耐磨设计及材料选择方案

前述减摩设计措施，在减摩的同时也减少了磨耗，增加了耐磨性。但减摩与耐磨两者毕竟有所不同，在本节中着重讨论耐磨设计的要点。

（1）耐磨材料 在不同的工作条件下，应选用适当的耐磨材料，常用的耐磨材料见表4-16。

表4-16 常用的耐磨材料

（2）表面耐磨强化处理 摩擦发生在表面，表层被磨损。机械设备的相对运动的摩擦副，如齿轮、缸套、活塞环、机床导轨、工模具等零件的失效形式，绝大多数都是因为各种形式的磨损而报废。为了提高耐磨性和可靠性，常用的表面耐磨强化方法如下：

1）冷作硬化。冷作硬化是指在常温下，通过滚压工具（如球、滚子、金刚石滚子等）向工件的摩擦面施加一定的压力或冲击力（喷丸），使其表层产生一定的塑性变形。由于微凸峰不断被“擦平”，表面粗糙度下降，使真实接触面积增大，摩擦时因受高压作用而产生“粘着”的接触点减少，有利于抗“粘着”磨损和减少“粘着”阻力，使摩擦因数有所降低。更主要的是，由于表层受压而产生的塑性变形，金属表层的粗晶沿着流动变形方向变得细长而致密，使亚晶粒细化，位错密度增高而形成较大的冷作硬化层并产生较大的残余压应力，对抗疲劳磨损及抗磨粒磨损都有利。常用的冷作硬化方法有：喷丸、挤压及滚压。

2）表面淬火。对于中碳钢和中碳合金钢，通过表面淬火可增大表面硬度，是提高摩擦表面耐磨性的重要措施之一。这种热处理方法的要点，是将待处理的表面快速加热到相变温度（Ac₁和Ac₃以上）后，迅速冷却使其表层组织方式转变，由奥氏体变为马氏体组织，表层硬度增大，心部仍保持原来的韧性，而表面的耐磨性大为提高。表面淬火方法有：高频淬火、火焰淬火、电接触加热和激光加热等。

3）表面化学热处理。摩擦表面的耐磨性不仅与其表层硬度、残余应力及组织有关，而且与材料表面层的化学成分及组织的关系很大。表面化学处理法就是改变表层的化学成分和组织，以满足不同的耐磨要求。具体方法是在一定的加热条件（温度、时间及介质）下，向摩擦表面渗入C、N、B、Cr、S以及C-N、C-N-B、Ti-N-C共渗，使表层合金化，形成各种碳化物、氮化物、硼化物、硫化物等高硬度的质点和软基体，成为耐磨的多相结构，从而提高耐磨性。常用的表面化学热处理方法有：

①表面渗碳。表面渗碳是向钢零件表面渗入碳原子，以增加表层的含碳量，提高表面的耐磨性。具体工艺方法有：固体渗碳、液体渗碳、气体渗碳、电解渗碳、真空渗碳和离子渗碳等。它们各有其特点，但以气体渗碳应用最广。适于表面渗碳的材料为低碳钢（碳质量分数为0.1%～0.25%），其中采用较多的有：碳素结构钢和低碳合金钢（如20Cr、20CrMnTi、20SiMnVB）。

②表面氮化。表面氮化是向钢零件表面层渗入氮原子，通过渗入介质加热（500～700℃），分解为氮原子被钢表面吸收并进一步向内层扩散，而形成一定厚度的氮化物表层。氮化渗层硬度高（1000～1200HV）、抗疲劳、耐蚀性好，主要用于滑动速度和温度都较高、弱腐蚀介质等场合，如高速齿轮、转轴和曲轴颈、阀门、挤压机螺杆等零件。它们有较好的抗粘着、耐疲劳及腐蚀磨损的能力。常用的氮化工艺有：离子氮化、软氮化、气体氮化等，其中以离子氮化因其变形微小、表面硬度高为最优，适用于铸铁、碳钢、合金钢及台合金等。(www.xing528.com)

③表面渗硼。表面渗硼是向钢零件表面渗入硼原子。钢表面渗硼后，生成由FeB和Fe₂B所组成的渗硼硬化层，其表面硬度可达1300～2000HV，比渗碳、氮化处理后的表面硬度还要高。因此，渗硼硬化层具有更好的耐磨、耐热和耐蚀性能。FeB（2000HV）脆性较大，属斜方晶系，而Fe₂B（1500HV）脆性较小，是正方晶系。常用的渗硼方法有：液体渗硼（盐浴）、固体渗硼和气体渗硼。表面渗硼常用于模具。

