鑄造耐磨材料的磨損
2021-07-05 16:49
山西中重
對(duì)于材料磨損，目前尚無統(tǒng)一的定義。一般認(rèn)為磨損是摩擦副的兩對(duì)偶表面因相對(duì)運(yùn)動(dòng)而出現(xiàn)材料不斷遷移或損失的現(xiàn)象。機(jī)械設(shè)備中的磨損通常是有害的，會(huì)損傷零件工作表面，影響機(jī)械設(shè)備性能，消耗材料和能源，并使設(shè)備使用壽命縮短。因此，避免和控制有害的磨損是十分必要的。但磨損有時(shí)卻是有益的，如新機(jī)器的磨合以及機(jī)械加工中的磨削、研磨等。
磨損的實(shí)質(zhì)與分類
磨損是零件失效的主要形式之一。零部件磨損造成了能源和原材料的大量消耗，嚴(yán)重影響了工程機(jī)械的可靠性和使用壽命。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，大多數(shù)機(jī)械設(shè)備零部件是由于表面過度磨損而失效的。機(jī)械設(shè)備零部件的耐磨性差，會(huì)導(dǎo)致其精度很快下降，影響工作效率。修復(fù)和更換磨損的零部件需要花費(fèi)大量的人力和髙昂的資金，造成巨大的損失。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和社會(huì)生產(chǎn)力的提高，對(duì)機(jī)械設(shè)備可靠性的要求越來越高，而機(jī)械設(shè)備的可靠性又取決于其零部件的質(zhì)量，因此，提高機(jī)械設(shè)備零部件的耐磨性和對(duì)其磨損進(jìn)行有效控制已成為現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)中一個(gè)十分重要的問題。
機(jī)械零部件磨損失效過程是材料不斷地從零件表面流失的過程，是漸變、逐步發(fā)展的過程。磨損是非常普遍的現(xiàn)象。零件的質(zhì)量、尺寸和形狀等物理參量均會(huì)在磨損過程中發(fā)生變化，進(jìn)而影響機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)行，甚至對(duì)機(jī)械設(shè)備造成毀滅性破壞。
磨損的實(shí)質(zhì)分析
從磨損的特征與結(jié)果分析
磨損是摩擦的結(jié)果。任何一種磨損都發(fā)生在物體的工作表面上，不但物體的宏觀表面發(fā)生變化，而且其微觀組織結(jié)構(gòu)及性,能也發(fā)生顯著的變化，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定數(shù)量的磨損產(chǎn)物。例如，機(jī)床導(dǎo)軌、齒輪、球磨機(jī)磨球與襯板、刀具等，在工作中都會(huì)產(chǎn)生大量的磨損，造成材料的損耗和能源的浪費(fèi)，導(dǎo)致機(jī)械零部件的早期失效。
從物理化學(xué)觀點(diǎn)分析
由于磨損發(fā)生在兩相對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體表面上，而且是很薄的一層工作表面，在磨損過程中，機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽訜徇^程和冷卻過程都以非常快的速度進(jìn)行，使物體表面具有相當(dāng)高的活性和自由能，導(dǎo)致材料磨損表層與亞表層的組織和性能與材料內(nèi)部的組織和性能有很大差異。對(duì)于固體金屬而言，當(dāng)材料磨損表面的溫度較低時(shí)，原子的活性較弱，低溫變形后，表面的原子數(shù)不會(huì)有大的變化；當(dāng)磨損表面的溫度較高時(shí)，原子的活動(dòng)能力增強(qiáng)，材料的結(jié)構(gòu)將會(huì)產(chǎn)生不同程度的調(diào)整與變化，結(jié)果使金屬材料的性能發(fā)生變化。此外，材料表面與外界環(huán)境介質(zhì)相互接觸，將會(huì)產(chǎn)生物理吸附、化學(xué)吸附或化學(xué)反應(yīng)等現(xiàn)象，使材料表面可能產(chǎn)生加工硬化層或形成特殊的表面織構(gòu)，影響材料的磨損特性。
