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毕业论文零件表面常见磨损机理的研究

潍坊科技学院

毕业设计（论文）

课题名称：

零件表面常见磨损机理的研究

学生姓名：

高健学号：

201002060275

院系：

汽车工程学院专业：

机电一体化技术

班级：

2010级机电7班指导教师：

张晓亮

2013年5月1日

（一）磨损的分类---------------------------------------------------------------------------------------------1

（1）磨损的分类----------------------------------------------------------------------------------1

（2）典型的磨损过程----------------------------------------------------------------------------3

（二）磨损的成因----------------------------------------------------------------------------------------------4

（1）磨损形成的因素----------------------------------------------------------------------------4

（2）磨损表面形态分析-------------------------------------------------------------------------5

（三）磨损避免方法-------------------------------------------------------------------------------------------6

（1）润滑---------------------------------------------------------------------------------------------6

（2）选用耐磨材料--------------------------------------------------------------------------------6

（3）进行表面改性--------------------------------------------------------------------------------6

（四）结束语-----------------------------------------------------------------------------------------------------10

（五）参考文献--------------------------------------------------------------------------------------------------11

内容摘要

自然界中不论机械零件,还是人造关节都存在着磨损。

可以说,磨损无处不在。

它直接影响着机器的运转精度和寿命。

而磨损实际是接触表面随着时间增加和载荷作用损伤的累积过程，据相关资料显示，每年全世界近五分之二的生产被摩擦磨损消耗掉。

由此可见研究分析磨损机理对社会生产和人类发展有着重大意义，因此,本文就磨损的分类、磨损的形成因素、磨损的避免方法三个方面展开系统的研究与分析。

。

关键词：

磨损的分类、磨损的形成因素、磨损的避免方法

（一）磨损的分类

磨损是零部件失效的一种基本类型。

通常意义上来讲，磨损是指零部件几何尺寸（体积）变小。

零部件失去原有设计所规定的功能称为失效。

①磨损的分类

根据近年来的研究，人们普遍认为按照不同的磨损机理来分类是比较恰当的，通常将磨损划分为四个基本类型：

粘着磨损；磨粒磨损；表面疲劳磨损；腐蚀磨损；微动磨损。

磨损类型

形成原因

现象

影响因素

粘着磨损

边界摩擦，载荷大，速度高，边界膜破坏，表面尖峰接触

形成材料转移

材料硬度，表面粗糙度，载荷、速度、温度，不同材料配副

磨粒磨损

表面的微峰或外界硬质颗粒进入摩擦面

表面划伤或犁沟现象

环境，表面硬度、粗糙度

疲劳磨损（也称疲劳点蚀）

接触应力反复作用：

轴承、齿轮

表层金属剥落，形成点蚀凹坑

表面硬度、粗糙度，润滑油粘度

虽然这种分类还不十分完善，但它概括了各种常见的磨损形式。

例如：

腐蚀磨损是表面和含有固体颗粒的液体相摩擦而形成的磨损，它可以归入磨粒磨损。

微动磨损的主要原因是接触表面的氧化作用，可以将它归纳在腐蚀磨损之内。

（1）粘着磨损:

粘着磨损是指在相互摩擦的两表面之间，由于温度较高，使摩擦表面的金属局部熔化发生转移粘附在相接触的零件表面的现象。

粘着磨损将会在零件表面形成麻点或鳞尾状磨痕。

严重的粘着磨损会产生零件表层金属内部撕裂，引起摩擦表面咬粘，即两摩擦表面粘附在一起，导致相对运动中止，造成机械事故，曲轴烧瓦和发动机拉缸即属此类。

减少粘着磨损的主要措施包括采用科学的磨合工艺、按规定要求强化材料表面、选择合适的表面粗糙度、保持良好的润滑等。

（2）磨粒磨损：

磨粒磨损是指在相互摩擦的两表面间，由于硬质颗粒的存在而引起零件表面磨损的现象。

磨粒磨损将会在材料表面划出沟槽，其磨损程度随运动速度、载荷、磨损硬度等的增大而加剧。

减小磨粒磨损的主要措施是防止外来磨粒进人和防止摩擦表面间产生磨粒。

（3）疲劳磨损:

