摩擦学基础

摩擦学基础

机器状态监测和维护的支出是钢铁厂的一大笔费用。摩擦学有助于减少这种支出。摩擦学是 H. Peter Jost 博士于 1966 年在英国创造的一个新词。提供给英国议会教育和科学部的“约斯特报告”表明“工业每年可节省超过 5.15 亿英镑更好地应用摩擦学原理和实践”。但摩擦学并不是一个新领域。

摩擦学来自希腊语“tribos”，意思是摩擦或摩擦。而从后缀来看，“ology”就是研究的意思。因此，摩擦学是对“摩擦”的研究，或者说是“对摩擦事物的研究”。

摩擦学是在相对运动中相互作用的表面的科学和技术。这是（i）摩擦，（ii）磨损和（iii）润滑的研究（图1）。

图1摩擦学研究

摩擦学是在相对运动中相互作用的表面的科学和技术，通常被称为摩擦、磨损和润滑的研究。它是摩擦润滑和磨损的科学技术，在材料和节能方面具有相当重要的意义。当涉及到运动中的所有事物时，这是一项非常重要的古老知识，但作为一门科学学科，摩擦学却是相当新的。

摩擦学虽然是最古老的工程学科之一，但却是迄今为止最不发达的经典科学之一。原因是摩擦学既不是真正的单一学科，也不是由稳态过程很好地代表。它涉及材料的所有复杂性。

摩擦学本质上是多学科的，包括机械工程（尤其是轴颈轴承和滚子轴承和齿轮等机械元件）、材料科学、耐磨性研究、具有表面形貌分析和涂层的表面技术，以及润滑剂和添加剂的化学。摩擦学相对较年轻的学科是（i）生物摩擦学，包括（除其他主题外）磨损、摩擦和全关节置换的润滑，以及（ii）纳米摩擦学，其中研究摩擦和磨损微米和纳米尺度。

在任何机器中，都有许多通过相互摩擦来工作的部件（轴承、齿轮、凸轮、轮胎、制动器、活塞环等）。有时需要低摩擦，以节省能量，或高摩擦，例如刹车。摩擦学在包括钢铁行业在内的所有工业领域都有应用。

随着技术的进步，材料和能源的节约变得越来越重要。磨损是材料浪费的主要原因，因此任何减少磨损都会影响可观的节省。摩擦是能量耗散的主要原因，通过改进摩擦控制可以节省大量能源。润滑是控制磨损和减少摩擦的最有效手段。

摩擦学是在运动部件的接触表面之间引入一种物质，以减少摩擦和散热。选择最佳润滑剂并了解其作用于分离轴承或其他机器部件表面的机制是摩擦学研究的主要领域。

进行润滑以使相对运动中两个相互作用表面之间的摩擦最小化。发生摩擦是因为固体表面从不微观光滑。即使是最好的加工表面也有称为“粗糙度”的峰谷。当两个这样的表面接触时，只有表面上的峰才会真正接触。这些触点支撑正常负载并塑性变形并进行冷焊。根据法向载荷的大小，越来越多的高点或峰值开始接触，与“表观面积”相比，接触的“实际面积”增加，后者是接触表面的几何面积。这种现象称为粘连。

摩擦被认为是由这种粘附引起的。当两个这样的表面必须相对于彼此移动时，需要一些力来剪切这些接触。这种力称为摩擦力。摩擦学有助于在概念上更好地可视化表面之间相对运动所涉及的摩擦、磨损和润滑问题。

摩擦学是一门复杂的科学，摩擦和磨损的理论计算可能性很小。因此，摩擦学与实际应用密切相关，这使得精细工作和经验经验变得有价值。摩擦学特性对于接触的材料至关重要，并且系统对操作条件和环境很敏感。要了解摩擦学行为，物理学、化学、冶金学和力学方面的知识是必要的，这使得科学跨学科。通过优化技术应用（例如机器部件或金属加工系统）中的摩擦和磨损，可以节省环境和成本。

