摩擦系数列表 [按材料分类] - 机器设计基础和知识。

我们有了机械设计中摩擦系数的应用　注释

在从事机械设计时，您可能经常会想：“这种材料的摩擦系数是多少？” 尤其是在在滑动部件和紧固部件的设计中，摩擦系数的选择是影响部件性能和寿命的关键因素。からです。然而，教科书或资料上的数值各不相同，常常让人犹豫不决，不知道该采用哪个数值。

本文将为机械设计者以及希望了解摩擦系数的人们，全面讲解摩擦系数的基本概念、基于公开信息提供的材料摩擦系数一览表，以及设计时需要考虑的重要事项。通过深入理解静摩擦系数和动摩擦系数的区别，以及它们在实际设计中如何发挥作用，将有助于实现更精确的设计。

摩擦係数基础及主要影响因素

静摩擦系数与动摩擦系数的区别

理解摩擦系数最基本的就是区分静摩擦系数和动摩擦系数。　。它们根据物体是静止还是运动来区分使用。

静摩擦系数（μ）

静摩擦系数是指静止物体开始运动瞬间所受的最大阻力值　。 　相信大家都有过这样的经验：推重家具时，最费力的地方就是它开始移动的那一刻。 　这个“开始移动所需的力量”就和静摩擦系数有关。用公式表示如下。

最大静止摩擦力Fs​) = 静摩擦系数 (μ) × 垂直支撑力 ($W$)

在机械设计中，在螺栓连接和压入等零部件需要保持不打滑的固定状态的场合，这种静摩擦系数非常重要。となります。

动摩擦系数（μ'）

另一方面，动摩擦系数是指物体在已经运动的过程中起到的阻力的大小。。一旦开始移动的家具，可以用相对较小的力持续推动。与这种“阻止持续运动的力量”相关的是动摩擦系数。

__OPENROUTER_FAILED__Fd​) = 動摩擦係数 (μ') × 垂直抗力 ($W$)

如果这个差距很大的话，低速で動く機械で「スティックスリップ」と呼ばれる、がたつきや異音の原因となる微小な振動が発生することがあるため注意が必要です。轴承或滑动导轨等要求平稳运动和降低能量损耗的设计中，如何减小动摩擦系数是关键。

阿蒙顿-库仑定律

摩擦之所以广为人知，自古以来就有阿蒙顿-库仑定律。。此定律是对以下三个关于摩擦的经验法则的总结。

1. 摩擦力的大小与接触面上的垂直作用力（法向力）成正比。
2. 摩擦力与视接触面积的大小无关。
3. 摩擦力与滑动速度的快慢无关（在低速范围内）。

这项定律在许多场合下都可以作为一阶近似，并且构成了基本摩擦计算的基础。然而，它仅在理想条件下　是

在实际的机械设计中，润滑条件、高速滑动、极端接触压力等情况下，该定律的前提条件往往不成立。例如，在后述的润滑条件变化或材料发生变形的高压下，摩擦系数就不能视为恒定。因此，在将该定律作为摩擦基本原理来理解的同时，也应认识到其局限性。必须要有将现实条件纳入考虑的视角　是

润滑状态的斯托里贝克曲线

润滑是能够大幅改变摩擦系数的最强效因素之一。です 。　　这个润滑状态与摩擦系数的关系图示被称为“斯托罗贝曲线”，是机械润滑设计中极为重要的工具。

Stribeck 曲线的横轴是无量纲参数“润滑油粘度 × 滑动速度 ÷ 载荷”，纵轴是摩擦系数。该曲线将润滑状态大致分为三个区域。

1. 边界润滑：速度慢、载荷高的区域。润滑油膜非常薄，接触面的微小凸起直接接触的状态。摩擦系数高，约为0.1。
2. 混合润滑：介于边界润滑和流体润滑之间的区域。固体接触和流体膜润滑并存。随着速度的提高，摩擦系数急剧下降。
3. 流体润滑：速度快、载荷低的区域。接触面被油膜完全分离的状态。摩擦由润滑油自身的粘性阻力引起，摩擦系数极低，低于0.01。

正如这条曲线所示，在机械启动、停止或过载时，可能会从安全流体润滑区域过渡到危险的边界润滑区域，导致摩擦急剧增加，并可能引发卡死等故障。设计者必须时刻注意所使用机械的运行条件在斯提贝克曲线上的哪个区域。

滑动面表面粗糙度产生的影响

接触面的状态，尤其是表面粗糙度也是影响摩擦系数的重要因素　是。

一般来说，表面越粗糙，即表面粗糙度越大，接触面的微小凹凸的咬合作用越强，摩擦系数就越高。利用这种性质，在刹车等需要有意识地防止打滑的部件上，会采用粗糙的表面处理。

