配 (表面淬火+低温回火)→装配 • 调质目的：获得良好综合力学性能 ①为表面淬火作组织准备；②获得最终心部组织. • 使用状态下的组织为：S回 表面：M回；心部：S回 为提高表面耐磨性，调质后可 进行表面淬火或氮化。
耐磨零件的常用钢种
（一）优质碳素结构钢 1、性能要求
调质件（螺杆）
• ⑴ 良好的综合力学性能。
• ⑵ 良好的淬透性。
耐磨零件的常用钢种
• 2、成分特点
• ⑴ 中碳：0.3~0.5%C
• ⑵ 合金元素作用：
调质件（冷却轮）
• ① 提高淬透性: Mn、Si、Cr、Ni、B • ② 强化铁素体: Mn、Si、Cr、Ni • ③ 细化晶粒: Ti、V • ④ 防止第二类回火脆性: W、Mo
响：除Ni、Co外,都减缓奥
氏体化过程. • ⑵ 对奥氏体晶粒长大倾向 的影响： 碳、氮化物形成元素阻碍奥氏体晶粒长大。

Mn、P促进长大。
合金元素在钢中的作用
• 2、对过冷奥氏体转变的影响 • ⑴对C曲线和淬透性的影响：除Co外，凡溶入奥氏 体的合金元素均使C曲线右移，淬透性提高。 • 常用提高淬透性的元素为Mn、Si、Cr、Ni、B。
熔点、硬度、耐磨性较低，如Fe3C等。
合金元素在钢中的作用
• ㈡ 对Fe - Fe3C相图的影响
锰对奥氏体相区的 影响
• 1、对奥氏体相区的影响
• ⑴ Ni、Mn、Co、C、N
等是扩大奥氏体相区的
元素，使A1、A3点下降，
A4点上升。

当Mn13%或Ni9%时，S点降到0℃以下，室温下 为单相奥氏体组织，称奥氏体钢。
滚针轴承 滚柱轴承
向 心 球 轴 承
滚珠轴承
大 型 轴 承
耐磨零件的常用钢种
（三）耐磨钢
• 是指在冲击载荷作用下发 生冲击硬化的高锰钢。 • 钢号:ZGMn13。 • 1、成分特点 • ⑴ 高碳：1.0~1.3%C 以保持高耐磨性。 • ⑵ 高锰：11~14%Mn 以保证形成奥氏体组织。
高锰钢 高锰钢铸件
黑龙江科技学院
摩擦学原理
主要内容
1
金属耐磨材料 表面处理技术 摩擦与磨损测试技术
2
3
金属耐磨材料
一、耐磨钢
含碳量
金相 组织
影响钢耐 磨性因素
合金 元素
碳化物
含碳量的影响
对于碳钢来说，适当的增加含碳量，可以提高耐磨性。
低碳钢
0.2~0.3%C 淬火后获得低碳板条马氏体组织， 韧性高并有适当的硬度(HRC40~50)适用 于要求韧性高，耐磨性较低的工件。
Ti、Zr、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe。

⑴ Ti、Nb、V为强
钢中碳化物
碳化物形成元素，碳
化物的稳定性、熔点、
硬度、耐磨性高，如
TiC、VC等。
合金元素在钢中的作用
• ⑵ W、Mo、Cr为中碳化物形成元素，碳化物的稳 定性、熔点、硬度、耐磨性较高，如W2C等。
• ⑶ Mn、Fe为弱碳化物形成元素，碳化物的稳定性、
①操作简单，无需特殊设备
②淬硬层一般为2-6mm
③淬火质量不易稳定
④适于单件或小批量生产
二、感应加热表面淬火
利用电流的表面效应来实现的。 高频淬火工艺 水或聚乙烯醇水溶液冷却 （油易燃） ； 160-200℃低温回火，提 高韧性，降低淬火残余应力。 自身回火淬火法 高频淬火优缺点
表面化学热处理——渗碳
• ㈠ 对钢中基本相的影响
• 1、溶于铁素体, 起固溶强化作用
• 非碳化物形成元素及过剩的碳化物形成元素都溶于铁素体，形 成合金铁素体。
• Si、Mn对强度、硬度提高显著。Cr、Ni在适当范围内提高韧性。
对铁素体冲击韧性影响
合金元素在钢中的作用
• 2、形成碳化物，起强化相作用
• 合金元素与碳的亲和力从大到小的顺序为：
当回火硬度相同时，合金钢比同含碳量碳钢回火温
度高。如果同温度回火，合金钢硬度比碳钢高。
合金元素在钢中的作用
• ⑵ 产生二次硬化 • 含高W、Mo、Cr、V钢淬 火后回火时，由于析出细 小弥散的特殊碳化物及回 火冷却时A’转变为M回,使 硬度不仅不下降，反而升 高的现象称二次硬化。 • ⑶ 防止第二类回火脆性 • 加W、Mo可防止第二类回 火脆性。
制造曲轴、中低速的齿轮 等、45、40钢。
碳素结构钢
锰钢、锰 钒钢
制造截面小载荷较高的零件， 45Mn2、50Mn2
制造破碎机衬板、锤头、 斗齿等ZGMn13
高锰钢
耐磨零件 常用钢种
铬钢
制造气缸套、阀门杆 35CrMo、42CrMo
制造齿轮、曲轴 35CrMn2、 30CrMnTi
铬锰钢
铬镍钢
高速柴油机曲轴 12CrNi4A、 20Cr2Ni4A


