摩擦、磨損和潤滑

2024年2月23日發(作者：戴佩妮怎樣)

摩擦、磨損和潤滑

§1 摩 擦

在一定的壓力下，表面間摩擦阻力的大小與兩表面間的摩擦狀態有密切關系，不同摩擦狀態下，產生摩擦的物理機理是不同的。

一、 摩擦狀態

按摩擦狀態，即表面接觸情況和油膜厚度，可以將滑動摩擦分為四大類，干摩擦、邊界摩擦（潤滑）、液體摩擦（潤滑）和混合摩擦（潤滑），如圖所示。

1.干摩擦 兩摩擦表面間無任何潤滑劑或保護膜的純凈金屬接觸時的摩擦，稱為干摩擦。在工程實際中沒有真正的干摩擦，因為暴露在大氣中的任何零件的表面，不僅會因氧氣而形成氧化膜，且或多或少也會被潤滑油所濕潤或受到"污染"，這時，其摩擦系數將顯著降低。在機械設計中，通常把不出現顯著潤滑的摩擦，當作干摩擦處理。

2.邊界摩擦 兩摩擦表面各附有一層極薄的邊界膜，兩表面仍是凸峰接觸的摩擦狀態稱為邊界摩擦。與干摩擦相比，摩擦狀態有很大改善，其摩擦和磨損程度取決于邊界膜的性質、材料表面機械性能和表面形貌。

3.液體摩擦 兩摩擦表面完全被液體層隔開、表面凸峰不直接接觸的摩擦。此種潤滑狀態亦稱液體潤滑，摩擦是在液體內部的分子之間進行，故摩擦系數極小。這時的摩擦規律已有了根本的變化，與干摩擦完全不同。關于液體摩擦（液體潤滑）的問題，將在滑動軸承中進一步討論。

4.混合摩擦 兩表面間同時存在干摩擦、邊界摩擦和液體摩擦的狀態稱為混合摩擦。

二、干摩擦理論

干摩擦理論主要有：

（1）

機械理論認為摩擦力是兩表面凸峰的機械嚙合力的總和，因而可解釋為什么表面愈粗糙，摩擦力愈大；

（2）

分子-機械理論認為摩擦力是由表面凸峰間的機械嚙合力F1和表面分子相互吸引力F2兩部分組成，因而這一理論可解釋為什么當接觸表面光滑時，摩擦力也會很大。但上述兩種理論不能解釋能量是如何被消耗的；

（3）粘著理論；

（4）能量理論等。

a) 結點 b) 界面剪切 c) 軟金屬剪切

a) 結點 b) 界面剪切 c) 軟金屬剪切

大量的試驗表明，工程表面的實際接觸面積約為名義接觸面積的10-2～10-3，這樣接觸區壓力很高，使材料發生塑性變形，表面污染膜遭到破壞，從而使基體金屬發生粘著現象，形成冷焊結點（如圖a

