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嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2019-11-05 10:09
本文簡(jiǎn)要介紹摩擦與磨損的定義，摩擦的分類及評(píng)價(jià)方法；磨損的分類及評(píng)價(jià)方法；磨損的評(píng)價(jià)方法；抗摩擦磨損表面強(qiáng)化技術(shù)。
1 引言
摩擦與磨損是自然界存在的普遍現(xiàn)象, 摩擦對(duì)人類的生活和生產(chǎn)活動(dòng)有利有弊, 而磨損卻是有百害而無一利。摩擦與磨損對(duì)能源及材料的消耗是相當(dāng)可觀的, 據(jù)粗略估計(jì), 有1/3 ～ 1/2的能源消耗于磨損, 而磨損又常常是機(jī)器零部件失效的主要原因。
摩擦與磨損是發(fā)生在相互接觸并相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)固體表面之間, 因此接觸表面的特性, 諸如表面粗糙度及硬度等與摩擦、磨損關(guān)系密切。有些表面特性是由材料的本性決定的, 此外, 還可以采用各種方法對(duì)材料表面進(jìn)行改性, 其中表面處理技術(shù)中的電鍍及復(fù)合鍍等則是常用的手段。在制備減摩及耐磨鍍層時(shí)需進(jìn)行檢測(cè), 因此, 有必要對(duì)摩擦及磨損的定義、產(chǎn)生原因和測(cè)試方法等有一定程度的了解[1]。
2 摩擦與磨損的定義
摩擦的定義是：兩個(gè)相互接觸的物體在外力的作用下發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)或者相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，在切相面間產(chǎn)生切向的運(yùn)動(dòng)阻力，這一阻力又稱為摩擦力。磨損的定義是：任一工作表面的物質(zhì)，由于表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)而不斷損失的現(xiàn)象。
據(jù)估計(jì)消耗在摩擦過程中的能量約占世界工業(yè)能耗的 30%。在機(jī)器工作過程中，磨損會(huì)造成零件的表面形狀和尺寸緩慢而連續(xù)損壞，使得機(jī)器的工作性能與可靠性逐漸降低，甚至可能導(dǎo)致零件的突然破壞。人類很早就開始對(duì)摩擦現(xiàn)象進(jìn)行研究，取得了大量的成果，特別是近幾十年來已在一些機(jī)器或零件的設(shè)計(jì)中考慮了磨損壽命問題。在零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選用、加工制造、表面強(qiáng)化處理、潤(rùn)滑劑的選用、操作與維修等方面采取措施，可以有效地解決零件的摩擦磨損問題，提高機(jī)器的工作效率，減少能量損失，降低材料消耗，保證機(jī)器工作的可靠性[2]。
3 摩擦的分類及評(píng)價(jià)方法
在機(jī)器工作時(shí)，零件之間不但相互接觸，而且接觸的表面之間還存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)。從摩擦學(xué)的角度看，這種存在相互運(yùn)動(dòng)的接觸面可以看作為摩擦副。有四種摩擦分類方式：按照摩擦副的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分類、按照摩擦副的運(yùn)動(dòng)形式分類、按照摩擦副表面的潤(rùn)滑狀態(tài)分類、按照摩擦副所處的工況條件分類。這里主要以前三種方式介紹分類[3]。
