摩擦与磨损全第6章-耐磨减摩材料及表面处理2.ppt
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1、摩擦与磨损第六章 耐磨减摩材料及表面处理(2)4/21/20241.主要内容n n6.3 聚合材料n n6.4 表面处理技术n n6.5 纳米表面技术4/21/20242.6.3 聚合材料n n聚合材料亦称聚合材料亦称塑料塑料,它是高分子结合体,分子量,它是高分子结合体,分子量在在10104 4-10-107 7之间,它由一万个以上的原子组成。之间,它由一万个以上的原子组成。n n各高分子由于其组成的单体性质不同,彼此之间各高分子由于其组成的单体性质不同,彼此之间可能是由可能是由化学键或物理键化学键或物理键连接在一起。连接在一起。6.3.1 聚合材料简介4/21/20243.n n聚合物可分为
2、热塑性塑料、热固性塑料和弹性塑料。聚合物可分为热塑性塑料、热固性塑料和弹性塑料。热塑性塑料:热塑性塑料:其大分子之间由物理键连接,这些大分子其大分子之间由物理键连接,这些大分子呈线状或分枝状的键形式彼此交叉在一起,在室温时很呈线状或分枝状的键形式彼此交叉在一起,在室温时很硬,加热时呈塑性,且可逆,冷下来又变硬。硬,加热时呈塑性,且可逆,冷下来又变硬。热固性塑料:热固性塑料:在加热过程会发生化学反应,内部结成具在加热过程会发生化学反应,内部结成具有化学键结合的小晶格而硬化,达到固化成形。它们不有化学键结合的小晶格而硬化,达到固化成形。它们不能通过再加热,重熔塑制成其他形状。能通过再加热,重熔塑制
3、成其他形状。弹性塑料:弹性塑料:具有由化学键连接在一起的大分子而形成的具有由化学键连接在一起的大分子而形成的大网格,同时存在物理键连接。在常温时这种连接很薄大网格,同时存在物理键连接。在常温时这种连接很薄弱,故它呈弹性,与橡胶相似。弱,故它呈弹性,与橡胶相似。聚合物分类4/21/20244.6.3.2 摩擦副中常用的聚合物n n1.1.聚四氟乙烯聚四氟乙烯(PTFE)(PTFE)n n是一种具有良好的自润滑性和高温是一种具有良好的自润滑性和高温(260(260)稳定性的聚合物,稳定性的聚合物,可作为固体润滑剂添加到复合材料中,也可用无机填料、可作为固体润滑剂添加到复合材料中,也可用无机填料、纤
4、维或金属颗粒使它增强,构成复合材料。是一种十分重纤维或金属颗粒使它增强,构成复合材料。是一种十分重要的工程聚合物。要的工程聚合物。n n特点:特点:能耐几乎所有化学药品的腐蚀。电绝缘性也很好,吸水性能耐几乎所有化学药品的腐蚀。电绝缘性也很好,吸水性小,且耐老化。小,且耐老化。在金属表面上低速滑动时,其摩擦系数很低;在高速滑动在金属表面上低速滑动时,其摩擦系数很低;在高速滑动时,摩擦系数虽稍有增加,但仍比其他多数聚合物的摩擦时,摩擦系数虽稍有增加,但仍比其他多数聚合物的摩擦系数小。系数小。4/21/20245.局限性及改善n n纯纯PTFEPTFE与钢滑动摩擦时的磨损率比较高与钢滑动摩擦时的磨损
5、率比较高。如果加。如果加入某些有机填充剂,可使磨损率减少一百倍,甚至入某些有机填充剂,可使磨损率减少一百倍,甚至更多。更多。n n常用常用填充剂填充剂:MoSMoS2 2、石墨、石墨、WSWS2 2、MoSeMoSe2 2、CuSCuS以以及及CuCu等。填充物的体积分数宜在等。填充物的体积分数宜在15%-40%15%-40%之间。之间。n n加入加入增强纤维增强纤维,尤其纤维织物,尤其纤维织物,PTFEPTFE的力学性能的力学性能大大提高,摩擦学性能亦有所改善。大大提高,摩擦学性能亦有所改善。硒Se4/21/20246.n n2.2.聚酰胺聚酰胺(PA)(PA)n n聚酰胺又称聚酰胺又称尼龙