所示）。當發生滑動時，必須先將結點剪斷（如圖b

所示），同時，當較硬的凸峰在較軟的材料上滑過時，將切出溝紋（即犁刨作用），從而相對滑動時的摩擦力為上述兩種因素所形成的阻力之和。由于后者相對來說較小，故可忽略。

三、摩擦系數

設結點的剪切強度為τB，則摩擦力為 F = Ar·τB

摩擦系數f為：：

（6-1）

在沒有潤滑的固體表面間，產生摩擦的主要原因是，表面形貌的粗糙不平，表面存在分子之間的吸引力，和表面凸峰間的"焊-剪-刨"作用。

影響摩擦系數的因素很多，有摩擦副配偶材料的性質、表面膜、鍍層或涂層、滑動速度、環境溫度及表面粗糙度等。

流體潤滑條件下，摩擦力的大小取決于流體的內摩擦力。邊界潤滑條件

下摩擦力的大小取決于表面膜的性質。對有機化合物物理吸附膜，主要由吸附膜的類型及分子參數決定。試驗發現，吸附分子碳數增加，摩擦系數和磨損率均減小。

各種摩擦狀態下的摩擦系數典型值如表所示。

表1 不同摩擦狀態下的摩擦系數（大致值）

摩擦狀況

摩擦系數

相同金屬：

黃銅-黃銅；青銅-青銅

異種金屬：

銅鉛合金-鋼

干摩擦

巴氏合金-鋼

非金屬：

橡膠-其他材料

聚四氟乙烯-其他材料

0.8～1.5

0.15～0.3

0.15～0.3

0.6～1.9

0.04～0.12

石墨-二硫化鉬潤滑 0.06～0.20

固體潤滑

鉛膜潤滑 0.08～0.20

礦物油濕潤表面

加油性添加劑的油潤滑：

邊界潤滑

鋼-鋼；尼龍-鋼

尼龍-尼龍

液體動力潤滑

流體潤滑

液體靜力潤滑

0.15～0.30

0.05～0.10

0.10～0.20

0.08～0.20

<0.001

(與設計參數有關)

滾動摩擦系數與接觸面材料的硬度、粗糙度、濕度等有關。滾動摩擦

球和圓柱滾子軸承的摩擦大體與液體動力潤滑相近，其它滾子軸承則稍大

四、摩擦特性曲線

根據前述，液體摩擦潤滑狀態是最理想的潤滑狀態,干摩擦是應該避免的,邊界摩擦和混合摩擦最常見，亦稱邊界潤滑和混合潤滑狀態,有時也叫半液體潤滑狀態。試驗證明，這三種實際存在的摩擦潤滑狀態是隨某些參數的改變而相互轉化的。它們的摩擦系數

f 與流體粘度η、相對滑動速度v、單位面積上的載荷

p 之間的關系如圖所示。

§2 磨 損

一、 摩損過程及曲線

Ⅰ為跑合磨損階段，由于機械加工的表面具有一定的不平度存在；運轉初期，摩擦副的實際接觸面積較小，單位面積上的實際載荷較大，因此，磨損速度較快。經跑合后尖峰高度降低，峰頂半徑增大，實際接觸面積增加，磨損速度降低。

Ⅱ為穩定磨損階段，機件以平穩緩慢的速度磨損，這個階段的長短就代表機件使用壽命的長短。

Ⅲ為劇烈磨損階段，經穩定磨損階段后，使精度降低、間隙增大，從而產生沖擊、振動和噪聲，磨損加劇，溫度升高，短時間內使零件迅速報廢。

按破壞的機理，磨損主要有四種基本類型，即粘著磨損、接觸疲勞磨損、磨粒磨損和腐蝕磨損。

二、磨損分類

1.粘著磨損 當摩擦表面的不平度凸峰在相互作用的各點產生結點后再

相對滑移時，材料從運動副的一個表面轉移到另一個表面，便形成了粘著磨損。滑動軸承中的"抱軸"和高速重載齒輪的"膠合"現象均是嚴重的粘著磨損。

2.接觸疲勞磨損 受變應力的摩擦副，在其表面上形成疲勞點蝕，使小塊金屬剝落，這種現象稱為疲勞磨損。接觸疲勞磨損常發生在滾動軸承、齒輪、凸輪等零件上。

3.磨粒磨損 從外部進入摩擦面間的游離硬質顆粒或摩擦表面上的硬質凸峰，在摩擦過程中引起材料脫落的現象稱為磨粒磨損。

4.腐蝕磨損 在摩擦過程中，摩擦表面與周圍介質發生化學反應或電化學反應的磨損稱為腐蝕磨損，腐蝕可在沒有摩擦的條件下形成，而相對運動消除了化學反應的生成物，接著表面又受到腐蝕，如此不斷反復。

實際上，大多數的磨損都以復合形式出現，即以上幾種磨損相伴存在。微動磨損就是一種典型的復合磨損。微動磨損發生在相對靜止的摩擦副上，但須在環境振動影響下，使結合面間沿表面方向有微幅振擺，才能產生。

