《摩擦学与固体润滑讲义》中国科学院 徐锦芬 第三章 磨损及磨损机理29

《摩擦学与固体润滑讲义》中国科学院 徐锦芬 第三章 磨损及磨损机理29 第三章 磨损及磨损机理 物体摩擦 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面上的物质，由于表面相对运动而不断损失的现象称磨损。 在一般正常工作状态下，磨损可分三个阶段： a.跑合（磨合）阶段：轻微的磨损，跑合是为正常运行创造条件。 b.稳定磨损阶段：磨损更轻微，磨损率低而稳定。 c.剧烈磨损阶段：磨损速度急剧增长，零件精度丧失，发生噪音和振动，摩擦温度迅 速升高，说明零件即将失效。（如图3.1） 跑合 磨损量 稳定磨损阶段 剧烈 摩擦行程（时间） 图3.1 磨损三个阶段的示意图 机件磨损是无法避免的。但，如何缩短跑合期、延长稳定磨损阶段和推迟剧烈磨损的到 来，是研究者致力的方向。 影响磨损的因素很多，例如相互作用表面的相对运动方式(滑动，滚动，往复运动，冲击)，载荷与速度的大小，表面材料的种类，组织，机械性能和物理-化学性能等，各种表面处理工艺，表面几何性质(粗糙度，加工纹理和加工方法)，环境条件(温度、湿度、真空度、辐射强度、和介质性质等)和工况条件(连续或间歇工作)等。这些因素的相互影响对于磨损将 产生或正或负的效果，从而使磨损过程更为复杂化。 磨损过程涉及到许多不同的学科领域，由于具有跨学科的性质，至今还很难将它的规律 解释清楚。已经有很多学者对磨损进行了大量的研究。 如20世纪20年代，汤林森提出了分子磨损的概念，他认为两个粗糙表面在接触摩擦过 程中相互接近，而一个表面上的原子被另一个表面俘获的现象就是磨损。 霍尔姆在上述基础上作了进一步的发展，他指出摩擦材料的压缩屈服极限σ (即硬度)b 对耐磨性的影响很大。 50年代初，奥贝尔(Oberle)从表层材料的机械破坏着眼，联系“切削”过程来解释磨损， 他认为影响磨损的主要因素除硬度H外，还有材料的弹性模量E。处在弹性极限内的，变 5形越大，机械破坏越少，并提出用模数(m＝E/H×10)来反映材料的耐磨性，m值高则耐磨性好。 冯(Feng)提出了机械性质相近的两表面上机械嵌锁作用导致界面上既粘连又犁削的观 3－1 第三章 磨损及磨损机理 点。 布洛克(Blok)认为软钢表面变得粗糙和发生塑性变形，是由于应力过高而引起的。 拉宾诺维奇认为表面能与材料硬度之比，对于磨损是一个重要因素，它可能影响磨屑的 大小。 赫鲁晓夫提出了硬质微凸体在软表面上犁沟的模式图。 有不少学者通过实验和观测发现，磨损是比原子量级大得多的数量级，大规模地发生着。 拉宾诺维奇和阿查德(Archard)分别指出，磨损颗粒大约具有如实际接触斑点直径那样的数量 级。拉宾诺维奇提出磨屑呈半球形，阿查德也认为磨屑具有一定的厚度。 在滑动或滚动过程中，表面微凸体反复承载而发生疲劳脱落的现象，有人把它看作是一 种磨损，克拉盖尔斯基(Крагельский)提出了形成磨屑的数学模式，木村好次(Kimura)等人的 观点也属于这一类。 苏(Suh)等人提出了由于应力重复作用和应变累积而引起材料转移的观点，他指出磨屑 呈细片状而不是呈半球形，同时认为材料的整体性能(硬度)不是控制磨损的因素。 关于磨损现象的解释，不同的论点都从某一角度描述了磨损某一方面的状况。还难以解 释千变万化的磨损现象。随着表面微观分析仪器及电子计算技术的发展，人们对磨损的研究 也由宏观进入亚微观，进而进入微观研究；由静态到动态，由定性到定量。但至今仍不能算 很完善。 本章主要讨论金属材料的磨损，关于非金属材料的磨损问题将稍加讲解。 磨损的情况和程度，用磨损率来表示。磨损率是指单位时间，单位滑动距离、单位作功， 或每一转、每一次摆动中表面材料的磨损量。磨损量可用质量，体积或厚度来度量。 3.1 关于磨损的分类也有各种观点。这里采用伯韦尔(Burwell)的观点根据磨损机理的不同，把粘着磨损，磨粒磨损、腐蚀磨损和表面疲劳列为磨损的主要类型，而把表面侵蚀，冲蚀等 列为次要类型。这些不同类型的磨损，可以单独发生，相继发生或同时发生（为复合的磨损 形式）。 3.1.1 摩擦副相对运动时，由于接触点上的固相焊合，接触表面的材料从一个表面转移到另一 个表面的现象称为粘着磨损。 ?粘着磨损机理 由摩擦的粘着理论可知，金属表面微凸体在法向载荷的作用下，当顶端压力达到屈服强 度时，就会发生塑性变形而使接触面扩大，直到实际接触面积大到足以支承外载荷时。相对 滑动时，界面膜破裂，就会在接触处形成“冷焊”接点。继续滑动又会将接点剪断，随后再 形成新的接点。在不断的剪断和形成新的接点的过程中，发生了金属磨损。磨损量的大小取 决于节点处被剪断的位置。 如剪切发生在界面上，则磨损轻微；如发生在界面以下，则会使金属从一个表面转移到 另一个表面。继续摩擦时，这部分转移物就可能成为磨屑。 如表面有污染膜，吸附膜等表面膜存在时，磨损轻微。由于表面膜的抗剪强度较低，接 触点处的表面膜很容易遭到破坏，使新鲜的金属表面得以暴露，加上摩擦热的影响，金属间 形成了很强的粘着，运动时必须剪断这些金属粘着点，造成表面损伤，严重时甚至可以咬死。 3－2 第三章 磨损及磨损机理 综上所述，可以将粘着磨损的过程作如下的描述： 接触——塑性变形——表面膜（包括油膜）破裂——粘着（冷焊）——剪断接点——再 粘着的循环过程。 ?