耐磨及减摩材料的摩擦磨损特性的探究..

耐磨耐蚀材料题目：耐磨及减摩材料的摩擦磨损特性探究学院：材料科学与工程学院专业：材料加工工程指导老师：路阳杨效田学生姓名：***学号： ************2104年5月1日耐磨及减摩材料的摩擦磨损特性探究摘要：综述了耐磨及减摩材料的基本性能要求，简单阐述了常见的耐磨及减摩材料的成分、组织与性能等和目前耐磨及减摩材料的新进展及方向。

最后，论述了耐磨及减摩材料在表面工程技术中的应用形式，及耐磨涂层的发展方向。

关键词: 耐磨材料；减摩材料；耐磨涂层0前言众所周知，摩擦磨损特性的探究对国民经济来说，有着非凡的意义。

据统计，全世界大约有2/1-3/1的能源以各种形式消耗在摩擦上。

而摩擦导致的磨损是机械设备零件失效的三大原因之一，大约有80%的损坏零件是由于各种磨损形式引起的[1]。

为了节约能源和材料，解决因磨损带来的损失显得至关重要，随着技术水平的发展，而其解决措施也变得各种各样，而本文主要从最基础的材料的选择上入手，来综述耐磨及减摩材料的摩擦磨损特性的探究现状及发展方向。

1 耐磨材料材料的耐磨性通常是指在一定的工作环境下，摩擦副材料在，摩擦过程中抵抗磨损的能力。

材料的耐磨性不是材料固有的本性，而是材料性质在一定的摩擦规范、表面状态、环境介质、工件结构、材料配对等某种条件下的体现。

因此材料的耐磨性是相对的、有条件的。

耐磨材料的一般性要求有以下几点[2]：1.机械性能方面要有高的抗拉、抗压、抗拉、抗剪切强度；有高的硬度和韧性；有较高的相对延伸率；在摩擦的高温、高压下，机械性能应该稳定。

2.物理、化学性能方面要有良好的导热性，低的热膨胀系数，且各相的线膨胀系数差别要小；合金元素在其内的溶解度要高，分布要均匀；各相间微观电势要小，抗腐蚀性好；各相成分要在较宽的温度、压力范围内保持稳定。

3.金相结构方面金属晶体的滑移系要少；固溶体与强化相要恰当配合；强化相要有高的弥散性，分布要均匀；各相的位向要互相接近。

4.工艺性能方面要有良好的淬透性和机加工性，以及其他必要工艺性能，如铸件的铸造性。

1.1 常见的几种传统金属耐磨材料1.高锰钢[3]高锰钢是一种历史悠久，世界各国广泛使用的一种耐磨钢。

其含碳量约0.9%--1.3%，含锰量约11%--14%，加热到1000--1100℃可得到单相奥氏体组织，然后在水里迅速冷却仍保持奥氏体状态。

这种钢的硬度不高（HB约200），但韧性很好，在受到高的冲击载荷或高的压力时，其表层产生加工硬化，硬度大大提高（HB高达450--550）。

高锰钢由于表面加工硬化而具有高的硬度，心部奥氏体组织具有高的韧性和一定的强度，所以主要用于制作承受剧烈冲击或挤压零件。

2.其他合金钢[4]作为抗磨粒磨损的合金钢，应具有足够高的含碳量，以提高淬透性和增强马氏体的硬度。

低合金铸钢有仅次于高锰钢的高韧性，如果合理的选择成分和热处理工艺，将获得比高锰钢还要高的强度和比较深的表面硬化层。

在磨粒磨损中实使用的合金钢有中碳铬锰硅钢和高碳碳铬锰硅钢，化学成分为Cr1%--3%，Mn1%，Si1%--3%。

此外还有铬--钼系，锰--铬系，镍--铬--钼系铸钢。

这些合金元素都能提高淬透性、或作为弥散硬化处理以提高耐磨性。

这些低碳合金钢可以通过热处理获得一定的韧性和表面硬化层，所以适用范围比较广泛。

3.石墨钢石墨钢综合了钢和铸铁的优点，既有良好的耐磨性，也有较高的机械性能和较好的铸造性能，其化学成分一般为C1.25--1.45%，Si1%--1.25%，Mn0.3--0.5%。