6、尼龙。常见牌号有尼龙。常见牌号有尼龙6 6,尼龙,尼龙6666、尼、尼龙龙10101010等。等。n n优点:优点:具有较高的韧性、弹性和强度,摩擦系数具有较高的韧性、弹性和强度,摩擦系数小,耐磨性和热稳定性好。可在小,耐磨性和热稳定性好。可在125125下工作,加下工作,加适当填充剂,能耐适当填充剂,能耐150150高温。高温。n n在干滑动条件下,磨损量随载荷增加而增加。在干滑动条件下,磨损量随载荷增加而增加。n n加石墨或加石墨或MoSMoS2 2做成自润滑材料,可降低磨损率。做成自润滑材料,可降低磨损率。n n应用:应用:广泛用于制造结构零件,如轴套、齿轮、广泛用于制造结构零件,如轴套
7、、齿轮、凸轮等。凸轮等。n n缺点:缺点:吸水性较大,尺寸稳定性差。吸水性较大,尺寸稳定性差。4/21/20247.n n3.3.聚乙烯聚乙烯(PE)(PE)n n分类:分类:根据分子量不同,可分为低密度根据分子量不同,可分为低密度(低分子低分子量量)、高密度、高密度(高分子量高分子量)及超高分子量聚乙烯等。及超高分子量聚乙烯等。n n应用:应用:低密度聚乙烯用于一般耐蚀、绝缘件等。低密度聚乙烯用于一般耐蚀、绝缘件等。高密度聚乙烯用来制作薄膜及某些注射模具的高密度聚乙烯用来制作薄膜及某些注射模具的零件。零件。超高分子量聚乙烯对于泥浆及硬颗粒的磨料磨超高分子量聚乙烯对于泥浆及硬颗粒的磨料磨损有抵
8、抗能力,有很好的稳定性和抗生物破坏损有抵抗能力,有很好的稳定性和抗生物破坏能力,可作人工关节。金属在超高分子量聚乙能力,可作人工关节。金属在超高分子量聚乙烯做的导轨上也有较好的滑动性能。烯做的导轨上也有较好的滑动性能。4/21/20248.n n4.4.酚醛酚醛n n酚类和醛类的缩聚产物统称为酚类和醛类的缩聚产物统称为酚醛树脂酚醛树脂。是热固。是热固性聚合物,仅可模压成形。性聚合物,仅可模压成形。n n特点:特点:压缩强度比大部分其他聚合物高;压缩强度比大部分其他聚合物高;可用水润滑,并可用水来冷却,这是一个可用水润滑,并可用水来冷却,这是一个优点优点;使用温度可达使用温度可达200200;无
9、润滑时,摩擦磨损特性不好;有足够润滑剂供无润滑时,摩擦磨损特性不好;有足够润滑剂供给时,才可保持长的使用寿命。给时,才可保持长的使用寿命。n n应用:应用:与玻璃、织物及石棉等组成的层状制品,与玻璃、织物及石棉等组成的层状制品,已广泛用于制造各种机械零件,如轴套、齿轮、已广泛用于制造各种机械零件,如轴套、齿轮、凸轮等。凸轮等。4/21/20249.n n5.5.聚酰亚胺聚酰亚胺 n n属高温聚合物。分子结构非常复杂,不能像大部属高温聚合物。分子结构非常复杂,不能像大部分聚合物那样通过熔融、分聚合物那样通过熔融、固化成形。固化成形。n n一般采用粉末冶金技术制作零件,可加入石墨或一般采用粉末冶金
10、技术制作零件,可加入石墨或其他填充剂增加强度和润滑能力。其他填充剂增加强度和润滑能力。n n特点与应用:特点与应用:n n结构强度与尼龙差不多,也有一定自润滑能力,结构强度与尼龙差不多,也有一定自润滑能力,但减摩性能不如但减摩性能不如PTFEPTFE。n n最高连续工作温度可达最高连续工作温度可达260260,因成本较高,无法,因成本较高,无法广泛使用,多用于工作温度较高的场合。广泛使用,多用于工作温度较高的场合。4/21/202410.6.3.3 聚合物基复合材料n n复合材料复合材料是两种或两种以上的不同材料,通过一是两种或两种以上的不同材料,通过一定工艺手段组合而成。定工艺手段组合而成。
