摩擦與溫升

摩擦是一種阻力，克服阻力所需的功會轉換成熱能，所以接觸表面 的溫度會因為熱能而升高，可能因而造成材料局部軟化或者熔化的現 象。產生的熱一部分分布在相接觸的兩個材料上，一部分因環境散失熱

的正確分布係依照材料的熱傳性質及接觸面積而定 [13] 。

將螺絲鎖緊時所作的功代入上述方程式，可以用來估算螺絲與機件之間

且通常是有害的過程，然而有關磨耗的科學研究卻是近期才開始，磨潤 學的研究歷史沿革為摩擦、潤滑、磨耗，事實上大部分的磨耗研究都是 在最近 50 年內[13]。

磨耗可視為施加負荷在表面產生相對運動後，造成物體操作表面有 更大的質點流失[13]。磨耗與材料硬度、承受負荷及運動距離等因素有 關。所以若螺紋於極端的鎖緊作用條件下，螺紋有可能會產生很大的磨 耗，甚至失去功能，所以必須對摩擦與磨耗的相關機制以及各種磨耗的 發生原因、影響程度，有所了解。

3.3.1 磨耗的種類

磨耗的主要種類有[11][26]：黏著磨耗（adhesive wear）、磨損磨 耗（abrasive wear）、腐蝕磨耗（corrosive wear）、化學磨耗、疲勞 等，疲勞作用有時並不被列入磨耗的範疇。其中造成機器磨損之最主要 原因為磨損磨耗，然而各種類型的磨耗經常一起發生，且其中一項將促 使另一項進行，最終變成很難予以明確區分其產生起始磨耗的真正原 因。以下將擇要說明黏著磨耗與磨損磨耗。

3.3.2 黏著磨耗

黏著磨耗是一般最常見的磨耗型態，Kohno 和 Hyodo 曾經利用點與 面的接觸量測不同材料表面能的黏著力[27]。對於黏著磨耗的產生機制 主要有兩種不同的解釋。

1.黏著磨耗是因為微小接觸點的熔接作用而引起的金屬轉移。

以微觀的角度來看，滑動的金屬表面並不平滑，因為金屬表面的微 小凹凸不平，使得滑動時產生的接觸壓力及摩擦熱能會集中在接觸 的一小塊局部區域，造成此局部區域的壓力及溫度有時可能高達到 焊接溫度[11]。當接觸點到達熔點的溫度時，若金屬滑動則這些接 觸點會因為剪切作用而受到破壞。在原始接觸點被破壞後，新的微 細的接觸點會再度產生，基本上此作用類似於電焊現象，所以若金 屬容易被焊接則代表對於黏著磨耗也比較容易發生。而被破壞的金 屬顆粒會附著在材料表面跟著繼續運動，造成互相摩擦的情況愈來

愈嚴重。

2.黏著磨耗是金屬表面薄層因為疲勞而引起的金屬轉移。

鋼軸在青銅軸承上旋轉時，常發現鋼軸上有青銅薄膜的痕跡，顯示 即使在潤滑情況下，滑動接觸面仍會產生金屬薄膜的轉移現象 [20]。依照 Kragelskii 的研究，青銅薄膜的金屬轉移會產生保護作 用，大幅度減少機件磨耗。此種現象是因為接觸面的金屬粒子會因 為疲勞作用以至於脫落所以從表面被移走，然後緊附著在另一個表 面上。此種解釋與黏著磨耗為微小接觸點的熔接作用而引起的金屬 轉移並不相同。

3.總結而言，黏著磨耗的金屬轉移機制，可能是以上兩種理論的結合，

當較軟的金屬轉移層在另一個較硬的表面形成時，則表面的熔接就 不會再產生了。

摩擦速度是金屬轉移作用最具影響力的因素。依照 Bowden 與

Tabor[22]的實驗發現，金屬在金鋼石上滑動，“摩擦與磨耗完全取決於 速度”。在高速度下“金屬表面變軟、溶解、並附著在金鋼石上，附著 的金屬薄膜保護金鋼石，使金鋼石本身只受到很少甚至不受磨耗。在較 低速度下，金鋼石表面產生很顯著的拋光或磨耗，磨耗碎屑的發生，主 要由於非晶質碳”。

在鎚擊或用螺絲起子轉動螺絲後也會有金屬轉移發生。此現象說明 機件的性質與組成，除了與原來的材料性質有關之外，也與加工方式及 製造刀具有關。不同的加工方式或者刀具不同，除了影響機件的表面粗 糙度及加工精度之外，事實上也影響了機件的表面性質，此表面性質即 所謂的加工變質層。加工變質層形成的因素非常複雜，對一般屬於巨觀 結構或精密度不需很高的機件，加工變質層常被刻意忽略，但對於微小 結構或高精密度的機件（如：奈米級加工），加工變質層就會變的很重 要而且影響甚大。

3.3.3 黏著磨耗產生的磨燒現象

當摩擦的接觸面因為溫度、壓力或摩擦係數突然間大幅升高，就會 發生較大面積的熔著作用，這種現象稱為磨燒或膠（熔）執（lubrication）

[25]。磨燒所產生的表面粗化現象稱為刮痕（scoring）。因為金屬的表 面能量高，無表面皮膜而直接接觸時會發生強力黏著，使得摩擦係數增 高。為了達到摩擦面在安定狀態下運轉的目的，須在摩擦面間形成充分 的潤滑，當失去潤滑膜之後，機件容易遷移到高摩擦係數的狀態，然後 發生磨燒。

