摩擦、磨损和润滑

2024年2月23日发(作者：戴佩妮怎样)

摩擦、磨损和润滑

§1 摩 擦

在一定的压力下，表面间摩擦阻力的大小与两表面间的摩擦状态有密切关系，不同摩擦状态下，产生摩擦的物理机理是不同的。

一、 摩擦状态

按摩擦状态，即表面接触情况和油膜厚度，可以将滑动摩擦分为四大类，干摩擦、边界摩擦（润滑）、液体摩擦（润滑）和混合摩擦（润滑），如图所示。

1.干摩擦 两摩擦表面间无任何润滑剂或保护膜的纯净金属接触时的摩擦，称为干摩擦。在工程实际中没有真正的干摩擦，因为暴露在大气中的任何零件的表面，不仅会因氧气而形成氧化膜，且或多或少也会被润滑油所湿润或受到"污染"，这时，其摩擦系数将显著降低。在机械设计中，通常把不出现显著润滑的摩擦，当作干摩擦处理。

2.边界摩擦 两摩擦表面各附有一层极薄的边界膜，两表面仍是凸峰接触的摩擦状态称为边界摩擦。与干摩擦相比，摩擦状态有很大改善，其摩擦和磨损程度取决于边界膜的性质、材料表面机械性能和表面形貌。

3.液体摩擦 两摩擦表面完全被液体层隔开、表面凸峰不直接接触的摩擦。此种润滑状态亦称液体润滑，摩擦是在液体内部的分子之间进行，故摩擦系数极小。这时的摩擦规律已有了根本的变化，与干摩擦完全不同。关于液体摩擦（液体润滑）的问题，将在滑动轴承中进一步讨论。

4.混合摩擦 两表面间同时存在干摩擦、边界摩擦和液体摩擦的状态称为混合摩擦。

二、干摩擦理论

干摩擦理论主要有：

（1）

机械理论认为摩擦力是两表面凸峰的机械啮合力的总和，因而可解释为什么表面愈粗糙，摩擦力愈大；

（2）

分子-机械理论认为摩擦力是由表面凸峰间的机械啮合力F1和表面分子相互吸引力F2两部分组成，因而这一理论可解释为什么当接触表面光滑时，摩擦力也会很大。但上述两种理论不能解释能量是如何被消耗的；

（3）粘着理论；

（4）能量理论等。

a) 结点 b) 界面剪切 c) 软金属剪切

a) 结点 b) 界面剪切 c) 软金属剪切

大量的试验表明，工程表面的实际接触面积约为名义接触面积的10-2～10-3，这样接触区压力很高，使材料发生塑性变形，表面污染膜遭到破坏，从而使基体金属发生粘着现象，形成冷焊结点（如图a

所示）。当发生滑动时，必须先将结点剪断（如图b

所示），同时，当较硬的凸峰在较软的材料上滑过时，将切出沟纹（即犁刨作用），从而相对滑动时的摩擦力为上述两种因素所形成的阻力之和。由于后者相对来说较小，故可忽略。

三、摩擦系数

设结点的剪切强度为τB，则摩擦力为 F = Ar·τB

摩擦系数f为：：

（6-1）

在没有润滑的固体表面间，产生摩擦的主要原因是，表面形貌的粗糙不平，表面存在分子之间的吸引力，和表面凸峰间的"焊-剪-刨"作用。

影响摩擦系数的因素很多，有摩擦副配偶材料的性质、表面膜、镀层或涂层、滑动速度、环境温度及表面粗糙度等。

流体润滑条件下，摩擦力的大小取决于流体的内摩擦力。边界润滑条件

下摩擦力的大小取决于表面膜的性质。对有机化合物物理吸附膜，主要由吸附膜的类型及分子参数决定。试验发现，吸附分子碳数增加，摩擦系数和磨损率均减小。

各种摩擦状态下的摩擦系数典型值如表所示。

表1 不同摩擦状态下的摩擦系数（大致值）

摩擦状况

摩擦系数

相同金属：

黄铜-黄铜；青铜-青铜

异种金属：

铜铅合金-钢

干摩擦

巴氏合金-钢

非金属：

橡胶-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-二硫化钼润滑 0.06～0.20

固体润滑

铅膜润滑 0.08～0.20

矿物油湿润表面

加油性添加剂的油润滑：

边界润滑

钢-钢；尼龙-钢

尼龙-尼龙

液体动力润滑

流体润滑

液体静力润滑

0.15～0.30

0.05～0.10

0.10～0.20

0.08～0.20

<0.001

(与设计参数有关)