11、n n在聚合物中加入一些添加剂,使材料具有低摩擦在聚合物中加入一些添加剂,使材料具有低摩擦系数和高耐磨性,这类材料称为系数和高耐磨性,这类材料称为聚合物基减摩复聚合物基减摩复合材料合材料。n n这种复合材料具有单一材料无法比拟的、优越的这种复合材料具有单一材料无法比拟的、优越的综合性能,是一类新型的工程材料。综合性能,是一类新型的工程材料。4/21/202411.聚合物基复合材料的特点比强度与比模量高比强度与比模量高,例如环氧树脂与高强度碳纤维复合,例如环氧树脂与高强度碳纤维复合,其比强度和比模量远远超过一般钢材和铝合金其比强度和比模量远远超过一般钢材和铝合金;化学稳定性好化学稳定性好;减摩、
12、耐磨、自润滑性好减摩、耐磨、自润滑性好。例如在热塑性塑料中渗入少。例如在热塑性塑料中渗入少量短切碳纤维可大大提高它的耐磨性,其增加倍数为聚量短切碳纤维可大大提高它的耐磨性,其增加倍数为聚氯乙烯本身的氯乙烯本身的3.83.8倍,聚四氟乙烯本身的倍,聚四氟乙烯本身的3 3倍,聚丙烯本倍,聚丙烯本身的身的2.52.5倍,聚酰胺本身的倍,聚酰胺本身的1.21.2倍倍;耐热性高耐热性高;韧性和抗冲击性得到改善韧性和抗冲击性得到改善;其他特殊性能其他特殊性能。4/21/202412.n n实际使用的聚合物基减摩复合材料分两类:实际使用的聚合物基减摩复合材料分两类:以以固体润滑剂作为填充剂固体润滑剂作为填充
13、剂,即所谓自润滑聚合,即所谓自润滑聚合物复合材料;物复合材料;在在聚合物中嵌入纤维聚合物中嵌入纤维,即所谓纤维增强聚合物,即所谓纤维增强聚合物复合材料。复合材料。4/21/202413.n n1.1.自润滑聚合物复合材料自润滑聚合物复合材料 n n在聚合物中加入固体润滑剂制成。在聚合物中加入固体润滑剂制成。n n常用固体润滑剂:石墨、常用固体润滑剂:石墨、MoSMoS2 2、WSWS2 2、MoSeMoSe2 2、WSeWSe2 2、NbSeNbSe2 2、BNBN、PbIPbI2 2、CdICdI2 2、BIBI2 2、AgIAgI2 2、SbSSbS、PbOPbO、CdOCdO等。等。n
14、n特点:特点:层状结构,层与层间的切变阻力很低。层状结构,层与层间的切变阻力很低。某些固体润滑剂原子与配对的金属表面间有很强某些固体润滑剂原子与配对的金属表面间有很强的粘着力,如硫和硒原子可牢牢地粘在金属表面的粘着力,如硫和硒原子可牢牢地粘在金属表面上,逐步在金属表面上形成一层低切变阻力的膜,上,逐步在金属表面上形成一层低切变阻力的膜,使摩擦系数显著降低。使摩擦系数显著降低。镉Cd;锑Sb4/21/202414.固体润滑剂的减摩作用在很大程度上取决于固体润滑剂的减摩作用在很大程度上取决于外外界条件界条件,如滑动速度、载荷、温度等。,如滑动速度、载荷、温度等。在强度、磨损寿命方面不如金属基复合材