3.1 按摩擦副的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分類
（1）靜摩擦，兩個(gè)相互接觸的物體在外力作用下, 有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)時(shí)產(chǎn)生的摩擦叫靜摩擦。
（2）動(dòng)摩擦，兩個(gè)相互接觸的物體在外力作用下, 發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦叫動(dòng)摩擦。通常動(dòng)摩擦力比靜摩擦力要小。
3.2 按摩擦副的運(yùn)動(dòng)形式分類
（1）滑動(dòng)摩擦，兩個(gè)相互接觸的物體表面在外力作用下, 相對(duì)滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦叫做滑動(dòng)摩擦。
（2）滾動(dòng)摩擦，兩個(gè)相互接觸的物體在力矩作用下, 一物體沿與另一相接觸物體表面滾動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦叫滾動(dòng)摩擦[4]。
3.3 按照摩擦副表面的潤(rùn)滑狀態(tài)分類
3.3.1 干摩擦
當(dāng)摩擦副表面間不加任何潤(rùn)滑劑時(shí)，將出現(xiàn)固體表面直接接觸的摩擦，工程上稱為干摩擦。此時(shí)，兩摩擦表面間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)將消耗大量的能量并造成嚴(yán)重的表面磨損。這種摩擦狀態(tài)是失效，在機(jī)器工作時(shí)是不允許出現(xiàn)的。由于任何零件的表面都會(huì)因?yàn)檠趸纬裳趸せ虮粷?rùn)滑油所濕潤(rùn)，所以在工程實(shí)際中，并不存在真正的干摩擦。
3.3.2 邊界摩擦
當(dāng)摩擦副表面間有潤(rùn)滑油存在時(shí)，由于潤(rùn)滑油與金屬表面間的物理吸附作用和化學(xué)吸附作用，潤(rùn)滑油會(huì)在金屬表面上形成極薄的邊界膜。邊界膜的厚度非常小，通常只有幾個(gè)分子到十幾個(gè)分子厚，不足以將微觀不平的兩金屬表面分隔開，所以相互運(yùn)動(dòng)時(shí)，金屬表面的微凸出部分將發(fā)生接觸，這種狀態(tài)稱為邊界摩擦。當(dāng)摩擦副表面覆蓋一層邊界膜后，雖然表面磨損不能消除，但可以起著減小摩擦與減輕磨損的作用。與干摩擦狀態(tài)相比，邊界摩擦狀態(tài)時(shí)的摩擦系數(shù)要小的多。
在機(jī)器工作時(shí)，零件的工作溫度、速度和載荷大小等因素都會(huì)對(duì)邊界膜產(chǎn)生影響，甚至造成邊界膜破裂。因此，在邊界摩擦狀態(tài)下，保持邊界膜不破裂十分重要。在工程中，經(jīng)常通過合理地設(shè)計(jì)摩擦副的形狀，選擇合適的摩擦副材料與潤(rùn)滑劑，降低表面粗糙度，在潤(rùn)滑劑中加入適當(dāng)?shù)挠托蕴砑觿┖蜆O壓添加劑等措施來提高邊界膜的強(qiáng)度[5]。
3.3.3 流體摩擦
當(dāng)摩擦副表面間形成的油膜厚度達(dá)到足以將兩個(gè)表面的微凸出部分完全分開時(shí)，摩擦副之間的摩擦就轉(zhuǎn)變?yōu)橛湍ぶg的摩擦，這稱為流體摩擦。形成流體摩擦的方式有兩種：一是通過液壓系統(tǒng)向摩擦面之間供給壓力油，強(qiáng)制形成壓力油膜隔開摩擦表面，這稱為流體靜壓摩擦；二是通過兩摩擦表面在滿足一定的條件下，相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的壓力油膜隔開摩擦表面，這稱為流體動(dòng)壓摩擦。流體摩擦是在流體內(nèi)部的分子間進(jìn)行的，所以摩擦系數(shù)極小。
