本文简要介绍摩擦与磨损的定义，摩擦的分类及评价方法；磨损的分类及评价方法；磨损的评价方法；抗摩擦磨损表面强化技术。

 

1  引言

 

摩擦与磨损是自然界存在的普遍现象, 摩擦对人类的生活和生产活动有利有弊, 而磨损却是有百害而无一利。摩擦与磨损对能源及材料的消耗是相当可观的, 据粗略估计, 有1/3 ～ 1/2的能源消耗于磨损, 而磨损又常常是机器零部件失效的主要原因。

 

摩擦与磨损是发生在相互接触并相对运动的两个固体表面之间, 因此接触表面的特性, 诸如表面粗糙度及硬度等与摩擦、磨损关系密切。有些表面特性是由材料的本性决定的, 此外, 还可以采用各种方法对材料表面进行改性, 其中表面处理技术中的电镀及复合镀等则是常用的手段。在制备减摩及耐磨镀层时需进行检测, 因此, 有必要对摩擦及磨损的定义、产生原因和测试方法等有一定程度的了解^[1]。

 

2  摩擦与磨损的定义

 

 

摩擦的定义是：两个相互接触的物体在外力的作用下发生相对运动或者相对运动趋势时，在切相面间产生切向的运动阻力，这一阻力又称为摩擦力。磨损的定义是：任一工作表面的物质，由于表面相对运动而不断损失的现象。

 

据估计消耗在摩擦过程中的能量约占世界工业能耗的 30%。在机器工作过程中，磨损会造成零件的表面形状和尺寸缓慢而连续损坏，使得机器的工作性能与可靠性逐渐降低，甚至可能导致零件的突然破坏。人类很早就开始对摩擦现象进行研究，取得了大量的成果，特别是近几十年来已在一些机器或零件的设计中考虑了磨损寿命问题。在零件的结构设计、材料选用、加工制造、表面强化处理、润滑剂的选用、操作与维修等方面采取措施，可以有效地解决零件的摩擦磨损问题，提高机器的工作效率，减少能量损失，降低材料消耗，保证机器工作的可靠性^[2]。

 

3  摩擦的分类及评价方法

 

在机器工作时，零件之间不但相互接触，而且接触的表面之间还存在着相对运动。从摩擦学的角度看，这种存在相互运动的接触面可以看作为摩擦副。有四种摩擦分类方式：按照摩擦副的运动状态分类、按照摩擦副的运动形式分类、按照摩擦副表面的润滑状态分类、按照摩擦副所处的工况条件分类。这里主要以前三种方式介绍分类^[3]。

 

3.1  按摩擦副的运动状态分类

 

（1）静摩擦，两个相互接触的物体在外力作用下, 有相对运动的趋势时产生的摩擦叫静摩擦。

（2）动摩擦，两个相互接触的物体在外力作用下, 发生相对运动时产生的摩擦叫动摩擦。通常动摩擦力比静摩擦力要小。

 

3.2  按摩擦副的运动形式分类

 

（1）滑动摩擦，两个相互接触的物体表面在外力作用下, 相对滑动时产生的摩擦叫做滑动摩擦。

（2）滚动摩擦，两个相互接触的物体在力矩作用下, 一物体沿与另一相接触物体表面滚动时产生的摩擦叫滚动摩擦^[4]。

 

3.3  按照摩擦副表面的润滑状态分类

 

3.3.1  干摩擦

 

当摩擦副表面间不加任何润滑剂时，将出现固体表面直接接触的摩擦，工程上称为干摩擦。此时，两摩擦表面间的相对运动将消耗大量的能量并造成严重的表面磨损。这种摩擦状态是失效，在机器工作时是不允许出现的。由于任何零件的表面都会因为氧化而形成氧化膜或被润滑油所湿润，所以在工程实际中，并不存在真正的干摩擦。

 

3.3.2  边界摩擦

 