影響磨燒的因素包括：表面太粗糙、接觸面不平均、負荷增加、沒 有適當的潤滑等，這些原因會使得接觸面的溫度上升、摩擦係數增加，

最後磨燒發生。

因為黏著磨耗是焊接作用，所以性質相近的金屬受高壓高速互相摩 擦時，最容易造成表面的熔接作用[13]。這是因為性質相近的金屬熔點 也相近，熔接作用產生後其附著力也會比較大，所以不容易脫落，甚至 接觸面的金屬會因此而變為類似的金屬。

有時候螺紋在鎖緊過程中會發生“咬死”這種現象，發生時處理起 來往往很麻煩。尤其對使用螺絲數量多的機件，發生的比率相對更高，

因為數十支螺紋的其中一支發生咬死，或螺牙損壞，以至於必須整個機 件更換，造成很大的損失。“咬死”這種現象是否與黏著磨耗的金屬轉 移現象有關或更擴大範圍為磨燒作用有關？這個問題也是本論文的另一 個必須了解的重點。

3.3.4 磨損磨耗

因為金屬表面的微小凹凸不平，使得滑動時凸出的接觸點會產生類 似剪切作用，將凸出的顆粒剪斷，變成微小的磨耗細屑，這種的磨耗形 式稱為磨損磨耗。這種磨耗形式常發生於夾緊配件或螺栓配件上。磨損 磨耗可能以黏著磨耗開始產生，若磨耗細屑清除速度不夠快，就開始產 生磨損磨耗，當磨耗細屑開始氧化，磨損磨耗會變得更嚴重[16]，對於 亦受氧化的材料必須特別注意。

一般將磨損磨耗的發生過程分成三個階段[26]，說明如下：

1.磨合階段（Running-in）

對於剛開始使用的新機件，因為接觸表面為加工面，所以加工精 度主宰了此階段的磨損磨耗情況。因為一般的機械加工精度還是

無法達到理想的表面，為了改善此階段的磨耗，通常新的機件會 使用較佳的潤滑、降低作用負荷、降低運動速度等方式來減少磨 耗的劇烈發生。磨耗細屑藉由潤滑液作用予以清潔，以減少黏著 磨耗的發生。

2.線性穩定磨損階段（Linear stability wear）

經過一段時間的磨合作用後，基本上機件原來加工所產生的凹凸 不平接觸點已經大幅減少，若潤滑、負荷、速度（頻率）等作業 條件沒有大幅度的改變，則磨損狀態為線性關係。通常線性磨損 會持續一段相當長的時間，這部分就是所謂的機械正常使用受壽 命（Normal working life）階段。

3.磨損破壞階段

雖然線性磨損磨耗的速度穩定且緩慢，但磨耗始終不停的進行，

最後機件還是會因為磨耗過多而損壞或者失去其原本設計的功能 性，此時機件必須予以更新。

對於螺紋鎖緊機構而言，最大的磨耗發生在螺紋互相囓合時，此階 段有一點類似外螺紋與內螺紋之間的磨合期。就個人觀點，個人認為這 個階段還可以細分為三個不同的作用時期，敘述如下：

第一個時期：螺紋對正作業

因為外螺紋與內螺紋必須互相對正才可以正確鎖入，所以在鎖入之 前的螺紋滑動，會造成磨耗。對螺紋而言，對正使螺牙正確鎖入是非常 重要的步驟，許多螺紋從一開始便發生咬死現象，多半是因為螺牙未正 確對正即強行鎖入所造成。這種磨耗在手工鎖螺紋時影響很少，但是當 使用如氣動、電動等自動鎖螺絲工具時影響很大。

第二個時期：螺紋正確鎖入到承受鎖緊力前

這個階段螺紋主要的磨耗來自於對螺紋加壓的壓力大小、鎖緊速 度、施力是否鎖入方向相垂直、螺紋鎖入的長度、螺紋材料（摩擦係數）、

螺紋表面加工精度、表面處理等因素有關。這些影響的因素與本節所述 磨耗產生的因素是一致的。

第三個時期：螺紋承受鎖緊力開始到正確鎖緊為止

這個時期螺紋開始承受鎖緊力，因為鎖緊壓力持續增加，所以磨耗

情況會愈來愈嚴重，在第二個時期影響磨耗的因素的作用會隨著鎖緊力 的增加而惡化，如果作業不當就容易導致螺紋或互相配合的機件產生破 壞的現象。

總之，磨損磨耗之所以成為機件主要的損壞原因在於不只是滑動會 造成磨損磨耗，對於作動頻率更高的機械振動，也會造成嚴重的磨損磨 耗。磨損磨耗與機件的硬度及表面處理有關，硬度（如：螺紋滾軋加工 產生的加工硬化）愈高則耐磨耗性愈好，若在機件表面施以潤滑膜或皮 膜處理（如：鋼鐵表面的磷酸鹽皮膜處理），會對磨耗有重大的改善。

如表 6 所示，除不銹鋼螺絲之外，對於大部分的鋼製品螺絲而言，都會 施以表面處理，這些表面處理對於磨損磨耗會有一定程度的改善。而磨

如表 6 所示，除不銹鋼螺絲之外，對於大部分的鋼製品螺絲而言，都會 施以表面處理，這些表面處理對於磨損磨耗會有一定程度的改善。而磨