疲劳磨损是指在周期性载荷长期作用下，相互接触的零件表面产生塑性变形及应力集中，导致形成微观裂纹，随摩擦进程的延续，微观裂纹进一步扩大并交织在一起，最后围成面积而剥落的现象。

疲劳磨损将在材料表面形成麻点、裂纹甚至微片剥落。

疲劳磨损是汽车滚动轴承、齿轮及凸轮等零件的主要磨损形式。

（4）腐蚀磨损:

腐蚀磨损是指因材料与周围介质发生化学或电化学反应而引起零部件表面材料损失的现象。

腐蚀磨损根据其介质性质等的不同可分为氧化磨损、特殊介质腐蚀磨损和穴蚀等3种形式。

减小腐蚀磨损的主要措施包括选用耐腐蚀性强的材料、对材料表面进行不同的处理（如表面挤压、表面淬火、碳氮共渗、表面喷锢）及正确的使用维护等。

以上介绍的为磨损的四种基本类型，但实际中表现出的磨损，常不能单纯地纳入上述四类基本形式。

有许多是以上基本类型的转化或复合。

如图

（1）、图

（2）所示随速度及载荷的变化，磨损类型也在变化。

这说明，磨损类型可以随工作条件的变化而发生转化。

图1磨损随速度转化示意图

图2磨损随载荷转化示意图

图3磨损的转化

著名科学家查尔德（Child）研究了载荷与速度对软钢-软钢无润滑条件下的磨损状态（见图3），表明磨损随工作条件的改变而发生转化。

②典型的磨损过程（三阶段）

1、磨合磨损过程

在一定载荷作用下形成一个稳定的表面粗糙度，且在以后过程中，此粗糙度不会继续改变，所占时间比率较小。

2、稳定磨损阶段

经磨合的摩擦表面加工硬化，形成了稳定的表面粗糙度，摩擦条件保持相对稳定，磨损较缓，该段时间长短反映零件的寿命。

3、剧烈磨损阶段

经稳定磨损后，零件表面破坏，运动副间隙增大→动载、振动→润滑状态改变→温升↑→磨损速度急剧上升→直至零件失效。

（二）磨损的形成因素

（1）磨损形成的因素

影响磨损的因素很多，但并非都可控制。

对于摩擦副的设计者，首先应保证工作参量不致引起磨损由稳态转向严重。

也即应当尽可能使润滑膜或吸附膜、反应膜等将固体接触表面分隔开。

把稳态时的磨损率限制在一定范围内，以满足设计的工作寿命。

常用有效的控制因素有下列多种：

①材料的选择

包括配对材料的组分、结构、金相组织和物理、化学性质等。

对于不同的磨损类型有不同的要求。

表1列出了不同磨损类型选择材料的要求。

表.1各种磨损类型对材料性能的要求

磨损类型

配对材料的性能要求

粘着磨损

不溶焊、不互溶、低表面能、低延展性、高硬度、六方结晶结构等易形成防粘着表面层

磨料磨损

高硬度、高含碳量、晶粒尺寸小、弹性模量低的细晶组织、纤维状（断口）结构、易于发生加工硬化

疲劳磨损

耐疲劳、耐腐蚀、表层含杂质较少

腐蚀磨损

更高的耐腐蚀能力，不易与所用的润滑材料起腐蚀性反应，表面进行耐腐蚀处理

②润滑剂的选择

润滑的主要作用之一是降低磨损，所以要针对可能存在的磨损状况选择合适的润滑剂。

应当提醒注意的是：

有的润滑剂可能对抗粘着磨损有利，但却会引起更严重的氧化磨损。

如含极压添加剂的润滑剂。

因此选用时一定要权衡利弊。

③表面粗糙度

根据润滑状态（如流体润滑、边界润滑、固体润滑）的不同，选择合适的粗糙度。

④机械结构和尺寸设计、安装调试等方面控制磨损

如设计尽量用大面积接触，减小接触应力、减少磨损。

⑤表面温升和冷却

材料的温升是导致摩擦副失效的重要原因，因此改善冷却条件，尽快降低摩擦面的温度是十分重要的。

如选用导热性能良好的材料，加大润滑剂流量，增大强制散热面积和增添散热装置等。

（2）摩擦表面的形态分析　　

由于摩擦现象发生在表面层，表层组织结构的变化是研究摩擦磨损规律和机理的关键，现代表面测试技术已先后用来研究摩擦表面的各种现象。