当摩擦副表面间有润滑油存在时，由于润滑油与金属表面间的物理吸附作用和化学吸附作用，润滑油会在金属表面上形成极薄的边界膜。边界膜的厚度非常小，通常只有几个分子到十几个分子厚，不足以将微观不平的两金属表面分隔开，所以相互运动时，金属表面的微凸出部分将发生接触，这种状态称为边界摩擦。当摩擦副表面覆盖一层边界膜后，虽然表面磨损不能消除，但可以起着减小摩擦与减轻磨损的作用。与干摩擦状态相比，边界摩擦状态时的摩擦系数要小的多。

 

在机器工作时，零件的工作温度、速度和载荷大小等因素都会对边界膜产生影响，甚至造成边界膜破裂。因此，在边界摩擦状态下，保持边界膜不破裂十分重要。在工程中，经常通过合理地设计摩擦副的形状，选择合适的摩擦副材料与润滑剂，降低表面粗糙度，在润滑剂中加入适当的油性添加剂和极压添加剂等措施来提高边界膜的强度^[5]。

 

3.3.3  流体摩擦

 

当摩擦副表面间形成的油膜厚度达到足以将两个表面的微凸出部分完全分开时，摩擦副之间的摩擦就转变为油膜之间的摩擦，这称为流体摩擦。形成流体摩擦的方式有两种：一是通过液压系统向摩擦面之间供给压力油，强制形成压力油膜隔开摩擦表面，这称为流体静压摩擦；二是通过两摩擦表面在满足一定的条件下，相对运动时产生的压力油膜隔开摩擦表面，这称为流体动压摩擦。流体摩擦是在流体内部的分子间进行的，所以摩擦系数极小。

 

3.3.4  混合摩擦

 

当摩擦副表面间处在边界摩擦与流体摩擦的混合状态时，称为混合摩擦。在一般机器中，摩擦表面多处于混合摩擦状态。混合摩擦时，表面间的微凸出部分仍有直接接触，磨损仍然存在。但是，由于混合摩擦时的流体膜厚度要比边界摩擦时的厚，减小了微凸出部分的接触数量，同时增加了流体膜承载的比例，所以混合摩擦状态时的摩擦系数要比边界摩擦时小得多^[6]。

 

4  磨损的分类及评价方法

 

摩擦副表面间的摩擦造成表面材料逐渐地损失的现象称为磨损。零件表面磨损后不但会影响其正常工作，如齿轮和滚动轴承的工作噪声增大，而承载能力降低，同时还会影响机器的工作性能，如工作精度、效率和可靠性降低，噪声与能耗增大，甚至造成机器报废。通常，零件的磨损是很难避免的。但是，只要在设计时注意考虑避免或减轻磨损，在制造时注意保证加工质量，而在使用时注意操作与维护，就可以在规定的年限内，使零件的磨损量控制在允许的范围内，就属于正常磨损。另一方面，工程上也有不少利用磨损的场合，如研磨、跑合过程就是有用的磨损。

 

4.1  磨损过程分析

 

工程实践表明，机械零件的正常磨损过程大致分为三个阶段：初期磨损阶段、稳定磨损阶段和剧烈磨损阶段。

 

（1）初期磨损阶段

 

机械零件在初期磨损阶段的特点是在较短的工作时间内，表面发生了较大的磨损量。这是由于零件刚开始工作时，表面微凸出部分的曲率半径小，实际接触面积小，造成较大的接触压强，同时曲率半径小也不利于润滑油膜的形成与稳定。所以，在开始工作的较短时间内磨损量较大。

 

（2）稳定磨损阶段

 

经过初期磨损阶段后，零件表面磨损的很缓慢。这是由于经过初期磨损阶段后，表面微凸出部分的曲率半径增大，高度降低，接触面积增大，使得接触压强减小，同时还有利于润滑油膜的形成与稳定。稳定磨损阶段决定了零件的工作寿命。因此，延长稳定磨损阶段对零件工作是十分有利的。工程实践表明，利用初期磨损阶段可以改善表面性能，提高零件的工作寿命。