为了改善其综合性能可以进行孕育处理工艺，在石墨中加入Fe--Si ,Si--Ga等孕育剂，或加入促进石墨化的元素，以改变石墨的形态和分布。

在低的磨粒磨损下，石墨钢比高锰钢耐磨性好，而且成本低。

但是，石墨钢导热性差，在高的热应力下可能发生热裂。

4.耐磨铸铁[5]铸铁具有良好的耐磨性以为人们共知，虽然他的机械性能比钢差，但在相同条件下，成本低，经某些工艺处理后，也能满足不同的要求，故还是广泛的应用于摩擦副的耐磨材料使用，尤其是在当摩擦副有高的耐磨性，又要好的减摩性时，往往采用铸铁比钢更有利。

主要有，普通白口铸铁和合金白口铸铁：（1）普通白口铸铁具有较高的硬度和屈服强度，生产工艺简单，成本低，是传统的抗磨材料之一。

适用于干摩擦和冲击载荷不大的磨料磨损场合。

因为其脆性差、韧性大，应用范围有限。

（2）镍硬合金铸铁镍含量 3.3%--5%,其铸态组织：马氏体和少量的奥氏体，碳化物的结构式(Fe,Ni)C型，形态为连续网状渗碳体，因此具有高的韧性3和高的耐磨性，但淬透性不高，铸造性能差。

（3）高铬合金白口铸铁若摩擦条件是要承受高应力的磨料磨损，又要求好的抗腐蚀磨损时，可得到满意的效果。

它的铬含量较高（15%--30%），且碳化物的结构和形态还随着铬的含量的增加而改变，热处理后，在基体马氏体上分布着较均匀的块状碳化物，强度、韧性都较高，甚至比镍硬合金白口铸铁还高，故耐磨性比它好。

（4）金属基复合耐磨材料依靠第二相硬质颗粒弥散强化基体得到的耐磨复合材料。

1.2 非金属耐磨材料常见的非金属耐磨材料主要有高分子材料，陶瓷材料，复合材料。

高分子材料的抗拉强度为98~107MP，弯曲强度152~176MP，体积密度1.16~1.18g/cm3，摩擦系数0.4~0.6 。

高分子材料质量轻、易加工，并具有一定的强度、韧性，可以承受外部压力，并能适应环境温度的变化。

同时，高分子材料硬度低，主要利用自身滑动摩擦系数低、自润滑性能强来减少摩擦阻力，以抵抗磨损。

但高分子耐磨材料受温度限制，所以应用范围受限。

陶瓷材料具有耐磨、耐蚀、耐高温特性，所以是一种较好的耐磨材料。

而复合材料，更是发挥其特有性能，也进入了耐磨材料的选材范围。

1.3 新型金属耐磨材料由于技术的发展和需求的复杂化程度提高，传统的几种耐磨材料已不能满足发展的需要，因此经过研究者的不断努力和突破，在原来的基础上，得到了许多性能更优越的新型金属耐磨材料。

文献[6]中提到，虽然耐磨钢具有好的耐磨性，但是有其使用条件，比如在冲击力大、应力高、磨料硬等情况下。

同时由于高锰钢的屈服强度低，初次使用易于变形，而造成较大磨损。

因此如果能解决这些问题，其耐磨性能够得到更广泛的应用。

高锰钢合金化及变质处理是改善此传统材料耐磨性的有效手段之一。

在高锰钢传统成分中加入Cr、Mo、V、Ti、Re等合金元素来进行合金变质化处理，从而在其奥氏体上获得弥散分布的第二相碳化物颗粒以有效提高其耐磨性。

同时，通过合金元素对奥氏体基体的强化进而增强其形变硬化能力，同样可以有效改善合金化高锰钢的耐磨性手段之一[7-8]。

何力、卢锦德等[9]人关于合金化对高锰奥氏体基体强度及耐磨性影响的研究表明:经过合金化处理后的高锰钢除了获得弥散的碳化物颗粒外,奥氏体基体点阵亦发生了较大畸变,磨损后的磨痕形态较传统高锰钢发生了明显变化,磨料颗粒划过的犁沟两侧材料的流变形态反映出,合金化增强了奥氏体基体形变硬化的水平及变形-硬化的响应速率。

表面强化技术是通过一定方式手段在工件表面形成一种残余压应力，显著提高其抗疲劳性能和抗应力腐蚀性能。

目前，爆炸硬化也是一种比较好的强化技术，李兴霞、赵干[10]等人对高锰钢爆炸硬化机理做了深入仔细研究表明：(1) 由于爆炸硬化的作用时间极短且爆炸会使奥氏体趋于稳定因此爆炸硬化处理后高锰钢组织仍为单一奥氏体未发生马氏体相变。