15、料以在强度、磨损寿命方面不如金属基复合材料以及聚合物及聚合物金属三层复合自润滑材料。金属三层复合自润滑材料。4/21/202415.聚合物金属三层复合自润滑材料n n由钢背由钢背-多孔青铜多孔青铜-聚合物复合而成;聚合物复合而成;n n特点:特点:综合了金属和聚合物的优点,机械强度高、综合了金属和聚合物的优点,机械强度高、摩擦系数低、耐热性好、热膨胀系数小、导热性摩擦系数低、耐热性好、热膨胀系数小、导热性优良、使用温度范围宽。优良、使用温度范围宽。n n应用:应用:可用于制作齿轮泵轴承、机床导轨板、齿轮箱油可用于制作齿轮泵轴承、机床导轨板、齿轮箱油泵齿轮止推片等。泵齿轮止推片等。可制造万向节主
16、销轴承套和十字轴万向节轴承、可制造万向节主销轴承套和十字轴万向节轴承、冷轧带钢机轴承、水轮机导水叶轴套等。冷轧带钢机轴承、水轮机导水叶轴套等。4/21/202416.n n2.纤维增强聚合物复合材料 n n以碳纤维作为填充剂的聚合物复合材料制作滑动以碳纤维作为填充剂的聚合物复合材料制作滑动摩擦轴承、齿轮等,性能极好。摩擦系数低,耐摩擦轴承、齿轮等,性能极好。摩擦系数低,耐磨性好,强度和刚性高。磨性好,强度和刚性高。n n摩擦学特性与摩擦学特性与纤维取向纤维取向有很大关系。纤维垂直于有很大关系。纤维垂直于滑动方向时,摩擦学特性较好。滑动方向时,摩擦学特性较好。n n热固性聚合物为基的纤维增强复合
17、材料的摩擦学热固性聚合物为基的纤维增强复合材料的摩擦学性能一般比热塑性聚合物为基的好。性能一般比热塑性聚合物为基的好。4/21/202417.6.3.4 聚合物的应用n n1.1.滑动轴承滑动轴承 n n聚合物滑动轴承摩擦系数低、耐磨性高。无润滑时,摩聚合物滑动轴承摩擦系数低、耐磨性高。无润滑时,摩擦系数一般是擦系数一般是0.1-0.30.1-0.3,有润滑时可降至,有润滑时可降至0.010.01左右。左右。n n选材注意:选材注意:应考虑其承受压力应考虑其承受压力p p、速度、速度v v和和pvpv值。值。材料所允许的最高工作温度也应考虑。材料所允许的最高工作温度也应考虑。轴的材料轴的材料对
18、聚合物的磨损有相当大的影响。如用对聚合物的磨损有相当大的影响。如用PTFEPTFE做做滑动轴承,与铝轴配对时轴承磨损量比与钢配对时的磨滑动轴承,与铝轴配对时轴承磨损量比与钢配对时的磨损量大损量大20-5020-50倍。倍。轴的表面粗糙度值应足够低。轴的表面粗糙度值应足够低。4/21/202418.n n2.2.齿轮齿轮n n聚合物齿轮主要优点是摩擦系数小,吸振和防冲聚合物齿轮主要优点是摩擦系数小,吸振和防冲击性好,传动平稳且噪声小、耐蚀性好、重量轻。击性好,传动平稳且噪声小、耐蚀性好、重量轻。但强度较低,因此选材时要针对实际情况,选取但强度较低,因此选材时要针对实际情况,选取合适的材料,另外应
19、尽量采用合适的材料,另外应尽量采用斜齿轮斜齿轮。n n聚合物齿轮配对情况可分三种聚合物齿轮配对情况可分三种:n n同种聚合物同种聚合物;n n不同聚合物不同聚合物;n n金属金属聚合物。聚合物。4/21/202419.6.4 表面处理技术n n目的与意义:目的与意义:n n摩擦磨损现象总是发生在表面层。摩擦磨损现象总是发生在表面层。n n选用优良的整体材料来满足零件表面耐磨要求,选用优良的整体材料来满足零件表面耐磨要求,不经济。不经济。n n因此,采用表面处理技术,改善表面性质,使零因此,采用表面处理技术,改善表面性质,使零件具有良好的耐磨性,同时心部仍保持足够的韧件具有良好的耐磨性,同时心部