 

（3）剧烈磨损阶段

 

零件在经过长时间的工作之后，即稳定磨损阶段之后，由于各种因素的影响，磨损速度急剧加快，磨损量明显增大。此时，零件的表面温度迅速升高，工作噪声与振动增大，导致零件不能正常工作而失效。在实际中，这三个磨损阶段并没有明显的界限^[7]。

 

4.2  磨损的分类

 

磨损的分类方法很多, 主要有以下三种分类方法, 即按发生磨损的环境及介质分类；按发生磨损的表面接触性质分类及按磨损机理分类；下面介绍按磨损机理的分类。

 

粘着磨损

 

在摩擦副表面间，微凸出部分相互接触，承受着较大的载荷，相对滑动引起表面温度升高，导致表面的吸附膜（如油膜，氧化膜）破裂，造成金属基体直接接触并“焊接”到一起。与此同时，相对滑动的切向作用力将“焊接”点，即粘着点，剪切开，造成材料从一个表面上被撕脱下来粘附到另一表面上。由此形成的磨损称为粘着磨损。通常多是较软表面上的材料被撕脱下来，粘附到较硬的表面上。零件工作时，载荷越大，速度越高，材料越软，粘着磨损越容易发生。粘着磨损严重时也称为“胶合”^[8]。 

 

影响粘着磨损的主要因素；同类摩擦副材料比异类材料容易粘着；脆性材料比塑性材料的抗粘着能力高，在一定范围内的表面粗糙度越高抗粘着能力越强，此外粘着磨损还与润滑剂、摩擦表面温度及压强有关。

 

在工程上，可以从摩擦副的材料选用，润滑和控制载荷及速度等方面采取措施来减小粘着磨损。

 

腐蚀磨损

 

在机器工作时，摩擦副表面会与周围介质接触，如有腐蚀性的液体、气体、润滑剂中的某种成分，发生化学反应或电化学反应形成腐蚀物造成的磨损，称为腐蚀磨损。腐蚀磨损过程十分复杂，它与介质、材料和温度等因素有关。响腐蚀磨损的主要因素；周围介质、零件表面的氧化膜性质及环境温度等^[9]。

 

磨料磨损

 

落入摩擦副表面间的硬质颗粒或表面上的硬质凸起物对接触表面的刮擦和切削作用造成的材料脱落现象，称为磨料磨损。磨粒磨损造成表面成现凹痕或凹坑。硬质颗粒可能来自冷作硬化后脱落的金属屑或由外界进入的磨粒。加强防护与密封，做好润滑油的过滤，提高表面硬度可以增加零件耐磨粒磨损的寿命。粒磨损与摩擦材料的硬度、磨粒的硬度有关。

 

接触疲劳磨损

 

在接触变应力作用一段时间后，摩擦副表面会出现材料脱落的现象，这称为接触疲劳磨损。接触变应力作用一段时间后造成的材料脱落会不断地扩展，形成成片的麻点或凹坑，导致零件失效。

 

在实际中，零件表面的磨损大都是几种磨损作用的结果。因此，在机械设计中，一定要根据零件的具体工况，从结构、材料、制造、润滑和维护等方面采取措施提高零件的耐磨性。

 

影响接触疲劳磨损的主要因素有；摩擦副材料组合、表面光洁度、润滑油粘度以及表面硬度等。

 

微动磨损

 

微动磨损是—种复合型式的磨损，是两表面之间由很小的振幅的相对振动产生的磨损。机械零件配合较紧的部位，在载荷和一定频率振动条件下，零件表面产生微小滑动将导致微动损伤。如果在微动磨损过程中，表面之间的化学反应起主要作用，则可称为微动腐蚀磨损。直接与微动磨损相联系的疲劳损坏称为微动疲劳磨损。

