表面摩擦與磨損綜述總結表面摩擦與磨損綜述總結表面摩擦與磨損綜述總結表面摩擦與磨損大綱：簡要介紹了摩擦與磨損的定義，摩擦的分類及議論方法；磨損的分類及議論方法；磨損的議論方法；抗摩擦磨損表面加強技術。要點詞：摩擦；磨損；表面1序言摩擦與磨損是自然界存在的寬泛現象,摩擦對人類的生活和生產活動有利有弊,而磨損倒是有百害而無一利。摩擦與磨損對能源及資料的耗資是相當可觀的,據大概估計,有1/3～1/2的能源耗資于磨損,而磨損又經常是機器零部件無效的主要原因。摩擦與磨損是發生在相互接觸并相對運動的兩個固體表面之間,因此接觸表面的特點,諸如表面粗糙度及硬度等與摩擦、磨損關系親近。有些表面特點是由資料的本性決定的,此外,還可以夠采用各種方法對資料表面進行改性,其中表面辦理技術中的電鍍及復合鍍等則是常用的手段。在制備減摩及耐磨鍍層時需進行檢測,因此,有必要對摩擦及磨損的定義、產生原因和測試方法等有必然程度的認識[1]。摩擦與磨損的定義摩擦的定義是:兩個相互接觸的物體在外力的作用下發生相對運動也許相對運動趨勢時,在切相面見間產生切向的運動阻力,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,由于表面相對運動而不斷損失的現象。據估計耗資在摩掠過程中的能量約占世界工業能耗的30%。在機器工作過程中，磨損會造成部件的表面形狀和尺寸緩慢而連續損壞，使得機器的工作性能與可靠性逐漸降低，甚至可能以致部件的突然損壞。人類很早就開始對摩擦現象進行研究，獲取了大量的成就，特別是近幾十年來已在一些機器或部件的設計中考慮了磨損壽命問題。在部件的結構設計、資料采用、加工制造、表面加強辦理、潤滑劑的采用、操作與維修等方面采用措施，能夠有效地解決部件的摩擦磨損問題，提高機器的工作效率，減少能量損失，降低資料耗資，保證機器工作的可靠性[2]。3摩擦的分類及議論方法在機器工作時，部件之間不僅相互接觸，而且接觸的表面之間還存在著相對運動。從摩擦學的角度看，這種存在相互運動的接觸面能夠看作為摩擦副。有四種摩擦分類方式：依照摩擦副的運動狀態分類、依照摩擦副的運動形式分類、依照摩擦副表面的潤滑狀態分類、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按摩擦副的運動狀態分類1）靜摩擦，兩個相互接觸的物體在外力作用下,有相對運動的趨勢時產生的摩擦叫靜摩擦。2）動摩擦，兩個相互接觸的物體在外力作用下,發生相對運動時產生的摩擦叫動摩擦。平時動摩擦力比靜摩擦力要小。3.2按摩擦副的運動形式分類1）滑動摩擦，兩個相互接觸的物體表面在外力作用下,相對滑動時產生的摩擦叫做滑動摩擦。2）轉動摩擦，兩個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轉動時產生的摩擦叫轉動摩擦[4]。3.3依照摩擦副表面的潤滑狀態分類干摩擦當摩擦副表面間不加任何潤滑劑時，將出現固體表面直接接觸的摩擦，工程上稱為干摩擦。此時，兩摩擦表面間的相對運動將耗資大量的能量并造成嚴重的表面磨損。這種摩擦狀態是無效，在機器工作時是不同樣意出現的。由于任何部件的表面都會由于氧化而形成氧化膜或被潤滑油所濕潤，因此在工程實質中，其實不存在真切的干摩擦。界線摩擦當摩擦副表面間有潤滑油存在時，由于潤滑油與金屬表面間的物理吸附作用和化學吸附作用，潤滑油會在金屬表面上形成極薄的界線膜。界線膜的厚度特別小，平時只有幾個分子到十幾個分子厚，不足以將微觀不平的兩金屬表面分分開，因此相互運動時，金屬表面的微凸出部分將發生接觸，這種狀態稱為界線摩擦。當摩擦副表面覆蓋一層界線膜后，誠然表面磨損不能夠除掉，但能夠起著減小摩擦與減少磨損的作用。與干摩擦狀態對照，界線摩擦狀態時的摩擦系數要小的多。在機器工作時，部件的工作溫度、速度和載荷大小等因素都會對界線膜產生影響，甚至造成界線膜破裂。因此，在界線摩擦狀態下，保持界線膜不破裂十分重要。在工程中，經常經過合理地設計摩擦副的形狀，選擇合適的摩擦副資料與潤滑劑，降低表面粗糙度，在潤滑[5]劑中加入合適的油性增加劑和極壓增加劑等措施來提高界線膜的強度。流體摩擦當摩擦副表面間形成的油膜厚度達到足以將兩個表面的微凸出部分完好分開時，之間的摩擦就轉變為油膜之間的摩擦，這稱為流體摩擦。形成流體摩擦的方式有兩種：

