簡(jiǎn)析金屬材料磨損失效及其防護(hù)

陳世昌 袁康 楊勇 李宏賓

摘要：金屬材料失效問(wèn)題存在于各類材料中，它直接影響到產(chǎn)品質(zhì)量，關(guān)系到企業(yè)的信譽(yù)及生存。因此為了保障金屬材料功能的有效性，本文簡(jiǎn)述了金屬材料磨損的危害性，對(duì)金屬材料磨損的失效及其防護(hù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。

關(guān)鍵詞：金屬材料;磨損;危害性;失效;形式;原因;防護(hù)策略

一、金屬材料磨損的危害性分析

金屬材料磨損是指在材料相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于化學(xué)作用、機(jī)械作用而導(dǎo)致其相互接觸表面不斷出現(xiàn)損耗的現(xiàn)象，屬于工程上較為常見(jiàn)的現(xiàn)象。金屬材料的磨損主要是由于金屬零件之間的相互運(yùn)動(dòng)而引起的零件表面摩擦，進(jìn)而引起零件表面的損耗，最終使得零件的尺寸、外形、表面質(zhì)量、組織機(jī)構(gòu)及其性能發(fā)生變化，從而影響機(jī)械的正常運(yùn)行。由于很大一部分機(jī)械是一天二十四小時(shí)運(yùn)行，在高速、高溫、高負(fù)荷的工作環(huán)境下進(jìn)行，又有粉塵、水汽等對(duì)零件表面的入侵，所以零件表面的磨損很大。如果零件的材料選擇不合適及不及時(shí)進(jìn)行零件的清潔、潤(rùn)滑保養(yǎng)，就會(huì)影響機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)效率及工作性能，甚至影響機(jī)械的安全性能，導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備發(fā)生故障。這不僅縮短機(jī)械的使用壽命，還會(huì)引起安全事故。

二、金屬材料磨損的失效形式及其失效過(guò)程與原因分析

1、金屬材料磨損的失效形式分析。（1）磨粒磨損。金屬材料磨損最常見(jiàn)的的磨損是磨粒磨損，它是金屬材料磨損失效的主要成因。磨粒磨損主要是由于外部硬質(zhì)顆?；蛘吡慵砻嬗操|(zhì)突起物在相互運(yùn)動(dòng)過(guò)程中引起摩擦而引起零件表面的破壞。（2）粘著磨損。粘著磨損是在相對(duì)滑動(dòng)的零件之間，由于超負(fù)荷或者潤(rùn)滑不好，使得零件表面溫度急劇升高而引起塑性變形，引起零件表面金屬融化而焊接。冷卻后由于運(yùn)動(dòng)使焊接點(diǎn)被切斷，多次反復(fù)，就會(huì)破壞零件的摩擦表面。（3）疲勞磨損。零件由于長(zhǎng)期的運(yùn)行，導(dǎo)致金屬材料超過(guò)其疲勞度，從而零件表面凹坑、脫落、裂紋等，引起零件表面的磨損和破壞。（4）腐蝕磨損。由于零件表面與周圍的介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生腐蝕物，這些腐蝕物又在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中磨損，零件表面再進(jìn)一步腐蝕。這樣往復(fù)循環(huán)，造成零件表面的腐蝕磨損加劇。（5）微動(dòng)磨損。在相對(duì)固定的零件之間，由于振動(dòng)而形成零件表面摩擦的磨損叫微動(dòng)磨損。微動(dòng)磨損相對(duì)來(lái)講磨損較小。

2、金屬材料磨損的失效過(guò)程分析。（1）跑合階段。跑合階段通常都出現(xiàn)于摩擦副的初始運(yùn)動(dòng)過(guò)程中。眾所周知，金屬材料表面或多或少都必然會(huì)存在一定的粗糙度，即會(huì)出現(xiàn)微凸體，這些微凸體的接觸應(yīng)力較大，會(huì)在載荷作用下出現(xiàn)較大的磨損，逐漸磨平互相摩擦的表面，最終會(huì)增大實(shí)際接觸面積，減慢磨損速度。（2）穩(wěn)定磨損階段。穩(wěn)定磨損階段通常都出現(xiàn)于摩擦副的正常運(yùn)行過(guò)程中。摩擦表面在跑合作用后會(huì)出現(xiàn)較為明顯的加工硬化現(xiàn)象，在一定程度上會(huì)改變微觀幾何形狀，增大實(shí)際接觸面積，但壓強(qiáng)也會(huì)隨之出現(xiàn)明顯的降低，這樣一來(lái)，就會(huì)為彈性接觸打下基礎(chǔ)。穩(wěn)定磨損階段的磨損速度基本趨于穩(wěn)定，但是隨著時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，磨損量會(huì)隨之增大。

3、金屬磨損的失效原因分析。主要體現(xiàn)在：金屬磨損失效是由整個(gè)摩擦學(xué)系統(tǒng)來(lái)決定的，而不僅僅是受到摩擦副材料決定;金屬磨損失效有著其復(fù)雜性、特殊性，受到多種因素的互相作用。歸納起來(lái)，金屬磨損失效的起因主要包括：第一，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素;第二，包括表面處理、材質(zhì)等在內(nèi)的摩擦副材料因素;第三，包括介質(zhì)、溫度等在內(nèi)的環(huán)境條件因素;第四，包括速度、接觸形式、負(fù)荷及運(yùn)動(dòng)形式等在內(nèi)的摩擦條件;第五，包括潤(rùn)滑方式、潤(rùn)滑劑等在內(nèi)的潤(rùn)滑技術(shù)。只有找準(zhǔn)導(dǎo)致出現(xiàn)金屬磨損失效的主要因素，并有針對(duì)性地采取相應(yīng)防護(hù)措施，才能夠徹底解決問(wèn)題。