從微觀原子作用力的角度分析
當(dāng)兩個(gè)物體相互接觸時(shí)，一個(gè)物體表面的原子可能與另一個(gè)物體表面的原子靠得很近，甚至進(jìn)人斥力場，在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩表面分子就會(huì)產(chǎn)生能量消耗。在相對(duì)運(yùn)動(dòng)過程中，有些原子將不斷地進(jìn)人斥力場，而有些原子又會(huì)離開斥力場，這將取決于物體的接近程度。當(dāng)兩物體充分接近時(shí)，原子將被排斥，其自然的趨向是回到它原來的位置上去，即原子可能被撞擊出去，并運(yùn)動(dòng)得足夠遠(yuǎn)，以至于進(jìn)入相對(duì)表面上的另一個(gè)原子場內(nèi)，在那里重新找到其平衡位置，以此發(fā)生材料遷移，產(chǎn)生磨損。
相對(duì)于摩擦而言，對(duì)磨損過程的研究起步較晚，并且對(duì)許多磨損問題的研究還很不夠，對(duì)磨損的定義和分類尚不統(tǒng)一。但有一點(diǎn)是可以肯定的，磨損是相互接觸的物體在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)表層材料不斷損傷的過程，是伴隨摩擦而產(chǎn)生的必然結(jié)果。磨損問題之所以引起人們極大的重視，是由于磨損所造成的損失十分驚人。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，機(jī)械零件的失效主要有磨損、斷裂和腐蝕三種方式，其中磨損失效占到60%?80%。因此，研究磨損機(jī)理和提高材料耐磨性的措施，將有效地節(jié)約材料和能源，提高機(jī)械設(shè)備的使用性能和壽命，減少維修費(fèi)用。這對(duì)國民經(jīng)濟(jì)具有重大的意義。由于科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，20世紀(jì)30年代以后，磨損問題已成為機(jī)械設(shè)備正常工作的薄弱環(huán)節(jié)，特別是在高速、重載、精密和特殊工況下工作的機(jī)械設(shè)備，對(duì)磨損研究提出了迫切的要求。20世紀(jì)60年代以來，其他科學(xué)技術(shù)（如材料科學(xué)、表面物理與化學(xué)、表面測試技術(shù)等）的發(fā)展，促進(jìn)了對(duì)磨損機(jī)理的研究。研究磨損的目的在于通過對(duì)各種磨損現(xiàn)象的考察和特征分析，找出它們的變化規(guī)律和影響因素，從而尋求控制磨損和提髙耐磨性的措施。
磨損的分類
為了解決金屬材料的磨損失效問題，避免或消除金屬材料磨損失效帶來的危害，就必須對(duì)材料的磨損形式進(jìn)行分析研究，了解金屬材料的磨損機(jī)理，找出防止或抑制金屬材料磨損的解決對(duì)策。對(duì)磨損進(jìn)行分類的目的就是將實(shí)際存在的各式各樣的磨損現(xiàn)象歸納為幾個(gè)基本類型。合理的分類能夠使研究工作簡化，更好地認(rèn)識(shí)磨損的實(shí)質(zhì)。磨損的分類方法表達(dá)了人們對(duì)磨損機(jī)理的認(rèn)識(shí)，但不同的學(xué)者提出了不同的分類觀點(diǎn)，至今還沒有普遍公認(rèn)的統(tǒng)一分類方法。
早期人們根據(jù)摩擦表面的作用將磨損分為以下三大類.：
機(jī)械類由摩擦過程中物體表面的機(jī)械作用而產(chǎn)生的磨損，包括磨粒磨損、表面塑性變形、脆性剝落等。其中，磨粒磨損是最普遍的機(jī)械磨損形式。
分子-機(jī)械類由于分子力作用形成表面粘著結(jié)點(diǎn)，再經(jīng)機(jī)械作用使粘著結(jié)點(diǎn)剪切 所產(chǎn)生的磨損，即粘著磨損。