3.3.4 混合摩擦
當(dāng)摩擦副表面間處在邊界摩擦與流體摩擦的混合狀態(tài)時(shí)，稱為混合摩擦。在一般機(jī)器中，摩擦表面多處于混合摩擦狀態(tài)。混合摩擦?xí)r，表面間的微凸出部分仍有直接接觸，磨損仍然存在。但是，由于混合摩擦?xí)r的流體膜厚度要比邊界摩擦?xí)r的厚，減小了微凸出部分的接觸數(shù)量，同時(shí)增加了流體膜承載的比例，所以混合摩擦狀態(tài)時(shí)的摩擦系數(shù)要比邊界摩擦?xí)r小得多[6]。
4 磨損的分類及評(píng)價(jià)方法
摩擦副表面間的摩擦造成表面材料逐漸地?fù)p失的現(xiàn)象稱為磨損。零件表面磨損后不但會(huì)影響其正常工作，如齒輪和滾動(dòng)軸承的工作噪聲增大，而承載能力降低，同時(shí)還會(huì)影響機(jī)器的工作性能，如工作精度、效率和可靠性降低，噪聲與能耗增大，甚至造成機(jī)器報(bào)廢。通常，零件的磨損是很難避免的。但是，只要在設(shè)計(jì)時(shí)注意考慮避免或減輕磨損，在制造時(shí)注意保證加工質(zhì)量，而在使用時(shí)注意操作與維護(hù)，就可以在規(guī)定的年限內(nèi)，使零件的磨損量控制在允許的范圍內(nèi)，就屬于正常磨損。另一方面，工程上也有不少利用磨損的場(chǎng)合，如研磨、跑合過程就是有用的磨損。
4.1 磨損過程分析
工程實(shí)踐表明，機(jī)械零件的正常磨損過程大致分為三個(gè)階段：初期磨損階段、穩(wěn)定磨損階段和劇烈磨損階段。
（1）初期磨損階段
機(jī)械零件在初期磨損階段的特點(diǎn)是在較短的工作時(shí)間內(nèi)，表面發(fā)生了較大的磨損量。這是由于零件剛開始工作時(shí)，表面微凸出部分的曲率半徑小，實(shí)際接觸面積小，造成較大的接觸壓強(qiáng)，同時(shí)曲率半徑小也不利于潤(rùn)滑油膜的形成與穩(wěn)定。所以，在開始工作的較短時(shí)間內(nèi)磨損量較大。
（2）穩(wěn)定磨損階段
經(jīng)過初期磨損階段后，零件表面磨損的很緩慢。這是由于經(jīng)過初期磨損階段后，表面微凸出部分的曲率半徑增大，高度降低，接觸面積增大，使得接觸壓強(qiáng)減小，同時(shí)還有利于潤(rùn)滑油膜的形成與穩(wěn)定。穩(wěn)定磨損階段決定了零件的工作壽命。因此，延長(zhǎng)穩(wěn)定磨損階段對(duì)零件工作是十分有利的。工程實(shí)踐表明，利用初期磨損階段可以改善表面性能，提高零件的工作壽命。
（3）劇烈磨損階段
零件在經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的工作之后，即穩(wěn)定磨損階段之后，由于各種因素的影響，磨損速度急劇加快，磨損量明顯增大。此時(shí)，零件的表面溫度迅速升高，工作噪聲與振動(dòng)增大，導(dǎo)致零件不能正常工作而失效。在實(shí)際中，這三個(gè)磨損階段并沒有明顯的界限[7]。
4.2 磨損的分類
磨損的分類方法很多, 主要有以下三種分類方法, 即按發(fā)生磨損的環(huán)境及介質(zhì)分類；按發(fā)生磨損的表面接觸性質(zhì)分類及按磨損機(jī)理分類；下面介紹按磨損機(jī)理的分類。
粘著磨損
