機械設計中耐磨損材料的選擇與應用

陳 絨

（廣東科技學院，廣東 東莞 523083）

1 機械零件磨損的分類

通常情況下，由于零件結合部摩擦面的磨損狀態和機理的不同，我們把磨損分為腐蝕磨損、粘著磨損、磨粒磨損和疲勞磨損等幾類。

（1）腐蝕磨損。我們都知道，空氣中含有許多介質，而腐蝕磨損就是由于在零件結合部的摩擦過程當中，和空氣環境中的介質產生了化學反應而在零件摩擦表面產生了腐蝕現象，造成了零件表面物質的脫落、轉化，我們把這種磨損現象稱為腐蝕磨損。

（2）粘著磨損。在零件結合部表面通常會粘合吸附膜，而在兩個零件發生摩擦之后，由于貼合面不夠平滑而造成吸附膜破裂，并且摩擦產生的高溫會使其重塑融粘，并在零件摩擦表面形成凸起，降低摩擦表面的平滑度從而增大了摩擦力，造成摩擦面進一步的磨損，我們稱之為粘著磨損。

（3）磨粒磨損。在零件的結合部摩擦面，由于多種原因使得摩擦表面出現硬質顆粒，使得摩擦表面受到其刮擦、切削等作用力而受到損害，引起其表面材質脫落，我們稱此類磨損為磨粒磨損。

（4）疲勞磨損。零件結合部兩摩擦面由于長期發生摩擦，所產生的高溫和相互作用力使得摩擦接觸面彎曲、變形，進一步增加摩擦面摩擦力，互相產生阻力造成摩擦接觸面材質脫落、損壞的現象，我們稱之為疲勞磨損。

從上文中我們可以看出磨損的類別各不相同，而造成這種區別的原因主要是由于環境、機械功能以及零件工作模式的不同，不同的磨損類型所要求的材料硬度也不盡相同，且在形狀上的選擇也更加能夠減少摩擦所造成的零件磨損、破壞。所以在選擇零件材料時，因考慮到這些外部和內部條件，選擇材質最為合適的材料，以得到最好的優化材料對磨損的耐久度，提高機械工作效率和安全性。

2 耐磨損材料的選擇與應用

機械工程零件的材料一般分為金屬材料和非金屬材料兩種，其中金屬材料又分為黑色金屬，也就是鋼鐵材料以及有色金屬和合金材料，統稱為非鐵金屬材料。在對機械材料的選擇上，首先要滿足相應的耐磨要求，再兼顧其經濟性和工藝性。

（1）馬氏體不銹鋼。馬氏體不銹鋼是用于耐磨材料中比較廣泛的一種，其特點是高硬度、高韌性，一般都將此類材質的耐磨材料適用于有高硬度要求的機械零件表面中。而在我國應用的馬氏體不銹鋼中，高錳鋼是比較常見的一種，該材質的優點在于其優良的抗壓度和硬度，由于高錳鋼擁有良好的韌性，尤其適合運用于沖擊條件下的零件中作為耐磨材料使用，能夠充分發揮其耐磨性，例如鐵路道岔、挖掘機斗齒等方面，在高錳鋼的強化機制方面，在高錳鋼的工件表面一旦產生了小的塑性變形時，其內部組織中將會產生大量的層錯，且隨著形變增加，將會有孿晶在層錯的基礎之上產生，大量的孿晶形變使得全位錯和不全位錯在共格孿晶界面上受阻；而相對的再另一方面由于形變過程中所產生的大量C-M n原子對位錯核心中的C-M n原子隊中的C的重新取向鎖住了位錯，使得位錯密度增加。最后形成硬度及高韌度的馬氏體相變。