（2) 在炸药爆炸产生的巨大爆轰压力作用下爆后高锰钢晶体内部各晶面的晶格常数大幅增大其中[044]晶带轴的晶格常数的影响最大其晶格常数增加了50.4% 晶格常数的增加加剧了晶格畸变在高锰钢内部形成大量位错和层错位错密度和层错密度随着离爆炸表面距离的增加逐渐降低。

(3) 高锰钢爆炸硬化的微观机理为：位错和层错阻碍位错运动使高锰钢硬化。

2 减摩材料减摩材料是指在摩擦过程中，所选摩擦副摩擦系数较小，而且具有一定的耐磨性的材料。

不同的工况条件，对减摩材料的要求也各有差异，一般性对减摩材料具有以下性能要求：1.应该具有低而稳定的摩擦系数，尤其是当处于边界摩擦和局部干摩擦时，摩擦系数应保持较低值，且在摩擦过程中变化不大，这是减摩材料最重要的性能。

2.减摩材料本身的耐磨性要好，且与之的对磨件磨损也要小。

此外，还应具有较好的抗粘着性能和好的磨合性。

3.摩擦副一般是要承受一定的载荷作用，所以要求其具有一定的抗塑性变形能力，抗疲劳强度和冲击韧性。

4.应具有一定的熔点，高的导热系数和热容量，低的热膨胀系数，好的油膜吸附能力，耐蚀性好。

5.应具有良好的工艺性能，且生产工艺简单，经济可行。

2.1 常用的减摩材料1. 巴氏合金这是最早应用于滑动轴承上的减摩材料，它是一种以锡或铅为基体的软合金，因最初由E．Babb：tt(1839年：发明而称为巴氏合金，其成分含有82-34%锡，5—6％铜和11—1%锑。

后来将所有锡、铅基合金均称为巴氏合金。

又因为它主要用于轴瓦，故又称为轴承合金。

巴氏合金具有较好的减摩性能。

这是因为在机器最初的运转阶段,旋转着的轴磨去轴承内极薄的一层软相基体以后,未被磨损的硬相质点仍起着支承轴的作用。

继续运转时轴与轴承之间形成连通的微缝隙。

微缝隙将作为润滑油的通道，使轴和轴承保持良好润滑状态并产生减摩作用。

2.铝基轴承合金新型减磨材料具有密度小，导热性好、疲劳抗拉强度高、耐蚀性好等优点。

并原料丰富，价低，但膨胀系数大，运转易咬合。

目前采用铝基有铝锑镁合金和高锡铝基合金两种，其中以高锡铝基的应用最广。

高锡铝基轴承合金的成分为20%的锡和l％的铜，其余为铝，该合金的显微组织以铝为硬基体，均匀公布着软的锡质点，添加的铜洽于铝中使基休强化。

这种合金由于含锡最高，可以提高抗粘着性能，其制品也可用08钢为衬背．轧制成双合金带，可用来代替锡基轴承合金和铜合金，用于载荷达28N／mm2，滑动速度在13m／s以下的滑动轴承。

3. 铜基轴承合金常用代号为 ZQpb30 的铅青铜（一种硬基体软质点型的轴承合），含铅量为27-33% ，余量为含铜量。

优点：与巴氏合金比承载能力大、抗拉强度高，能在较高的温度 300C 下工作，价低。

用于高温高压下工作的轴承，如航空发动机、变速柴油机和轴承等。

缺点：铅加入后使抗拉强度下降，再铜和铅密度相差大，易偏析抗蚀能力下降，耗铜量上升。

铝青铜是一种成分为含铝约在8-11%之间铜基合金。

优点：铝青铜比锡青铜机械性能高，耐磨性、耐腐蚀性好，它是铜合金中强度较高的一种减摩材料。

缺点：顺应性差，嵌藏性差用途：主要用于制造蜗轮、轴套等。

王智平[11]等人利用RFT-Ⅲ往复摩擦磨损试验机研究了新型铸造高铝青铜Cu14AlX的摩擦磨损特性。

试验结果表明:适当提高铝青铜中Al含量,可显著改善铝青铜的组织结构,使合金强硬化,从而提高其耐磨性。