黑龙江科技学院黑龙江科技学院摩擦学原理摩擦学原理主要内容主要内容金属耐磨材料金属耐磨材料 表面处理技术表面处理技术 摩擦与磨损测试技术摩擦与磨损测试技术 123影响钢耐影响钢耐磨性因素磨性因素含碳量含碳量合金合金 元素元素金相金相组织组织碳化物碳化物 金属耐磨材料金属耐磨材料一、耐磨钢一、耐磨钢含碳量的影响含碳量的影响对于碳钢来说，适当的增加含碳量，可以提高耐磨性。对于碳钢来说，适当的增加含碳量，可以提高耐磨性。0.20.3%C 淬火后获得低碳板条马氏体组织，淬火后获得低碳板条马氏体组织，韧性高并有适当的硬度韧性高并有适当的硬度(HRC4050)适用适用于要求韧性高，耐磨性较低的工件。于要求韧性高，耐磨性较低的工件。 0.40.6%C 淬火后获得混合型马氏体组织，适淬火后获得混合型马氏体组织，适用于要求较高耐磨和足够韧性的工件。用于要求较高耐磨和足够韧性的工件。0.60.9%C 淬火后显微组织以片状孪晶马氏体淬火后显微组织以片状孪晶马氏体为主，硬度高为主，硬度高(HRC60)，脆性大，适用，脆性大，适用于要求较耐磨高、韧性较低的工件。于要求较耐磨高、韧性较低的工件。 低碳钢低碳钢低碳钢低碳钢中碳钢中碳钢中碳钢中碳钢 高碳钢高碳钢高碳钢高碳钢溶于固溶体，形成溶于固溶体，形成碳化物提高淬透性，碳化物提高淬透性，增加回火脆性，增加回火脆性，2%脱氧、去硫、净化脱氧、去硫、净化钢液、细化晶粒、钢液、细化晶粒、改善钢的质量改善钢的质量只溶于固溶体，只溶于固溶体，使使F强化，提高钢强化，提高钢的回火能力的回火能力强烈提高淬透性强烈提高淬透性过高使脆性增大，过高使脆性增大，可获可获B组织组织溶于固溶体和合金溶于固溶体和合金渗碳体渗碳体(Fe,Mn)3C，提高淬透性，提高淬透性，2%只溶于固溶体，提只溶于固溶体，提高淬透性、塑性、高淬透性、塑性、韧性，韧性，1.65%Cr时时,会因会因A增加而增加而使硬度和稳定性下降。使硬度和稳定性下降。耐磨零件的常用钢种耐磨零件的常用钢种3 、热处理和组织特点、热处理和组织特点滚动轴承钢是过共析钢。滚动轴承钢是过共析钢。 热处理：热处理： 球化退火球化退火+淬火淬火+低温回火低温回火 组织：组织： M回回+颗粒状碳化物颗粒状碳化物+A(少量少量)l淬火后进行冷处理淬火后进行冷处理 (-60 -80), 可以减可以减少少A、稳定尺寸。稳定尺寸。 轴承生产车间轴承生产车间耐磨零件的常用钢种耐磨零件的常用钢种滚针轴承滚针轴承滚柱轴承滚柱轴承滚珠轴承滚珠轴承大大型型轴轴承承4、常用钢号及用途、常用钢号及用途应用最广的是应用最广的是GCr15，大量用于大大量用于大中型轴承；中型轴承；大型轴承用大型轴承用GCr15SiMn。这类钢还可用于制造模具、量具等。这类钢还可用于制造模具、量具等。向向向向心心心心球球球球轴轴轴轴承承承承耐磨零件的常用钢种耐磨零件的常用钢种是指在冲击载荷作用下发是指在冲击载荷作用下发生冲击硬化的生冲击硬化的高锰钢高锰钢。钢号钢号:ZGMn13。1、成分特点成分特点 高碳：高碳：1.01.3%C 以保持高耐磨性。以保持高耐磨性。 高锰：高锰：1114%Mn 以保证形成奥氏体组织。以保证形成奥氏体组织。（三）（三）耐磨钢耐磨钢耐磨钢耐磨钢高锰钢铸件高锰钢铸件高锰钢高锰钢耐磨零件的常用钢种耐磨零件的常用钢种2、热处理及组织、热处理及组织铸态组织为铸态组织为奥氏体奥氏体+碳碳化物化物, 性能硬而脆。性能硬而脆。热处理采用水韧处理。热处理采用水韧处理。即将钢加热到即将钢加热到1100，使碳化物溶入奥氏体，使碳化物溶入奥氏体，并进行水淬。