三、金屬材料磨損失效的防護(hù)策略分析

1、提高金屬材料表面的耐磨性。（1）化學(xué)熱處理。化學(xué)熱處理是指通過(guò)固態(tài)擴(kuò)散滲入一些外來(lái)元素來(lái)對(duì)金屬材料的化學(xué)成分進(jìn)行改變，以便達(dá)到強(qiáng)化表面的效果。但是值得注意的是，化學(xué)熱處理的成本支出較高，且處理時(shí)間較長(zhǎng)，還需要專門的專業(yè)人員來(lái)操作專門設(shè)備，所以，僅僅只是在特殊情況下使用，使用頻率較低。（2）表面薄膜強(qiáng)化。表面薄膜強(qiáng)化是利用離子注入、電鍍、氣相沉積等方法在零件表面形成覆蓋膜，這層膜硬度高，抗腐蝕性強(qiáng)，從而提高零件的耐磨性。（3）表面熱處理強(qiáng)化。表面熱處理強(qiáng)化是指利用快速加熱、高溫等方式來(lái)熱處理金屬材料表面，其工作原理為固態(tài)相變。金屬材料在熱處理之后，不僅能夠明顯提高抗疲勞強(qiáng)度，還能夠提高耐磨性，屬于工程上應(yīng)用較多的方法。（4）表面合金強(qiáng)化。表面合金強(qiáng)化是指重新凝固、重新熔化金屬材料表面，以此來(lái)獲得較佳的組織或者成分。表面合金強(qiáng)化主要是采用高能量密度的快速加熱，使金屬表層熔化，或是將覆蓋在金屬表層上的合金材料熔化，然后通過(guò)冷卻的方式進(jìn)行凝固，從而獲得硬化層，這樣金屬表層便會(huì)具有足夠的耐磨性。

2、改善金屬材料的制造工藝。隨著材料科學(xué)的迅速發(fā)展，新型耐磨性材料日益涌現(xiàn)，在制造設(shè)備時(shí)，特別是轉(zhuǎn)動(dòng)有摩擦零件的制造，應(yīng)緊跟科技的形勢(shì)，選擇耐磨性好的材料制造零件，以有效減少零件的磨損。并且針對(duì)金屬材料表面存在的摩擦力和粗糙度，可對(duì)金屬材料的制造工藝予以改善，降低摩擦系數(shù)，提升光滑度，從而有效地讓粘著磨損得以降低;與此同時(shí)，還應(yīng)該改進(jìn)機(jī)械設(shè)備的切削工藝、鑄造工藝、焊接工藝、鍛造工藝等，從而提高機(jī)械設(shè)備的機(jī)械性能、化學(xué)性能、物理性能等。例如：機(jī)械設(shè)備的抗電化學(xué)腐蝕性能和抗化學(xué)腐蝕性能可通過(guò)改進(jìn)鍛造工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)。此外，設(shè)備人員還應(yīng)該針對(duì)機(jī)械設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中存在的各種缺陷進(jìn)行改進(jìn)，如選用適宜的摩擦副材料、設(shè)計(jì)合理的金屬零件摩擦學(xué)結(jié)構(gòu)等等，為機(jī)械設(shè)備正常工作的發(fā)揮出積極的作用。

3、加強(qiáng)維修保養(yǎng)的防護(hù)策略。（1）定期保養(yǎng)。當(dāng)使用機(jī)械設(shè)備一段時(shí)間之后，為了能夠避免出現(xiàn)金屬材料磨損失效的問(wèn)題，可利用潤(rùn)滑油（耐磨性較高）來(lái)保養(yǎng)金屬材料，這樣一來(lái)，不僅能夠增強(qiáng)金屬材料的抗磨性及自身性能，還能夠?qū)C(jī)械設(shè)備的使用壽命予以有效地延長(zhǎng)。（2）合理采取預(yù)防性維修方式。第一，以環(huán)境、質(zhì)量、安全、成本、利用率為依據(jù)，基于檔案資料來(lái)對(duì)機(jī)械設(shè)備金屬材料磨損故障后果和原因進(jìn)行分析;運(yùn)用分析結(jié)果來(lái)改進(jìn)金屬材料磨損失效工作，并及時(shí)確定預(yù)防性維修的方式。第二，將機(jī)械設(shè)備分解成若干個(gè)模塊，同時(shí)要深入調(diào)查分析重要部件材料磨損情況。第三，應(yīng)該由機(jī)械設(shè)備的操作人員、熟悉此設(shè)備的人員或者專家來(lái)選擇具體的維修方式。

四、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，材料科學(xué)是支撐工業(yè)發(fā)展、科技進(jìn)步的基礎(chǔ)性學(xué)科。金屬材料或多或少都會(huì)存在著失效問(wèn)題，對(duì)于產(chǎn)品質(zhì)量和使用壽命都會(huì)造成直接影響，也會(huì)帶來(lái)材料的大量浪費(fèi)情況，因此對(duì)金屬材料磨損失效及其防護(hù)進(jìn)行分析具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙新華.鋼材表面除銹用高碳鑄鋼丸的磨損失效分析[J].材料保護(hù)，2014（09）.

[2]王磊.淺析金屬材料的磨損失效和防護(hù)[J].科技資訊，2013（17）.

（作者單位：西寧特殊鋼股份有限公司）