丘先堂， 張雪莉， 余 雷

（寶鋼特鋼韶關(guān)有限公司， 廣東 韶關(guān) 512123）

經(jīng)驗(yàn)交流

金屬材料磨損失效及防護(hù)措施分析

丘先堂， 張雪莉， 余 雷

（寶鋼特鋼韶關(guān)有限公司， 廣東 韶關(guān) 512123）

介紹了金屬材料磨損失效現(xiàn)狀及其危害，并針對(duì)金屬材料磨損失效的相關(guān)理論進(jìn)行了分析，同時(shí)提出了相應(yīng)的防護(hù)措施，以期進(jìn)一步降低設(shè)備金屬材料的磨損，提高設(shè)備運(yùn)行效率，為企業(yè)帶來(lái)更好的效益。

金屬材料 磨損失效 防護(hù)措施

1 金屬材料磨損失效現(xiàn)狀及危害

磨損是導(dǎo)致金屬材料失效的主要形式之一，由于金屬材料而導(dǎo)致?lián)p壞的設(shè)備大約占到設(shè)備損壞總量的70%以上。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看，由于材料磨損失效導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失每年超過(guò)千億美元。而從我國(guó)的情況來(lái)看，由于工業(yè)發(fā)展起步較晚，加上設(shè)備老化等多方面原因的影響，材料磨損失效帶來(lái)的損失更加嚴(yán)重，尤其是汽車、鐵路、冶金等金屬材料應(yīng)用較多的行業(yè)。

金屬材料磨損是由于金屬材料表面相互摩擦或者運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的材料表面磨損現(xiàn)象，通常包括金屬材料表面尺寸、外形、質(zhì)量、組織結(jié)構(gòu)以及性能的損害。工業(yè)機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中，由于工作環(huán)境影響、設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行、振動(dòng)、金屬部件相互摩擦等因素導(dǎo)致大量的固體粉塵顆粒、水汽以及與金屬表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后產(chǎn)生的有毒氣體侵入到金屬機(jī)械設(shè)備間，但是如果無(wú)法及時(shí)清理這些雜志，就會(huì)導(dǎo)致金屬材料發(fā)生磨損。當(dāng)磨損到一定程度后，就會(huì)影響到設(shè)備的性能和精度，尤其是對(duì)一些精密儀器設(shè)備而言，這種影響更是會(huì)毀滅性的。

2 金屬材料磨損失效過(guò)程

在實(shí)踐過(guò)程中，金屬材料的磨損過(guò)失效過(guò)程通常包括以下三個(gè)階段[1]。

2.1 跑合磨損階段

全新的摩擦副在運(yùn)行的最初階段，由于其表面的粗糙值相對(duì)較大，實(shí)際的接觸點(diǎn)相對(duì)較少，接觸面積也相對(duì)較小，接觸點(diǎn)承受的載荷較大，接觸點(diǎn)具有一定的黏著性，會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)較大的整體磨損。在整個(gè)跑合的過(guò)程中，摩擦副表面的接觸點(diǎn)會(huì)逐漸被磨損，其表面粗糙度值會(huì)有所下降，導(dǎo)致其整體接觸面積逐漸增加，接觸點(diǎn)數(shù)量也會(huì)逐漸增加，接觸點(diǎn)承受的載荷下降，磨損率也隨之下降。

2.2 穩(wěn)定磨損階段

該階段，摩擦副接觸點(diǎn)的數(shù)量、整體接觸面積、接觸點(diǎn)承受的荷載基本保持不變，整體的磨損處于一個(gè)相對(duì)較為緩慢而穩(wěn)定的狀態(tài)，屬于正常磨損過(guò)程。

2.3 劇烈磨損階段

金屬設(shè)備在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行之后，摩擦副表面金屬由于連續(xù)的擠壓變形，疲勞增加，其表面形貌會(huì)發(fā)生變化，整體磨損率會(huì)進(jìn)一步提升，導(dǎo)致機(jī)械效率和精度下降，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)故障，最終導(dǎo)致摩擦副性能喪失。