磷共晶硬度较高：600～800HV，以断续状分布在基体金属中， 不易剥落，对提高铸铁的耐磨性有利。
1.高磷铸铁 组织：高磷铸铁P基+片状石墨+磷共晶 应用：机床导轨、汽缸套等
机床导轨
耐磨铸铁
2.硼铸铁 B=0.03~0.08%。硼铸铁凝固时，硼在A中固溶度只有 0.018%，在晶界的残留液体中富集B元素，当B在金 属液富集到一定程度（大于0.5%）后，将阻碍G析出， 凝固按Fe-Fe3C介稳定系进行，在共晶团晶界处析出断 续状或连续状含硼碳化物相，这种固溶有B的碳化物 硬度比Fe3C高，约1100HV。
耐磨零件的常用钢种
• 3 、热处理和组织特点 • 滚动轴承钢是过共析钢。 • ⑴ 热处理： 球化退火+淬火+低温回火 • ⑵ 组织： M回+颗粒状碳化物 +A’(少量) 淬火后进行冷处理 (-60 ~ -80℃), 可以减 少A’、稳定尺寸。
轴承生产车间
耐磨零件的常用钢种
• 4、常用钢号及用途 • 应用最广的是GCr15，大量用于大 中型轴承； • 大型轴承用GCr15SiMn。 • 这类钢还可用于制造模具、量具等。
0.4~0.6%C 淬火后获得混合型马氏体组织，适 用于要求较高耐磨和足够韧性的工件。 0.6~0.9%C 淬火后显微组织以片状孪晶马氏体 为主，硬度高(HRC60)，脆性大，适用 于要求较耐磨高、韧性较低的工件。
中碳钢
高碳钢
合金元素的影响
溶于固溶体和合金 渗碳体(Fe,Mn)3C， 提高淬透性，<2%
火的高韧性状态 。 （只改变表层组织而不改变化学 成分）
表面淬火零件所用的材料一般是中碳钢，如40、 45钢及中碳合金结构钢如40Cr、40MnB等。 表面淬火必须用高速加热法使零件表面层很快地达 到淬火温度，而不等其热量传至内部，立即迅速冷却 使表面层淬硬。
一、火焰加热表面淬火
加热源：氧－乙炔或 氧－煤气的混合气体 特 点：
合金元素在钢中的作用
• ⑵ Cr、Mo、Si、Ti、
铬对奥氏体相区的影响
W、Al等是缩小奥
氏体相区的元素， 使A1、A3点上升， A4点下降。 • 当Cr13%时，奥氏
体相区消失，室温
下为单相铁素体组 织，称铁素体钢。
合金元素在钢中的作用
• ㈢ 对钢中相变过程的影响
• 1、对奥氏体化的影响
• ⑴ 对奥氏体形成速度的影

合金元素对钢 淬透性的影响
⑵ 对Ms、Mf点的 影响：除Co、 Al 外，所有元素都
使Ms、Mf点下降。
合金元素在钢中的作用
• 3、对回火转变的影响
• ⑴ 提高耐回火性：淬火
钢在回火过程中抵抗硬度
下降的能力称耐回火性。
• 合金元素能阻碍马氏体分 解及碳化物的析出与聚集。