并进行水淬。室温组织为过饱和单相室温组织为过饱和单相奥氏体。奥氏体。高锰钢水韧处理组织高锰钢水韧处理组织浇铸高锰钢件浇铸高锰钢件耐磨零件的常用钢种耐磨零件的常用钢种水韧水韧处理的工艺特征处理的工艺特征铸态铸态组织高锰钢组织高锰钢加热到加热到10501100A水淬水淬A受到剧烈冲击或较大压力受到剧烈冲击或较大压力表层表层MHB500心部心部AHB220 A + Cm耐磨零件的常用钢种耐磨零件的常用钢种高锰钢铸态和水韧处理后的组织高锰钢铸态和水韧处理后的组织高锰钢铸态组织高锰钢铸态组织 ( ( 化染化染 )58 )58 高锰钢水韧淬火组织高锰钢水韧淬火组织 ( ( 化染化染 )58)58 水韧处理组织水韧处理组织铸态组织铸态组织耐磨零件的常用钢种耐磨零件的常用钢种3、使用及用途、使用及用途水韧处理后，韧性高，硬度低水韧处理后，韧性高，硬度低.使用时必须使用时必须伴随着压力和冲击伴随着压力和冲击作用。作用。在压力及冲击作用下，表面奥在压力及冲击作用下，表面奥氏体迅速氏体迅速加工硬化加工硬化，形成，形成马氏马氏体并析出碳化物体并析出碳化物，使表面硬度，使表面硬度提高提高到到HB500550，获得高耐获得高耐磨性。而心部仍为磨性。而心部仍为奥氏体奥氏体组织组织,具有高耐冲击能力。具有高耐冲击能力。颚颚式式破破碎碎机机挖掘机挖掘机耐磨零件的常用钢种耐磨零件的常用钢种高锰钢广泛用于既要求耐磨又高锰钢广泛用于既要求耐磨又要求耐冲击的零件。要求耐冲击的零件。如拖拉机如拖拉机的履带板、球磨机衬板、破碎的履带板、球磨机衬板、破碎机牙板、挖掘机牙板、挖掘机铲齿和铁路机铲齿和铁路辙岔等。辙岔等。 履带履带履带履带球磨机衬板球磨机衬板挖挖掘掘机机铲铲齿齿铁路辙岔铁路辙岔破破碎碎机机牙牙板板耐磨零件的常用钢种耐磨零件的常用钢种二二. .耐磨铸铁耐磨铸铁1.高磷铸铁高磷铸铁l高磷铸铁高磷铸铁一般指含磷量高于一般指含磷量高于0.3%的灰铸铁的灰铸铁lP在铸铁基体中的固溶度很低，凝固过程中在最后凝固的晶界在铸铁基体中的固溶度很低，凝固过程中在最后凝固的晶界处往往出现二元磷共晶（处往往出现二元磷共晶（F+Fe3P）或三元磷共晶）或三元磷共晶（F+Fe3C+Fe3P）。一般）。一般P0.15%就会出现磷共晶。就会出现磷共晶。l磷共晶硬度较高：磷共晶硬度较高：600800HV，以断续状分布在基体金属中，以断续状分布在基体金属中，不易剥落，对提高铸铁的耐磨性有利。不易剥落，对提高铸铁的耐磨性有利。 金属耐磨材料金属耐磨材料组织：组织：高磷铸铁高磷铸铁P基基+片状石墨片状石墨+磷共晶磷共晶1.高磷铸铁高磷铸铁应用：应用：机床导轨、汽缸套等机床导轨、汽缸套等机床导轨机床导轨2.硼铸铁硼铸铁 B=0.030.08%。硼铸铁凝固时，硼在硼铸铁凝固时，硼在A中固溶度只有中固溶度只有0.018%，在晶界的残留液体中富集，在晶界的残留液体中富集B元素，当元素，当B在金属在金属液富集到一定程度（大于液富集到一定程度（大于0.5%）后，将阻碍）后，将阻碍G析出，析出，凝固按凝固按Fe-Fe3C介稳定系进行，在共晶团晶界处析出断介稳定系进行，在共晶团晶界处析出断续状或连续状含硼碳化物相，这种固溶有续状或连续状含硼碳化物相，这种固溶有B的碳化物的碳化物硬度比硬度比Fe3C高，约高，约1100HV。耐磨铸铁耐磨铸铁活塞环活塞环汽缸套汽缸套 3.钒钛铸铁钒钛铸铁 V=0.30.5%，Ti=0.150.35%。V、Ti与碳和氮有与碳和氮有很强的亲和力，易形成高硬度的碳化物和氮化物质很强的亲和力，易形成高硬度的碳化物和氮化物质点，显微硬度可达点，显微硬度可达9601840HV，弥散分布在基体，弥散分布在基体中，使铸铁的耐磨性大大提高。