腐蝕-機(jī)械類這類磨損是指由介質(zhì)的化學(xué)作用引起的表面腐蝕，而摩擦中的機(jī)械作用加速腐蝕過程。它包括氧化磨損和化學(xué)腐蝕磨損。
顯然，上述分類雖然在一定程度上能夠闡明各類磨損產(chǎn)生的原因，但卻過于籠統(tǒng)。
現(xiàn)代機(jī)械工程界常按照摩擦表面破壞的機(jī)理和特征，將磨損分為磨粒磨損、粘著磨損、 疲勞磨損、腐蝕磨損和微動(dòng)磨損等。這種分類方法揭示了各種類型磨損的過程和本質(zhì)，對(duì)采取相應(yīng)的耐磨措施有很大的指導(dǎo)意義。
磨粒磨損
外界硬顆粒或者對(duì)磨表面上的硬突起物或粗糙峰在摩擦過程中引起表面材料脫落的現(xiàn)象稱為磨粒磨損。例如，掘土機(jī)鏟齒、犁耙、球磨機(jī)襯板等的磨損都是典型的磨粒磨損。機(jī)床導(dǎo)軌面上的切屑也會(huì)引起磨粒磨損。水輪機(jī)葉片和船舶螺旋槳等與含泥沙的水之間的磨損也 屬于磨粒磨損。
按照摩擦表面所受應(yīng)力的大小，磨粒磨損又可分為鑿削式磨粒磨損、低應(yīng)力磨粒磨損和高應(yīng)力磨粒磨損三種類型。
鑿削式磨粒磨損磨粒與表面產(chǎn)生高應(yīng)力碰撞，造成表面宏觀變形，在表面上磨出較深的溝槽和壓痕，并有大顆粒材料從表面脫落。這類磨損的特征是沖擊力大，磨料以很大的沖擊力切入金屬表面。挖掘機(jī)的斗齒、礦石破碎機(jī)錘頭等零部件表面的磨損都屬于此類磨損。
低應(yīng)力磨粒磨損在一對(duì)摩擦副中，硬表面的粗糙峰對(duì)軟表面起著磨粒作用，并且磨料作用于摩擦表面的應(yīng)力不超過它本身的壓潰強(qiáng)度，造成材料表面有擦傷并有微小的切削痕跡。這也是一種二體磨損，如泥沙泵葉輪的磨損。
高應(yīng)力磨粒磨損外界磨粒移動(dòng)于兩摩擦表面之間，類似于研磨作用，稱為三體磨粒磨損。通常三體磨粒磨損的磨粒與金屬表面之間產(chǎn)生極高的接觸應(yīng)力（往往超過磨粒的 壓潰強(qiáng)度），磨料不斷地被碾碎，被碾碎的磨料顆粒呈多邊形，會(huì)擦傷金屬，在摩擦表面留下溝槽和凹坑。這類磨損的特征是應(yīng)力高，使韌性金屬的摩擦表面產(chǎn)生塑性變形或疲勞，使脆性金屬表面發(fā)生脆裂或剝落。礦石粉碎機(jī)的顎板、軋碎機(jī)滾筒等表面的磨損就屬于此類磨損。
磨損是零件失效的主要形式之一。零部件磨損造成了能源和原材料的大量消耗，嚴(yán)重影響了工程機(jī)械的可靠性和使用壽命。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，大多數(shù)機(jī)械設(shè)備零部件是由于表面過度磨損而失效的。機(jī)械設(shè)備零部件的耐磨性差，會(huì)導(dǎo)致其精度很快下降，影響工作效率。修復(fù)和更換磨損的零部件需要花費(fèi)大量的人力和髙昂的資金，造成巨大的損失。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和社會(huì)生產(chǎn)力的提高，對(duì)機(jī)械設(shè)備可靠性的要求越來越高，而機(jī)械設(shè)備的可靠性又取決于其零部件的質(zhì)量，因此，提高機(jī)械設(shè)備零部件的耐磨性和對(duì)其磨損進(jìn)行有效控制已成為現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)中一個(gè)十分重要的問題。
機(jī)械零部件磨損失效過程是材料不斷地從零件表面流失的過程，是漸變、逐步發(fā)展的過程。磨損是非常普遍的現(xiàn)象。零件的質(zhì)量、尺寸和形狀等物理參量均會(huì)在磨損過程中發(fā)生變化，進(jìn)而影響機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)行，甚至對(duì)機(jī)械設(shè)備造成毀滅性破壞。
磨損的實(shí)質(zhì)分析
