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摩擦磨损实验一、实验目的1、掌握SRV4磨损实验机的操作与使用方法。
2、对比测试四种合金在油润滑条件下的摩擦学性能。
二、实验原理SRV4磨损试验机是一种用途广泛的摩擦、磨损实验机及润滑油、添加剂性能评定装置。
主要用于对材料在室温或高温条件下；有润滑或干摩擦条件下的摩擦磨损性能进行测试。
对润滑介质承载能力、高温摩擦磨损性能进行评定。
图1 SRV4磨损实验机试样安装示意图三、实验器材实验在德国产SRV4型往复磨损实验机上进行，采用球/盘接触模式。
试验所用圆盘的尺寸为Φ24±0.5mm，厚度为5±0.1mm，所用GCr15轴承钢对磨球尺Φ10mm，实验介质为润滑油。
圆盘的材料分别为灰铸铁（HT250），Al-Si-Cu-Fe-Mg合金，表面喷涂Al-Si-Cu-Fe-Mg涂层的45钢和表面喷涂Al-Si-Cu-Fe-Mg涂层并进行300℃热处理的45钢。
四、实验过程与步骤1、试样准备与安装采用无水乙醇对上下试样进行超声波清洗，清洗时间10min，超声功率120W。
使用2400# Akasel金刚石磨盘对待测表面进行机械打磨，再用Al2O3抛光液进行抛光处理，确保样品表面粗糙度Ra低于0.3μm。
实验材料和对磨球均用乙醇超声波清洗干净并烘干备用。
在进行磨损表面检测分析之前，需要再次对磨损试样进行超声清洗，所用水溶液均为去离子水配制。
2、摩擦学实验（1）打开SRV4实验机主机开关与控制计算机，启动OIP Main控制软件，弹出“欢迎”对话框。
选择Meas Start Seq，进入测试模式。
（2）选择Meas Start Seq，进入测试模式。
Step1：根据需要选择实验模式，包括高温测试、往复测试、旋转测试的等。
Step2：点击Next，开始进行参数设置。
（3）选择Meas Start Seq，进入测试模式后，设置试验参数。
包括预加载荷、载荷、温度、频率、行程、采样间隔，摩擦系数保护阈值及反应时间等。
考虑其他因素的情况下硬度越高耐磨性也就好,铸铁的耐磨性好是因为灰铸铁内含有片状石墨的,我们知道石墨具有润滑性能.所以铸铁虽然硬度低但是耐磨性好就是因为石墨的减磨.还有就是表面的光洁度,表面光洁度越高,摩擦越小相对来说同种材料根据表面处理不同,硬度跟耐磨性是成正比的.材料的硬度越高，耐磨性越好，故常将硬度值作为衡量材料耐磨性的重要指标之一。
但是耐磨性最好的材料不一定硬度高.最常用的耐磨材料比如铸铁硬度就不高,发动机的凸轮轴就常用铸铁.更典型的还有滑动轴承里的耐磨层是巴氏合金硬度也不高.还有蜗杆蜗轮减速器里为了增强耐磨性,一般用硬度低青铜合金做蜗轮. 耐磨,要求的是嵌入性和摩擦顺应性.就是材料磨过后能最快的形成两摩擦面的凹凸相配合的磨擦面.如果单纯追求表面硬度.过硬的材料不容易磨合.反而会降低摩擦面的耐磨性.根据磨损的机理：如果是切入式磨损，则提高表面硬度可以较好的提高耐磨性；而如果是冲击性磨损，则提高的效果会差一些。
高锰钢大家应该很熟悉，有很好的抗冲击耐磨性。
韧性好的奥氏体，在冲击时发生强烈的加工硬化，提高表面硬度，达到硬度和韧性的很好结合，耐磨效果很好。
如果材料中含有如石墨、六方氮化硼、硫化铁等具有片层状结构的物质，在摩擦中这些物质起固体润滑剂的作用，可以提高耐磨性。
常见的铸铁，飞机发动机里的封严涂层等。
塑料与金属对磨时，塑料有很好的适应性，而且还可在金属表面形成薄薄的一层转移膜，改善耐磨性能。
往复式压缩机的采用PEEK阀片代替金属阀片，就是一个很好的例子。
巴氏合金则是有油润化条件下的一个非常经典的合金。
它的结构是硬质点分布在软相上，摩擦中，硬质点起支持作用，软相被稍微多磨掉一些，形成的空隙正好容纳润滑油，改善润滑条件。