淬火碳钢 回火 时的 硬度变化
高速钢
碳化物的影响
碳化物的类型与分布是影响材料耐磨性的主要因素。
钢铁中常见碳化物的硬度
碳化物种类 硬度（HV） 1150~1340 1000~1520 1820 碳化物种类 硬度（HV） 2400~2740 2500~2800 3200
Fe3C
（Fe，Cr）23C6 （Fe，Cr）7C3
WC VC TiC
Mo2C W2C MoC
1800~2200
3000 2250
ZrC
NbC TaC
2600
2400 1800
金相组织的影响
马氏体
屈氏体
碳钢的耐磨性与金相组织的关系 QC活动带来的收获：
索氏体
亚共析钢：F-P的耐磨性最差；F-M的耐磨性最好； 共析钢：M、T、S、S-P耐磨性依次下降；
珠光体
过共析钢：P-Fe3C、 S-Fe3C 、 T-Fe3C 、M-Fe3C、M耐磨 性提高； 在同一条件下，含碳量相同，板状马氏体组织比针状马氏体 组织耐磨性好，片状P比球状耐磨性好，细P比粗P耐磨性好。
活塞环
汽缸套
耐磨铸铁
3.钒钛铸铁
V=0.3～0.5%，Ti=0.15～0.35%。V、Ti与碳和氮有 很强的亲和力，易形成高硬度的碳化物和氮化物质 点，显微硬度可达960～1840HV，弥散分布在基体 中，使铸铁的耐磨性大大提高。
发动机缸套
表面处理技术
表面热处理——钢的表面淬火 仅把零件需耐磨的表层淬硬，而中心仍保持未淬
耐磨零件的常用钢种
• 2、热处理及组织 • 铸态组织为奥氏体+碳
化物, 性能硬而脆。
• 热处理采用水韧处理。
即将钢加热到1100℃，
使碳化物溶入奥氏体， 并进行水淬。 • 室温组织为过饱和单相 奥氏体。
浇铸高锰钢件
高锰钢水韧处理组织
耐磨零件的常用钢种
水韧处理的工艺特征
铸态组织高锰钢 加热到1050～1100℃
回火索氏体
调质处理车间
耐磨零件的常用钢种
• 4、常用钢号及用途
• 45钢, 使用硬度可达
53~59HRC，主要 用
于制造较小的齿轮、
轴、螺栓等。
柴油机凸轮轴
耐磨零件的常用钢种
（二）轴承钢

• • •
用于制造轴承套和滚动体的专 用钢种。 1、性能要求 轴承工作时, 承受接触应力(达 圆柱滚 子轴承 3000~3500MPa)、周期性交变 载荷(频率达数万次/分)和摩擦。 ⑴ 高而均匀的硬度和耐磨性。 ⑵ 高的b和接触疲劳强度。 自动调 ⑶ 足够的韧性、淬透性和耐蚀性。 心球轴承
A + Cm
水淬
A
A
受到剧烈冲击或较大压力
表层M HB500
心部A HB220
耐磨零件的常用钢种
高锰钢铸态和水韧处理后的组织
高锰钢铸态组织 ( 化染 )58
铸态组织
高锰钢水韧淬火组织 ( 化染 )58
水韧处理组织
耐磨零件的常用钢种
• 3、使用及用途 • 水韧处理后，韧性高，硬度低. 使用时必须伴随着压力和冲击 机颚 作用。 式 • 在压力及冲击作用下，表面奥 破 碎 氏体迅速加工硬化，形成马氏 体并析出碳化物，使表面硬度 提高到HB500~550，获得高耐 磨性。而心部仍为奥氏体组织, 具有高耐冲击能力。
耐磨零件的常用钢种
• 2、成分特点 • ⑴ 高碳：0.95~1.10%C • ⑵ 合金元素：以Cr为主, 加入Mn、Si。 • Cr、Mn、Si的主要作用 是提高淬透性

推力球轴承
Cr还提高耐磨性（形成合金渗 碳体）和耐蚀性。 当>1.65%Cr时,会因A’增加而 使硬度和稳定性下降。
滚针 轴承