摩擦与磨损全第章耐磨减摩材料及表面处理解析

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塑性变形能力，以减少安装和制造误差的影响。嵌
①
工作时，石墨易在表面脱落成为润滑剂，起减摩作用；
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。
摩擦与磨损全第章耐磨减摩材料及表面处理解析
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。
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 HHale Waihona Puke Baidu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
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，其次是铁素体-屈氏体，而铁素体马氏体组织的耐磨 性最好；
织，改善减摩性。
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
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。
注意：上述要求有时相互矛盾，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，耐磨性也随含碳量增加而增加。
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。
6.2.2 滑动轴承合金
1.锡基轴承合金
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。 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。 缺点：不易形成完善和稳定的油膜，承载能力低。 应用：主要用于加油润滑困难或油飞溅、流出会影响产品质量的场合，并且是轻载高速、低速载荷
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。
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 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，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
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。
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。 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。
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。
较大及常需换向的机器零件中。
2)金属塑料减摩材料。将机械强度高、导热性好的金属与减摩性好的塑料相结合制成的新型减摩材 料。
mm、含锡12%的铅锡合金层，以提高其嵌藏性、顺应性及耐蚀性。
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。
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。
(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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
(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润湿性和持油能力。
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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。
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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。
(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。
6.1 金属耐磨材料
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。
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之一。