总体说来，俺觉得摩擦是两个东西间的事，就跟爱情一样，鲜花插错地方效果肯定不好。
硬度高不等于耐磨性好。
硬度高耐磨好，作为一个经验性的初步判断，还是有用的。
我的理解：磨损其实应该是接触表面应力范畴也就是在一定的压力下，运动的两种金属相互作用，材料消耗的比例。
实验三铸铁与有色金属的显微组织分析一、实验目的1. 观察和分析各种灰口铸铁的显微组织。
2. 熟悉常用的铝合金、铜合金及轴承合金的显微组织。
二、实验内容观察分析下列金相组织。
表3—1（一）灰口铸铁的组织分析：1. 普通灰口铸铁：灰口铸铁显微组织与白口铸铁的显微组织不同，白口铸铁中的碳全部以化合物渗碳体的形式存在，在组织中有共晶莱氏体，其断口白亮。
性质硬而脆，故工业上很少应用，主要作炼钢原料。
普通灰口铸铁中碳全部或部分以自由碳—片状石墨形式存在，断口呈现灰色。
其显微组织根据石墨化程度的不同为铁素体或珠光体或铁素体+珠光体基体上分布片状石墨。
由于片状石墨无反光能力，故试样未经腐蚀即可看出呈灰黑色。
石墨性脆，在磨制时容易脱落，此时在显微镜下只能见到空洞。
为了研究石墨的形状和分布，一般均先观察未经腐蚀的试片。
灰口铸铁的基体在未经腐蚀的试片上呈白亮色，经过硝酸酒精腐蚀后和碳钢一样。
在铁素体基体的灰口铸铁中看到晶界清晰的等轴铁素体晶粒。
在珠光体基体的灰口铸铁中，珠光体片的大小随冷却速度而异。
由于石墨的强度和塑性几乎等于零，这样可以把铸铁看成是布满裂纹和空洞的钢，因此铸铁的抗拉强度与塑性远比钢低。
且石墨数量越多，尺寸越大，石墨对基体的削弱作用也愈大。
在铸铁中由于含磷较高，在实际铸造条件下磷常以Fe3P的形式与铁素体和Fe3C形成硬而脆的磷共晶。
因此在灰铸铁的显微组织中，除基体和石墨外，还可以见到具有菱角状沿奥氏体晶界连续或不连续分布的磷共晶（又叫斯氏体）。
磷共晶主要有三种类型，即二元磷共晶（在Fe3P的基体上分布着粒状的奥氏体分解产物—铁素体或珠光体）、三元磷共晶（在Fe3P的基体上分布着呈规则排列的奥氏体分解产物的颗粒及细针状的渗碳体）和复合磷共晶（二元或三元磷共晶基体上嵌有条块状渗碳体）。
用硝酸酒精或苦味酸腐蚀时Fe3P不受腐蚀，呈白亮色，铁素体光泽较暗，在磷共晶周围通常总是珠光体。
由于磷共晶硬度很高，故当二元或三元磷共晶以少量均匀孤立分布时，有利于提高耐磨性，而并不影响强度。
铸铁一、铸铁的分类铸铁是含碳量大于2.11%的铁碳合金，除铁碳元素外还含有硅、锰、硫、磷等杂质。
通常用于制作机械零部件的铸铁其含碳量在2.5%—4%。
铸铁在机械制造中应用非常广泛，常见的有机床床身、工作台、箱体、底座等形状复杂或受力及摩擦作用的零件，绝大多数是用铸铁来制造的。
铸铁的性能除决定基体类型外，还和碳存在的形式、数量、大小及分布有着密切的关系。
正是由于这些因素的不同，工业用铸铁的性能及用途也有很大的差异。
根据碳在铸铁中存在的形式和形态的不同，铸铁分类如下：1．白口铸铁碳除少量溶于铁素体外，其余的碳都以渗素体的形式存在在于铸铁中，其断口是银白色，故称白口铸铁。
这类铸铁硬而脆，很难加工，所以很少直接用来制造各种零件，主要是作为炼钢原料和制作一些不重要的耐磨件。
2.灰口铸铁（灰铸铁）牌号HT碳主要以片状石墨形式存在于铸铁中，断口呈灰色。
这类铸铁的力学性能不高，但它的生产工艺简单、价格低廉、而且还具备其它方面的特性，故在工业中应用广泛。
3.球墨铸铁（球铁）牌号QT碳主要以球状石墨的形式存在于铸铁中。
这类铸铁的力学性能不仅比灰铁高，而且还可以通过热处理进一步提高。
所以它在生产中常用作受力大且重要的铸件。
4.蠕墨铸铁（RUT）碳主要以介于片状石墨与球状石墨之间形似蠕虫状的石墨存在于铸铁中。
性能介于灰铸铁与球铸铁之间。
它是近几年发展起来的新型铸铁。
5.可锻铸铁（KT）碳主要以团絮状石墨的形态存在于铸铁中。