滚动摩擦系数与接触面材料的硬度、粗糙度、湿度等有关。滚动摩擦

球和圆柱滚子轴承的摩擦大体与液体动力润滑相近，其它滚子轴承则稍大

四、摩擦特性曲线

根据前述，液体摩擦润滑状态是最理想的润滑状态,干摩擦是应该避免的,边界摩擦和混合摩擦最常见，亦称边界润滑和混合润滑状态,有时也叫半液体润滑状态。试验证明，这三种实际存在的摩擦润滑状态是随某些参数的改变而相互转化的。它们的摩擦系数

f 与流体粘度η、相对滑动速度v、单位面积上的载荷

p 之间的关系如图所示。

§2 磨 损

一、 摩损过程及曲线

Ⅰ为跑合磨损阶段，由于机械加工的表面具有一定的不平度存在；运转初期，摩擦副的实际接触面积较小，单位面积上的实际载荷较大，因此，磨损速度较快。经跑合后尖峰高度降低，峰顶半径增大，实际接触面积增加，磨损速度降低。

Ⅱ为稳定磨损阶段，机件以平稳缓慢的速度磨损，这个阶段的长短就代表机件使用寿命的长短。

Ⅲ为剧烈磨损阶段，经稳定磨损阶段后，使精度降低、间隙增大，从而产生冲击、振动和噪声，磨损加剧，温度升高，短时间内使零件迅速报废。

按破坏的机理，磨损主要有四种基本类型，即粘着磨损、接触疲劳磨损、磨粒磨损和腐蚀磨损。

二、磨损分类

1.粘着磨损 当摩擦表面的不平度凸峰在相互作用的各点产生结点后再

相对滑移时，材料从运动副的一个表面转移到另一个表面，便形成了粘着磨损。滑动轴承中的"抱轴"和高速重载齿轮的"胶合"现象均是严重的粘着磨损。

2.接触疲劳磨损 受变应力的摩擦副，在其表面上形成疲劳点蚀，使小块金属剥落，这种现象称为疲劳磨损。接触疲劳磨损常发生在滚动轴承、齿轮、凸轮等零件上。

3.磨粒磨损 从外部进入摩擦面间的游离硬质颗粒或摩擦表面上的硬质凸峰，在摩擦过程中引起材料脱落的现象称为磨粒磨损。

4.腐蚀磨损 在摩擦过程中，摩擦表面与周围介质发生化学反应或电化学反应的磨损称为腐蚀磨损，腐蚀可在没有摩擦的条件下形成，而相对运动消除了化学反应的生成物，接着表面又受到腐蚀，如此不断反复。

实际上，大多数的磨损都以复合形式出现，即以上几种磨损相伴存在。微动磨损就是一种典型的复合磨损。微动磨损发生在相对静止的摩擦副上，但须在环境振动影响下，使结合面间沿表面方向有微幅振摆，才能产生。

§3 润 滑

一、 润滑剂的分类及其特点

在摩擦面间加入润滑剂的主要作用是改善摩擦、减轻磨损，同时润滑剂还能起减振、防锈等作用，液体润滑剂还能带走摩擦热、污物等。

润滑剂有液体润滑剂、气体润滑剂、润滑脂和固体润滑剂。

1.液体润滑剂

主要有三大类：

（1）矿物油，主要是石油产品，此种油来源充足，稳定性好、成本低，故应用最广，

（2）动、植物油，其油性好，最适于边界润滑使用，但稳定性差，来源不足，所以，应用较少，

（3）合成油，如磷酸酯（低温润滑剂）、硅酸盐酯（高温润滑剂）、氟化物（耐氧化润滑剂）等，近年来应用面不断拓广。

2.气体润滑剂

最常用的是空气，此外还有氢气、水蒸汽及液态金属蒸气等均可作为气体润滑剂。其特点是粘度低、功耗少、温升小，其粘度随温度变化小，故适于高温和低温环境下的高速场合，但承载能力低。

3.润滑脂

为使润滑剂易于保持在摩擦表面，用稠化剂将润滑油稠化成膏状，即润滑脂。稠化剂是各种金属皂，如钾皂、钠皂、钙皂等，从而可形成不同皂类的润滑脂。有时为提高抗氧化能力和润滑性能，还常常加入添加剂。

4.固体润滑剂

固体润滑剂有无机化合物（石墨、二硫化钼、硼砂等）与有机化合物（金属皂、动物脂等），使用时常将润滑剂粉末与胶粘剂混合起来应用，也可与金属或塑料等混合后制成自润滑复合材料使用。固体润滑剂适用于高温、大

载荷以及不宜采用液体润滑剂和润滑脂的场合，如宇航设备及卫生要求较高的机械设备中。

二、 润滑剂的性能指标

润滑剂的性质主要用以下几个性能指标来衡量。

1.粘度 即流体抵抗剪切变形的能力，它表示流体内摩擦阻力的大小，是选择润滑剂的重要指标。

·牛顿流体内摩擦定律：

如图所示，被润滑油隔开的两个平行平板，若上板以速度

V 移动，下板静止不动，则润滑油呈层流流动。各油层间的切应力τ与速度梯度du/dy成正比关系，这一关系称为牛顿流体内摩擦定律，是牛顿在1687年提出来的，其数学表达式为