然而，二者关系并非如此简单。反之，像量块那样将极度光滑的两个表面接触时，分子间的吸引力（粘附力）会强力作用，有时还会发生摩擦系数反而增大的现象。

此外，表面上的微细沟槽还可以起到保持润滑油的“油池”作用，从而提高润滑效果。因此，表面粗糙度并非越光滑越好，而是需要根据其目的（是想使其滑动、抓紧，还是保持润滑）进行最佳控制。

接触压力与摩擦力的关系

前述的阿蒙顿-库仑定律表明，摩擦力与法向力（载荷）成正比，而与接触面积无关。的。这是基于这样一个想法，即当载荷增加时，真实接触面积（在微观层面上实际接触的面积）成比例地增加，因此每单位视面积的压力（接触压力）不影响摩擦。

然而，这也不是在所有条件下都成立。特别是，在极高的接触压力下，材料本身会发生塑性变形，摩擦机制会发生变化。　做。

一部的研究表明，在金属冲压等高压条件下，随着面压升高，摩擦系数反而降低。这被认为是由于高压将润滑油封闭在接触面上，并随着压力的增大而提高了润滑效果。

因此，接触压力可能对摩擦系数产生复杂影响，尤其是在在高负荷部件的设计中，即使是那些看似与经典法则相悖的现象也需要被考虑在内。

温度变化对摩擦的影响

温度也是影响摩擦系数剧烈变化一个不容忽视的因素温度会影响材料本身和润滑剂。

对材料的影响

一般而言，金属在温度升高时会软化，硬度会降低。这会导致与配合材料更容易发生粘附，或者表面更容易被刮削，因此摩擦系数往往会增加。例如，铜合金的研究报告显示，随着温度升高，硬度降低，摩擦系数增加。

对润滑剂的影响

温度对润滑剂的影响尤为重要，因为它常常直接导致机械故障。液体润滑剂（如油）在温度升高时，粘度会显著下降。粘度下降后，如斯 त्याला伯曲线（Stribeck curve）所示，润滑状态更容易从安全的“流体润滑”转变为危险的“边界润滑”。这会导致摩擦和发热急剧增加，最终可能陷入烧结的恶性循环。

因此、滑动速度的增加和周围温度的变化引起的发热，不仅会导致温度升高，还会恶化润滑状态，从根本上改变摩擦特性的风险。のです。

金属的摩擦系数一览及注意事项

主要金属的摩擦数据

机械设计中频繁使用的金属材料，其摩擦系数的参考值将在此更具体地解释。 但是，此处显示的数值仅供参考，是在特定条件下得出的。请牢记，润滑状况、表面氧化、温度、压力、配合材料等都会导致其发生很大变化，并在实际使用中加以考虑。特别需要注意的是，有无润滑摩擦系数会相差一个数量级以上。

碳钢、合金钢、工具钢

碳钢和合金钢是建筑和机械零件最广泛使用的材料。种类繁多，从SS400等软钢，到S45C等硬钢，SCM435等铬钼钢，以及SUJ2（轴承钢）和SKD11（工具钢）等专用钢材。通常，钢材在没有润滑的情况下摩擦系数很高，但润滑可以显著降低摩擦系数。　做。

不锈钢（SUS材料）

虽然常用耐腐蚀性优异的SUS304等材料，但从摩擦的观点来看需要注意。与其它金属相比，不锈钢的摩擦系数更高，尤其是在不锈钢与不锈钢组合使用时，容易发生“咬合”或“烧结”等严重的粘附现象。此特性对于需要防滑的应用有利，但在滑动部件上的使用则需要润滑或与不同材料搭配。

铝合金

铝合金虽然有助于减轻重量，但其摩擦特性却独具一格。在表面形成的坚固氧化膜作为保护层发挥作用期间相对稳定，但当该膜被摩擦破坏时，柔软的母材会暴露出来，并与对侧材料发生剧烈粘着。其结果是摩擦系数可能急剧上升。特别是铝与铝的组合，据报道在干燥状态下的静摩擦系数会超过1.0的非常高值，因此在使用于滑动部件时需要充分的考量。

铜及铜合金

铜及其合金黄铜和青铜，因其优异的相容性，自古以来就被用作轴承材料。钢与青铜的组合很常见，在润滑条件下，青铜与钢的组合显示出约0.16的低动摩擦系数，这表明其具有作为轴承的适用性。另一方面，在干燥条件下，铜与钢的动摩擦系数为0.36，相对较高。