粘着磨损的分类 根据剪断位置的不同，表面损伤程度的不同，又可将粘着磨损分为以下几个等级（如表 3.1所列）： 表3.1 粘着磨损的分类 类别 破坏现象 损坏原因 轻微磨损 剪切破坏发生在粘着结合面上，表面转粘着结合处强度比摩擦副的两基体金属都弱 移的材料极轻微 涂抹 剪切破坏发生在离粘着结合面不远的粘着结合处强度大于较软金属的剪切强度 较软金属浅层内，软金属涂抹在硬金属 表面 擦伤 剪切破坏主要发生在较软金属的亚表粘着结合处强度比两金属基体都高，转移到硬面 层内；有时硬金属亚表面也有划痕 上的粘着物质又拉削软金属表面 撕脱（深掘） 剪切破坏发生在摩擦副一方或两方金粘着结合处强度大于任一基体的剪切强度，剪切 属较深处 应力高于粘着结合强度 咬死 摩擦副之间咬死，不能相对运动 粘着结合处强度比任一基体金属的剪切强度都 高，而且粘着区域大，剪切应力低于粘着结合强 度 ?粘着磨损规律 a.阿查德（Archard）的磨损量计算式 他假设在一系列等高度，大小相仿的微凸体上形成磨屑（见图3.2）。 22设单个微凸体的接触面积的半径为r，面积为πr，则所支承的载荷N=σ?πr。如滑动ib3距离为一个直径长时，则剪断的半球状微凸体的体积ΔQ=2／3πr（半个球的体积）。 设n为接触表面间的接触点数，则滑动了L这么长距离后的总磨损量为： 22L,r3 Q,r,,nL,,32r3 所受的载荷为N，将 2N,n,,,,rb N1图3.2 阿查德的微凸体相遇模式 代入上式，则得： QL, 3,b 以上是假定每个接触的微凸体都被剪断而形成磨屑（磨损量）。而实际上尚有一个概率， 用系数k来表示： kNQL, 3,b如滑动距离L设为1个单位长度，将单位长度的磨损量定义为磨损率 QkNw,, L3,b式中：Q 总磨损量； N 法向载荷； L 滑动距离； σ 材料的压缩屈服极限（硬b度）。 根据以上结果，可以得出以下结论： 3－3 第三章 磨损及磨损机理 ?.磨损量与滑动距离成正比； ?磨损量与法向载荷成正比，而与表观面积无关； ?磨损量与较软材料的压缩屈服极限（硬度）成反比； ?滑动速度大体上对磨损量没有影响。 但是实验证明，磨损量与法向载荷成正比只适用于法向载荷较小的情况下，当载荷大到 接触面上平均压应力超过3σ时，磨损会急剧增大。另外很多实验也表明，速度对于各种材b 料的不同磨损类型都存在着一定的影响。 同时，阿查德的公式中没有说明表面膜对粘着磨损的影响，计算式中没有反应出表面几 何性质、表面加工状况、磨合等因素的影响。 b.吉本（Yoshimoto）与筑添（Tsukizoe）N 的计算式 考虑到几何因素的影响，他们假定微 凸体呈锥状。锥底直径为2r，高度不等， 都具有相同的锥底角θ。与理想平滑的表 面摩擦（见图3.3）。 他们的推导思路和方法与阿查德相 同。唯每个微凸体的形状为锥体： 图3.3 吉本-筑添的表面接触模型 1则： 213,,,Qrhh,rtg,00Q,rtg,,,33 2N,n,,,,rb 总磨损量 1L1N133Qtg,LQQn,rtg,,rtg,,,,,,, 6,32r3b此式中考虑了几何性质的因素——tgθ，从式中可以看出，当表面越光滑(θ越大)， tgθ 越小，磨损量就越小。经过试验证明，基本上与计算值相符。 c.罗厄（Rowe）对阿查德方程的修正 罗厄考虑了表面膜的影响，有表面膜存在时金属直接接触的面积只是真实接触面积的一 部分。即 Am,,,1式中：β 称为表面膜分隔缺陷系数； ArA 金属直接接触的面积； m A 真实接触面积（包括有表面膜分隔的面积）。 r 表面膜（包括油膜）缺损多时，β趋向于1。表示几乎全是金属直接接触。 ,,kNk,,QLAL,,阿查德的磨损量计算公式为： r,,3,3b,, kQ,AL,kAL,k,AL罗厄的修正公式为： rmmmr3 1N2根据修正的粘着摩擦理论，真实接触面积 2A，，,1，,,r,b 3－4 第三章 磨损及磨损机理 1则 N22，，Q,k,1，,,Lm ,b 式中：k 为概率系数，但与阿查德的k数值不同，主要是考虑了表面膜及几何因素等；m μ 为摩擦系数； 222α 由剪切力引起的接触面积增大系数，它满足以下关系：σ+ατ=σ fb σ 压应力； τ 表面膜的剪切强度； σ 压缩屈服极限。 fb NL将上式写成： ,Qk,,b 式中：k’ 被定义为磨损系数。与接触产生的概率、摩擦副的材料、几何性质、表面膜 的破损程度等因素有关。 N从罗厄和阿查德的公式中都有说明磨损量与法向载荷成正比，与较软材料的硬 ,b 度成反比。这正好与粘着摩擦理论相一致。在罗 厄的修正公式中，包含了剪切力的影响和表面膜 的影响。如表面膜损伤系数很小，则磨损量就会 大大降低。 d.威尔士（Welsh）的研究 考虑了温度的影响。威尔士认为，随着载荷 与滑动速度的改变，会引起摩擦表面温度的升降， 从而造成粘着磨损特征的明显变化（图3.4）。 ?温度在T 以下时，磨屑基本上是氧化物，1 属于轻磨损； ?温度超过T，进入严重磨损，特征是磨屑1图3.4 粘着磨损的特征 由金属之间焊合后再剪断而产生的，表明此时表 面上在轻载时建立的氧化膜破裂，磨损由亚表层的塑性变形造成。T是从轻微磨损到严重1 磨损的转变点。 ?当温度到达T后，由于表面温度相当高，约有90％的塑性变形能转为热能。如果这2-3些热保留在摩擦副中，则会出现高达1000?的瞬现温升（约在10s内）。这样的温度足够 引起表面层的相变（如出现“白层”结构）它将阻碍塑性变形的发展，并能帮助建立氧化膜。 这时的磨损率又显著下降。 ?温度再升高到T，此时可使表面层迅速变成硬化状态。在表面上形成氧化层为主要3 反应，而不发生金属转移。所以磨损率又下降。 但他并没有解释为何到更高温度时磨损率又 向上。 e.