其力学性能（特别是韧性和塑性）较大，铸铁高，并接近团墨铸铁，它在薄壁复杂铸件中应用较多。
我们这里主要介绍灰口铸铁、球墨铸铁两种：一）普通灰口铸铁（灰铸铁）灰口铸铁是指对一定成分的铁水作简单的炉前处理，浇注后得到具有片状石墨的铸铁。
它是铸铁类中生产工艺最简单、成本最低的铸铁，所以在工业生产中得到了最广泛的应用。
（例如一台机床其灰铸铁的用量达到70%—80%）在铸铁总产量中，其灰铁占到80%以上。
1.灰铸铁的化学成分灰铸铁的化学成分范围一般为Wc=2.6%—3.6%、Wsi=1.2%—3.0%、WMn=0.4%—1.2%、Wp≤0.2%、Ws≤0.15%。
第１３卷第７期２ ０ １ ３年８月ＲＥＦＲＩＧＥＲＡＴＩＯＮ ＡＮＤ ＡＩＲ－ＣＯＮＤＩＴＩＯＮＩＮＧ ８３－８５收稿日期：２０１２－０９－０１作者简介：史正良，硕士，工程师，主要从事制冷空调压缩机材料及摩擦磨损方面的研究。
不同表面处理对灰铸铁摩擦学性能的影响史正良 潘健（珠海格力电器有限公司）摘 要 分别对灰铸铁样件进行磷化处理、磷化＋纳米铁基离子表面处理、磷化＋二硫化钼粘结固体涂层处理，在浸油润滑条件下，采用万能摩擦试验机，考察灰铸铁在不同表面处理下的摩擦磨损性能。
试验结果表明，磷化＋二硫化钼粘结固体涂层试件的摩擦系数最低，稳定在０．１２５左右，并出现少量的粘着磨损和磨粒磨损。
关键词 灰铸铁；表面处理；摩擦磨损Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｎ ｔｒｉｂｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｇｒａｙ ｃａｓｔ ｉｒｏｎＳｈｉ Ｚｈｅｎｇｌｉａｎｇ Ｐａｎ Ｊｉａｎ（Ｇｒｅｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ａｐｐｌｉａｎｃｅ，Ｉｎｃ．ｏｆ Ｚｈｕｈａｉ）ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ｓｕｒｆａｃｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｐｈｏｓｐｈａｔｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ｐｈｏｓｐｈａｔｅ／ｎａｎｏ ｐｌａｓｍａｓｕｒｆａｃｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ｐｈｏｓｐｈａｔｅ／ｍｏｌｙｂｄｅｎｕｍ ｄｉｓｕｌｆｉｄｅ ｃｏａｔｉｎｇ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ａｒｅ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｏｎｇｒａｙ ｃａｓｔ ｉｒｏｎ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｗｅａｒ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ｇｒａｙ ｃａｓｔ ｉｒｏｎ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ＭＭＷ－１ｔｒｉｂｏｌｏｇｙ ｔｅｓｔｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ｕｎｄｅｒ ｂａｔｈ ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｌｉｄｉｎｇｆｒｉｃｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｔｅｓｔ ｓａｍｐｌｅ ｗｉｔｈ ｐｈｏｓｐｈａｔｅ／ｍｏｌｙｂｄｅｎｕｍ ｄｉｓｕｌｆｉｄｅ ｃｏａｔｉｎｇ ｔｒｅａｔｍｅｎｔｉｓ ｌｏｗｅｒ ｔｈａｎ ｏｔｈｅｒｓ，ｔｈｅ ｖａｌｕｅ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｓ ａｔ ａｒｏｕｎｄ ０．