其他金属（铸铁等）

__OPENROUTER_FAILED__因此，它也可用于润滑不足的滑动部件。干铸铁之间的静摩擦系数高达1.1，但一旦开始移动，动摩擦系数就会降至0.15，表现出极其独特的行为。这种静摩擦和动摩擦之间的巨大差异可能导致低速下的粘滑（颤振），因此在设计时需要特别注意。

凝固引起的烧蚀现象

金属同士、特に同じ種類の金属をこすり合わせると、「凝着」と呼ばれる現象が起こりやすくなります。这是在微观层面上，接触面上的微小突起在压力下粘在一起，可以称之为微观冷焊。

这种粘连特别容易发生在不锈钢（SUS）上。用电动工具紧固不锈钢螺栓和螺母时，摩擦产生的热量和高压会导致螺纹粘连，引发“咬死”这一严重问题，使其再也无法拧下。一旦发生这种情况，只能破坏零件，从而严重影响维护性能。

这种现象与材料组合的“亲和性”有关，并且更容易发生在容易相互熔化的金属之间。作为对策，可以考虑以下方法。

• 异种金属的组合：选择亲和性低的材料。
• 使用润滑剂：在接触面之间形成油膜，防止金属直接接触。
• 表面处理：在表面进行硬质膜涂层等处理，以防止粘连。

在设计时，不仅要考虑强度和耐腐蚀性，还要从摩擦学（摩擦、磨损和润滑的科学）的角度来选择材料，这对于防止故障非常重要。

摩擦と摩耗は必ずしも一致しない

设计者容易陷入的误解之一是，我有一个误解，认为摩擦系数低的材料不易磨损。然而，摩擦和磨损是两个独立发生的现象，“低摩擦”并不总是意味着“低磨损”。

摩擦是阻碍运动的“阻力”大小的指标，而磨损是指因摩擦导致材料表面被削去的“量损”指标。

例如，即使使用某种润滑剂可以降低摩擦系数，该润滑剂也可能阻止材料表面保护膜（例如氧化膜或树脂转移到配合件上形成的转移膜）的形成。其结果是，虽然滑动性会变好（低摩擦），但由于缺少保护层，表面会持续被直接刮削，导致磨损量反而增加（高磨损）的逆转现象。

特别是在评估零件寿命时，不应仅查看摩擦系数的值，还应考虑在预期的使用环境下占主导地位的磨损机制（如粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损等），并结合耐磨性测试数据进行评估，这有助于实现高可靠性的设计。

树脂和特殊材料的摩擦系数

自润滑性树脂的优点

工程塑料（工程塑料）中，有许多材料具有“自润滑性”，即使不使用润滑油也能表现出优异的滑动性能。这可以在不加油润滑的情况下使用，因此被广泛用作加油困难的部位或要求清洁环境的设备的滑动部件。

尤其是，PTFE（聚四氟乙烯，以特氟龙™商标闻名）是一种代表性的自润滑树脂，具有固体中最低的摩擦系数。　是。

另外，POM（聚甲醛）和聚醚醚酮就连这类泛用性强的工程塑料，也有添加 PTFE 或特殊润滑剂来大幅提升摩擦磨损特性的“滑动等级”。标准的和滑动等级的动摩擦系数常常会减半甚至更低，因此在选择材料时，认识到这种差异就变得尤为重要。

以下に、代表的な樹脂材料と相手材が鋼の場合の動摩擦係数の目安を示します。

陶瓷等特殊材料的特性

除金属和树脂外，具有特殊摩擦特性的材料也被用于设计中。

陶瓷

氧化铝、氧化锆、碳化硅（SiC）等工程陶瓷具有极高的硬度、优异的耐磨损性和耐热性。因此，它们被用于高温环境或磨损严重的部件的滑动部件。但是，由于硬度高，它们也存在脆性（韧性低）的缺点，因此在承受冲击的应用中需要注意。摩擦系数因配合材料和表面光洁度而异。

木材

木材自古以来就被用作机械零件。摩擦系数根据木纹方向（平行或垂直）以及干燥或潮湿状态的不同而有很大差异。一般而言，含水量越高，摩擦系数越低。

橡胶

橡胶是一种摩擦系数非常高的材料，轮胎就是典型的例子。利用这种不易打滑的特性，它被用于防滑垫、密封材料以及动力传输带等。然而，通过在表面进行特殊涂层处理，也可以有意地降低其摩擦力。

以下に、これらの特殊素材の摩擦係数の目安を示します。

直动・回转的机械要素在解决摩擦问题上的可能性

到目前为止，我们已经介绍了通过材料组合和润滑来控制摩擦的方法，但有时通过改变设计的视角，可以更根本地解决摩擦问题。那就是，不是让材料直接“滑动”，而是通过机械元件使其“滚动”。