查尔德（Child）的研究 他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3.5），表明磨损随工作条件 的改变而发生转化。 图3.5 磨损的转化 ?在低速低载荷范围（A区），金属表面发生 3－5 第三章 磨损及磨损机理 硬化，并降低了粗糙度。在氧化膜的保护下，磨损基本上属于氧化膜的机械磨损。 ?速度和载荷稍高（B区），氧化膜有可能破裂而产生严重的金属转移及磨损。 ?在更高的速度下（C区），由于摩擦热引起氧化及相变硬化，又恢复了氧化膜的保护 作用。 ?当速度再提高（D区），由于温度升高，严重的表面软化现象又可以引起严重磨损。 ?速度再高（E区），则又出现氧化膜起主导作用的现象。 这两个试验表明了温度对磨损的重要作用。由于金属材料在不同的温度下会产生不同的 相转变（组织变化），从而改变了表面的硬度，使磨损不符合前面所说的规律。不过，摩擦 副在使用过程中，不允许温升过高，也不应该进入严重磨损区。前面所述的磨损规律还是具 有实际应用价值的。 3.1.2 硬质颗粒或表面上硬的凸体在摩擦过程中引起的材料脱落称为磨料磨损。 磨料磨损包括三种情况：?在磨料中工作的零件，磨料对零件表面的作用。如与泥沙接 触的犁，推土机的刀片，石油钻探机的钻头（二体磨损）；?外来的坚硬颗粒夹在两个摩擦 面之间滑动所造成的（三体磨损）。外来的磨料可以是磨损脱落的磨屑，也可以是环境中的 灰砂尘土；?粗糙而坚硬的表面在较软表面上滑动所造成的。 ?磨料磨损的分类（见表3.2） 表3.2 磨料磨损的分类 类型 产生条件 破坏形式 实例 磨料对材料表面产生高凿削式磨料磨损 从材料表面上凿削下大挖掘机斗齿，破碎机锤头应力碰撞（见图3.6） 颗粒的金属。被磨表面有等零件的表面破坏 较深的沟槽 高应力碾碎式磨磨料与金属表面接触处一般金属材料被拉伤，韧球磨机衬板与钢球，轧碎 料磨损 的最大压应力，大于磨料性材料产生塑性变形或机滚筒等零件的表面破 的压溃强度（见图3.7） 疲劳，脆性材料发生碎裂坏 或剥落 低应力擦伤磨料磨料作用于表面的应力材料表面产生擦伤（或微犁铧，运输槽板及机械零 磨损 不超过磨料的压溃强度小切削痕）。 件被砂尘污染的摩擦表 （见图3.8） 面 图3.6 凿削式磨料磨损 3－6 第三章 磨损及磨损机理 图3.7 高应力碾碎式磨料磨损 图3.8 低应力擦伤磨料磨损 ?磨料磨损的机理 a.三种假说 ?微量切削假说：磨损是由于磨料颗粒在金属表面发生的微量切削； ?疲劳破坏假说：磨损是由于磨料在金属表面上产生交变的接触应力引起； ?压痕假说：磨损是由于硬质磨料对塑性材料表面引起压痕，从表面上挤出的剥落物。 b.磨料磨损的模型 可以将磨料看作是具有锥形的硬质颗粒在 软材料上滑动，犁出一条沟，一部分金属被挤 到沟的两边，另一部分则磨成磨屑。图3.9所示 为锥状微凸体在软表面上犁沟的简图。压入深 度为h，锥底直径为2r（即犁出的沟槽宽度）。 在垂直方向的投影面积为πr 2（圆面积），软材 料的压缩屈服极限σ图3.9 锥状微凸体在软表面上犁沟 ，法向载荷N。滑动时只b 有半个锥面（前进方向的锥面）承受载荷。共有n个微凸体。则所受的法向载荷N为： 22N,r,12b n,,,,NN,r,n2,,ibr,,22 b 将犁去的体积作为磨损量，如滑动距离为L，则单位滑动距离的磨损量（体积磨损量为 Q）w（磨损率）为： 水平方向的投影面积为一个三角形。磨损量：Q＝nhrL, Q则 h,rtg,w,,nhrL ,2tgNN,,,,wkak,,Hb不仅包含了微凸体的形状因素，还包含磨损类型a 的区别。一般二体磨损（零件在磨料中工作）取较大值；三体磨损（磨粒夹在摩擦面之间） 则取较小值。 3－7 第三章 磨损及磨损机理 此式与粘着磨损有同样的形式：与法向载荷成正比，与软材料的硬度呈反比。 前苏联的研究工作者赫鲁晓夫（М.М.Хрущов）认为材料硬度是磨料磨损最重要的参数。 图3.10表示了体积磨损Q与材料硬度H和磨粒硬度H之间的关系。 ma H?1.3H 为?区,低磨损状态； ma 0.8H 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 摩擦副的结构尺寸及冷却设施等等。 摩擦磨损试验大体上可分为实验室试验，模拟试验或台架试验，以及使用试验或全尺寸 试验三个层次。各层次试验设备的 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 各不相同。 ?实验室评价设备 实验室设备主要用于摩擦磨损的基础研究，研究工作参数（载荷、速度等）对摩擦磨损 的影响。可以得到单一参量变化与摩擦磨损过程之间的关系。还可控制试验环境，如加润滑 （剂或材料、剂量和组分及润滑方式），周围气氛（惰性气氛、真空、温度、特殊介质），求 得特定环境条件下的结果。 研究者需要选择合适的试验设备和试验条件： 试验设备有各种不同的摩擦形式、接触形式和运动形式，有不同的主变参数（载荷、速 度）和可测结果（摩擦系数、磨损）。 摩擦形式：有滑动摩擦、滚动摩擦及滚动-滑动混合摩擦； 接触形式：有点接触、线接触和面接触； 运动形式：有旋转运动和直线运动，又各自有单向和往复两种形式。 将这些形式排列组合成不同的试验设备。 实验室设备的特点是： a.摩擦副是抽象了的各种不同的摩擦形式、接触形式和运动形式，而不是实际摩擦零件 的形式； b.要有定量测定摩擦系数和（或）磨损的装置，以及能定量地显示实验条件：载荷和速 度。