1、摩擦磨损表面形貌的分析

摩擦过程中表面形貌的变化可以采用表面轮廓仪和电子显微镜来进行分析。

表面轮廓仪是通过测量触针在表面上匀速移动，将触针随表面轮廓的垂直运动检测、放大，并且描绘出表面的轮廓曲线。

再经过微处理机的运算还可以直接测出表面形貌参数的变化。

目前常用的表面微观形貌分析设备为扫描电子显微镜。

电子扫描的图像清晰度好，并有立体感，放大倍数变化范围宽（20-20000倍），检测范围亦较大。

2、摩擦磨损表面结构的分析

金属表面在摩擦磨损过程中表层结构的变化通常用衍射技术来分析，常用的有电子衍射法、X射线衍射法。

1）电子衍射的穿透能力小，散射厚度仅为10-7～10-8cm。

电子衍射可用来进行薄层的摩擦表面分析，例如研究金属的粘着磨损和摩擦副材料迁移现象。

2）X射线穿透能力大,散射层厚度可达到10-4～10-2cm。

X射线衍射常用来对较厚的摩擦表面的结构分析。

例如，此法常用于研究发动机活塞环与缸套表面摩擦磨损后晶体尺寸的变化，单晶铁板在磨料磨损后由α铁向γ铁的转变以及润滑油添加剂在金属表面上的润滑机理。

（三）磨损的避免方法

①润滑

润滑是防磨的有效手段。

改善润滑技术，包括正确运用润滑原理，合理设计润滑方式和润滑系统，研制开发新型有效的润滑材料等等。

但必须注意的是：

某种手段对某工况下适用、有效，并不等于它对任何工况都适用。

②选用耐磨材料

根据不同的磨损类型来选择耐磨材料和摩擦副配对。

③进行表面改性

使用整体耐磨材料通常比较昂贵，另外，有些性能能满足耐磨，但不能满足摩擦元件对强度、刚度、韧性等要求。

采用表面改性的方法，可以充分发挥材料表面和芯部不同的作用。

表面改性有两方面用途：

a.试图降低摩擦力

改善负荷分布及接触状态。

改性后的表面应具有低剪切强度和润滑作用。

通常用（施加）与原表面不同的各种涂（镀）层：

如

粘结固体润滑膜：

借助于粘结剂将固体润滑剂牢固地粘结在摩擦表面上起润滑剂作用的涂层。

物理气相沉积镀层：

在真空环境中，用物理的方法，在温度场、电场、和／或磁场的作用下，把润滑剂或软金属以气相形式沉积到基底材料表面，得到具有润滑性的薄膜。

如溅射MoS2或离子镀Ag膜。

化学气相沉积涂层：

化合物在高温下气化，然后沉积在真空室中加热的基底材料上。

或在沉积的同时通入反应气体，在表面上形成新的化合物。

如碳膜

固体润滑剂擦涂膜：

将固体润滑剂直接用软布插涂到摩擦表面上形成的润滑剂涂层。

电化学沉积膜（包括共析电镀、电泳、化学镀等）：

通过电镀或电解等方法将润滑剂和金属一起沉积在基底表面上。

如Au-Cu-Ni-MoS2，Ni-石墨，电泳MoS2等。

原位化学转化膜：

如硫化氢气体在高温下与镀有MoO3表面起反应转化为MoS2膜。

摩擦聚合膜：

在摩擦过程中，润滑油脂与金属及添加剂作用产生聚合反应形成的固态润滑膜。

LB膜（Langmuir-Blodgett）：

是将单分子层连续转移而构成多层组合膜的总称。

如将长链化合物二十二烷酸的单分子层和MoS2一起转移在固体基底表面上起润滑作用。

b.防止表面损伤

改性后得到耐磨的硬表面。

常用的有：

机械强化处理，表面化学处理，常规的金属热处理，化学热处理，热喷涂和等离子喷涂膜等。

以及近代的物理表面强化技术（包括物理气相沉积、化学气相沉积、激光技术、等离子技术、离子注入和离子束技术等方法）。

现介绍几种常用的表面改性技术。

⑴机械强化处理

主要有喷砂（干喷和湿喷），喷丸，起冷作硬化作用。

目的与性能：

达到一定的粗糙度，有利于机械啮合或储存润滑剂的作用；提高表面硬度，暴露新鲜表面，提高表面活性。