摩擦の種類を「すべり」から「ころがり」へ

材料直接接触并运动的“滑动摩擦”，尤其是在润滑不足的情况下，会导致高摩擦系数、粘着和磨损。然而，通过在直线运动导轨中使用直线导轨（LM导轨），在旋转运动导轨中使用滚珠轴承或滚子轴承等“滚动轴承”，可以将摩擦形式变为“滚动摩擦”。

与滑动摩擦相比，滚动摩擦的阻力极小，因此可以极大地降低摩擦系数。

机械构件的利用与摩擦系数

• 线性导轨（LM导轨）：通过在导轨和滑块之间嵌入滚珠或滚子进行滚动，实现非常平滑的直线运动。 这样，摩擦系数可以降低到普通滑动导轨的1/50左右。 具体动摩擦系数约为0.004-0.006，极低，对高精度定位、高速运行和降低驱动动力做出了巨大贡献。
• 球軸承・滚子轴承：在旋转轴和轴承座之间设置滚珠或滚子，可大幅降低旋转运动的摩擦。这些滚动轴承的摩擦系数通常在0.001至0.005左右，非常低，可实现能量损耗少、平稳的旋转。

如此一来，与其在材料间的摩擦特性上费心思，不如将直线导轨或轴承等机械元件纳入设计中，这是从根本上规避粘着和咬死等严重问题，从而提升整机性能和可靠性的非常有效的选择。

热处理和表面处理改变摩擦系数的方法

选材和润滑，不仅如此，积极改质材料表面的热处理（硬化) 和表面处理也是控制摩擦系数的有力手段。这使得在利用母材特性的同时，仅改变表面使其适合滑动，从而大大扩展了设计的自由度。

热处理改善摩擦性能

热处理主要是一种改变金属硬度和组织的技术。通过淬火和回火提高表面硬度，可以防止被对手材料挖起（犁耕），从而提高耐磨性。这样，可以间接期待摩擦系数稳定或下降的效果。

另一方面，也有报道称，对于尼龙等树脂材料，通过热处理提高结晶度可以降低摩擦系数并减少磨损量。

表面处理实现低摩擦

表面处理技术是在基材表面形成功能性薄膜的技术，能够大幅降低摩擦系数。是

• DLC（类金刚石碳）涂层：一种形成高硬度、自润滑性碳膜的技术。摩擦系数极低，约为0.1，对配偶材料的攻击性小，因此广泛应用于无润滑的滑动部件、模具、汽车发动机零件等。
• 氟塑料（PTFE）涂层：利用PTFE优异的自润滑性，在表面形成低摩擦层。适用于无法使用润滑油的洁净环境或需要防止粘附的场合。
• 电镀处理
  • 硬质铬电镀：其特点是硬度高、耐磨损，摩擦系数也相对较低（与钢、润滑时约0.16）。电镀表面的细微裂纹起到油槽的作用，也有提高润滑性的效果。
  • 无电解镍电镀：其优点是镀层均匀。通过共析 PTFE 微粒子的复合电镀，可以将摩擦系数大幅降低至 0.1 左右。
• 氮化一种将氮气渗入钢材表面，形成坚硬渗氮层的处理。可提高耐磨性、耐咬合性，并大大降低摩擦系数（μ=0.05～0.12）。

通过恰当地选择这些处理，可以根据成本和要求的性能实现最佳的表面特性。

用于设计中的摩擦系数知识

最后，我将总结将这些知识应用于机械设计要点。

• 摩擦係数は材料固有の定数ではなく「システム特性」である
• 静摩擦係数是指“开始运动的瞬间”的阻力，动摩擦系数是指“持续运动期间”的阻力。
• 一般に静摩擦係数は動摩擦係数より大きいが、例外もある
• 润滑是显著降低摩擦系数的最有效方法之一
• 斯トライ贝克曲线有助于预测润滑状态并避免故障
• 表面粗糙度应根据是要滑动还是需要抓地力的目的进行控制
• 温度会改变材料的物理特性和润滑剂的粘度，从而显著影响摩擦。
• 接触压力和滑动速度，特别是在极端条件下，也会影响摩擦系数。
• 同種の金属同士、特にステンレス鋼は凝着による「焼き付き」に注意が必要
• 理解「低摩擦」和「低磨耗」并非同义
• PTFE、POM、PEEK等树脂存在自润滑性优异的滑动等级。
• 滑动等级的树脂与标准等级相比，摩擦特性有了显著改善。
• 陶瓷具有高硬度和优异的耐磨性，但需要考虑其抗冲击性。
• 本記事や各种資料に掲載されている摩擦係数は、あくまで参考値である
• 对于最终设计和关键组件，在实际条件下进行测试以进行验证是必不可少的。

上图