（2）銅、鎳等有色金屬。在耐磨材料的選擇上，由于其磨損特點的不盡相同，所以除了在硬度和韌性方面的要求之外，某些特定的零件部位會要求使用材料具有抗腐蝕性以及耐熱性較高的材質。而其中銅或銅合金以其超高的耐腐蝕性以及電導率，被廣泛的運用于電氣元件中，例如各式各樣的電路元件、家庭用電線路等等方面都有著相當良好的表現。相比之下雖然鎳的耐熱度不及銅，但是其耐腐蝕性也相當高，加之具有相比而言更高的硬度，所以在泵柱塞軸、防沖蝕等機械部件上也能夠發揮出良好的適應性。還有其他的一些有色金屬例如鉬是耐熱鹽酸的唯一金屬材料，自溶合金具有固液強化、流動性好、粘度小等功能，能夠有效消除氣孔與基體形成牢固的冶金結合。

總之，在有色金屬材料的選擇上，由于不同材料的特質鮮明、優點各不相同，我們在選擇上可以著重選擇能夠充分發揮優點、特質的材料，以達到最好的使用效果。

（3）陶瓷材料。陶瓷材料作為耐磨損材質被運用到機械零件中也是比較常見的，其優點突出：耐高溫、耐磨性強、經濟型強、使用壽命長等，而缺點主要是韌性和硬度方面并不是很好，所以通常來說陶瓷材料都會運用到一些不需要高強度工作的機械和零部件上去，例如閥門、閥桿等。

上文中大致介紹了3種耐磨材料：黑色金屬（鐵）、有色金屬以及陶瓷這樣的非金屬材料，我們在機械設計中選擇及應用這些材料時，應針對機械的工作特點、常規環境、特殊要求等方面來進行選擇和應用，這以此為首要條件的基礎上再去考慮經濟性和工藝性。這是機械設計中對耐磨材料選擇及應用的參考條件。

3 提高材質耐磨性的方法

將材料應用到機械零件中提高耐磨性的方法大致可分為3種：堆焊、焊接、熱噴涂，我們在提高耐磨性的策略上，首先是做到根據實際要求合理的選擇耐磨材料，并且對磨損性質進行分析，根據得出的結論選擇合適的潤滑方式；嚴格控制機械工作中的環境、介質、溫度、流動速度等外部條件，以適應機械耐磨性的要求；或是對摩擦表面進行改性，例如對摩擦表面進行熱處理或是表面加工硬化、還有P V D、C V D、滲碳、滲氮、離子注入、深冷處理、噴鍍等等。下面我們詳細介紹一下堆焊和熱噴涂對耐磨性材料的選擇和應用。

（1）堆焊。堆焊的作用是提高基表耐蝕性、耐磨性，而常用的堆焊合金主要有：鐵基堆焊合金、鎳基堆焊合金、鈷基堆焊合金、銅基堆焊合金、復合堆焊合金以及噴焊用自熔型合金，所使用的材料一般有奧氏體類、馬氏體類、珠光體類三種，三種材料的特點都很鮮明，奧氏體類奧氏體組織，對于某些具體的磨損因素有非常良好的耐磨性，例如13 M n，而馬氏體類我們在之前有介紹過其優點是硬度很高，具有很好的耐磨性，珠光體的特點就在于其良好的韌性是比較突出的。

（2）熱噴涂。熱噴涂主要作用是將耐磨材料粉末噴涂于機械零件部件的表面以達到加強耐磨性以及修復磨損部位的作用，熱噴涂所使用的材料繁多，無論是金屬材、陶瓷還是復合型材質都可以使用，根據各種材料的特性來選擇合適的材質進行噴涂，例如馬氏體鋼可以用于要求高硬度表面的機械零件的修復及加固，在周圍介質中含有鹽酸、稀硫酸、氯氣、硫酸鹽溶液等化學物時不宜使用，這種高腐蝕性壞境中我們就需要用到鋅、鋁及其合金這樣的耐蝕性較高的材料來進行熱噴涂工作。由于熱噴涂的材料選擇面非常廣，所以我們在選擇上就更加游刃有余，結合特定的需求和工藝性、經濟性來選擇熱噴涂所使用的材料。