3 金屬材料磨損失效基本形式

根據(jù)金屬材料表面破壞機(jī)理的具體特征，可以將金屬材料磨損失效劃分為磨粒磨損、黏著磨損、表面疲勞磨損、腐蝕磨損以及微動(dòng)磨損五種形式。其中，前三種形式屬于金屬材料的基本磨損失效形式，而后面兩種磨損失效形式需要在特定條件下才可能出現(xiàn)。

3.1 磨粒磨損

磨粒磨損是金屬材料表面硬質(zhì)顆?；蛘哂操|(zhì)突出物相互摩擦之后而導(dǎo)致金屬材料表面發(fā)生的磨損。根據(jù)金屬材料摩擦表面承受的應(yīng)力和沖擊力的大小，可以將磨粒磨損分為鑿屑式磨損、碾碎式磨損以及擦傷式磨損。如果金屬材料承受的應(yīng)力較大，并且存在硬磨粒，則屬于鑿屑式磨損；如果金屬材料承受應(yīng)力較大，而磨粒的硬度下降，則屬于碾碎式磨損；如果金屬材料表面承受的應(yīng)力較小，此時(shí)發(fā)生的磨損則屬于擦傷磨損。其中，碾碎式磨損會(huì)使金屬材料表面出現(xiàn)劃傷，導(dǎo)致金屬材料表面光度下降且出現(xiàn)溝痕。

3.2 黏著磨損

黏著磨損主要是指金屬材料相互接觸的表面發(fā)生摩擦副相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于固相焊合作用導(dǎo)致接觸面發(fā)生磨損的形式。黏著磨損導(dǎo)致金屬材料產(chǎn)生磨屑，進(jìn)而對(duì)設(shè)備的性能產(chǎn)生影響。引起黏著磨損的主要因素包括相對(duì)滑動(dòng)距離、負(fù)載以及金屬材料本身的硬度等。其中，相對(duì)滑動(dòng)距離越大，負(fù)載越大，黏著磨損程度越嚴(yán)重。而從金屬材料硬度來(lái)看，其硬度越高，黏著磨損的程度越小。

3.3 疲勞磨損

金屬材料的疲勞磨損主要是指相互接觸的金屬材料部件表面在交變接觸壓應(yīng)力的作用下，金屬材料表面由于疲勞而產(chǎn)生的物質(zhì)損失。從摩擦學(xué)理論來(lái)看，疲勞磨損的主要原因是由于金屬材料在周期性負(fù)載作用下產(chǎn)生的重復(fù)變形，由此導(dǎo)致金屬材料表面發(fā)生硬化和塑性變形。金屬材料疲勞磨損會(huì)導(dǎo)致其表面產(chǎn)生裂紋，進(jìn)而導(dǎo)致金屬機(jī)械部件發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞，甚至碎裂。

3.4 腐蝕磨損

腐蝕磨損是金屬材料表面在相互摩擦的過(guò)程中，金屬材料表面與周圍環(huán)境中的介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或者電化學(xué)反應(yīng)而導(dǎo)致金屬表面物質(zhì)損失的磨損形式[2]。腐蝕磨損通常需要在特殊情況下才會(huì)發(fā)生，在腐蝕磨損的過(guò)程中，隨著金屬材料表面受到腐蝕，進(jìn)而產(chǎn)生磨粒磨道。在腐蝕磨損中，腐蝕物會(huì)繼續(xù)引發(fā)其他磨損，導(dǎo)致磨損重疊，使金屬材料的磨損程度進(jìn)一步加劇，形成更加嚴(yán)重的失效。

3.5 微動(dòng)磨損

在機(jī)械設(shè)備的金屬材料中，相對(duì)滑動(dòng)的金屬材料非常容易產(chǎn)生磨損，而相對(duì)固定的金屬材料也會(huì)產(chǎn)生一定程度的磨損，只是這種磨損相對(duì)較為輕微。在相對(duì)固定的金屬材料與副材料的表面發(fā)生摩擦?xí)r，往往會(huì)由于周圍環(huán)境的影響而產(chǎn)生非常細(xì)微的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而這種幅度較小的相對(duì)振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生輕微的磨損，這種磨損被稱為微動(dòng)磨損。