中，使铸铁的耐磨性大大提高。耐磨铸铁耐磨铸铁发动机缸套发动机缸套表面热处理表面热处理钢的表面淬火钢的表面淬火v 仅仅把把零零件件需需耐耐磨磨的的表表层层淬淬硬硬，而而中中心心仍仍保保持持未未淬淬火火的的高高韧韧性性状状态态。（只只改改变变表表层层组组织织而而不不改改变变化化学学成分）成分）v表面淬火零件所用的材料一般是中碳钢，如表面淬火零件所用的材料一般是中碳钢，如4040、4545钢及中碳合金结构钢如钢及中碳合金结构钢如40Cr40Cr、40MnB40MnB等。等。v表面淬火必须用高速加热法使零件表面层很快地达到表面淬火必须用高速加热法使零件表面层很快地达到淬火温度，而不等其热量传至内部，立即迅速冷却使淬火温度，而不等其热量传至内部，立即迅速冷却使表面层淬硬。表面层淬硬。表面处理技术表面处理技术一、一、火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火加热源：加热源：氧乙炔或氧乙炔或氧煤气的混合气体氧煤气的混合气体特特 点：点：操作简单，无需特殊设备操作简单，无需特殊设备淬硬层一般为淬硬层一般为2-6mm2-6mm淬火质量不易稳定淬火质量不易稳定适于单件或小批量生产适于单件或小批量生产二、感应加热表面淬火二、感应加热表面淬火v高频淬火高频淬火工艺工艺水或聚乙烯醇水溶液冷却（油易燃） ； 160-200低温回火，提高韧性，降低淬火残余应力。自身回火淬火法v高频淬火优缺点高频淬火优缺点利用电流的表面效应来实现的。利用电流的表面效应来实现的。一、化学热处理的分类一、化学热处理的分类 依据所渗入元素的不同，可将化学热处理分为渗碳、渗氮、渗硼、渗铝等。如果同时渗入两种以上的元素，则称之为共渗，如碳氮共渗、铬铝硅共渗等。渗入钢中的元素，可以溶人铁中形成固溶体，也可以与铁形成化合物。表面化学热处理表面化学热处理渗碳渗碳二、渗碳的目的、分类及应用二、渗碳的目的、分类及应用1 1、定义、定义： 钢钢在在渗渗碳碳就就是是钢钢件件在在渗渗碳碳介介质质中中加加热热和和保保温温，使使碳碳原原子子渗渗入入表表面面，获获得得一一定定的的表表面面含含碳碳量量和和一一定定碳碳浓浓度度梯梯度度的的工工艺艺。这是机器制造中应用最广泛的一种化学热处理工艺。这是机器制造中应用最广泛的一种化学热处理工艺。2 2、目的：、目的： 渗渗碳碳的的目目的的是是使使机机器器零零件件获获得得高高的的表表面面硬硬度度、耐耐磨磨性性及及高高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度。3 3、分类：、分类： 根根据据所所用用渗渗碳碳剂剂在在渗渗碳碳过过程程中中聚聚集集状状态态的的不不同同，渗渗碳碳方方法可以分为法可以分为a a）固体渗碳法、）固体渗碳法、b)b)液体渗碳法及液体渗碳法及c)c)气体渗碳法三种。气体渗碳法三种。表面化学热处理表面化学热处理渗碳渗碳二、炉气反应与碳势控制二、炉气反应与碳势控制1 1、炉气反应：、炉气反应： 2CO C2CO CCO2+CO2+Q Q CH CH4 4 C C2H2H2 2- -Q Q CO COH H2 2 C CH H2 2O O CO C CO C1/2O1/2O2 2 渗碳气氛：渗碳气氛： COCO和和CHCH4 4 脱碳气氛：脱碳气氛：H H2 2、COCO2 2、H H2 2O O、O O2 2等。气氛中的等。