摩擦副一是經過液壓系統向摩擦面之間供給壓力油，

逼迫形成壓力油膜分開摩擦表面，

這稱為流體靜壓摩擦；二是經過兩摩擦表面在滿足必然的條件下，

相對運動時產生的壓力油膜分開摩擦表面，這稱為流體動壓摩擦。流體摩擦是在流體內部的分子間進行的，因此摩擦系數極小?；祀s摩擦當摩擦副表面間處在界線摩擦與流體摩擦的混雜狀態時，稱為混雜摩擦。在一般機器中，摩擦表面多處于混雜摩擦狀態。混雜摩擦時，表面間的微凸出部分仍有直接接觸，磨損依舊存在。但是，由于混雜摩擦時的流體膜厚度要比界線摩擦時的厚，減小了微凸出部分的接觸數量，同時增加了流體膜承載的比率，因此混雜摩擦狀態時的摩擦系數要比界線摩擦時小得多[6]。磨損的分類及議論方法摩擦副表面間的摩擦造成表面資料逐漸地損失的現象稱為磨損。部件表面磨損后不僅會影響其正常工作，如齒輪和轉動軸承的工作噪聲增大，而承載能力降低，同時還會影響機器的工作性能，如工作精度、效率和可靠性降低，噪聲與能耗增大，甚至造成機器報廢。平時，部件的磨損是很難防范的。但是，只要在設計時注意考慮防范或減少磨損，在制造時注意保證加工質量，而在使用時注意操作與保護，就可以在規定的年限內，使部件的磨損量控制在贊同的范圍內，就屬于正常磨損。另一方面，工程上也有很多利用磨損的場合，如研磨、跑合過程就是適用的磨損。4.1磨損過程分析工程實踐表示，機械部件的正常磨損過程大體分為三個階段：初期磨損階段、牢固磨損階段和激烈磨損階段。（1）初期磨損階段機械部件在初期磨損階段的特點是在較短的工作時間內，表面發生了較大的磨損量。這是由于部件剛開始工作時，表面微凸出部分的曲率半徑小，實質接觸面積小，造成較大的接觸壓強，同時曲率半徑小也不利于潤滑油膜的形成與牢固。因此，在開始工作的較短時間內磨損量較大。（2）牢固磨損階段經過初期磨損階段后，部件表面磨損的很緩慢。這是由于經過初期磨損階段后，表面微凸出部分的曲率半徑增大，高度降低，接觸面積增大，使得接觸壓強減小，同時還有利于潤滑油膜的形成與牢固。牢固磨損階段決定了部件的工作壽命。因此，延長牢固磨損階段對零件工作是十分有利的。工程實踐表示，利用初期磨損階段能夠改進表面性能，提高部件的工作壽命。（3）激烈磨損階段部件在經過長時間的工作此后，即牢固磨損階段此后，由于各種因素的影響，磨損速度急劇加速，磨損量明顯增大。此時，部件的表面溫度迅速高升，工作噪聲與振動增大，以致部件不能夠正常工作而無效。在實質中，這三個磨損階段并沒有明顯的界線[7]。4.2磨損的分類磨損的分類方法好多,主要有以下三種分類方法,即按發生磨損的環境及介質分類；按發生磨損的表面接觸性質分類及按磨損機理分類；下面介紹按磨損機理的分類。（1）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，相對滑動引起表面溫度升高，以致表面的吸附膜（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，相對滑動的切向作用力將“焊接”點，即粘著點，剪切開，造成資料從一個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。平時多是較軟表面上的材料被撕脫下來，粘附到較硬的表面上。部件工作時，載荷越大，速度越高，資料越軟，粘著磨損越簡單發生。粘著磨損嚴重時也稱為“膠合”[8]。影響粘著磨損的主要因素；同類摩擦副資料比異類資料簡單粘著；脆性資料比塑性資料的抗粘著能力高，在必然范圍內的表面粗糙度越高抗粘著能力越強，其他粘著磨損還與潤滑劑、摩擦表面溫度及壓強有關。在工程上，能夠從摩擦副的資料采用，潤滑和控制載荷及速度等方面采用措施來減小粘著磨損。2）腐化磨損在機器工作時，摩擦副表面會與周圍介質接觸，如有腐化性的液體、氣體、潤滑劑中的某種成分，發生化學反應或電化學反應形成腐化物造成的磨損，稱為腐化磨損。腐化磨損過程十分復雜，它與介質、資料和溫度等因素有關。響腐化磨損的主要因素；周圍介質、部件表面的氧化膜性質及環境溫度等[9]。3）磨料磨損落入摩擦副表面間的硬質顆?；虮砻嫔系挠操|突出物對接觸表面的刮擦和切削作用造成的資料零散現象，稱為磨料磨損。磨粒磨損造成表面成現凹痕或凹坑。硬質顆?？赡軄碜岳渥饔不罅闵⒌慕饘傩蓟蛴赏饨邕M入的磨粒。加強防范與密封，做好潤滑油的過濾，提高表面硬度能夠增加部件耐磨粒磨損的壽命。粒磨損與摩擦資料的硬度、磨粒的硬度有關。（4）接觸疲倦磨損在接觸變應力作用一段時間后，摩擦副表面會出現資料零散的現象，這稱為接觸疲倦磨損。接觸變應力作用一段時間后造成的資料零散會不斷地擴展，形成成片的麻點或凹坑，導致部件無效。在實質中，部件表面的磨損多半是幾種磨損作用的結果。因此，在機械設計中，必然要依照部件的詳盡工況，從結構、資料、制造、潤滑和保護等方面采用措施提高部件的耐磨性。影響接觸疲倦磨損的主要因素有；摩擦副資料組合、表面光潔度、潤滑油粘度以及表面硬度等。（5）微動磨損微動磨損是—種復合型式的磨損，是兩表面之間由很小的振幅的相對振動產生的磨損。機械部件配合較緊的部位，