4 金屬材料磨損失效防護(hù)措施

4.1 提高零件表面的耐磨性

當(dāng)前，提升金屬零件表面耐磨性主要包括以下幾種方法。

4.1.1 對(duì)金屬材料進(jìn)行化學(xué)熱處理

化學(xué)熱處理是通過(guò)向金屬零件中滲入一些外來(lái)元素改變其表面的化學(xué)結(jié)構(gòu)，從而提升其表面硬度，化學(xué)熱處理的過(guò)程通常通過(guò)固態(tài)擴(kuò)散來(lái)實(shí)現(xiàn)[3]，然而化學(xué)熱處理需要由專業(yè)人員來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且需要較長(zhǎng)的處理周期以及較高的成本投入。因此，該方法僅僅適用于一些重要性較高的特殊零件的處理，應(yīng)用范圍較小。

4.1.2 表面薄膜強(qiáng)化

表面薄膜強(qiáng)化主要是利用離子注入、電鍍以及氣相沉淀等方法在金屬零件表面形成一層特殊的覆蓋薄膜，該薄膜具有較高的硬度和抗腐蝕性能，從而達(dá)到提升零件表面耐磨性能的目的。

4.1.3 表面形變強(qiáng)化

主要是通過(guò)冷擠壓、噴丸等機(jī)械方法提升金屬零件表面的強(qiáng)度和硬度。通常來(lái)說(shuō)，該方法操作較為方便，應(yīng)用成本較低，因此也得到了較為廣泛的應(yīng)用。

4.1.4 表面熱處理強(qiáng)化

主要是通過(guò)快速加熱以及高溫等方式對(duì)金屬零件的表面進(jìn)行處理，使金屬零件表面發(fā)生固態(tài)相變，從而提升金屬零件的耐磨性和抗疲勞性能。該方法操作簡(jiǎn)單、應(yīng)用效果較好，是當(dāng)前各行業(yè)較為常用的一種強(qiáng)化方法。

4.1.5 表面合金強(qiáng)化

表面合金強(qiáng)化主要是將金屬零件表層的合金材料融化，然后進(jìn)行快速冷卻，從而形成一層硬化層，達(dá)到表層組織結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分的最佳化，從而提升金屬零件表面的耐磨性能。該強(qiáng)化形式一般通過(guò)高能量密度的快速加熱方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4.2 合理選擇金屬材料

金屬材料本身的性質(zhì)是決定金屬磨損程度的最直接因素。因此，需要針對(duì)機(jī)械設(shè)備的不同需求以及機(jī)械設(shè)備中不同部位的工作需求選擇不同性質(zhì)的金屬材料。針對(duì)工作環(huán)境較差、工作強(qiáng)度較大并且承受較大載荷的機(jī)械部件，需要選擇機(jī)械強(qiáng)度較高的金屬材料制作的部件，并且還應(yīng)該對(duì)其表面進(jìn)行進(jìn)一步的強(qiáng)化，從而降低金屬材料的磨損程度[4]。同時(shí)，需要充分考慮成本投入，在控制成本的基礎(chǔ)上，盡量提升金屬部件的抗磨損性能。

4.3 改進(jìn)材料制作技術(shù)

對(duì)金屬材料的制作技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)是提升金屬材料耐磨性能的重要途徑。針對(duì)不同性能的金屬材料，首先需要對(duì)金屬材料的加工工藝進(jìn)行改進(jìn)，提升金屬部件表面廣度和耐磨性能，降低機(jī)械設(shè)備的磨損程度。同時(shí)，需要重視金屬材料鍛造、澆鑄、切割等各種加工工藝技術(shù)，通過(guò)高性能的金屬部件提升機(jī)械設(shè)備的使用性能。

