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，它直接影響到產品質量，關系到企業的信譽及生存。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，由于化學作用、機械作用而導致其相互接觸表面不斷出現損耗的現象，屬于工程上較為常見的現象。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、表面質量、組織機構及其性能發生變化，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，就會影響機械的運轉效率及工作性能，甚至影響機械的安全性能，導致機械設備發生故障。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顆粒或者零件表面硬質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，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發生化學反應而產生腐蝕物，這些腐蝕物又在運動過程中磨損，零件表面再進一步腐蝕。這樣往復循環，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，即會出現微凸體，這些微凸體的接觸應力較大，會在載荷作用下出現較大的磨損，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）穩定磨損階段。穩定磨損階段通常都出現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較為明顯的加工硬化現象，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明顯的降低，這樣一來，就會為彈性接觸打下基礎。穩定磨損階段的磨損速度基本趨于穩定，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。主要體現在：金屬磨損失效是由整個摩擦學系統來決定的，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，結構設計因素;第二，包括表面處理、材質等在內的摩擦副材料因素;第三，包括介質、溫度等在內的環境條件因素;第四，包括速度、接觸形式、負荷及運動形式等在內的摩擦條件;第五，包括潤滑方式、潤滑劑等在內的潤滑技術。只有找準導致出現金屬磨損失效的主要因素，并有針對性地采取相應防護措施，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）化學熱處理。化學熱處理是指通過固態擴散滲入一些外來元素來對金屬材料的化學成分進行改變，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，還需要專門的專業人員來操作專門設備，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。隨著材料科學的迅速發展，新型耐磨性材料日益涌現，在制造設備時，特別是轉動有摩擦零件的制造，應緊跟科技的形勢，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，提升光滑度，從而有效地讓粘著磨損得以降低;與此同時，還應該改進機械設備的切削工藝、鑄造工藝、焊接工藝、鍛造工藝等，從而提高機械設備的機械性能、化學性能、物理性能等。例如：機械設備的抗電化學腐蝕性能和抗化學腐蝕性能可通過改進鍛造工藝來實現。此外，設備人員還應該針對機械設備在實際應用中存在的各種缺陷進行改進，如選用適宜的摩擦副材料、設計合理的金屬零件摩擦學結構等等，為機械設備正常工作的發揮出積極的作用。

3、加強維修保養的防護策略。（1）定期保養。當使用機械設備一段時間之后，為了能夠避免出現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，還能夠對機械設備的使用壽命予以有效地延長。（2）合理采取預防性維修方式。第一，以環境、質量、安全、成本、利用率為依據，基于檔案資料來對機械設備金屬材料磨損故障后果和原因進行分析;運用分析結果來改進金屬材料磨損失效工作，并及時確定預防性維修的方式。第二，將機械設備分解成若干個模塊，同時要深入調查分析重要部件材料磨損情況。第三，應該由機械設備的操作人員、熟悉此設備的人員或者專家來選擇具體的維修方式。

四、結束語

綜上所述，材料科學是支撐工業發展、科技進步的基礎性學科。金屬材料或多或少都會存在著失效問題，對于產品質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）