在摩擦副表面間，微凸出部分相互接觸，承受著較大的載荷，相對(duì)滑動(dòng)引起表面溫度升高，導(dǎo)致表面的吸附膜（如油膜，氧化膜）破裂，造成金屬基體直接接觸并“焊接”到一起。與此同時(shí)，相對(duì)滑動(dòng)的切向作用力將“焊接”點(diǎn)，即粘著點(diǎn)，剪切開，造成材料從一個(gè)表面上被撕脫下來粘附到另一表面上。由此形成的磨損稱為粘著磨損。通常多是較軟表面上的材料被撕脫下來，粘附到較硬的表面上。零件工作時(shí)，載荷越大，速度越高，材料越軟，粘著磨損越容易發(fā)生。粘著磨損嚴(yán)重時(shí)也稱為“膠合”[8]。
影響粘著磨損的主要因素；同類摩擦副材料比異類材料容易粘著；脆性材料比塑性材料的抗粘著能力高，在一定范圍內(nèi)的表面粗糙度越高抗粘著能力越強(qiáng)，此外粘著磨損還與潤(rùn)滑劑、摩擦表面溫度及壓強(qiáng)有關(guān)。
在工程上，可以從摩擦副的材料選用，潤(rùn)滑和控制載荷及速度等方面采取措施來減小粘著磨損。
腐蝕磨損
在機(jī)器工作時(shí)，摩擦副表面會(huì)與周圍介質(zhì)接觸，如有腐蝕性的液體、氣體、潤(rùn)滑劑中的某種成分，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)形成腐蝕物造成的磨損，稱為腐蝕磨損。腐蝕磨損過程十分復(fù)雜，它與介質(zhì)、材料和溫度等因素有關(guān)。響腐蝕磨損的主要因素；周圍介質(zhì)、零件表面的氧化膜性質(zhì)及環(huán)境溫度等[9]。
磨料磨損
落入摩擦副表面間的硬質(zhì)顆粒或表面上的硬質(zhì)凸起物對(duì)接觸表面的刮擦和切削作用造成的材料脫落現(xiàn)象，稱為磨料磨損。磨粒磨損造成表面成現(xiàn)凹痕或凹坑。硬質(zhì)顆粒可能來自冷作硬化后脫落的金屬屑或由外界進(jìn)入的磨粒。加強(qiáng)防護(hù)與密封，做好潤(rùn)滑油的過濾，提高表面硬度可以增加零件耐磨粒磨損的壽命。粒磨損與摩擦材料的硬度、磨粒的硬度有關(guān)。
接觸疲勞磨損
在接觸變應(yīng)力作用一段時(shí)間后，摩擦副表面會(huì)出現(xiàn)材料脫落的現(xiàn)象，這稱為接觸疲勞磨損。接觸變應(yīng)力作用一段時(shí)間后造成的材料脫落會(huì)不斷地?cái)U(kuò)展，形成成片的麻點(diǎn)或凹坑，導(dǎo)致零件失效。
在實(shí)際中，零件表面的磨損大都是幾種磨損作用的結(jié)果。因此，在機(jī)械設(shè)計(jì)中，一定要根據(jù)零件的具體工況，從結(jié)構(gòu)、材料、制造、潤(rùn)滑和維護(hù)等方面采取措施提高零件的耐磨性。
影響接觸疲勞磨損的主要因素有；摩擦副材料組合、表面光潔度、潤(rùn)滑油粘度以及表面硬度等。
微動(dòng)磨損
微動(dòng)磨損是—種復(fù)合型式的磨損，是兩表面之間由很小的振幅的相對(duì)振動(dòng)產(chǎn)生的磨損。機(jī)械零件配合較緊的部位，在載荷和一定頻率振動(dòng)條件下，零件表面產(chǎn)生微小滑動(dòng)將導(dǎo)致微動(dòng)損傷。如果在微動(dòng)磨損過程中，表面之間的化學(xué)反應(yīng)起主要作用，則可稱為微動(dòng)腐蝕磨損。直接與微動(dòng)磨損相聯(lián)系的疲勞損壞稱為微動(dòng)疲勞磨損。
微功磨損過程如下：接觸壓力使摩擦副表面的微凸體產(chǎn)生塑性變形和粘著，在外界小振幅振動(dòng)作用下，粘著點(diǎn)剪切，粘著物脫落，剪切表面被氧化。磨屑不易排出，這些磨屑起著磨料的作用，加速了微功磨損的過程。這樣循環(huán)不止，最終導(dǎo)致零件表面破壞。當(dāng)振動(dòng)應(yīng)力足夠大，微動(dòng)磨損處會(huì)成為疲勞裂紋的核心，導(dǎo)致早期疲勞斷裂。
