第四章摩擦材料工程设计方法.ppt
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第四章第四章摩擦材料工程设计方法摩擦材料工程设计方法概述概述本章以烧结摩擦材料为例,介绍一下摩擦材料工本章以烧结摩擦材料为例,介绍一下摩擦材料工程设计的基本方法和思路。
烧结摩擦材料是用烧结方程设计的基本方法和思路。
烧结摩擦材料是用烧结方法制造的、具有合适摩擦系数和高耐磨性能的金属材法制造的、具有合适摩擦系数和高耐磨性能的金属材料或金属和非金属的复合材料。
根据作用效果不同,料或金属和非金属的复合材料。
根据作用效果不同,烧结摩擦材料又分为减摩材料和耐磨材料两种,其中烧结摩擦材料又分为减摩材料和耐磨材料两种,其中减摩材料具有良好的自润滑性能,能在缺油甚至无油减摩材料具有良好的自润滑性能,能在缺油甚至无油润滑的干摩擦条件下,或在高速、高载荷、高温、高润滑的干摩擦条件下,或在高速、高载荷、高温、高真空等极限润滑条件下工作,因而应用范围比一般铸真空等极限润滑条件下工作,因而应用范围比一般铸造金属或塑料减摩材料广泛,除大量用作滑动轴承外,造金属或塑料减摩材料广泛,除大量用作滑动轴承外,还广泛用作导轨、活塞环、密封环、电器的滑动零件还广泛用作导轨、活塞环、密封环、电器的滑动零件等;而耐磨材料则广泛应用于一些耐磨环境中,如制等;而耐磨材料则广泛应用于一些耐磨环境中,如制动器、汽缸及其它一些需要耐磨的工况中。
动器、汽缸及其它一些需要耐磨的工况中。
1材料中组元的分类材料中组元的分类烧结摩擦材料是一种含有金属和非金属多种组分的假合金,烧结摩擦材料是一种含有金属和非金属多种组分的假合金,在一定程度上可将这些组分分为三类:
在一定程度上可将这些组分分为三类:
n基体组元:
基体组元:
形成材料基体并促进形成一定的物理形成材料基体并促进形成一定的物理机械性能机械性能的组元。
烧结材料的这类组元具有金属属性,一般为金属的组元。
烧结材料的这类组元具有金属属性,一般为金属(铜、铜、铁、镍铁、镍)的合金。
的合金。
n抗卡剂(固体润滑剂或者摩擦稳定剂):
抗卡剂(固体润滑剂或者摩擦稳定剂):
调节粘结程度的组元,调节粘结程度的组元,它们能减小或完全消除粘结和卡滞,促使摩擦平稳,减小表面它们能减小或完全消除粘结和卡滞,促使摩擦平稳,减小表面磨损。
石墨、钼、铜、锌、钡、铁等的硫化物,氮化物及低熔磨损。
石墨、钼、铜、锌、钡、铁等的硫化物,氮化物及低熔点纯金属点纯金属(铅、铋,锡、锑等铅、铋,锡、锑等)。
n摩擦剂:
摩擦剂:
调节机械相互作用大小的组元。
属于这类组元的有:
调节机械相互作用大小的组元。
属于这类组元的有:
硅、铝、铬的氧化物、碳化硅和碳化硼,矿物性的复杂化合物硅、铝、铬的氧化物、碳化硅和碳化硼,矿物性的复杂化合物(石棉、莫来石、蓝晶石、硅灰石石棉、莫来石、蓝晶石、硅灰石)等。
等。
孔隙?
孔隙?
2形成金属基体的组元形成金属基体的组元烧结摩擦材料的强度、耐磨性和耐热性在烧结摩擦材料的强度、耐磨性和耐热性在很大程度上取决于基体的组织结构、物理和化很大程度上取决于基体的组织结构、物理和化学性质。
作为工作面的金属基体,在摩擦时发学性质。
作为工作面的金属基体,在摩擦时发生变形及磨损产物的进一步破坏。
此外,由于生变形及磨损产物的进一步破坏。
此外,由于摩擦所产生的热要经过金属基体传导出去,金摩擦所产生的热要经过金属基体传导出去,金属基体应保持住摩擦剂和润滑剂的颗粒。
属基体应保持住摩擦剂和润滑剂的颗粒。
发展发展:
铜铜铜合金铜合金铁基铁基铁合金基铁合金基钨、钼、铌钨、钼、铌基基l铜:
铜:
散热性好,易于压制,易烧结;但摩擦系数高。
散热性好,易于压制,易烧结;但摩擦系数高。
l铜锡合金:
铜锡合金:
强化铜,强度,硬度强化铜,强度,硬度,改善耐热性以及,改善耐热性以及摩擦特性。
铜摩擦特性。
铜锡:
锡:
91。
含锡含锡6-8%的摩擦盘的磨合性能最好,总磨损量最小的摩擦盘的磨合性能最好,总磨损量最小n铜铝合金铜铝合金:
强度:
强度,耐热强度,耐热强度,可有效提高铜与钢,可有效提高铜与钢粘结力。
铝含量为粘结力。