4.4 采取預(yù)防性維修方式

首先，可以為機(jī)械設(shè)備監(jiān)理運(yùn)行檔案，對(duì)金屬零部件發(fā)生磨損故障的后果和原因進(jìn)行詳細(xì)分析，同時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的信息反饋，結(jié)合分析結(jié)果制定金屬零部件磨損防護(hù)措施；其次，對(duì)機(jī)械設(shè)備的金屬零部件進(jìn)行劃分，對(duì)其中存在較大磨損的部分進(jìn)行重點(diǎn)分析，及時(shí)了解磨損情況并采取相應(yīng)的防護(hù)措施；最后，需要由機(jī)械設(shè)備操作人員以及相關(guān)專家選擇具體的維修方式，保證維修的針對(duì)性和有效性。

4.5 確保設(shè)備具有良好的運(yùn)行環(huán)境

高溫、超負(fù)荷、振動(dòng)以及長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)作業(yè)都會(huì)導(dǎo)致金屬零件的磨損增加，需要盡量避免這樣的狀況出現(xiàn)。同時(shí)，粉塵、水汽以及酸堿性化學(xué)物質(zhì)會(huì)導(dǎo)致金屬零件發(fā)生磨粒磨損和腐蝕磨損，需要盡量減少這些物質(zhì)對(duì)金屬零件的入侵，為機(jī)械設(shè)備創(chuàng)造一個(gè)良好的運(yùn)行環(huán)境，減少金屬零件的磨損，提高其運(yùn)行壽命。

4.6 定期保養(yǎng)

對(duì)設(shè)備的定期保養(yǎng)是減少金屬材料磨損的重要措施。因此，需要定期對(duì)設(shè)備的金屬零部件進(jìn)行潤(rùn)滑、保養(yǎng)和維修。在選擇潤(rùn)滑油時(shí)，需要結(jié)合金屬材料的特性選擇對(duì)應(yīng)的潤(rùn)滑油，從而全面提升金屬材料的潤(rùn)滑性能。同時(shí)，需要定期做好金屬零部件的保養(yǎng)和維修工作，減少由于超負(fù)荷運(yùn)行而降低金屬材料性能的情況，提高設(shè)備的運(yùn)行效率，保證設(shè)備運(yùn)行安全。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著工業(yè)的快速發(fā)展，企業(yè)對(duì)設(shè)備運(yùn)行的可靠性要求不斷提高，然而機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中，金屬材料磨損失效問(wèn)題已經(jīng)成為了影響機(jī)械設(shè)備運(yùn)行可靠性和安全性的重要因素。一旦出現(xiàn)金屬材料磨損失效，不但會(huì)對(duì)企業(yè)的正常生產(chǎn)產(chǎn)生影響，同時(shí)還可能導(dǎo)致設(shè)備損壞，影響企業(yè)生產(chǎn)安全，并造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此，需要對(duì)金屬材料磨損失效的機(jī)理進(jìn)行深入研究，采取針對(duì)性的防護(hù)措施，提升金屬材料的耐磨性能，從而保證機(jī)械設(shè)備的安全、可靠運(yùn)行，保證企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 王新淑.金屬材料磨損失效及防護(hù)的探討[J].中國(guó)高新區(qū)，2017（12）：127.

[2] 陳君.金屬腐蝕磨損的研究進(jìn)展[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2014（5）：474-478.

[3] 劉楓棣.機(jī)械設(shè)備金屬材料的磨損失效及安全防范策略[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2016（12）：85-86.

[4] 黃建洪.農(nóng)機(jī)零件的磨損、選材及熱處理[J].農(nóng)村牧區(qū)機(jī)械化，2014（4）：41.

Analysis ofW ear Failure and Protection M easures of M etal M aterials

Qiu Xiantang,Zhang Xueli,Yu Lei
（Baosteel Special Steel Shaoguan Co.,Ltd.,Shaoguan Guangdong 512123）

This paper introduces the present situation and harm of the wear failure ofmetalmaterials,analyzes the related theory of wear failure of metal materials,and puts forward the corresponding protective measures so as to further reduce the wear of metal materials,improve the operation efficiency of equipment,bring better benefits for enterprises.

metalmaterial;wear failure;protectionmeasures

TH117

A

1672-1152（2017）05-0115-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2017.05.44

2017-09-18

丘先堂（1988—），男，本科，畢業(yè)于國(guó)家開(kāi)放大些，從事特鋼物理性能檢測(cè)作業(yè)管理。

（編輯：王瑾）