沖蝕磨損
沖蝕磨損是指流體或固體顆粒以一定的速度和角度對(duì)材料表面進(jìn)行沖擊所造成的磨損。根據(jù)顆粒及其攜帶介質(zhì)的不同，沖蝕磨損又可分為氣固沖蝕磨損、流體沖蝕磨損、液滴沖蝕和氣蝕等。
在自然界和工礦生產(chǎn)中，存在著大量的沖蝕磨損現(xiàn)象。例如礦山的氣動(dòng)輸送管道中物科對(duì)管道的磨損，鍋爐管道被燃燒的灰塵沖蝕，噴砂機(jī)的噴嘴受砂粒的沖蝕，拋丸機(jī)葉片被鐵(鋼)丸沖蝕等等。許多研究者提出了沖蝕磨損的理論和模型。其中影響較大的有切削磨損理論、斷裂磨損理論、變形磨損理論、絕熱剪切與變形局部化磨損理論和薄片剝落磨損理論等[10]。
4.3 磨損的評(píng)價(jià)方法
關(guān)于磨損的評(píng)定方法目前還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)下面介紹的是比較常用的方法：磨損量、耐磨性、磨損率。
4.3.1 磨損量
（1）質(zhì)量磨損量，是指材料或試樣在磨損過程中質(zhì)量的減小量, 以M表示, 單位為g或mg。
（2）體積磨損量，材料或試樣在磨損過程中體積的減小量, 是由測(cè)得的質(zhì)量磨損量和材料的密度換算得來的。從磨損的失效性考慮, 用體積磨損量比質(zhì)量磨損量更合理。體積磨損量以V表示, 單位為mm3 或μm3。
（3）長(zhǎng)度磨損量，在磨損過程中材料或試樣表面尺寸的變化量, 以L表示, 單位為mm或μm。
4.3.2 耐磨性
耐磨性分為相對(duì)耐磨性和絕對(duì)耐磨性兩種。
（1）相對(duì)耐磨性，在相同的工作條件下, 某材料的磨損量(以該磨損量做標(biāo)準(zhǔn))與待測(cè)試樣磨損量之比叫做相對(duì)耐磨性。其中的磨損量為體積磨損量。
（2）絕對(duì)耐磨性，某材料或試樣體積磨損量的倒數(shù)[11]。
4.3.3 磨損率
主要用于沖蝕磨損, 磨損率是指待測(cè)試樣的沖蝕體積磨損量與造成沖蝕磨損所用磨料的質(zhì)量之比, 數(shù)學(xué)表達(dá)式為:η=V試樣/m磨料。式中:η為磨損率, μm3 /g或mm3 /g；V試樣為待測(cè)試樣的體積磨損量, μm3或mm3 ;m磨料為沖蝕磨損所用磨料的質(zhì)量。
上述三種磨損評(píng)定方法所得數(shù)據(jù)均是相對(duì)的,都是在一定條件下測(cè)得的。因此, 不同試驗(yàn)條件或不同工作條件下測(cè)得的數(shù)據(jù)不能進(jìn)行比較[12]。
5 抗摩擦磨損的表面強(qiáng)化技術(shù)
采用表面強(qiáng)化技術(shù)可以大大降低相互接觸或產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面的摩擦與磨損, 從而降低了材料和能量的消耗, 延長(zhǎng)工件的使用壽命?？梢詫⒈容^便宜的材料經(jīng)表面強(qiáng)化后, 達(dá)到某些價(jià)格昂貴或稀缺材料的性能。
表面強(qiáng)化技術(shù)包括表面淬火處理、化學(xué)熱處理(如滲碳、滲氮、滲硼及滲金屬等)、表面冶金強(qiáng)化(如熱噴涂及堆焊等)及表面鍍覆等。其中表面鍍覆技術(shù)越來越受到人們的重視， 最常用的提高工件或材料表面減摩和耐磨性能的鍍覆技術(shù)主要有電鍍、化學(xué)鍍和復(fù)合鍍(復(fù)合鍍包括復(fù)合化學(xué)鍍、復(fù)合電鍍和復(fù)合電刷鍍)，以下分別舉例說明。
5.1 電鍍耐磨減磨鍍層