④表面渗硫。表面渗硫是向钢零件表面渗入硫原子。表面渗硫后，虽然表面硬度没有什么变化，但在其表面形成了薄薄一层摩擦因数小、耐磨性好的硫化物膜。表面渗硫处理主要采用低温渗硫法，该法温度低、时间短、无污染，表面生成的硫化膜（FeS）有良好的自润滑性和抗粘着性等特点，故该法又称为减磨表面处理法。

4）表面喷涂与喷焊

①表面喷涂。表面耐磨喷涂是利用各种热源（如氧乙炔火焰、电弧、高频电流、等离子电弧等）将待喷涂的耐磨材料熔化或接近熔化状态的雾化微粒，高速喷到工件的表面上，形成耐磨覆盖层的一种工艺方法。表面喷涂处理的特点是：各种材料（如各种金属与合金、金属陶瓷、无机和高分子材料的线材或粉材）均可用作喷涂用材，故应用广泛，适用于高硬度的耐磨涂层、具有自润滑性的减摩涂层，抗粘着、抗磨料磨损、抗腐蚀的涂层；由于被熔化的材料呈雾化微粒，不断沉积在工作表面上，故涂层具有多孔性，有利于自润滑；强度低，涂层厚度可达数毫米，其他方法无法企及，因此，该法已广泛应用于修复已磨损的工作面。

②表面喷焊。表面喷焊是利用喷涂工艺，使被处理的工件表面发生薄层熔化，同时与喷射材料的熔化微粒形成“焊接”形式的冶金结合层——喷焊层。表面喷焊既不同于堆焊，又有别于喷涂。喷涂基材料表面的熔化层薄而均匀，而喷焊则在喷涂过程中，工作表面要同时产生熔化熔敷层，与基材料的结合形式为冶金式的结合，其结合力比喷涂时的机械结合力要大得多，且涂层均匀，致密性好。因此，其应用广泛，可用于受冲击、冲刷工作的场合。但因受热面积较大，易变形，而不适于薄壁件及长杆件的表面耐磨处理。喷焊方法可利用相应的喷涂工艺。

5）表面电镀。摩擦表面电镀是通过电解或电化学方法，镀上一层耐磨金属或合金，以提高表面耐磨性和修复已磨损的零件表面。常用的零件表面耐磨电镀有：镀铬、镀镍及化学复合镀层。

①镀铬。镀铬是以铬酐（CrO₃）与硫酸（H₂SO₄）按一定比例配制的电解液中，放入经预处理的待镀零件为阳极，以铅或铅合金为阴极，在一定的电流密度的直流电作用下，使电解析出的铬离子吸附在零件表面上，形成有一定厚度的铬层。铬具有耐热、耐蚀和对其他金属的粘着性小等优点。作为耐磨镀铬层，主要是以硬质镀铬为主。镀铬层较薄，一般为0.01mm左右。硬质镀铬的硬度高（800～1200HV）、摩擦因数小，因此镀铬层次有较好的耐磨性，不仅镀铬层本身的耐磨性好，而且对配偶件的磨损也小。硬质镀铬已广泛应用于工具、量具、胎膜、塑料成型模、缸套、活塞环等对耐磨性要求较高的零件的耐磨处理。

②镀镍。镀镍层厚度为2.5～25μm，它具有良好的抗粘着和腐蚀磨损能力，但抗磨料磨损和疲劳磨损的能力较差。由于镀镍层具有良好的耐蚀性，用于化学镀镍钻头硬度增高，寿命可提高1～2倍；还用于塑模压机中某些零件的摩擦面、修复叶轮泵和分配泵的转子等零件。

③化学复合镀层。为使电镀层具有多相的结构，综合各单一金属镀层的优点，以得到更好的耐磨镀层和扩大其应用范围。近年来，采用各种复合镀层作为耐磨表面处理。复合镀层是在电解液中，加入一定量的金属或非金属微粒（直径为3～5μm），悬浮的不溶性的微细粒子向阴极面移动，沉积嵌入镀层中而得到多相的电镀层。这种镀层无需高温处理，基材与镀层间无扩散、镀层孔隙率小、耐磨性高。按镀层的作用不同，复合镀层分为：耐磨复合镀层和减摩复合镀层。耐磨复合镀层是在电解过程中，在金属镍或钴基上共沉积着高硬度的碳化物（如SiC、TiC、Cr₃C、WC、及B₄C等）及氧化物（如TiO₂、Al₂O₃）。减摩复合镀层是在镍基、铜基上，分散沉积固体润滑微粒，常用的有Ni-CoS₂、Ni-石墨、Cu-MoS₂、Cu-石墨以及聚四氟乙稀等。由于它们都具有优良的减摩耐磨性，故称为“自润滑”复合镀层。