§3 潤 滑

一、 潤滑劑的分類及其特點

在摩擦面間加入潤滑劑的主要作用是改善摩擦、減輕磨損，同時潤滑劑還能起減振、防銹等作用，液體潤滑劑還能帶走摩擦熱、污物等。

潤滑劑有液體潤滑劑、氣體潤滑劑、潤滑脂和固體潤滑劑。

1.液體潤滑劑

主要有三大類：

（1）礦物油，主要是石油產品，此種油來源充足，穩定性好、成本低，故應用最廣，

（2）動、植物油，其油性好，最適于邊界潤滑使用，但穩定性差，來源不足，所以，應用較少，

（3）合成油，如磷酸酯（低溫潤滑劑）、硅酸鹽酯（高溫潤滑劑）、氟化物（耐氧化潤滑劑）等，近年來應用面不斷拓廣。

2.氣體潤滑劑

最常用的是空氣，此外還有氫氣、水蒸汽及液態金屬蒸氣等均可作為氣體潤滑劑。其特點是粘度低、功耗少、溫升小，其粘度隨溫度變化小，故適于高溫和低溫環境下的高速場合，但承載能力低。

3.潤滑脂

為使潤滑劑易于保持在摩擦表面，用稠化劑將潤滑油稠化成膏狀，即潤滑脂。稠化劑是各種金屬皂，如鉀皂、鈉皂、鈣皂等，從而可形成不同皂類的潤滑脂。有時為提高抗氧化能力和潤滑性能，還常常加入添加劑。

4.固體潤滑劑

固體潤滑劑有無機化合物（石墨、二硫化鉬、硼砂等）與有機化合物（金屬皂、動物脂等），使用時常將潤滑劑粉末與膠粘劑混合起來應用，也可與金屬或塑料等混合后制成自潤滑復合材料使用。固體潤滑劑適用于高溫、大

載荷以及不宜采用液體潤滑劑和潤滑脂的場合，如宇航設備及衛生要求較高的機械設備中。

二、 潤滑劑的性能指標

潤滑劑的性質主要用以下幾個性能指標來衡量。

1.粘度 即流體抵抗剪切變形的能力，它表示流體內摩擦阻力的大小，是選擇潤滑劑的重要指標。

·牛頓流體內摩擦定律：

如圖所示，被潤滑油隔開的兩個平行平板，若上板以速度

V 移動，下板靜止不動，則潤滑油呈層流流動。各油層間的切應力τ與速度梯度du/dy成正比關系，這一關系稱為牛頓流體內摩擦定律，是牛頓在1687年提出來的，其數學表達式為

（6-2）

式中，τ--流體的切應力；

η--動力粘度或絕對粘度；

式中的負號表示切應力的方向與相對速度方向相反。

·動力粘度：

動力粘度的國際單位是Pa.s（帕.秒），1Pa·s = 1N·s/m2。表示速度面積各為1m2的兩層流體相距1m時，相對滑動速度為1m/s，所需要的力為1N，此時流體的粘度為1Pa.s。為使用方便工程上常用的動力粘度單位有1dyn.s/cm2叫1P（泊）和百分之一泊（厘泊）、記為cP。三者關系為

1000cP = 10P = 1Pa·s

·相對粘度：

用潤滑油同水作比較所測得的粘度，稱為相對粘度，我國常用恩氏粘度。在一定溫度下200cm3的油樣流過直徑為2.8mm的孔所需時間，與同體積20°C的蒸餾水流過時間的比值，即為該油樣的恩氏粘度，以符號°Et表示。°E20表示測定溫度為20°C。

工業用潤滑油的粘度分類，新舊標準不同，運動粘度新標準是以40°C為基礎，而舊標準是以50°C或100°C為基礎。標準的粘度牌號分類、運動粘度范圍及其中心值列于表中。

表6-2 工業用潤滑油粘度牌號分類（mm2/s

粘度牌運動粘度中心值40°運動粘度范圍40°號 C C

2

3

2.2

3.2

1.98～2.42

2.88～3.52

5

7

10

15

22

32

46

68

100

150

220

320

460

680

1000

1500

4.6

6.8

10

15

22

32

46

68

100

150

220

320

460

680

1000

1500

4.14～5.06

6.12～7.48

9.00～11.0

13.5～16.5

19.8～24.2

28.8～35.2

41.4～50.6

61.2～74.8

90.0～110

135～165

198～242

288～352

414～506

612～748

900～1100

1350～1650

潤滑油粘度與溫度、壓力之間的關系

潤滑油粘度隨溫度變化而變化影響十分顯著。粘度隨溫度變化愈小的油，品質愈高。粘度隨壓力的增高而增大，但對潤滑油來說，在低壓時變化很小，可忽略不計。高壓（大于5MPa）時，影響較大，特別是在彈性流體動壓潤滑中不容忽視。試驗研究表明油的粘度隨壓力和溫度變化可用下式表示