在載荷和必然頻率振動條件下，

部件表面產生渺小滑動將以致微動傷害。若是在微動磨損過程中，表面之間的化學反應起主要作用，則可稱為微動腐化磨損。直接與微動磨損相聯系的疲倦損壞稱為微動疲倦磨損。微功磨損過程以下：接觸壓力使摩擦副表面的微凸體產生塑性變形和粘著，在外界小振幅振動作用下，粘著點剪切，粘著物零散，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。這樣循環不僅，最后以致部件表面損壞。當振動應力足夠大例，微動磨損處會成為疲倦裂紋的核心，以致初期疲倦斷裂。6）沖蝕磨損沖蝕磨損是指流體或固體顆粒以必然的速度和角度對資料表面進行沖擊所造成的磨損。依照顆粒及其攜帶介質的不同樣，沖蝕磨損又可分為氣固沖蝕磨損、流體沖蝕磨損、液滴沖蝕平和蝕等。在自然界和工礦生產中，存在著大量的沖蝕磨損現象。比方礦山的氣動輸送管道中物科對管道的磨損，鍋爐管道被燃燒的灰塵沖蝕，噴砂機的噴嘴受砂粒的沖蝕，拋丸機葉片被鐵(鋼)丸沖蝕等等。好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。4.3磨損的議論方法關于磨損的評定方法目前還沒有一致的標準下面介紹的是比較常用的方法：磨損量、耐磨性、磨損率。磨損量（1）質量磨損量，是指資料或試樣在磨損過程中質量的減小量,以M表示,單位為g或mg。（2）體積磨損量，資料或試樣在磨損過程中體積的減小量,是由測得的質量磨損量和資料的密度換算得來的。從磨損的無效性考慮,用體積磨損量比質量磨損量更合理。體積磨損量以V表示,33單位為mm或μm。（3）長度磨損量，在磨損過程中資料或試樣表面尺寸的變化量,以L表示,單位為mm或μm。耐磨性耐磨性分為相對耐磨性和絕對耐磨性兩種。1）相對耐磨性，在同樣的工作條件下,某資料的磨損量(以該磨損量做標準)與待測試樣磨損量之比叫做相對耐磨性。其中的磨損量為體積磨損量。2）絕對耐磨性，某資料或試樣體積磨損量的倒數[11]。磨損率主要用于沖蝕磨損,磨損率是指待測試樣的沖蝕體積磨損量與造成沖蝕磨損所用磨料的質量之比,數學表達式為33:η=V試樣/m磨料。式中:η為磨損率,μm/g或mm/g；V試樣為待測試樣的體積磨損量33,μm或mm;m磨料為沖蝕磨損所用磨料的質量。上述三種磨損評定方法所得數據均是相對的,都是在必然條件下測得的。因此,不同樣試驗條件或不同樣工作條件下測得的數據不能夠進行比較[12]?？鼓Σ聊p的表面加強技術采用表面加強技術能夠大大降低相互接觸或產生相對運動表面的摩擦與磨損,從而降低了資料和能量的耗資,延長工件的使用壽命。能夠將比較低價的資料經表面加強后,達到某些價格昂貴或稀缺資料的性能。表面加強技術包括表面淬火辦理、化學熱辦理(如滲碳、滲氮、滲硼及滲金屬等)、表面冶金加強(如熱噴涂及堆焊等)及表面鍍覆等。其中表面鍍覆技術越來越碰到人們的重視,最常用的提高工件或資料表面減摩和耐磨性能的鍍覆技術主要有電鍍、化學鍍和復合鍍(復合鍍包括復合化學鍍、復合電鍍和復合電刷鍍),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