電鍍硬鉻鍍層硬度高, 抗磨損性能好, 常用在大型軸類如直軸、曲軸軸頸及印花輥的輥面的鍍覆, 因硬鉻鍍層優(yōu)良的耐磨性又稱其為耐磨鉻。但是在承受重負(fù)荷條件下工作的表面, 硬鉻鍍層處在干摩擦狀態(tài)下工作時(shí), 表面容易被擦傷、脫落, 多采用松孔鍍鉻, 即在較厚的硬鉻鍍層上用化學(xué)或電化學(xué)方法加深和擴(kuò)大硬鉻鍍層表面的溝紋, 這些網(wǎng)狀溝紋能貯存潤(rùn)滑油, 零件表面遭受摩擦磨損時(shí)產(chǎn)生塑性變形, 使溝紋中的潤(rùn)滑油被擠出并溢流到工作表面, 起到潤(rùn)滑作用, 減小了摩擦和磨損。一些軸瓦或軸套等滑動(dòng)接觸面電鍍一層韌性金屬或合金, 如Sn、Sn-Pb合金等可以減少滑動(dòng)摩擦[13]。
5.2 化學(xué)鍍耐腐蝕耐磨損鍍層
化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層的突出優(yōu)點(diǎn)是耐蝕性好，硬度高, 經(jīng)400℃左右的熱處理后其硬度與硬鉻鍍層相當(dāng), 具有較好的耐磨性, 常用于遭受腐蝕磨損的場(chǎng)合, 如油田作業(yè)零部件的鍍覆。
5.3 復(fù)合鍍耐磨減摩鍍層
在復(fù)合電鍍工藝中, 耐磨減摩鍍層的制備所占比例最高, 這應(yīng)歸因于復(fù)合電鍍自身的優(yōu)越性, 它可以采用多種基質(zhì)金屬和多種微粒制備出多種多樣性能各異的復(fù)合鍍層, 有許多種硬質(zhì)微粒如Al2O3、SiC、WC、Cr3C2及B4C等,與基質(zhì)金屬如Fe和Ni等共沉積獲得耐磨鍍層, 同樣是這些基質(zhì)金屬與MoS2、CaF2、氟化石墨及聚四氟乙烯等微粒共沉積得到自潤(rùn)滑復(fù)合鍍層，鍍覆自潤(rùn)滑復(fù)合鍍層的工件表面在承受摩擦的場(chǎng)合工作時(shí)不必使用潤(rùn)滑劑, 其自身就具有較好的減摩耐磨性。在復(fù)合化學(xué)鍍中以Ni-P合金為基質(zhì)金屬,與SiC微粒共沉積為(Ni-P)-SiC化學(xué)復(fù)合鍍層, 可以耐腐蝕磨損和磨料磨損。復(fù)合電刷鍍和一般的復(fù)合電鍍和復(fù)合化學(xué)鍍一樣, 也可以制備出各種耐磨減摩復(fù)合鍍層。用表面鍍覆技術(shù)制備的耐磨減摩鍍層需要進(jìn)行摩擦磨損性能測(cè)試, 特別是研制一種新的鍍層時(shí)需要改變各種條件如鍍液組成及操作條件等, 在優(yōu)選組成和操作條件時(shí)必須同時(shí)測(cè)量鍍層耐磨和減摩性能。其測(cè)量方法一般多采用實(shí)驗(yàn)室中的試樣測(cè)試。因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)使用條件下的測(cè)試不僅僅是周期長(zhǎng), 而且在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不能取數(shù)據(jù), 長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)可能會(huì)發(fā)生鍍層脫落或開裂, 數(shù)據(jù)的可比性差, 不易進(jìn)行單因素的考察。實(shí)驗(yàn)室的臺(tái)架試驗(yàn)需制備與實(shí)際工作狀況下工件的結(jié)構(gòu)及尺寸相似的摩擦副, 其測(cè)試過程不易控制, 最好采用試樣測(cè)試, 制備一定尺寸的試樣,在實(shí)驗(yàn)室專用的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上測(cè)量。
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