 

微功磨损过程如下：接触压力使摩擦副表面的微凸体产生塑性变形和粘着，在外界小振幅振动作用下，粘着点剪切，粘着物脱落，剪切表面被氧化。磨屑不易排出，这些磨屑起着磨料的作用，加速了微功磨损的过程。这样循环不止，最终导致零件表面破坏。当振动应力足够大，微动磨损处会成为疲劳裂纹的核心，导致早期疲劳断裂。

 

冲蚀磨损

 

冲蚀磨损是指流体或固体颗粒以一定的速度和角度对材料表面进行冲击所造成的磨损。根据颗粒及其携带介质的不同，冲蚀磨损又可分为气固冲蚀磨损、流体冲蚀磨损、液滴冲蚀和气蚀等。

 

 在自然界和工矿生产中，存在着大量的冲蚀磨损现象。例如矿山的气动输送管道中物科对管道的磨损，锅炉管道被燃烧的灰尘冲蚀，喷砂机的喷嘴受砂粒的冲蚀，抛丸机叶片被铁(钢)丸冲蚀等等。许多研究者提出了冲蚀磨损的理论和模型。其中影响较大的有切削磨损理论、断裂磨损理论、变形磨损理论、绝热剪切与变形局部化磨损理论和薄片剥落磨损理论等^[10]。

 

4.3  磨损的评价方法

 

关于磨损的评定方法目前还没有统一的标准下面介绍的是比较常用的方法：磨损量、耐磨性、磨损率。

 

4.3.1  磨损量

 

（1）质量磨损量，是指材料或试样在磨损过程中质量的减小量, 以M表示, 单位为g或mg。

 

（2）体积磨损量，材料或试样在磨损过程中体积的减小量, 是由测得的质量磨损量和材料的密度换算得来的。从磨损的失效性考虑, 用体积磨损量比质量磨损量更合理。体积磨损量以V表示, 单位为mm³ 或μm³。

 

（3）长度磨损量，在磨损过程中材料或试样表面尺寸的变化量, 以L表示, 单位为mm或μm。

 

4.3.2  耐磨性

 

耐磨性分为相对耐磨性和绝对耐磨性两种。

（1）相对耐磨性，在相同的工作条件下, 某材料的磨损量(以该磨损量做标准)与待测试样磨损量之比叫做相对耐磨性。其中的磨损量为体积磨损量。

（2）绝对耐磨性，某材料或试样体积磨损量的倒数^[11]。

 

4.3.3  磨损率

 

主要用于冲蚀磨损, 磨损率是指待测试样的冲蚀体积磨损量与造成冲蚀磨损所用磨料的质量之比, 数学表达式为:η=V试样/m磨料。式中:η为磨损率, μm³ /g或mm³ /g；V试样为待测试样的体积磨损量, μm³或mm³ ;m磨料为冲蚀磨损所用磨料的质量。

 

上述三种磨损评定方法所得数据均是相对的,都是在一定条件下测得的。因此, 不同试验条件或不同工作条件下测得的数据不能进行比较^[12]。

 

5  抗摩擦磨损的表面强化技术

 

采用表面强化技术可以大大降低相互接触或产生相对运动表面的摩擦与磨损, 从而降低了材料和能量的消耗, 延长工件的使用寿命。可以将比较便宜的材料经表面强化后, 达到某些价格昂贵或稀缺材料的性能。

 

表面强化技术包括表面淬火处理、化学热处理(如渗碳、渗氮、渗硼及渗金属等)、表面冶金强化(如热喷涂及堆焊等)及表面镀覆等。其中表面镀覆技术越来越受到人们的重视， 最常用的提高工件或材料表面减摩和耐磨性能的镀覆技术主要有电镀、化学镀和复合镀(复合镀包括复合化学镀、复合电镀和复合电刷镀)，以下分别举例说明。