從磨損的特征與結(jié)果分析
磨損是摩擦的結(jié)果。任何一種磨損都發(fā)生在物體的工作表面上，不但物體的宏觀表面發(fā)生變化，而且其微觀組織結(jié)構(gòu)及性,能也發(fā)生顯著的變化，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定數(shù)量的磨損產(chǎn)物。例如，機(jī)床導(dǎo)軌、齒輪、球磨機(jī)磨球與襯板、刀具等，在工作中都會(huì)產(chǎn)生大量的磨損，造成材料的損耗和能源的浪費(fèi)，導(dǎo)致機(jī)械零部件的早期失效。
從物理化學(xué)觀點(diǎn)分析
由于磨損發(fā)生在兩相對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體表面上，而且是很薄的一層工作表面，在磨損過程中，機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽訜徇^程和冷卻過程都以非常快的速度進(jìn)行，使物體表面具有相當(dāng)高的活性和自由能，導(dǎo)致材料磨損表層與亞表層的組織和性能與材料內(nèi)部的組織和性能有很大差異。對(duì)于固體金屬而言，當(dāng)材料磨損表面的溫度較低時(shí)，原子的活性較弱，低溫變形后，表面的原子數(shù)不會(huì)有大的變化；當(dāng)磨損表面的溫度較高時(shí)，原子的活動(dòng)能力增強(qiáng)，材料的結(jié)構(gòu)將會(huì)產(chǎn)生不同程度的調(diào)整與變化，結(jié)果使金屬材料的性能發(fā)生變化。此外，材料表面與外界環(huán)境介質(zhì)相互接觸，將會(huì)產(chǎn)生物理吸附、化學(xué)吸附或化學(xué)反應(yīng)等現(xiàn)象，使材料表面可能產(chǎn)生加工硬化層或形成特殊的表面織構(gòu)，影響材料的磨損特性。
從微觀原子作用力的角度分析
當(dāng)兩個(gè)物體相互接觸時(shí)，一個(gè)物體表面的原子可能與另一個(gè)物體表面的原子靠得很近，甚至進(jìn)人斥力場，在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩表面分子就會(huì)產(chǎn)生能量消耗。在相對(duì)運(yùn)動(dòng)過程中，有些原子將不斷地進(jìn)人斥力場，而有些原子又會(huì)離開斥力場，這將取決于物體的接近程度。當(dāng)兩物體充分接近時(shí)，原子將被排斥，其自然的趨向是回到它原來的位置上去，即原子可能被撞擊出去，并運(yùn)動(dòng)得足夠遠(yuǎn)，以至于進(jìn)入相對(duì)表面上的另一個(gè)原子場內(nèi)，在那里重新找到其平衡位置，以此發(fā)生材料遷移，產(chǎn)生磨損。
相對(duì)于摩擦而言，對(duì)磨損過程的研究起步較晚，并且對(duì)許多磨損問題的研究還很不夠，對(duì)磨損的定義和分類尚不統(tǒng)一。但有一點(diǎn)是可以肯定的，磨損是相互接觸的物體在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)表層材料不斷損傷的過程，是伴隨摩擦而產(chǎn)生的必然結(jié)果。磨損問題之所以引起人們極大的重視，是由于磨損所造成的損失十分驚人。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，機(jī)械零件的失效主要有磨損、斷裂和腐蝕三種方式，其中磨損失效占到60%?80%。因此，研究磨損機(jī)理和提高材料耐磨性的措施，將有效地節(jié)約材料和能源，提高機(jī)械設(shè)備的使用性能和壽命，減少維修費(fèi)用。這對(duì)國民經(jīng)濟(jì)具有重大的意義。由于科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，20世紀(jì)30年代以后，磨損問題已成為機(jī)械設(shè)備正常工作的薄弱環(huán)節(jié)，特別是在高速、重載、精密和特殊工況下工作的機(jī)械設(shè)備，對(duì)磨損研究提出了迫切的要求。20世紀(jì)60年代以來，其他科學(xué)技術(shù)（如材料科學(xué)、表面物理與化學(xué)、表面測試技術(shù)等）的發(fā)展，促進(jìn)了對(duì)磨損機(jī)理的研究。研究磨損的目的在于通過對(duì)各種磨損現(xiàn)象的考察和特征分析，找出它們的變化規(guī)律和影響因素，從而尋求控制磨損和提髙耐磨性的措施。