有的设备和试验方法已经 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 化。使用标准化的设备和方法，可以得到可比的试验结果。 现介绍几种常用的实验室摩擦试验设备（见表3.5）。 表3.5 实验室常用的摩擦试验设备 摩擦副对偶 实验机名称 接触及运动形式 可测数据 应用范围 四球机 点接触 测量不同载荷与速适合于评定润滑油、 滑动摩擦 度下球的磨损， 脂、膏的润滑性及抗 旋转运动 磨斑直径和Pb，Pd值 磨性 各种类型的环-块试线接触 测量不同载荷与速液体及半固体润滑 验机 滑动摩擦 度下的动摩擦系数剂 Timken 旋转或摆动 和磨痕宽度 固体润滑材料 MHK-500 干膜润滑剂 LFW-1 HQ 3－15 第三章 磨损及磨损机理 Skoga磨损试验机 线接触 测定材料在有润滑各类固体材料 滑动摩擦 和无润滑下的磨损 液体润滑剂 旋转 Falex-0试验机 线接触（4线） 在固定速度下改变液体润滑剂 滑动摩擦 载荷 固体润滑膜 旋转 测定承载能力和耐 磨寿命 Hohman A-6型高线接触（2线） 高温下固体材料的固体润滑材料 温试验机 滑动摩擦 摩擦系数，磨痕宽度 旋转 环境和试样温度 各种类型的栓-盘点接触或面接触 在不同载荷与速度固体材料 （Pin-Disk）试验机 滑动摩擦 下测定材料的摩擦固体膜 真空试验机 旋转 系数和耐磨性（磨痕 高温试验机 宽度，线磨损量，质 Falex-6型（有多种接量损失）及环境（真 触形式） 空度或温度） 粘滑试验机 点接触 在极低的速度下测固体膜 静动摩擦试验机； 滑动摩擦 定材料的静摩擦系固体材料 直线或往复 数和动摩擦系数（粘液体或半固体润滑 滑现象） 剂 RFT往复试验机， 面接触 在不同载荷与速度液体润滑剂和固体 滑动摩擦 下测定摩擦系数和润滑材料、固体润滑 往复直线运动 耐磨性 膜 SRV微动摩擦试验机 点、面、线接触 在高速往复滑动下液体润滑剂， 摩擦副： 滑动摩擦 测定摩擦系数和磨固体膜， 面对面接触 往复直线运动 损 固体润滑材料 圆柱对面线接触 球对面点接触 滚滑类试验机 n=n为纯滚动 摩擦力矩 固体膜 12 MM-200 n=0为纯滑动 磨损 固体润滑材料 1 AMSLER n?n为滚滑 液体润滑剂 12 线接触（纯滚或滚 滑），面接触（纯滑） 旋转运动 3－16 第三章 磨损及磨损机理 轴承PV值试验机 面接触 极限PV值 液体润滑剂 滑动摩擦 温升 固体润滑材料 旋转 固体膜 交叉圆柱试验机 点接触 摩擦系数 滑（滚）动摩擦 旋转 ?模拟试验或台架试验设备 模拟试验或台架试验设备是专门设计的，可以模拟实际工况的实验室装置（或称台架）。 经实验室筛选试验后，将候选材料做成的零件与实际摩擦副的几何结构相似，接触形式 相同，在工况条件、环境条件相同或更苛刻的情况下进行试验。这种实验结果，能比较精确 地反映出摩擦副的摩擦磨损的过程。 但是实际工况的模拟是十分困难的。载荷和速度可以控制，而表面温度的控制就很难实 现。因为毕竟不是真实的摩擦副。相似的尺寸并不一定能做到热性能的模拟。因此要达到满 意的实验结果，必须精心设计。 台架试验的目的，通常是评定被试摩擦副的性能，能否达到规定的指标（一般规定指标 都超过使用时的实际要求），如温升、使用寿命、功率消耗等。 表3.6中列举了部分模拟试验设备。模拟试验设备通常是根据需要自行设计的非标准设 备，只有少数设备为通用的台架。 表3.6 模拟或台架试验设备 试验机名称 说 明 简 图 滚动轴承试验机 用实际的径向轴承或止推轴承 作摩擦副，测轴承使用寿命 齿轮或涡轮试验机 如FZG齿轮试验机，用齿轮作 试件，测载荷下齿轮的磨损情况 轴-轴套试验机 用轴和轴套作试件，测轴承温 升，极限PV值 3－17 第三章 磨损及磨损机理 凸轮-挺杆试验机 用凸轮和挺杆作试件，在模拟发 动机工作条件下试验摩擦副的 耐磨寿命 丝杠-螺母试验装置 使螺旋与螺母作相对运动的装 置 螺栓-螺帽试验装置 试验螺栓与螺帽在可测紧固力 矩的条件下表面膜的覆盖状态 气缸-活塞环试验装通常用发动机台架进行试验 置 也有专用的活塞环与活塞环槽 摩擦的模拟试验机 摩擦离合器试验装模拟离合器摩擦状态的试验装 置 置 端面密封试验装置 模拟密封件作动密封时的摩擦 状态 滚动轴承保持架试模拟滚动体与滚道的滚动摩擦 验装置 和与保持架的滑动摩擦时的受 力及运动状态 汽车安全带模拟实 验装置 ?使用试验（全尺寸试验） 用实际部件甚至整机在实际工况条件及环境下进行试验，考查全部参量对整个摩擦磨损 润滑系统综合作用的结果。但这种实验结果很难判断单一因素在整个运转过程中的影响程 度，也不容易分析造成磨损失效的根本原因。这种实验的目的是确认系统运转的可靠性。通 常这种试验是十分昂贵的，只有非常重要的部件才做全尺寸试验。 3－18 第三章 磨损及磨损机理 3.2.2 ?磨屑的检测 磨屑的形状、大小及数量，磨屑的成分和组织，都可以作为推断曾经发生过的磨损过程 和判断磨损严重程度的依据。 磨屑是磨损机理的重要判据之一。一般金属摩擦副在磨合阶段从表面上脱落下来的磨 屑，通常，其组分为氧化物，大小和表面微凸体相近。说明在磨合阶段，较高的微凸体顶端 被迅速碾平，使承载面积增大。同时表面材料在磨合过程中被加工硬化，使磨损转入平缓的 稳态阶段。 摩擦过程中常随着载荷和速度的变化以及温升的影响，磨损机理发生转化。从各阶段的 磨屑组分（如Fe屑、FeO或FeO屑）就可以证明这种转化过程。 2334 磨屑的形状也是判断磨损机理的证据之一。如粘着磨损的开始阶段，磨屑为半球形。