 

5.1  电镀耐磨减磨镀层

 

电镀硬铬镀层硬度高, 抗磨损性能好, 常用在大型轴类如直轴、曲轴轴颈及印花辊的辊面的镀覆, 因硬铬镀层优良的耐磨性又称其为耐磨铬。但是在承受重负荷条件下工作的表面, 硬铬镀层处在干摩擦状态下工作时, 表面容易被擦伤、脱落, 多采用松孔镀铬, 即在较厚的硬铬镀层上用化学或电化学方法加深和扩大硬铬镀层表面的沟纹, 这些网状沟纹能贮存润滑油, 零件表面遭受摩擦磨损时产生塑性变形, 使沟纹中的润滑油被挤出并溢流到工作表面, 起到润滑作用, 减小了摩擦和磨损。一些轴瓦或轴套等滑动接触面电镀一层韧性金属或合金, 如Sn、Sn-Pb合金等可以减少滑动摩擦^[13]。

 

5.2  化学镀耐腐蚀耐磨损镀层

 

化学镀Ni-P合金镀层的突出优点是耐蚀性好，硬度高, 经400℃左右的热处理后其硬度与硬铬镀层相当, 具有较好的耐磨性, 常用于遭受腐蚀磨损的场合, 如油田作业零部件的镀覆。

 

5.3  复合镀耐磨减摩镀层

 

在复合电镀工艺中, 耐磨减摩镀层的制备所占比例最高, 这应归因于复合电镀自身的优越性, 它可以采用多种基质金属和多种微粒制备出多种多样性能各异的复合镀层, 有许多种硬质微粒如Al₂O₃、SiC、WC、Cr₃C₂及B₄C等,与基质金属如Fe和Ni等共沉积获得耐磨镀层, 同样是这些基质金属与MoS₂、CaF₂、氟化石墨及聚四氟乙烯等微粒共沉积得到自润滑复合镀层，镀覆自润滑复合镀层的工件表面在承受摩擦的场合工作时不必使用润滑剂, 其自身就具有较好的减摩耐磨性。在复合化学镀中以Ni-P合金为基质金属,与SiC微粒共沉积为(Ni-P)-SiC化学复合镀层, 可以耐腐蚀磨损和磨料磨损。复合电刷镀和一般的复合电镀和复合化学镀一样, 也可以制备出各种耐磨减摩复合镀层。用表面镀覆技术制备的耐磨减摩镀层需要进行摩擦磨损性能测试, 特别是研制一种新的镀层时需要改变各种条件如镀液组成及操作条件等, 在优选组成和操作条件时必须同时测量镀层耐磨和减摩性能。其测量方法一般多采用实验室中的试样测试。因为现场使用条件下的测试不仅仅是周期长, 而且在运转过程中不能取数据, 长时间运转可能会发生镀层脱落或开裂, 数据的可比性差, 不易进行单因素的考察。实验室的台架试验需制备与实际工作状况下工件的结构及尺寸相似的摩擦副, 其测试过程不易控制, 最好采用试样测试, 制备一定尺寸的试样,在实验室专用的摩擦磨损试验机上测量。

 

参考文献

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[3]戴雄杰，《摩擦学基础》，上海科学技术出版，1984年版

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[6]J．雹林，《摩擦学原理》，机械土业出版社，1981年版。

[7]詹武, 闫爱淑, 丁晨旭,等. 金属摩擦磨损机理剖析[J]. 天津理工学院工报,

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[11]姚若浩．金属压力加工的摩擦与润滑 .北京:冶金工业出版社，1990.4

[12]I M Hutchings. Tribology; Friction and Wear ofEngineering Materials[J]. Butterworth-Heinemann Ltd, 1992.

[13]Rabinowicz E, Tanner R I. Friction and wear ofmaterials[J]. Journal of Applied Mechanics, 1995, 33(2).