⑵表面化学处理

表面化学处理是通过在表面上进行化学反应，使金属形成一个表面层。

表面层具有以下不同类型：

多孔型表面层，便于储存润滑剂，如ZnPO3。

活性表面层，易于与其上的润滑膜或边界膜相结合，如FeS。

或改变惰性材料表面的钝化性。

防腐蚀、耐磨、改变表面能等。

常用的表面化学处理方法有：

钢铁：

磷化、硫化、氧化等。

可提高其表面上润滑膜的防腐性及耐磨性。

不锈钢：

氧化、草酸盐化。

可增强不锈钢表面的活性。

铝：

阳极氧化、氯化。

可提高铝的耐磨性。

铜：

氧化。

聚合物：

改变聚合物的表面能。

如PTFE用四氢呋喃和精萘处理后，磨损率降低到原来的1/200。

⑶常规的金属热处理

淬火、表面淬火：

将金属加热到再结晶温度（相变）以上，突然冷却（于水或油中），使材料发生相变。

一般是由奥氏体（γ）转变为马氏体（硬）或再经调质处理得珠光体等。

以达到提高硬度或强度的目的。

对于不同成分的金属，可根据其各自的金属合金平衡相图查得合适的热处理规程（包括温度、升温速度、保温时间、冷却速度等）。

普通加热炉中对整体零件加热后淬火，使整体硬度增加；如使用高频加热炉快速加热零件表面，进行表面淬火，可提高表面硬度而保持芯部原有的金相组织。

尚有回火、退火等处理方法，为改善和调整材料性质。

这种处理一般在机械加工过程中进行，由摩擦副的设计及加工部门制订和实施。

⑷化学热处理—镀热扩散

镀热扩散

金属表面镀层后置于高温下进行热扩散，使镀层中的元素或化合物扩散到金属基体表面，然后进行常规的热处理，以提高材料的摩擦学性能。

有报道用盐浴对某种金属底材上的青铜镀层进行热扩散，然后经退火、回火、冷处理等不同的处理方法，使青铜镀层的结构和摩擦学表面的能量状态发生明显的变化，并具有良好的摩擦学性能。

裴有福、齐毓霖等报道了一种刷镀渗入法。

在金属底材40Cr钢和Ly12（铝合金）上分别用电刷镀法制备Sn和Cu+In复合镀层，然后在N2保护下，于密封式管状炉中加热。

用X-射线衍射及显微分析，表明底材中渗入了镀层的成分并形成了合金。

材料的摩擦磨损性能有明显改善。

（四）结束语

在论文即将完成之际，感谢我的指导老师张小亮张老师，他严谨细致、一丝不苟的工作态度是我今后学习、工作中的榜样。

他循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。

这篇论文中的每个实验细节和每个实验数据，都离不开您的细心指导，而您开朗的个性和宽容的态度，帮助我能够很快融入这个实验中去。

感谢父母无言的支持，焉得媛草，言树之背，父母之恩，无以回报。

您们永远开心快乐是我最大的心愿。

在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始到论文顺利完成，有多少可敬的老师、友善的同学、真挚的朋友给予我无言的帮助，在这里请接受我最诚挚的谢意！

风雨不改凌云志，振衣灈足展襟怀。

行方智圆煅内蕴，海阔天空铸宏图。

（五）参考文献

1.陈耕、汪一麟，《摩擦与磨损》，同济大学出版社，1989，上海

2.郑林庆，《摩擦学原理》，高等教育出版社，1994，北京

3.宫德利，“表面处理对PTFE和HDPE摩擦磨损的影响”，《固体润滑》

4.张绪寿，冶银平，“离子束表面改性及其在摩擦学中的应用”，《摩擦学学报》，

5.桂长林，“摩擦磨损试验机设计基础”，《固体润滑》9（1990）2，120

6.刘家浚等，“铸铁挺杆的磨损”《固体润滑》4（1984）2，66

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