摩擦

摩擦力可以定义为物体相对于另一个物体运动的阻力，在金属加工操作中至关重要。摩擦力不是材料参数，而是反作用力形式的系统响应。这取决于例如温度、湿度、载荷、机械性能和表面形貌。一般来说，摩擦定律，称为阿蒙顿-库仑定律，将摩擦系数（M）描述为摩擦力 Ft（切向力）与法向力 Fn（载荷）之间的关系。

M =Ft/Fn

假定该定律在具有普通接触压力的摩擦接触中是准确的（因为周围的大多数接触都是如此），并且通常被称为库仑摩擦。在接触过程中，摩擦力一般可分为两部分，即（i）粘合部分（Ma）和犁部分（Mp）。

M =Ma + Mp

粘合剂成分与接触的材料有关，并由作用在实际接触区域的粘合力控制，即表面的凹凸不平。粘附力源于当表面相互滑动时破坏表面间结合所需的力。因此，接触的两种固体的附着力很重要，并且取决于滑动界面中摩擦表面的化学性质。

犁削分量源于最软材料在犁削过程中与较硬材料的表面凹凸接触的变形力，并且与表面形貌有关。此外，附着在界面上的变形硬化磨损颗粒也有犁地作用。

犁部件的另一部分是粗糙变形，它与微观水平上的粗糙变形有关。  

磨损机制

在摩擦接触中，磨损是由于接触的两个表面之间的相互作用而发生的，这意味着表面材料的逐渐去除，即材料损失。与摩擦力一样，接触材料的磨损是一个系统参数。重要的磨损机制可以是磨损、粘附、疲劳和摩擦化学磨损。通常，触点中有多种磨损机制。摩擦和磨损之间存在相互关系。通常，低摩擦导致低磨损。然而，这不是一般规律，有很多例子表明尽管摩擦力很小，但磨损率很高。

粘着磨损

粘着磨损是指两个金属体在没有刻意使用研磨剂的情况下相互摩擦而造成的损坏。磨粒磨损的特征在于从外部引入两个摩擦表面之间的较硬材料对表面的损坏。磨粒磨损的严重程度取决于磨粒的大小和棱角以及金属与磨粒的硬度之比，磨损倾向更大。

粘着磨损源于两种固体在相对运动中的严重程度之间的剪切接触。在滑动过程中，凹凸体发生弹性和塑性变形，从而形成接触区域，在该接触区域中，结合力提供了强大的粘附力，并且表面被焊接在一起。当切向相对运动导致较软材料中的大部分凹凸不平而不是在界面中分离并因此材料被去除时，就会发生粘着磨损。

真正的接触面积由表面焊接粗糙的所有区域组成，在滑动过程中，材料去除会导致磨损，磨损可以通过体积或重量减少来衡量。然而，更常见的是用磨损率或磨损系数来表示磨损。磨损率通常定义为单位滑动距离和负载的磨损量。

磨料磨损

磨料磨损使表面材料产生显着的塑性变形，并且当接触的表面之一明显比另一个表面硬时发生。这被称为两体磨损。当较硬的颗粒被引入摩擦系统时，通常也会发生磨损。当颗粒未附着到任何表面时，这称为三体磨损；当颗粒附着到接触的表面之一时，这称为二体磨损。因此，接触的两者中较硬的材料可能会磨损。尖锐和坚硬的凹凸或颗粒被压入较软的表面，导致较软的材料在较硬的周围产生塑性流动。由于切向运动，较硬的表面在犁地动作中划伤较软，从而导致磨损和残留的划痕或凹槽。磨粒磨损可进一步分为不同的磨损机制，如微切削、微疲劳和微崩刃。磨粒磨损率的定义与粘着磨损相同。