薄 片形磨屑证明了苏的脱层理论。在滚动摩擦中，如球状磨屑增多则预示着将出现灾难性失效。 细丝状的磨屑（犹如切削过程中形成的切屑），这种磨屑一般是由磨料磨损的微切削过程产 生的。 但是，不能凭磨屑这个单一的特征来确证磨损机理。因为磨损机理还与材料配对、润滑 状况、环境条件等因素有关。 磨屑的检测工具，常用的有光学显微镜，扫描电子显微镜（SEM），透射电镜（TEM） 等，可检测其形状和尺寸。对油样的光谱分析可检测润滑油中磨屑的数量和组分。 X射线荧光分析（RFA），发射光谱分析(ES)，X射线衍射技术等可用于检测少量磨屑的金属元素含量。 用放射性同位素示踪技术检测磨损量的精度极高。并可做到不停机条件下随时提供磨损 发展的信息。 使用铁谱技术（ferrography），将摩擦副中的磨屑从润滑油中分离出来，在铁谱仪（见 图3.18）上通过一个梯度磁场的作用，按粒度大小依次沉淀在玻璃基片（谱片）上（磁场大 的地方吸住的磨屑粒度大）。 图3.18 铁谱仪原理简图 沉积了磨屑微粒的谱片，用显微镜进行观测和分析。谱片上沉积的微粒包括钢铁、有色 金属、氧化铁（氧化物）、油中变质的物质、聚合物微粒以及各种污染微粒。依靠其各自的 特征可以识别。表3.7中列出了各种磨屑的识别。 ?表面的检测 磨损前后的表面状态、晶体结构、化学组成与原子状态都发生了很多变化。从其变化中 可以找出摩擦过程中发生了些什么。所以检测表面是摩擦学研究的重要内容。 a.表面几何形貌及粗糙度的检测 各种表面形貌仪，包括触针式测量仪，电子探针，接触式表面轮廓仪（含模拟计算和数 字计算），超精表面形貌仪等等。 b.表面分析技术，利用各种表面分析仪器进行观测。 表面分析仪器可分两大类： 3－19 第三章 磨损及磨损机理 表3.7 磨屑形貌的识别 磨屑来源 形状尺寸和大小 磨损情况的判断 钢铁磨损的磨屑 长<15μm，厚<（0.15～1）μm， 连续不断的正常磨损 长厚比（10～3）：1，薄片状 钢铁的切削磨屑 呈切削状（螺旋、圆圈或曲线） 硬表面的锐边、凸起切削软表面； 大磨粒长（25～100）μm，宽（2～5）μm 油中磨料嵌入软表面，切削硬表面 小磨粒长（<10）μm，宽<1μm 滚动轴承疲劳磨损 扁平片状，长<100μm，长厚比10：1 裂纹剥落，属正常点蚀磨损 层状磨屑，极薄，表面有空穴、孔洞等缺陷 剥落的磨屑粘在表面上，进一步受 长（20～50）μm，长厚比约30：1 碾压形成 球状磨粒，直径Φ1～5μm 产生于裂纹内部，由片状磨屑经内 表面相对揉搓形成 齿轮滚滑复合磨损磨屑 扁平，长厚比（4～10）：1 齿轮节圆处滚动疲劳的点蚀磨屑 02尺寸约（10～10）μm，有金属及氧化物，齿轮节圆两侧滑动区的粘着磨损 白色反射光下呈黄蓝色 磨屑 氧化铁磨屑 红色磨屑，反射白光下呈桔黄色，反射偏振油中含水分锈蚀形成 光下呈深橙黄色。为顺磁性FeO 23 扁平磨屑，白色反射光下呈灰色，白色透射润滑不良引起 光下呈淡暗红褐色。为顺磁性FeO 23 FeO?αFeO和FeO的混合物，为细小的润滑严重不足，伴随高温形成 3423 蓝色和橙黄色的斑点 有色金属磨屑 Cu桔黄色，Pb-Sn白光下呈黑色。用加热分 析判断Al,Cr,Ag,Ti,Cd,Mg,Mo等白色金属 表3.8 各类显微镜的功能 显微镜 放大倍数及主要成像试件要求 主要功能 最佳分辨率 信息 3光学显微镜 5～2×10 可见光 金相表面 1.组织观察； OM 0.2μm 2.微细浮雕观察及高度测量 6透射电子显100～10 透射电子 1.厚度小于1.组织观察； 微镜 0.2～0.3 nm 200nm的薄膜 2.晶体缺陷的衍射像观察； TEM 2.复膜 3.高分辨结构像观察； 4.晶体结构分析（微区电子衍射） 5扫描电子显5～2×10 二次电子 任何形状和1.表面几何轮廓的三维观察和立体分析； 微镜 3nm 厚度 2.金相组织观察； SEM 3.结晶学分析； 4.微区成分分析 6分析电子显100～10 1.薄膜； 1.组织观察； 微镜 3nm 2.复膜 2.晶体缺陷的衍射像观察； 3.晶体结构分析（微区电子衍射）； 4.微区成分分析（X射线能谱分析或电子能量 损失谱分析）； 5.固体表面电子结构（电子能量损失谱）分析 6场离子显微10 正离子 针电极状样直接观察表面原子排列，并确定单个原子的化 镜 FIM ～0.3nm 品 学种类 3－20 第三章 磨损及磨损机理 ?通过放大成像来观察表面状态，统称为显微镜。包括光学显微镜和各种电子显微镜。 电子显微镜的放大原理与光学显微镜类似，但放大倍数和分辨能力高，功能比光学显微镜多 试样制备技术复杂。表3.8列出了各类显微镜的功能。 ?通过表面各种发射谱来分析表面成分的仪器统称为分析谱仪。分析谱仪产生的各种有 的基本激发源，有电子、离子、光子、中子、热场、电场、磁场和声波等八种，可以检测样 品表面产生的电子、离子、中子、光子等四种粒子的信息。 近代表面技术能分析体积在1μm3数量级的范围内。通常采用一定能量的一次束［电子、 离子、光子和中性粒子（原子或分子）］，作为微探针去激发固体样品，结果产生反映样品表 面特性的二次束，对二次束进行能谱或质谱分析，即获得有关表面的元素组成、晶格结构等 状态的信息。表3.9中介绍了几种近代表面分析技术。 