气氛中的N N2 2为中性为中性气体气体 整个气氛的渗碳能力取决于这些组分的综合作用，整个气氛的渗碳能力取决于这些组分的综合作用，而不只是哪一个单组分的作用。而不只是哪一个单组分的作用。表面化学热处理表面化学热处理渗碳渗碳第第一一阶阶段段升升温温排排气气阶阶段段。第第二二阶阶段段强强渗渗阶阶段段。第第三三阶阶段段扩扩散散阶阶段段。第第四四阶阶段段降降温温预预冷冷阶阶段段。使使温温度度降降到到淬淬火火温温度，便于直接淬火。度，便于直接淬火。图4-8 20CFMnTi钢拖拉机油泵齿轮在RJJ-90炉中气体渗碳的工艺曲线I 煤油1255滴 II 煤油5055滴 III 煤油2025滴 IV 煤油2025滴 V 煤抽2025滴均温30120240930温度 / 时间 / minIIIIIIIVV放气15min淬油上区860下区850试棒层深0.60.7mm试棒层深1.11.5mm 排气升温直接淬火增碳期扩散期降温期加热渗碳扩散冷却表面化学热处理表面化学热处理渗碳渗碳三、渗碳后的组织和性能三、渗碳后的组织和性能渗碳层的组织：渗碳层的组织：在正常情况下，渗碳层在淬火在正常情况下，渗碳层在淬火后组织从表面到心部依次为：后组织从表面到心部依次为： 马氏体和残余奥氏体加碳化物马氏体和残余奥氏体加碳化物马氏体加马氏体加残余奥氏体残余奥氏体马氏体马氏体心部组织。心部组织。表面化学热处理表面化学热处理渗碳渗碳1 1 电镀的特点电镀的特点n电镀一般在电镀一般在100100以下，不会破坏零件的原来的热处理状态，不会以下，不会破坏零件的原来的热处理状态，不会使零件产生热应力和变形等；使零件产生热应力和变形等；n镀层与零件基体镀层与零件基体结合强度高结合强度高；n镀层镀层质量和厚度比较容易控制质量和厚度比较容易控制；n电镀可电镀可改善零件表面物理机械性能改善零件表面物理机械性能，如耐磨性，抗腐蚀性，光亮，如耐磨性，抗腐蚀性，光亮，硬度等；硬度等；n增大零件的几何尺寸（增大零件的几何尺寸（恢复配合性质恢复配合性质）；）；n设备复杂、成本高、生产力较低设备复杂、成本高、生产力较低；n对对工人技术条件要求高，污染大，对人体有一定的害处工人技术条件要求高，污染大，对人体有一定的害处等。等。表面电镀表面电镀2 2 电镀基本原理电镀基本原理n阴极阴极 被镀零件。被镀零件。n阳极阳极 通常为被镀金属。通常为被镀金属。n镀槽镀槽 不溶解的金属或非金属。不溶解的金属或非金属。 如铅、铅锑合金、塑料等。如铅、铅锑合金、塑料等。4.4. 电解液电解液 通常为通常为被镀金属离子被镀金属离子 的盐溶液。的盐溶液。3 3 金属镀层的分类金属镀层的分类n耐磨镀层：耐磨镀层： 借镀层的硬度以增加抗磨损能力。如镀借镀层的硬度以增加抗磨损能力。如镀硬铬，松孔镀铬、镀铁等。硬铬，松孔镀铬、镀铁等。n修复性镀层：修复性镀层： 恢复磨损零件的原始尺寸，如镀铬，镀恢复磨损零件的原始尺寸，如镀铬，镀铁等。铁等。图图 电解原理示意图电解原理示意图表面电镀表面电镀电刷镀加工原理、特点及应用范围电刷镀加工原理、特点及应用范围 1. 1. 原理：原理：n工件接工件接负极负极、镀笔接、镀笔接正极正极，n镀液中的金属正离子在电场作镀液中的金属正离子在电场作用下在阴极表面获得电子而沉用下在阴极表面获得电子而沉积涂镀在阴极表面，满足工件积涂镀在阴极表面，满足工件尺寸和表面性能的要求。尺寸和表面性能的要求。n厚度可达到（厚度可达到（0.001-0.5mm)0.001-0.5mm)图涂镀加工原理图涂镀加工原理1-1-盛液盘；盛液盘；2-2-电解液；电解液；3-3-零件零件4-4-输液管；输液管；5-5-阳极及抱套；阳极及抱套；6-6-镀笔；镀笔；7-7-稳压电源稳压电源表面电刷镀表面电刷镀 2.2.