簡析金屬材料磨損失效及其防護

陳世昌 袁康 楊勇 李宏賓

摘要：金屬材料失效問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)的信譽及生存。因此為了保障金屬材料功能的有效性，本文簡述了金屬材料磨損的危害性，對金屬材料磨損的失效及其防護進行了簡要分析。

關(guān)鍵詞：金屬材料;磨損;危害性;失效;形式;原因;防護策略

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運動過程中，由于化學(xué)作用、機械作用而導(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動而引起的零件表面摩擦，進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、組織機構(gòu)及其性能發(fā)生變化，從而影響機械的正常運行。由于很大一部分機械是一天二十四小時運行，在高速、高溫、高負荷的工作環(huán)境下進行，又有粉塵、水汽等對零件表面的入侵，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進行零件的清潔、潤滑保養(yǎng)，就會影響機械的運轉(zhuǎn)效率及工作性能，甚至影響機械的安全性能，導(dǎo)致機械設(shè)備發(fā)生故障。這不僅縮短機械的使用壽命，還會引起安全事故。

二、金屬材料磨損的失效形式及其失效過程與原因分析

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)突起物在相互運動過程中引起摩擦而引起零件表面的破壞。（2）粘著磨損。粘著磨損是在相對滑動的零件之間，由于超負荷或者潤滑不好，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。冷卻后由于運動使焊接點被切斷，多次反復(fù)，就會破壞零件的摩擦表面。（3）疲勞磨損。零件由于長期的運行，導(dǎo)致金屬材料超過其疲勞度，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，這些腐蝕物又在運動過程中磨損，零件表面再進一步腐蝕。這樣往復(fù)循環(huán)，造成零件表面的腐蝕磨損加劇。（5）微動磨損。在相對固定的零件之間，由于振動而形成零件表面摩擦的磨損叫微動磨損。微動磨損相對來講磨損較小。

2、金屬材料磨損的失效過程分析。（1）跑合階段。跑合階段通常都出現(xiàn)于摩擦副的初始運動過程中。眾所周知，金屬材料表面或多或少都必然會存在一定的粗糙度，即會出現(xiàn)微凸體，這些微凸體的接觸應(yīng)力較大，會在載荷作用下出現(xiàn)較大的磨損，逐漸磨平互相摩擦的表面，最終會增大實際接觸面積，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)于摩擦副的正常運行過程中。摩擦表面在跑合作用后會出現(xiàn)較為明顯的加工硬化現(xiàn)象，在一定程度上會改變微觀幾何形狀，增大實際接觸面積，但壓強也會隨之出現(xiàn)明顯的降低，這樣一來，就會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，但是隨著時間的不斷延長，磨損量會隨之增大。

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摩擦學(xué)系統(tǒng)來決定的，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，金屬磨損失效的起因主要包括：第一，結(jié)構(gòu)設(shè)計因素;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、負荷及運動形式等在內(nèi)的摩擦條件;第五，包括潤滑方式、潤滑劑等在內(nèi)的潤滑技術(shù)。只有找準(zhǔn)導(dǎo)致出現(xiàn)金屬磨損失效的主要因素，并有針對性地采取相應(yīng)防護措施，才能夠徹底解決問題。

三、金屬材料磨損失效的防護策略分析

1、提高金屬材料表面的耐磨性。（1）化學(xué)熱處理?；瘜W(xué)熱處理是指通過固態(tài)擴散滲入一些外來元素來對金屬材料的化學(xué)成分進行改變，以便達到強化表面的效果。但是值得注意的是，化學(xué)熱處理的成本支出較高，且處理時間較長，還需要專門的專業(yè)人員來操作專門設(shè)備，所以，僅僅只是在特殊情況下使用，使用頻率較低。（2）表面薄膜強化。表面薄膜強化是利用離子注入、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，從而提高零件的耐磨性。（3）表面熱處理強化。表面熱處理強化是指利用快速加熱、高溫等方式來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）表面合金強化。表面合金強化是指重新凝固、重新熔化金屬材料表面，以此來獲得較佳的組織或者成分。表面合金強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，然后通過冷卻的方式進行凝固，從而獲得硬化層，這樣金屬表層便會具有足夠的耐磨性。

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，特別是轉(zhuǎn)動有摩擦零件的制造，應(yīng)緊跟科技的形勢，選擇耐磨性好的材料制造零件，以有效減少零件的磨損。并且針對金屬材料表面存在的摩擦力和粗糙度，可對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，還應(yīng)該改進機械設(shè)備的切削工藝、鑄造工藝、焊接工藝、鍛造工藝等，從而提高機械設(shè)備的機械性能、化學(xué)性能、物理性能等。例如：機械設(shè)備的抗電化學(xué)腐蝕性能和抗化學(xué)腐蝕性能可通過改進鍛造工藝來實現(xiàn)。此外，設(shè)備人員還應(yīng)該針對機械設(shè)備在實際應(yīng)用中存在的各種缺陷進行改進，如選用適宜的摩擦副材料、設(shè)計合理的金屬零件摩擦學(xué)結(jié)構(gòu)等等，為機械設(shè)備正常工作的發(fā)揮出積極的作用。

3、加強維修保養(yǎng)的防護策略。（1）定期保養(yǎng)。當(dāng)使用機械設(shè)備一段時間之后，為了能夠避免出現(xiàn)金屬材料磨損失效的問題，可利用潤滑油（耐磨性較高）來保養(yǎng)金屬材料，這樣一來，不僅能夠增強金屬材料的抗磨性及自身性能，還能夠?qū)C械設(shè)備的使用壽命予以有效地延長。（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)，基于檔案資料來對機械設(shè)備金屬材料磨損故障后果和原因進行分析;運用分析結(jié)果來改進金屬材料磨損失效工作，并及時確定預(yù)防性維修的方式。第二，將機械設(shè)備分解成若干個模塊，同時要深入調(diào)查分析重要部件材料磨損情況。第三，應(yīng)該由機械設(shè)備的操作人員、熟悉此設(shè)備的人員或者專家來選擇具體的維修方式。

四、結(jié)束語

綜上所述，材料科學(xué)是支撐工業(yè)發(fā)展、科技進步的基礎(chǔ)性學(xué)科。金屬材料或多或少都會存在著失效問題，對于產(chǎn)品質(zhì)量和使用壽命都會造成直接影響，也會帶來材料的大量浪費情況，因此對金屬材料磨損失效及其防護進行分析具有重要意義。

參考文獻：

[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，2014（09）.

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

（作者單位：西寧特殊鋼股份有限公司）