铝含量为7-10%。
n铁基:
铁基:
熔点高,强度、硬度、塑性、耐热强度和抗熔点高,强度、硬度、塑性、耐热强度和抗氧化性高,易于压制和烧结,而成本低。
但易粘接。
氧化性高,易于压制和烧结,而成本低。
但易粘接。
n铁合金:
铁合金:
塑性塑性,强度、屈服极限和硬度,强度、屈服极限和硬度,耐热强,耐热强度和抗氧化性度和抗氧化性。
要求:
要求:
l强化和提高基体耐磨性能;强化和提高基体耐磨性能;l提高耐热强度;提高耐热强度;l改善摩擦表面的导热;改善摩擦表面的导热;l采用价廉易得的金属代替贵重稀缺的金属。
采用价廉易得的金属代替贵重稀缺的金属。
3起固体润滑剂作用的组元起固体润滑剂作用的组元有很多物质,将它们加入摩擦材料可改善有很多物质,将它们加入摩擦材料可改善抗卡滞性能,提高材料的耐磨性。
抗卡滞性能,提高材料的耐磨性。
n金属中有铅、铋、锑等低熔点金属;金属中有铅、铋、锑等低熔点金属;n非金属有石墨、二硫化钼、二硫化钨、硫化亚非金属有石墨、二硫化钼、二硫化钨、硫化亚铜、某些金属的磷化物铜、某些金属的磷化物(铜、镍、铁、钴铜、镍、铁、钴)、氮、氮化硼、滑石、某些氧化物,铁基材料中还有硫化硼、滑石、某些氧化物,铁基材料中还有硫酸钡、硫酸亚铁等。
酸钡、硫酸亚铁等。
广泛应用:
层状结晶构造广泛应用:
层状结晶构造易熔金属润滑机理:
易熔金属润滑机理:
工作中以薄膜状态分布其上,材料的接触面积大小及工作中以薄膜状态分布其上,材料的接触面积大小及其承压能力,基本上由材料中强度大的合金组分其承压能力,基本上由材料中强度大的合金组分(金属基金属基体体)的硬度来确定,而材料接触面的抗剪强度,也就是摩的硬度来确定,而材料接触面的抗剪强度,也就是摩擦力,基本上取决于材料中软组分的强度。
擦力,基本上取决于材料中软组分的强度。
n无润滑摩擦:
当摩擦表面温度超过易熔金属熔点时,这些无润滑摩擦:
当摩擦表面温度超过易熔金属熔点时,这些金属便熔化并在摩擦表面形成润滑薄膜。
薄膜降低了摩擦金属便熔化并在摩擦表面形成润滑薄膜。
薄膜降低了摩擦系数,结果也降低了表面温度系数,结果也降低了表面温度(所谓自调节原理)。
摩擦所谓自调节原理)。
摩擦表面温度降低熔融金属又重新凝固,使得摩擦系数提高表面温度降低熔融金属又重新凝固,使得摩擦系数提高到原有水平。
到原有水平。
n润滑摩擦:
由于温度低、边界层的局部地方有剪切变形及润滑摩擦:
由于温度低、边界层的局部地方有剪切变形及摩擦偶件不直接接触,所以摩擦表面上只出来少量的铅。
摩擦偶件不直接接触,所以摩擦表面上只出来少量的铅。
金属皂:
大大改善了矿物油的润滑能力和抗高温粘附性。
金属皂:
大大改善了矿物油的润滑能力和抗高温粘附性。
层状结晶构造的固体润滑剂润滑机理层状结晶构造的固体润滑剂润滑机理:
多种理论:
多种理论:
n最普遍的一种理论是基于以下的假定,即固体润滑剂的微粒对金属最普遍的一种理论是基于以下的假定,即固体润滑剂的微粒对金属(合金合金)存在有粘附作用及在润滑剂晶体中,原子间或分子间结合力和存在有粘附作用及在润滑剂晶体中,原子间或分子间结合力和各个层之间的结合力存在着差别。
石墨晶体的原予间或二硫化钼,氮各个层之间的结合力存在着差别。
石墨晶体的原予间或二硫化钼,氮化硼的分子间存在有强健化硼的分子间存在有强健(共价型或离子型共价型或离子型),但在石墨各个原子层之,但在石墨各个原子层之间或在二硫化钼和氮化硼的各个分子层之间的结合却减弱为几分之一,间或在二硫化钼和氮化硼的各个分子层之间的结合却减弱为几分之一,这种结合对石墨来说属于金属键,对二硫化钼来说,可能具有范德华这种结合对石墨来说属于金属键,对二硫化钼来说,可能具有范德华力的特性。
在二硫化钼晶体中,由钼与硫相结合的结晶层相联结。
而力的特性。
在二硫化钼晶体中,由钼与硫相结合的结晶层相联结。
而在氮化硼晶体中由氮原子层相联结。
由于层与层之间相对位移所必需在氮化硼晶体中由氮原子层相联结。
由于层与层之间相对位移所必需的切向应力不大,因而摩擦系数是低的。
的切向应力不大,因而摩擦系数是低的。
n另一理论认为,石墨的润滑作用是由于石墨吸附了能润滑的水蒸汽。