表3.9 近代表面分析技术 一次束 分析技术 二次束是光子 二次束是电子 二次束是离子或中性粒子 电子 X射线波谱分析（WDX） 俄歇电子能谱分析（AES） 电子诱导脱附谱分析（ESD） X射线能谱分析（EDX） 电子能量损失谱分析 （EELS） 光子 X射线荧光分析（XFS） X光电子能谱分析（XPS） 光子诱导脱附谱分析（PSD） 广延X射线吸收精细结构紫外光电子能谱分析 谱分析（EXAFS） （UPS） 激光Raman分析（LRS） 离子 粒子（质子）激发X射线发离子中和谱分析（INS） 二次离子质谱分析（SIMS） 射谱分析（PIXE） 质子激发俄歇电子能谱分离子散射谱分析（ISS） 析（PIAES） Rutheford背散射谱分析（RBS） 3.2.3 根据各类磨损试验的结果，可以评定摩擦副因磨损而引起工作能力的衰减程度，以预估 其可能继续正常工作的寿命，及时组织维修或提出预警。这对重要的实际部件是非常需要的。 为此，对于重要的大型设备进行磨损监控，能及时准确地了解磨损发展的程度和发生磨 损的部位。避免发生重大设备故障。 如果在摩擦系统设计阶段就能考虑各种因素的影响，而准确预估磨损发展情况及预估磨 损寿命，具有重大的实际意义。常用的预估磨损的方法有：试验法和分析法。 ?试验法 通常将台架试验的结果用外推法预估实际部件的磨损发展过程。这就需要有很多积累， 不仅有单一影响因素的结果，还需要综合所有参量的影响（包括一些不确定的因素）。还要 考虑试验的重复性及其外推的可靠性。 ?分析法 通常需要从影响摩擦磨损的所有参量中，概括出重要的影响因子。首先，确定磨损类型， 在前人的数据及计算公式的基础上进行分析和计算，预估磨损寿命，确定 设计方案 关于薪酬设计方案通用技术作品设计方案停车场设计方案多媒体教室设计方案农贸市场设计方案 。 3－21 第三章 磨损及磨损机理 3.3 磨损造成的后果十分严重，所以控制磨损和防止磨损的问题十分重要。但要有效地控制 磨损，必须在准确地鉴别磨损类型的前提下，提出有针对性的控制因素。 3.3.1 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： ?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3.10列出了不同磨损类型选择材料的要求。 表.10 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 ?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。 ?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。 ?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。 ?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。 3.3.2 ?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。 3－22 第三章 磨损及磨损机理 ?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。 ?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. 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 MoS 或离子镀Ag膜。 2 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-MoS，Ni-石墨，电泳MoS等。 22 原位化学转化膜：如硫化氢气体在高温下与镀有MoO表面起反应转化为MoS膜。 32 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MoS一起转移在固体基底表面上起润滑作用。 2 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。 ?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。 3－23 第三章 磨损及磨损机理 ?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ZnPO。 3 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。 ?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。 ?化学热处理 将一些元素及化合物,通过气相、液相或固相将其扩散到金属表层内的处理方法。 ?热扩散（见表3.11） ?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N保护下，于密封式管状炉中加热。 2 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。 3－24 第三章 磨损及磨损机理 表3.11 几种热扩散方法及效果 扩散方法 扩散元素 金属底材 工 艺* 温度（?） 形成的 厚度硬度（HV） 用途 化合物 （μm） ** 渗碳 低合金固、气、? C Fe-C ?10 200~1000 钢，钛 液相及等1073~1273 TiC 10~1500 离子 渗氮 钢，钛，气相、等Fe-N，TiN，? N 673~873 5~30 400~900 铝，钴，离子 AlN，CrN ? 30~300 1600~2000 镍 ? 