（6-2）

式中，τ--流体的切应力；

η--动力粘度或绝对粘度；

式中的负号表示切应力的方向与相对速度方向相反。

·动力粘度：

动力粘度的国际单位是Pa.s（帕.秒），1Pa·s = 1N·s/m2。表示速度面积各为1m2的两层流体相距1m时，相对滑动速度为1m/s，所需要的力为1N，此时流体的粘度为1Pa.s。为使用方便工程上常用的动力粘度单位有1dyn.s/cm2叫1P（泊）和百分之一泊（厘泊）、记为cP。三者关系为

1000cP = 10P = 1Pa·s

·相对粘度：

用润滑油同水作比较所测得的粘度，称为相对粘度，我国常用恩氏粘度。在一定温度下200cm3的油样流过直径为2.8mm的孔所需时间，与同体积20°C的蒸馏水流过时间的比值，即为该油样的恩氏粘度，以符号°Et表示。°E20表示测定温度为20°C。

工业用润滑油的粘度分类，新旧标准不同，运动粘度新标准是以40°C为基础，而旧标准是以50°C或100°C为基础。标准的粘度牌号分类、运动粘度范围及其中心值列于表中。

表6-2 工业用润滑油粘度牌号分类（mm2/s

粘度牌运动粘度中心值40°运动粘度范围40°号 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

润滑油粘度与温度、压力之间的关系

润滑油粘度随温度变化而变化影响十分显著。粘度随温度变化愈小的油，品质愈高。粘度随压力的增高而增大，但对润滑油来说，在低压时变化很小，可忽略不计。高压（大于5MPa）时，影响较大，特别是在弹性流体动压润滑中不容忽视。试验研究表明油的粘度随压力和温度变化可用下式表示

（6-4）

式中：β--- 粘温系数；

T和T0

--- 测试温度和室温；

η和η0

--- 测试压力和温度下的粘度及大气压下的粘度；

a --- 粘压系数；

p --- 测试压力。

2.油性 润滑油能在金属摩擦表面形成吸附膜的性能称为油性。油性愈好、愈有利于边界润滑，动、植物油和脂肪酸的油性较好。目前尚没有一个定量的指标评价润滑剂的油性。

3.凝点 润滑油冷却到不能流动的温度称为凝点。低温工作的场合应选凝点低的润滑油来润滑。

4.闪点 润滑油蒸气在火焰下闪烁的温度称为闪点。高温工况的场合应选闪点高的润滑油来润滑。

5.滴点 润滑脂受热开始滴下的温度称为滴点，润滑脂的工作温度最少要低于滴点20°C。

6.锥入度 是润滑脂稠度指标。锥入度愈小，稠度愈大、流动性愈小，承载能力强，密封好，但摩擦阻力也大。

三、润滑剂及润滑油添加剂的选择

1．润滑剂的选择

润滑剂用得最多的是润滑油和润滑脂。选择滑动轴承的润滑油时，主要是考虑粘性和油性两项性能指标。对液体摩擦轴承，粘性起主要作用，对非液体摩擦轴承，油性起主要作用。

粘性用粘度表示性能指标，而油性目前尚无具体性能指标，这是因为影响油性的因素较复杂，难于定出。因此，对非液体摩擦轴承，通常也是参考粘度来选油。原则上讲，当转速高、压强小时可选粘度低的油，反之应选粘度高的油。在高温环境下工作时其粘度相应地选得高一些。

对于要求不高，难以经常供油或摆动工作的非液体摩擦轴承，可采用润滑脂进行润滑，工业上常用的润滑脂有：

钙基润滑脂：有良好的抗水性，但耐热能力差，工作温度不宜超过55～65°C；

钠基润滑脂：有较高的耐热性，工作温度可达120°C，但抗水性差；

锂基润滑脂：既能抗水，又能在较高温度下工作，适用于-20～120°C，但价格较前二者贵。

2．润滑油添加剂的选择

润滑材料是润滑技术发展的核心内容。润滑油中加入添加剂可以大幅度提高其工作性能。常用的润滑油添加剂有，，，。

四、流体润滑机理简介

流体润滑可由流体动压（包括弹性流体动压）和流体静压原理形成。

（1）流体动压润滑 是利用摩擦副表面的相对运动，将流体带进摩擦面间，自行产生足够厚的压力油膜把摩擦面分开并平衡外载荷的流体润滑。显然，形成流体动压润滑能保证两相对运动摩擦表面不直接接触，从而完全避免了磨损，因而在各种重要机械和仪器中获得了广泛的应用。

（2）流体静压润滑 利用外部供油（气）装置，将一定压力流体强制送入摩擦副之间，以建立压力油膜的润滑称为流体静压润滑。

（3）弹性流体动力润滑

生产实践证明，在点、线接触的高副机构（齿轮、滚动轴承和凸轮等）中，也能建立分隔摩擦表面油膜，形成动压润滑。但接触区内压强很高（比低副接触大1000倍左右），这就使接触处产生相当大的弹性变形，同时也使其间的润滑剂粘度大为增加。考虑弹性变形和压力对粘度的影响这两个因素的流体动力润滑称为弹性流体动力润滑（Elasto ---Hydrodynamic Lubrication），简称"弹流"（EHL）。其油膜厚度与压力分布如图所示。