１２５，ａｎｄ ａ ｓｍａｌｌ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ａｄｈｅｓｉｖｅａｎｄ ａｂｒａｓｉｖｅ ｗｅａｒ ａｐｐｅａｒ．ＫＥＹ ＷＯＲＤＳ ｇｒａｙ ｃａｓｔ ｉｒｏｎ；ｓｕｒｆａｃｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ；ｆｒｉｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｗｅａｒ 灰铸铁具有一定的力学性能，优良的铸造性和加工性。
由于基体中的富碳以石墨形式存在，使其具有优良的减磨性。
因此，滚动转子式压缩机的曲轴广泛采用铸铁材料。
压缩机的曲轴传递电机扭矩，通过偏心曲轴压缩制冷剂气体，其反作用力将曲轴推向上、下轴承，形成很大的接触压力。
为隔离金属间的直接接触，避免运行中的咬死和烧伤，同时为减小功耗、降低磨损、提高压缩机的可靠性，最常用的方法是磷化处理［１］。
为了进一步提高涂层的应用效果，笔者分别对灰铸铁样件进行磷化处理、磷化＋纳米铁基离子表面处理、磷化＋二硫化钼粘结固体涂层处理，考察不同表面处理后的摩擦磨损性能。
１ 试验部分１．１ 磷化磷化液成分不同，处理后的磷化膜的形态各不相同，笔者使用的是锰系磷化液。
磷化工艺：试件上料→脱脂处理→水洗→表调（浸入式）→磷化（９７℃浸入式）→清洗→烘干→抛光。
磷化膜均匀细小，完整致密，晶体密集堆积呈柱状结构。
膜的主要成分是Ｍｎ３（ＰＯ４）２·２ＭｎＨＰＯ４·４ＨＯ２和ＦｅＨＰＯ４·４ＨＯ２，外观深灰色，有较好的耐腐蚀性（见图１）。
１．２ 涂覆与固化在磷化的基础上分别对样件进行纳米铁基离子涂覆处理和二硫化钼粘结固体涂层处理。
纳米铁基离子涂覆工艺：磷化抛光样件→清洗→预热（８０℃，２０ ｍｉｎ干燥）→表面涂覆→强化（８０℃，６０ ｍｉｎ烘烤）。
二硫化钼粘结固体涂层工艺：磷化抛光样件→清洗→预热（４０℃，２０ ｍｉｎ加热）→浸涂→固化（８０℃，３０ ｍｉｎ烘烤）。
１．３ 试验方法在立式万能摩擦试验机上进行销盘试验，上试件材料为高速钢，硬度为ＨＲＣ６３，下试件基体材 ·８４ ·第１３卷 料是灰铸铁，硬度为ＨＢ２２０，并分别进行表面处理。
载荷为２００ Ｎ，矿物油５６ＥＰ浸油润滑，转速为１ ０００ ｒ／ｍｉｎ，连续运行３ ｈ，常温常压下测试。
对比摩擦前后的质量，考察其磨损性能。
１．４ 试验设备ＦＡ２１０４型分析天平（上海良平），精度为０．１ｍｇ，最大量程１２０ ｇ；ＭＭＷ－１万能摩擦试验机，能够进行四球、销盘和止推面摩擦副的摩擦磨损测试；正置式金相显微镜，最大放大倍数２ ０００倍。
２ 试验结果分析２．１ 摩擦系数图１所示为磷化试件的摩擦系数随时间变化情况曲线。
由图可以看出，磷化试件的摩擦系数跳动幅度较大，平均摩擦系数在０．１７～０．１８左右。
摩擦系数变化趋势与Ｓｔｒｉｂｅｃｋ曲线相似，在摩擦的起始阶段（３００ ｓ内），摩擦表面的间隙接近表面粗糙峰的高度，载荷由粗糙峰的接触和不连续的流体膜共同承担，克服滑动摩擦阻力较大，摩擦系数达到了０．２７。
随着粗糙峰的递减，润滑膜厚度趋于一致，摩擦系数迅速减小。
随着时间的推移，摩擦表面温度上升，表面氧化膜经过破坏、形成、再破坏，磷化层在弹性和塑性变形下损伤，摩擦系数缓慢增大。
图１ 磷化处理试样的摩擦系数图２所示为灰铸铁磷化＋纳米铁基离子表面处理样件的摩擦系数波动曲线。