碳氮共渗 钢 液、气相 FeC+N 673~873 N， ?? 5~15 500~1200 2~3 ? FeN 30~100 3~4 氧化 钢 气相 0~5，2~10 ? O 673~873 FeO 500~700 34 氧氮化 N+O，钢 气相 外Fe-O， 5~10， ?? 673~873 500~700 内 O-N ? C+N+O 30~100 500~1200 氧碳氮化 钢 气相 外FeO， 5~10， ?? O+N+C 823~873 500~700 内 O-N-C ? 30~100 500~1200 硫氮共渗 钢 液、气相 外FeS， S+N 673~873 5~15， ?? ?100 内 FeN ? 10~400 500~1200 3 渗硫 钢 液相 ? S 423~473 FeS 2~5 ?100 X 硼化 钢，镍，固、液、FeB，CoB， B 873~1373 50~200， ?? 500~2000 钴，钛，气相 NiB，CrB ? 500~2000 2200~2600 22 硬合金， 铜，金， 银 铬化 钢 固、液、（Fe，Cr）Cr 1073~1373 C 0~5，? 200~300 73 气相 200~500 碳化物镀V，Nb，钢，镍，固、液相 VC，NbC，1073~1373 ? 2~10 1500~3000 层 Cr，Ti，钴，超硬TiC，CrC ? 2~50 73 W，Mo，合金 Mn 注：* 固相：零件围在粉末中； 液相：零件浸在熔盐中； 气相：零件在气体环境中。 ** ?：提高耐磨性；?：提高耐腐蚀性；?：韧性降低。 ?物理强化表面改性 a. ?表面形成冶金性结合的合金层 将金属元素放在被处理材料的表面上,用激光照射表面,使金属元素熔融,与表面发生合金化,得到一合金薄层。可用蒸镀或溅射法敷在表面上的V、Cr、Ni、Mn、Al、W、Mo等元素进行激光处理。 3－25 第三章 磨损及磨损机理 ?粉末注入法 用激光照射使金属表面熔融，然后用氦气（He）将TiC、WC这类硬质材料的粉末吹到 熔融金属的表面上，使这些粉末扩散到表面中去。 ?玻璃化法（glazing） 8 用激光照射在高速运动的表面上，使表面熔融得到1～10μm的熔融层，然后以10?/s 的速度急速冷却，使表面发生玻璃化转变，其晶粒尺寸发生明显变化，固溶体相扩大形成具 有很多特殊性能的非晶态层。 ?照射改性 当激光照射在高速电镀或溅射沉积的阴极表面，可明显提高镀层（如Ni、Cr、Au等） 或溅射膜（如C膜等）与底材（阴极）的结合力。 对热涂层进行激光照射，可使涂层内裂缝密合，结构致密化，使热涂层材料的优良性能 得以充分发挥。 ?相变硬化 激光照射金属表面，使其温度迅速升高后冷却，如进行表面淬火工艺，使表层金属的金 相组织根据须要得到改善。 对溅射碳膜（石墨相）进行激光照射，可改变结构成类金刚石膜，大大提高了硬度 ?冲击硬化 用脉冲发射的激光（功率密度10792-8-8～10W/?，以2x10～4x10s的脉冲）对金属表面进行冲击，形成冲击波或应力波，使材料表面得到硬化或强化的效果。 b. ?等离子轰击 等离子轰击（刻蚀），起表面清洁、活化作用。可提高其上镀层的粘结性。 如溅射MoS前对底材进行等离子刻蚀，镀层与底材表面间的界面加大，即镀层元素深2 入底材表层（如图3.19）。 Fe Mo，SMo，S Fe 界 面 界 面 a.刻蚀前 b.刻蚀后 图3.19 AES表面元素分析图 ?等离子化学处理 在辉光放电的环境中对金属表面进行化学热处理。如离子渗氮、离子碳化等 。 将N++或CH化合物气体通入真空室，在电场作用下发生辉光放电，N及C轰击阴极（被2 处理表面）并深入表面，达到渗氮渗碳的目的。如底材为Ti，则可形成TiN或TiC的表层。 ?等离子条件下进行镀层 PVD、PECVD等方法镀DLC、BN、WC、TaN、TiC、TiN等硬质镀层或润滑镀层。 3－26 第三章 磨损及磨损机理 ?等离子聚合反应 如用C-H或Si-H化合物在高能等离子体中分解，然后进行各种聚合反应，生成有润滑 或耐磨效应的有机物沉积在表面上对其进行摩擦学改性。 原位反应生成MoS（In-Situ）的方法，如改在等离子条件下进行，一定会比在高温高2 压下进行的原位反应简单得多。 ?等离子喷涂（Plasma spray films） 利用等离子喷枪,使得一些难熔、难溶的粉末（陶瓷、金属、合金及耐高温的工程塑料、）,在高压电场的作用下形成高温,使粉末熔融,随之喷到被镀的工件表面上。可制备0.2mm的 涂层,可进行后加工。 (Ion implantation) 将元素离子化，并在1012～10keV的静电高能下加速注入材料表层。比热扩散的效果好， 不仅可提高表面硬度，还能改善材料表层的微结构。降低材料摩擦系数和改善耐磨性。 降低摩擦系数的原因是： ?由于晶格间位错，使表面接触部位变脆而易于剪切。或由于注入层的延展性降低，塑 性变小，塑性变形的能量消耗减少，摩擦系数降低。 ?注入离子后，使表面易于形成氧化膜，从而减小粘着，降低摩擦。 改善耐磨性的原因是： ?通过典型的固溶强化和弥散强化，增强了表面。 ?提高表面氧化速率，使材料的磨损过程以氧化磨损为主。 ?注入时的压应力使表面产生工作硬化效应。 ?形成特殊的耐磨合金或非晶层。 但离子注入的能量高，设备造价高，成本高。效果一般尚好，也有不好的。通常在油润 滑下使用效果较好。 现将国内外试探过的多种材料和离子，所得的结果综合于表3.12和3.13。 