,

因硬鉻鍍層優異的耐磨性又稱其為耐磨鉻。

但是在承受重任荷條件下工作的表面

,硬鉻鍍層處在干摩擦狀態下工作時

,

表面簡單被擦傷、零散,

多采用松孔鍍鉻

,

即在較厚的硬鉻鍍層上用化學或電化學方法加深和擴大硬鉻鍍層表面的溝紋

,

這些網狀溝紋能儲藏潤滑油,

部件表面受到摩擦磨損時產生塑性變形

,

使溝紋中的潤滑油被擠出并溢流到工作表面,

起到潤滑作用

,減小了摩擦和磨損。一些軸瓦或軸套等滑動接觸面電鍍一層韌性金屬或合金,

如Sn、Sn-Pb

合金等能夠減少滑動摩擦

[13]。5.2化學鍍耐腐化耐磨損鍍層化學鍍

Ni-P

合金鍍層的突出優點是耐蝕性好

,硬度高

,

經400℃左右的熱辦理后其硬度與硬鉻鍍層相當

,

擁有較好的耐磨性

,

常用于受到腐化磨損的場合

,如油田作業零部件的鍍覆。5.3復合鍍耐磨減摩鍍層在復合電鍍工藝中

,

耐磨減摩鍍層的制備所占比率最高

,

這應歸因于復合電鍍自己的優越性

,

它能夠采用多種基質金屬和多種微粒制備出多種多樣性能各異的復合鍍層

,

有許多種硬質微粒如

Al2O3、SiC、WC、Cr3C2

及B4C等,與基質金屬如

Fe和

Ni

等共聚積獲取耐磨鍍層

,

同樣是這些基質金屬與

MoS、CaF、氟化石墨及聚四氟乙烯等微粒共聚積獲取自潤22滑復合鍍層

,鍍覆自潤滑復合鍍層的工件表面在承受摩擦的場合工作時不用使用潤滑劑

,其自己就擁有較好的減摩耐磨性。

在復合化學鍍中以

Ni-P

合金為基質金屬

,與

SiC微粒共聚積為(Ni-P)-SiC化學復合鍍層,能夠耐腐化磨損和磨料磨損。復合電刷鍍和一般的復合電鍍和復合化學鍍同樣,也能夠制備出各種耐磨減摩復合鍍層。用表面鍍覆技術制備的耐磨減摩鍍層需要進行摩擦磨損性能測試,特別是研制一種新的鍍層時需要改變各種條件如鍍液組成及操作條件等

,

在優選組成和操作條件時必定同時測量鍍層耐磨和減摩性能。

其測量方法一般多采用實驗室中的試樣測試。

由于現場使用條件下的測試不不過是周期長

,

而且在運轉過程中不能夠取數據

,長時間運轉可能會發生鍍層零