疲劳磨损

疲劳磨损对于定期加载的模具和工具（例如轧辊）来说是必不可少的。在加载的工具中，表面处于压缩状态，并且在表面下方产生剪切应力。重复加载会导致微裂纹的产生，通常在表面下方，在薄弱点，例如夹杂物或第二相颗粒。在随后的加载和卸载中，微裂纹扩展并且空隙合并。当裂纹达到临界尺寸时，它会改变方向以出现表面，并分离出扁平的片状颗粒。这也称为分层磨损，或者如果颗粒相对较大，则称为剥落。当正常加载与滑动结合时，最大剪应力的位置向表面移动，疲劳裂纹可能源于表面缺陷。

与所有磨损过程一样，疲劳磨损受大量变量的影响。为了减少疲劳磨损，应避免外部和内部应力增加，并确保基体和第二相颗粒之间的牢固界面。热加工中出现了进一步的复杂情况，其中突然加热导致表面膨胀并在表面和块状材料之间产生应力。接触后，表面的冷却再次引起应力。结合载荷引起的应力，会发生热疲劳，从而导致马赛克状的裂缝网络，称为龟裂或火裂。疲劳还可能导致工具突然发生灾难性故障，例如轧辊完全失效。

摩擦化学磨损

在摩擦化学磨损中，磨损过程主要是接触中的化学反应，因此会消耗材料。在这里，环境条件与机械接触机制相结合非常重要。化学作用，如扩散或溶解，本身不是磨损机制，而是始终与其他磨损机制结合和相互作用。谈论不同的机械磨损机制并将化学效应视为改变接触表面材料特性的附加影响参数可能更正确。

摩擦成膜

当两个物体相互滑动时，在表面接触中获得的局部高温和高压会导致表面的局部剪切变形和断裂。局部高温可能加速化学反应或局部熔化表面并发生磨损。然而，这些条件不一定必须仅对表面具有破坏性，而是可以使形成具有新摩擦学特性的摩擦膜成为可能。通常摩擦膜分为两类，即转化型摩擦膜和沉积型摩擦膜。两者都在改变表面形貌、化学和机械性能。在转变型摩擦膜的形成过程中，原始表面的转变是通过塑性变形、相变、扩散等方式获得的，没有任何材料转移。相反，沉积型摩擦膜仅通过材料转移获得，即通过来自反表面的分子、环境或通过磨屑。因此，表面形貌、化学反应性和粘附性可能会影响摩擦膜的形成。

润滑

润滑剂主要用于降低摩擦（通常因此降低振动）和磨损。它们是在相对运动的两个表面之间引入的试剂，以最大限度地减少摩擦。润滑剂的选择和应用取决于它们预期执行的功能。润滑剂的主要作用如下。

• 控制摩擦
• 控制磨损
• 控制温度
• 控制腐蚀
• 去除污染物
• 形成密封（油脂）

可以通过两种不同的机制来降低摩擦。如果润滑剂完全分离固体表面，则相对运动在润滑剂内以剪切形式发生，因此摩擦是由于润滑剂的抗剪切性造成的。如果润滑剂不能完全分离表面，则当吸附在表面的低摩擦薄膜之间发生滑动时，摩擦力会降低。较低的摩擦也会产生较少的热量，从而降低温度。

两个固体表面的完全或部分分离也可以减少磨损。润滑剂可以降低温度，带走可能的磨损颗粒并防止来自周围的污染，从而减少磨损。

在不同的生产过程中，润滑油残留可能会成为问题。例如，从工具转移到钢板上的残留物会加重车身的涂漆。在某些情况下，必须使用对环境不友好的清洁剂来清洁表面。润滑剂本身也可能不适合健康和环境方面。

润滑剂可以是流体或固体，但不一定是油或油脂。例如，金属、氧化物、硫化物、石墨等也可以用作润滑剂。以下是常见的类型。

• 液体润滑剂 - 液体矿物质可以是普通矿物油、矿物油加添加剂或合成润滑剂
• 准固体润滑剂（润滑脂）
• 固体润滑剂

根据典型应用要求选择特定类型的润滑剂。

液体润滑剂

通常优选液体作为润滑剂，因为它们可以通过液压作用在运动部件之间被吸入。除了保持零件分开外，它们还充当热载体。为给定应用选择液体润滑剂时，首要考虑因素通常是温度变化对润滑剂粘度的影响，该粘度应降至最低。液体润滑剂通常对金属表面和其他部件呈惰性。