磨損的分類
為了解決金屬材料的磨損失效問題，避免或消除金屬材料磨損失效帶來的危害，就必須對(duì)材料的磨損形式進(jìn)行分析研究，了解金屬材料的磨損機(jī)理，找出防止或抑制金屬材料磨損的解決對(duì)策。對(duì)磨損進(jìn)行分類的目的就是將實(shí)際存在的各式各樣的磨損現(xiàn)象歸納為幾個(gè)基本類型。合理的分類能夠使研究工作簡化，更好地認(rèn)識(shí)磨損的實(shí)質(zhì)。磨損的分類方法表達(dá)了人們對(duì)磨損機(jī)理的認(rèn)識(shí)，但不同的學(xué)者提出了不同的分類觀點(diǎn)，至今還沒有普遍公認(rèn)的統(tǒng)一分類方法。
機(jī)械類由摩擦過程中物體表面的機(jī)械作用而產(chǎn)生的磨損，包括磨粒磨損、表面塑性變形、脆性剝落等。其中，磨粒磨損是最普遍的機(jī)械磨損形式。
分子-機(jī)械類由于分子力作用形成表面粘著結(jié)點(diǎn)，再經(jīng)機(jī)械作用使粘著結(jié)點(diǎn)剪切 所產(chǎn)生的磨損，即粘著磨損。
腐蝕-機(jī)械類這類磨損是指由介質(zhì)的化學(xué)作用引起的表面腐蝕，而摩擦中的機(jī)械作用加速腐蝕過程。它包括氧化磨損和化學(xué)腐蝕磨損。
顯然，上述分類雖然在一定程度上能夠闡明各類磨損產(chǎn)生的原因，但卻過于籠統(tǒng)。
現(xiàn)代機(jī)械工程界常按照摩擦表面破壞的機(jī)理和特征，將磨損分為磨粒磨損、粘著磨損、 疲勞磨損、腐蝕磨損和微動(dòng)磨損等。這種分類方法揭示了各種類型磨損的過程和本質(zhì)，對(duì)采取相應(yīng)的耐磨措施有很大的指導(dǎo)意義。
磨粒磨損
外界硬顆粒或者對(duì)磨表面上的硬突起物或粗糙峰在摩擦過程中引起表面材料脫落的現(xiàn)象稱為磨粒磨損。例如，掘土機(jī)鏟齒、犁耙、球磨機(jī)襯板等的磨損都是典型的磨粒磨損。機(jī)床導(dǎo)軌面上的切屑也會(huì)引起磨粒磨損。水輪機(jī)葉片和船舶螺旋槳等與含泥沙的水之間的磨損也 屬于磨粒磨損。
按照摩擦表面所受應(yīng)力的大小，磨粒磨損又可分為鑿削式磨粒磨損、低應(yīng)力磨粒磨損和高應(yīng)力磨粒磨損三種類型。
鑿削式磨粒磨損磨粒與表面產(chǎn)生高應(yīng)力碰撞，造成表面宏觀變形，在表面上磨出較深的溝槽和壓痕，并有大顆粒材料從表面脫落。這類磨損的特征是沖擊力大，磨料以很大的沖擊力切入金屬表面。挖掘機(jī)的斗齒、礦石破碎機(jī)錘頭等零部件表面的磨損都屬于此類磨損。
低應(yīng)力磨粒磨損在一對(duì)摩擦副中，硬表面的粗糙峰對(duì)軟表面起著磨粒作用，并且磨料作用于摩擦表面的應(yīng)力不超過它本身的壓潰強(qiáng)度，造成材料表面有擦傷并有微小的切削痕跡。這也是一種二體磨損，如泥沙泵葉輪的磨損。
高應(yīng)力磨粒磨損外界磨粒移動(dòng)于兩摩擦表面之間，類似于研磨作用，稱為三體磨粒磨損。通常三體磨粒磨損的磨粒與金屬表面之間產(chǎn)生極高的接觸應(yīng)力（往往超過磨粒的 壓潰強(qiáng)度），磨料不斷地被碾碎，被碾碎的磨料顆粒呈多邊形，會(huì)擦傷金屬，在摩擦表面留下溝槽和凹坑。這類磨損的特征是應(yīng)力高，使韌性金屬的摩擦表面產(chǎn)生塑性變形或疲勞，使脆性金屬表面發(fā)生脆裂或剝落。礦石粉碎機(jī)的顎板、軋碎機(jī)滾筒等表面的磨損就屬于此類磨損。