20、仍保持足够的韧性等其他性能。性等其他性能。实用、经济实用、经济。4/21/202420.表面涂覆法:表面涂覆法:使表面上覆盖一层耐磨材料。如使表面上覆盖一层耐磨材料。如堆焊、热喷涂、电镀、化学镀、物理和化学气堆焊、热喷涂、电镀、化学镀、物理和化学气相沉积等。相沉积等。表面合金化法:表面合金化法:改善表层化学成分和组织。如改善表层化学成分和组织。如间隙弥散强化法、扩散处理、电火花熔渗等。间隙弥散强化法、扩散处理、电火花熔渗等。改变表面显微组织法改变表面显微组织法:如表面形变处理、表面:如表面形变处理、表面热处理等。热处理等。表面耐磨处理方法4/21/202421.n n表面热处理是提高摩擦表面耐
21、磨性最常用的方表面热处理是提高摩擦表面耐磨性最常用的方法之一,主要采用表面淬火工艺,提高摩擦表法之一,主要采用表面淬火工艺,提高摩擦表面硬度。面硬度。n n按加热方式不同可分为:按加热方式不同可分为:高频感应淬火;高频感应淬火;火焰淬火;火焰淬火;盐浴加热淬火;盐浴加热淬火;激光淬火等激光淬火等。1.表面热处理4/21/202422.n n(1)(1)高频感应表面淬火高频感应表面淬火 n n特点:特点:加热速度快、热效率高、变形小、表面氧加热速度快、热效率高、变形小、表面氧化脱碳量小、生产率高,但要求较复杂的设备,化脱碳量小、生产率高,但要求较复杂的设备,且对不同形状的零件表面需要相应的感应圈
22、。且对不同形状的零件表面需要相应的感应圈。n n应用:应用:应用广泛。得到的马氏体组织比普通淬火应用广泛。得到的马氏体组织比普通淬火的细,硬度比一般淬火高的细,硬度比一般淬火高2-3 HRC2-3 HRC,且表面具有,且表面具有800MPa800MPa的残余压应力,直接用于要求疲劳强度和的残余压应力,直接用于要求疲劳强度和耐磨性较高的场合。耐磨性较高的场合。n n改进:改进:从耐磨性角度出发,高频淬火后的结构钢从耐磨性角度出发,高频淬火后的结构钢应在应在150-200150-200下回火。消除表面残余应力,提高下回火。消除表面残余应力,提高耐磨性。耐磨性。n n灰铁高频淬火后,也应在灰铁高频淬
23、火后,也应在250250左右回火,进一步左右回火,进一步提高耐磨性。提高耐磨性。4/21/202423.n n(2)(2)激光表面淬火激光表面淬火 n n用激光扫描金属表面,在很短时间内使金属达高温后,自用激光扫描金属表面,在很短时间内使金属达高温后,自冷淬火,奥氏体转变为隐状或细针状马氏体;或使表面薄冷淬火,奥氏体转变为隐状或细针状马氏体;或使表面薄层熔化又迅速冷却,使金属表层产生非晶态组织,获得较层熔化又迅速冷却,使金属表层产生非晶态组织,获得较高耐磨性。高耐磨性。n n应用:应用:n n适用于薄壁件的表面硬化处理,但不宜用于大型工件和重适用于薄壁件的表面硬化处理,但不宜用于大型工件和重载
24、工作条件的表面处理。载工作条件的表面处理。n n用于汽车发动机气缸套等零件,效果较好。用于汽车发动机气缸套等零件,效果较好。n n在激光处理的同时,还可以在表面加入合金元素,使表面在激光处理的同时,还可以在表面加入合金元素,使表面获得更佳的组织,进一步增加耐磨性。获得更佳的组织,进一步增加耐磨性。4/21/202424.n n(1)(1)表面渗碳表面渗碳 n n原理原理:就是向表面层渗入碳原子,增加表层含碳量。将工:就是向表面层渗入碳原子,增加表层含碳量。将工件置于渗碳气氛中,加热到件置于渗碳气氛中,加热到900-950900-950,渗碳介质分解产,渗碳介质分解产生活性碳原子并被钢表面吸收。
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