现代精炼技术使从各种原油生产优质润滑油成为可能。炼油厂只生产不同粘度的基础润滑油库存。它们不适合直接食用。因此，将油混合以达到合适的粘度，并添加添加剂以改善其他品质。

合成液体润滑剂可以表征为油性和中性液体。它们不是从石油原油中获得的。但它们具有与石油润滑剂几乎相似的特性。这些在不能使用石油的情况下得到应用。合成润滑剂的一些特定化学类别是二酯、有机磷酸酯、有机硅聚合物等。

重要的润滑剂特性如下所述。

比重是一定体积的物质在15℃时的重量与水的重量之比。

粘度是油的流动阻力的量度。油的粘度越大，其流动阻力越大。例如，与具有高粘度且流动缓慢的糖蜜相比，水的粘度较低，因此可以自由流动。轴承上理想的油膜取决于选择粘度合适的油来保持两个金属表面的分离。

轴颈的速度和粘度与在轴承中保持良好的油膜密切相关。轴颈速度越慢，就需要更高的粘度或更稠的油。随着轴颈速度的增加，需要使用更稀的低粘度油。

轴承载荷也需要考虑，因为油必须具有足够的粘度以保持良好的油膜来支撑载荷。从技术上讲，它被定义为当两个表面被一层厚度为一厘米的液体隔开时，以每秒一厘米的速度在另一个平面上移动一平方厘米面积的平面所需的力。这种力的单位是“泊”，称为绝对粘度。

运动粘度是在测量粘度的温度下绝对粘度与油的比重之比。它的单位是“斯托克斯”。出于实际目的，石油的粘度以给定量的油流过标准毛细管所用的秒数表示。在 40 摄氏度或 100 摄氏度时以赛波特通用秒数表示。

粘度指数（VI）是温度变化对油品粘度影响的一种表现形式。这种变化可以用数值计算，结果用VI表示。

油的倾点是一个重要的品质。这是油仍然保持流动的温度。它反映了油在低温下工作的能力。

闪点是油释放出足够的可点燃蒸气的温度。它反映了油在较高温度下工作而没有任何火灾危险的能力。

提纯和制造过程会影响润滑油的优良品质。但是它们仍然不能直接使用。润滑油在严苛的工作条件下容易受到污染和分解。因此，某些被称为添加剂的化合物和其他试剂被添加到油中。大多数现代润滑油添加剂可分为 (i) 那些旨在通过保持劣化来保护使用中的润滑油的添加剂，(ii) 保护润滑油免受有害燃料燃烧产物影响的添加剂，以及 (iii) 改善现有物理性能或赋予新的特点。

润滑油中化学添加剂的用途非常广泛。它们用于最轻的仪器和主轴油到最稠的齿轮润滑油、汽车润滑油、切削油和液压油。润滑油基础油有 50 多种特性可以通过添加剂加以改善。一般来说，添加剂必须具有以下特性，即（i）在基础石油中的溶解度，（ii）不溶于水溶液且不与水溶液反应，（iii）不应使油变暗，（iv）挥发性低， (v) 必须在混合、储存和使用中保持稳定，并且 (vi) 不应产生不良气味。

使用的各种添加剂及其用途如下。

• 用于延长机油和机器寿命并防止氧化的抗氧化剂
• 缓蚀剂可防止合金轴承和金属表面受到化学侵蚀。
• 清洁润滑表面的清洁剂。
• 防锈剂，用于在水和湿气存在的情况下消除生锈
• 改善低温流动性的倾倒抑制剂
• 粘度指数改进剂，用于降低粘度随温度变化的变化率
• 防止稳定泡沫形成的消泡剂
• 用于提高薄膜强度和承载能力的极压剂