由图可以看出，在前７ ２００ ｓ，摩擦系数缓慢下降，最后趋于平稳，平均摩擦系数保持在０．１５～０．１６左右。
摩擦系数跳动幅度相对较小，纳米铁基离子填补了磷化层表面的凹坑，滑动阻力减小；纳米铁基离子在摩擦副表面形成“微区固溶体”，起到自修复和减磨作用，同时，纳米离子熔点较低，高负载下在摩擦表面形成复合润滑防护薄膜，从而降低摩擦系数。
图３所示为灰铸铁磷化＋二硫化钼粘结固体涂层处理样件的摩擦系数波动曲线。
从图中可以图２ 磷化＋纳米铁基离子表面处理试样的摩擦系数看出，在０～３ ６００ ｓ，摩擦系数迅速降低，最后趋于平稳，平均摩擦系数在０．１３～０．１４左右。
二硫化钼固体颗粒作为固体润滑剂具有自润滑性能，均匀吸附在磷化层表面，在摩擦过程中因磨损而脱落的颗粒可转移到对偶件表面，进而填充对偶件表面凹处甚至陷入对偶件基体，使摩擦表面始终处于较为平整的状态，并在摩擦副两表面间形成剪切强度较低的转移膜，从而减小摩擦系数。
图３ 磷化＋二硫化钼粘结固体涂层处理试样的摩擦系数２．２ 磨损量参照质量磨损量评价材料的磨损性能。
零件表面易吸附杂质或水分，为了保证测量的精度，须确保试样在试验前后有着同一洁净度和干燥度。
故试验前将下试件放入丙酮溶液清洗，然后放入８０℃干燥箱保温２ ｈ，取出试样，在空气中冷却１０ｍｉｎ，再用精度为０．１ ｍｇ的分析天平称取质量。
试验后的处理方法与试验前相同。
图４所示为不同表面处理后试样的磨损量。
由图可以看出，磷化处理、磷化＋纳米铁基离子表面处理以及磷化＋二硫化钼粘结固体涂层处理的质量磨损量分别为４０．７ ｍｇ，３４．３ ｍｇ和２４ ｍｇ，在相同的磨损试验条件下，磷化＋二硫化钼粘结固体涂层处理的试样的质量磨损量最小。
第７期史正良等：不同表面处理对灰铸铁摩擦学性能的影响·８５ · 图４ 三种试样的磨损量２．３ 磨损机制分析图５所示为滑动摩擦后，下试件表面的磨损形貌图。
深色区域为磷化非磨损区，表面枝状晶粒为磷酸铁或磷酸锰，磨损区域的表面处理层有脱落（图中白亮区域）。
图５ 不同表面处理后的磨损形貌图图５（ａ）为磷化处理样品，接触区白亮区域较多，表层组织主要是片状脱落。
上下试件接触方式为线接触，接触应力较大，磷化层及次表层发生弹性变形或部分塑性变形，强度小的灰铸铁材料粘附在较硬材质上，反复滑动中被剪断脱落，磨损机制主要以粘着磨损为主。
图５（ｂ）为磷化＋纳米铁基离子表面处理样品，出现三体磨损。
磨损区域犁沟较多，磷化层趋于光滑，纳米铁基离子吸附在表面起到复合润滑作用，纳米颗粒不断修复磨损部位，填充微裂纹，犁沟深度较浅，摩擦系数相对较低，主要是磨粒磨损。
图５（ｃ）为磷化＋二硫化钼粘结固体涂层处理样品，磨损机制有粘着磨损和磨粒磨损。
二硫化钼颗粒均匀地填充在磷化层的空洞中，反复的塑性变形使表面出现少量的粘着点，剪断脱落的磨粒堆积在摩擦副表面，增大了摩擦阻力。
但是由于二硫化钼颗粒转移到对偶件上，二硫化钼在接触区起到滚动轴承的作用，抵消了摩擦阻力，摩擦系数较低。
３ 总结及讨论对灰铸铁进行磷化处理、磷化＋纳米铁基离子表面处理以及磷化＋二硫化钼粘结固体涂层处理后，其摩擦系数发生变化。
在同种试验条件下，磷化＋二硫化钼粘结固体涂层处理样品的摩擦系数最小，在０．１３～０．１４范围内。
通过观察磨损形貌发现，磷化处理试样主要是以粘着磨损为主，磷化＋纳米铁基离子表面处理的试样主要是磨粒磨损，磷化＋二硫化钼粘结固体涂层处理的试样是磨粒磨损和粘着磨损。
由于纳米离子以及二硫化钼粘结固体涂层材料在减磨耐磨方面具有独特的功能，近年来被广泛地应用于精密机械旋转部件，但是试件与基体之间的结合力相对较差。
寻求更好的表面处理工艺，改善与基体之间的粘附力是值得关注的问题。
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