特点：特点： 1) 1) 设备简单、施工方便、特别设备简单、施工方便、特别适合于现场施工适合于现场施工。 2) 2) 涂镀层种类多，可实现复合镀层以满足表面性能的要涂镀层种类多，可实现复合镀层以满足表面性能的要求。如，求。如，硬度硬度(HRC40-50)(HRC40-50)，耐磨性，耐腐性，耐磨性，耐腐性等。等。 3) 3) 镀层与基体的结合力高镀层与基体的结合力高( (高于槽镀的结合强度高于槽镀的结合强度) )，生产，生产效率高效率高( (比常规电沉积高比常规电沉积高5-505-50倍倍) )，镀层厚度的可控性强。，镀层厚度的可控性强。 4) 4) 生产效率低，劳动强度较大生产效率低，劳动强度较大。 3. 3. 应用范围应用范围 1) 1) 恢复零件的尺寸和几何形状恢复零件的尺寸和几何形状。 2) 2) 填补零件填补零件表面上的划伤、凹坑、斑蚀、孔洞等缺陷。表面上的划伤、凹坑、斑蚀、孔洞等缺陷。 3) 3) 改善表面性能改善表面性能：如大型、复杂、单个小批工件的表面：如大型、复杂、单个小批工件的表面局部镀镍、铜、锌、镉、钨、金、银等防腐层、耐磨层等。局部镀镍、铜、锌、镉、钨、金、银等防腐层、耐磨层等。 金属喷涂是用高速气流将被热源熔化的金属金属喷涂是用高速气流将被热源熔化的金属（丝材、棒材或粉末）雾化成细小的金属颗粒，（丝材、棒材或粉末）雾化成细小的金属颗粒，以很高的速度吹敷到已准备好的零件表面上；以很高的速度吹敷到已准备好的零件表面上； 根据熔化金属所用热源的不同，喷涂可分为根据熔化金属所用热源的不同，喷涂可分为电喷涂、气体火焰喷涂、高频电喷涂、等离子喷电喷涂、气体火焰喷涂、高频电喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂等；涂、爆炸喷涂等； 由于气体火焰喷涂，具有设备简单、操作简由于气体火焰喷涂，具有设备简单、操作简便、应用灵活、噪声小等优点，因此在汽车零件便、应用灵活、噪声小等优点，因此在汽车零件修理中应用最广，主要用于修复曲轴、凸轮轴、修理中应用最广，主要用于修复曲轴、凸轮轴、气缸等；气缸等；表面喷涂表面喷涂 喷焊是用高速气流将用氧乙炔火焰加热熔化的喷焊是用高速气流将用氧乙炔火焰加热熔化的自融合金粉末喷涂到准备好的零件表面上，并经过再自融合金粉末喷涂到准备好的零件表面上，并经过再一次重熔处理形成一层薄而平整呈焊合状态的表面层一次重熔处理形成一层薄而平整呈焊合状态的表面层喷焊层。它可使工件表面具有耐磨、耐蚀、耐热及喷焊层。它可使工件表面具有耐磨、耐蚀、耐热及抗氧化的特殊性能。喷焊与喷涂工艺相似，但可达到抗氧化的特殊性能。喷焊与喷涂工艺相似，但可达到堆焊的效果；喷焊工艺；堆焊的效果；喷焊工艺； 氧乙炔喷焊工艺一般为：工件表面准备氧乙炔喷焊工艺一般为：工件表面准备喷前喷前预热预热喷涂粉末喷涂粉末重熔处理重熔处理冷却冷却精加工等几项工精加工等几项工序；序； 由于喷焊层具有高的结合强度和好的耐磨性，目由于喷焊层具有高的结合强度和好的耐磨性，目前被广泛用于修复阀们、气门、键槽、凸轮等零件；前被广泛用于修复阀们、气门、键槽、凸轮等零件； 表面喷焊表面喷焊n利用焊接方法在零件表面堆焊材料，并利用焊接方法在零件表面堆焊材料，并与基体材料发生熔融、混合和在凝固的与基体材料发生熔融、混合和在凝固的过程，使表面形成冶金结合的熔覆层。过程，使表面形成冶金结合的熔覆层。表面堆焊表面堆焊