有超过 300 种不同的工业和汽车润滑油。这些通常分为 (i) 主轴油，(ii) 齿轮油，(iii) 通用轴承油，(iv) 电动机油，(v) 汽缸油，(vi) 涡轮油，(vii) 空气压缩机油, (viii) 冷冻压缩机油, (ix) 液压油, (x) 切削油, 和 (xi) 汽车油。这些油中的每一种都具有某些特性，使其能够很好地适应给定的应用。

准固体润滑剂（油脂）

润滑脂是一种半固体润滑剂。它通常是一种矿物油，其中添加了特殊的肥皂以产生塑料混合物。肥皂称为增稠剂。某些添加剂也像油一样添加以赋予特殊特性。使用润滑脂的优点如下。

• 需要的应用频率较低。这样可以节省润滑剂和维护成本。
• 它起到了防止灰尘进入的密封作用。
• 几乎消除了滴水和飞溅。
• 脂润滑轴承需要更便宜的密封件。
• 即使长时间不使用轴承，润滑脂也能确保一定程度的润滑。
• 由于润滑脂的粘附性，即使在机器空闲时，轴承生锈的机会也大大减少。

油脂的主要成分是肥皂和矿物油。肥皂可以来源于动物或植物脂肪或脂肪酸。此外，还存在某些添加剂。有时还添加填料以赋予特殊特性。

润滑脂按其制造过程中使用的皂化合物分类。润滑脂的性能很大程度上受用于制造润滑脂的皂化合物类型的影响。以下是可用的常见润滑脂类型：(i) 钙基润滑脂、(ii) 钠基润滑脂、(iii) 锂基润滑脂和 (iv) 钡基润滑脂。

润滑脂中的钙基使润滑脂具有光滑的电池外观。这种润滑脂具有很强的防水性。食用脂肪如棕榈油或棉籽油熟石灰用于制造肥皂。这种润滑脂需要添加水作为稳定剂。这不能承受高于 80 摄氏度的温度。它会分解油和肥皂并分离。分离的皂粒变得坚硬且具有磨蚀性，并导致轴承划伤。另一方面，钠基润滑脂可用于遇到高达 120 摄氏度的高温。钠基润滑脂在结构上是纤维状的。这使润滑脂能够承受滚珠和滚子轴承的高负荷。但是，钠基润滑脂的耐水性较差。钡基润滑脂适用于 175 摄氏度及以上。该润滑脂具有良好的耐水性。锂基润滑脂也适用于高温应用，并具有优异的防水性能。这种润滑脂也适用于低温。

为了承受非常高的温度和负载条件，使用了某些特殊的润滑脂，因为皂基润滑脂不能承受这样的条件。这些被称为非皂基润滑脂。改性膨润土和硅胶用于合成流体。一些皂基润滑脂用于合成流体而不是矿物油。与油的情况一样，添加剂也被添加到润滑脂中以赋予特殊特性。常用的添加剂有抗氧剂、缓蚀剂、极压剂、防锈剂和胶粘剂。

润滑脂的两个最重要的特性是稠度和滴点。一致性以十分之一毫米为单位的数字表示。标准 ASTM D217-52T 测试方法用于确定此特性。它被称为渗透测试。美国国家润滑脂协会 (NLGI) 根据上述测试确定的渗透读数将润滑脂分为不同的类别。滴点定义为在规定的测试条件下润滑脂从准固态变为液态的温度。 ASTM D566-42 测试用于确定滴点。这被用作耐热性的定性指标。

固体润滑剂

固体润滑剂是介于两个摩擦表面之间以减少摩擦和磨损的固体薄膜。随着技术的进步，对固体润滑剂的需求迅速增长。固体润滑剂具有低剪切强度、低硬度、对基体材料的高附着力、连续性、自愈能力（膜破裂立即重新形成）、不含磨料杂质、热稳定性和化学惰性等特点。各种无机化合物如石墨、二硫化钼、二硫化钨、氮化硼，以及有机化合物如铝、锌、钠、硬脂酸锂和蜡都可用作固体润滑剂。固体润滑剂已广泛应用于常规石油无法在极端工作条件下工作的地方。