表3.12 离子注入表面对摩擦磨损的影响 靶材 注入离子 摩擦试验 主要结果 软钢 Pin-disk ，油润滑 低磨损 N,B 钢 摩擦增高 Ar 钢 Ball-disk，无润滑 摩擦增高 Ni,Cu 52100钢 Ti，Al，N，Fe 球-圆柱，油润滑 注入Ti低摩擦，其余为低磨损 轴承钢 四球 磨损降低到1/2 N GCr15钢 油润滑 磨损降低67%～83% N 不锈钢，1018钢 Pin-disk，油润滑 不锈钢上低摩擦 N 不锈钢 Ti+C双重注入 Pin-disk，无润滑 摩擦降80%，磨损降95% 不锈钢 圆柱-圆柱 磨损改善20～100倍 N,Co 钢,Ti,Cu,Co-WC Pin-disk，油润滑 得到如WC烧结体似的磨损 N Pin-disk，油润滑 高浓度注入时低磨损 Fe N 3－27 第三章 磨损及磨损机理 Pin-disk，油润滑 低磨损 Be B Pin-disk，油润滑 低摩擦，低磨损 Al B,N,O,Sn 磷青铜 Pin-disk，无润滑 低摩擦，低磨损 B,C,N,P Au，Cu，Al Pin-disk，无润滑 只有Cu上得到低摩擦 B,Al,He,Ne,Ar 微动 抗微动磨损得到改善 Ti6Al4V N,N+B 152改善摩擦磨损 ion/cm) PI F(3MeV10 改善断裂韧性 MgO Au N提高硬度，Fe提高韧性 Si N,Fe 注：摘录文献时略去注入能量及浓度。 表3.13 离子注入的应用实例 应 用 实 例 材 料 效 果 牙科用钻头 WC烧结体 寿命长4倍 整形外科内植组织（如人工关节） 寿命长400倍 Ti6Al4V 挤压成型模具 各种合金 寿命长4～6倍 核燃料切片冲孔用冲模 D钢 寿命长3～5倍，粘着减小 2 轴承（航空精密轴承） 440，52100钢 改善腐蚀磨损及疲劳 在摩擦学领域中应用离子束技术是将离子束的离子或与蒸发源的电子共同作用于表面， 2以达到表面改性的目的。能量低于离子注入，可在10nm厚度范围内起作用。 ?离子束混合涂层（Ion Beam Mixing Coating） 用离子束轰击（或注入）底材上的元素或化合物镀层，使镀层向底材发生扩散、混合， 以改善镀层与底材的结合能力，或使膜趋于结晶化。 在不锈钢SUS 440上先溅射WS，再注入Ar离子束（离子束混合），（条件为40KeV，21526x10ions/cm）摩擦力得到进一步降低，耐磨寿命提高2倍，表面呈结晶与非结晶混合态 （如图3.20）。 μ ? ? ? 0.08 0.04 10246摩擦次数 10 10 +图3.20 在溅射WS镀层上注入Ar束前后的摩擦学性能 2 +? 未注入Ar,大气中试验 +? 未注入Ar,真空中试验 +? 离子束混合, 注入Ar,真空中试验 3－28 第三章 磨损及磨损机理 +++++ 张绪寿、刘惠文等对溅射MoS膜进行Ar、N、Mo(S)、Y等轰击注入，试验结果是： 2+ Ar轰击使MoS结构趋于结晶化。膜密度和与底材的结合强度增大，使MoS的耐磨性2x提高10倍，但μ由0.05升高到0.16。 + N轰击使MoS疏松的针状结构致密化，膜与底材的结合界面拓宽，μ有所增高，耐磨2 寿命明显延长。 ?离子束增强或离子束辅助沉积 在向表面沉积一种（或两种）元素的同时，用载能的离子轰击正在沉积的镀层，以改善 其性能。 如类金刚石膜用双束溅射法制备时就是利用这种技术，使经过轰击的碳（石墨）膜的结 构发生变化而变成类金刚石结构。 离子束增强可改善镀层韧性；膜的结构较致密；与底材的结合强度高；摩擦系数与耐磨 寿命得到改善。 ?离子束反冲注入（反冲混合）或离子束轰击扩散镀层 先在表面上沉积一种元素的薄层，然后进行离子轰击，使在表面上形成一种化合物或混 合物镀层，而且与底材结合良好。 如用N+轰击溅射Si膜，得到SiN改性层，使耐磨性提高2倍多。 34+++ 又如在钢上蒸镀Sn后注入N;蒸镀Mo后注入S;电镀Cr后注入N等，使原有镀层与注入（轰击）离子共同作用于表面，从而达到表面改性的目的。 离子束技术用于陶瓷表面改性的也很多。 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.《机械工程手册》第22篇，摩擦磨损与润滑，机械工业出版社，1978，北京 4.宫德利，“表面处理对PTFE和HDPE摩擦磨损的影响”，《固体润滑》9（1989）3，156 5.裴有福、齐毓霖，“刷镀渗入Sn镀层和Cu＋In复合镀层耐磨性的研究”，《固体润滑》11（1991）1，9 6.松永正久，”Surface Finish and Surface Modification Applicable to Tribology”,《润滑》（日）,31（1986）8，524～527 7.平野元久，”Surface Modification by Ion Implantation”,《润滑》(日)，31（1986）8，534 ～540 8.纺织大学，“氮离子注入GCr15轴承钢的摩擦磨损性能研究”，《固体润滑》10（1990）2，96 +9王天民，史绩等，“N注入9Cr18Mo的抗微动磨损”，《固体润滑》10（1990），2，102 10.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》，12（1992）1，8 11.桂长林，“摩擦磨损试验机设计基础”，《固体润滑》9（1990）2，120 12.刘家浚等，“铸铁挺杆的磨损”《固体润滑》4（1984）2，66 13.DOW CORNING公司MOLYKOTE产品目录 3－29