另一理论认为,石墨的润滑作用是由于石墨吸附了能润滑的水蒸汽。
真空下对摩擦所进行的一系列研究证实了这一理论,研究结果证明,真空下对摩擦所进行的一系列研究证实了这一理论,研究结果证明,在真空下,水蒸汽和气体从石墨表面解吸,其摩擦系数将显著增加。
在真空下,水蒸汽和气体从石墨表面解吸,其摩擦系数将显著增加。
与石墨相反,二硫化钼在真空下摩擦系数最小,而在有空气,水蒸汽与石墨相反,二硫化钼在真空下摩擦系数最小,而在有空气,水蒸汽和其它气体存在下摩擦系数增加。
和其它气体存在下摩擦系数增加。
n基费尔和霍拓普认为,石墨的作用首先在于它填充了工作零件表面上基费尔和霍拓普认为,石墨的作用首先在于它填充了工作零件表面上的微观凹穴。
此外,石墨的微观凹穴。
此外,石墨(按杜宾林的意见)能吸收在摩擦过程中所按杜宾林的意见)能吸收在摩擦过程中所产生的电晕放电和火花放电,减少了摩擦表面的破碎,因而减少了磨产生的电晕放电和火花放电,减少了摩擦表面的破碎,因而减少了磨损。
损。
选择固体润滑添加剂注意事项:
选择固体润滑添加剂注意事项:
n添加剂的原始性能;添加剂的原始性能;n摩擦过程中添加剂在材料表层中所起的作用;摩擦过程中添加剂在材料表层中所起的作用;u材料在摩擦过程中的摩擦性能取决于材料的组织,相组成和化学成分、材料在摩擦过程中的摩擦性能取决于材料的组织,相组成和化学成分、形成的工作膜的强度及其与基体金属形成的工作膜的强度及其与基体金属(合金合金)间的粘附力。
参与规定摩间的粘附力。
参与规定摩擦过程的不是原始状态的添加剂,而是工作膜的新的复杂物质。
擦过程的不是原始状态的添加剂,而是工作膜的新的复杂物质。
u还应考虑烧结过程中润滑剂与材料金属基体间相互发生作用的可能因还应考虑烧结过程中润滑剂与材料金属基体间相互发生作用的可能因素素(例如,铁基材料中石墨与铁的作用);还有烧结气氛的因素,它例如,铁基材料中石墨与铁的作用);还有烧结气氛的因素,它可能导致改变基休组织和性能,使润滑剂降低甚至丧失润滑能力。
如可能导致改变基休组织和性能,使润滑剂降低甚至丧失润滑能力。
如二硫化钼具有很好的润滑性能,但如果零件是在粉末冶金中经常所采二硫化钼具有很好的润滑性能,但如果零件是在粉末冶金中经常所采用的还原介质中烧结时就不能使用,在氢气作用下,它被分解成钼和用的还原介质中烧结时就不能使用,在氢气作用下,它被分解成钼和硫、钼溶解到金属基体中,硫生成铜或铁的硫化物,而这些硫化物的硫、钼溶解到金属基体中,硫生成铜或铁的硫化物,而这些硫化物的润滑性能比二硫化钼要差得多。
润滑性能比二硫化钼要差得多。
3.1铅和其它易熔金属铅和其它易熔金属n应用:
应用:
铅作为金属润滑剂经常用在青铜基材料和铅作为金属润滑剂经常用在青铜基材料和铁基材料中。
铁基材料中。
n性质:
性质:
塑性金属,密度大,可改善压缩性,稍许塑性金属,密度大,可改善压缩性,稍许降低孔隙度,使烧结材料的强度和硬度有某些降降低孔隙度,使烧结材料的强度和硬度有某些降低;不溶于铜锡或铜铝合金,以单独夹杂物低;不溶于铜锡或铜铝合金,以单独夹杂物(扁球扁球体体)存在。
存在。
对摩擦学性能影响:
对摩擦学性能影响:
摩擦系数:
摩擦系数随原始配料中铅含量的增加而减小摩擦系数:
摩擦系数随原始配料中铅含量的增加而减小n磨损量:
磨损量:
总线磨损量随原始配料中铅含量的增总线磨损量随原始配料中铅含量的增加而减小。
加而减小。
磨合阶段磨合阶段在现代摩擦材料组分中大大降低下了含铅量,但近期研制在现代摩擦材料组分中大大降低下了含铅量,但近期研制的含铅很高的某些铁基材料表明,在干式下工作很有前途。
的含铅很高的某些铁基材料表明,在干式下工作很有前途。
总的来说,材料加入铅降低了磨损和摩擦系数。
总的来说,材料加入铅降低了磨损和摩擦系数。
注意:
注意:
易熔金属组分熔点与试样工作温度的相互关系:
一般易熔金属组分熔点与试样工作温度的相互关系:
一般只有在工作温度只有在工作温度(试样的试样的)高于高于易熔组分熔点的情况下,才能易熔组
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