（6-4）

式中：β--- 粘溫系數；

T和T0

--- 測試溫度和室溫；

η和η0

--- 測試壓力和溫度下的粘度及大氣壓下的粘度；

a --- 粘壓系數；

p --- 測試壓力。

2.油性 潤滑油能在金屬摩擦表面形成吸附膜的性能稱為油性。油性愈好、愈有利于邊界潤滑，動、植物油和脂肪酸的油性較好。目前尚沒有一個定量的指標評價潤滑劑的油性。

3.凝點 潤滑油冷卻到不能流動的溫度稱為凝點。低溫工作的場合應選凝點低的潤滑油來潤滑。

4.閃點 潤滑油蒸氣在火焰下閃爍的溫度稱為閃點。高溫工況的場合應選閃點高的潤滑油來潤滑。

5.滴點 潤滑脂受熱開始滴下的溫度稱為滴點，潤滑脂的工作溫度最少要低于滴點20°C。

6.錐入度 是潤滑脂稠度指標。錐入度愈小，稠度愈大、流動性愈小，承載能力強，密封好，但摩擦阻力也大。

三、潤滑劑及潤滑油添加劑的選擇

1．潤滑劑的選擇

潤滑劑用得最多的是潤滑油和潤滑脂。選擇滑動軸承的潤滑油時，主要是考慮粘性和油性兩項性能指標。對液體摩擦軸承，粘性起主要作用，對非液體摩擦軸承，油性起主要作用。

粘性用粘度表示性能指標，而油性目前尚無具體性能指標，這是因為影響油性的因素較復雜，難于定出。因此，對非液體摩擦軸承，通常也是參考粘度來選油。原則上講，當轉速高、壓強小時可選粘度低的油，反之應選粘度高的油。在高溫環境下工作時其粘度相應地選得高一些。

對于要求不高，難以經常供油或擺動工作的非液體摩擦軸承，可采用潤滑脂進行潤滑，工業上常用的潤滑脂有：

鈣基潤滑脂：有良好的抗水性，但耐熱能力差，工作溫度不宜超過55～65°C；

鈉基潤滑脂：有較高的耐熱性，工作溫度可達120°C，但抗水性差；

鋰基潤滑脂：既能抗水，又能在較高溫度下工作，適用于-20～120°C，但價格較前二者貴。

2．潤滑油添加劑的選擇

潤滑材料是潤滑技術發展的核心內容。潤滑油中加入添加劑可以大幅度提高其工作性能。常用的潤滑油添加劑有，，，。

四、流體潤滑機理簡介

流體潤滑可由流體動壓（包括彈性流體動壓）和流體靜壓原理形成。

（1）流體動壓潤滑 是利用摩擦副表面的相對運動，將流體帶進摩擦面間，自行產生足夠厚的壓力油膜把摩擦面分開并平衡外載荷的流體潤滑。顯然，形成流體動壓潤滑能保證兩相對運動摩擦表面不直接接觸，從而完全避免了磨損，因而在各種重要機械和儀器中獲得了廣泛的應用。

（2）流體靜壓潤滑 利用外部供油（氣）裝置，將一定壓力流體強制送入摩擦副之間，以建立壓力油膜的潤滑稱為流體靜壓潤滑。

（3）彈性流體動力潤滑

生產實踐證明，在點、線接觸的高副機構（齒輪、滾動軸承和凸輪等）中，也能建立分隔摩擦表面油膜，形成動壓潤滑。但接觸區內壓強很高（比低副接觸大1000倍左右），這就使接觸處產生相當大的彈性變形，同時也使其間的潤滑劑粘度大為增加。考慮彈性變形和壓力對粘度的影響這兩個因素的流體動力潤滑稱為彈性流體動力潤滑（Elasto ---Hydrodynamic Lubrication），簡稱"彈流"（EHL）。其油膜厚度與壓力分布如圖所示。