金属材料磨损失效及防护的探讨

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 金属材料磨损失效及防护的探讨 【摘要】金属材料失效的主要形 式可分为三大类，分别是磨损、断裂和 腐蚀，其中最普遍的是磨损失效，占到 了总体金属材料失效的 70%。本文深入 探讨了金属材料磨损失效的有效防护措 施，其中包括提高金属材料表面的耐磨 性、定期维修保养、改善金属材料的制 造工艺等，具有一定的参考价值。 中国论文网 /6/view-12984817.htm 【关键词】金属材料；磨损失效； 防护 1.引言 材料科学一直以来都是支撑工业 发展、科技进步的基础性学科。各类材 料中或多或少都会存在着失效问题，对 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 于产品质量和使用寿命都会造成直接影 响，也会带来材料的大量浪费情况；解 决和处理材料失效问题的能力，往往体 现了国家科技发展水平。从目前来看， 金属材料失效的主要形式可分为三大类， 分别是磨损、断裂和腐蚀，其中最普遍 的是磨损失效，占到了总体金属材料失 效的 70%。本文就金属材料磨损失效及 防护进行探讨。 2.金属材料磨损失效分析 2.1 金属材料磨损 金属材料磨损是指在材料相对运 动过程中，由于化学作用、机械作用而 导致其相互接触表面不断出现损耗的现 象，属于工程上较为常见的现象。研究 表明：摩擦是金属材料磨损的主要原因， 摩擦系数、摩擦力与磨损存在着较为复 杂的关系。从目前来看，很多因素都有 可能会影响到金属材料磨损，包括材料 的物理化学性质、环境因素（如介质、 湿度、温度等） 、润滑状况、材料组成、 工作条件（如工作载荷、运动方式、工 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 作速度等） ；只要任一因素出现微小的 变化，都有可能回改变金属材料的磨损 量，也有可能会改变金属材料的磨损机 理。 可基于不同的角度来分析金属材 料的磨损过程，第一，基于物理化学角 度，金属材料的磨损过程实质上是热能 与机械能相互转化的过程；并且无论是 冷却过程，还是加热过程，速度都极快， 属于动态变化过程；这样一来，就会让 材料表面出现较高的表面活性和自由能。 当周围环境介质与金属材料原子相互作 用，就有可能会出现化学反应，以及化 学吸附、物理吸附，必然会有加工硬化 成层出现在金属材料表面，进而对整个 磨损过程造成影响。第二，基于原子与 作用力角度，在相互接触的金属材料表 面上，原子较为接近，甚至还有可能会 让原子进入到斥力场，这样必然会出现 能量损耗。理论上来看，原子在自然作 用、排斥作用的影响下，若表面处于充 分接触的状态，那么原子必然能够原路 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 返回到原本的位置，但实践与理论差异 较大，基本是不可能实现的，换言之， 原子必然会被撞击至另一个原子场当中， 并在短时间之内在该处获得新的平衡。 2.2 金属材料的磨损失效过程分 析 2.2.1 跑合阶段 跑合阶段通常都出现于摩擦副的 初始运动过程中。众所周知，金属材料 表面或多或少都必然会存在一定的粗糙 度，即会出现微凸体，这些微凸体的接 触应力较大，会在载荷作用下出现较大 的磨损，逐渐磨平互相摩擦的表面，最 终会增大实际接触面积，减慢磨损速度。 2.2.2 稳定磨损阶段 稳定磨损阶段通常都出现于摩擦 副的正常运行过程中。摩擦表面在跑合 作用后会出现较为明显的加工硬化现象， 在一定程度上会改变微观几何形状，增 大实际接触面积，但压强也会随之出现 明显的降低，这样一来，就会为弹性接 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 触打下基础。稳定磨损阶段的磨损速度 基本趋于稳定，但是随着时间的不断延 长，磨损量会随之增大。 2.2.3 剧烈磨损阶段 剧烈磨损阶段通常都出现于摩擦 副的异常运行过程中。在此阶段中，金 属材料的磨损速度会剧增，但机械效率 和精度都会随之降低，并且还会出现较 大的异常噪声和振动，最终的结果必然 是金属零件处于完全失效的状态，即磨 损失效状态。 2.3 金属磨损失效的模式及起因 金属磨损失效的模式主要有五种： 第一种为微动磨损失效，它是指在环境 因素作用下，摩擦副材料（处于相对固 定状态）表面之间会出现相对振动，虽 然振动幅度较小，但是持续振动会导致 出现磨损失效。第二种为疲劳磨损失效， 它是指在接触应力作用下（处于循环变 化状态） ，摩擦副材料表面之间会由于 材料疲劳剥落而出现诸多微笑的凹坑， 进而导致磨损失效。第三种是粘着磨损 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 失效，它是指摩擦副材料表面之间在不 断接触摩擦过程中会出现粘着剪切效应， 进而导致部分摩擦表面材料转移到对偶 表面或者出现脱落现象，进而导致磨损 失效。第四种是腐蚀磨损失效，它是指 周围介质与摩擦副材料不断接触摩擦过 程中出现了电化学反应或者化学反应， 进而使得金属材料的磨损过程加速进行， 进而导致磨损失效。第五种是磨粒磨损 失效，它是指摩擦副材料与外界硬颗粒 摩擦而出现塑性变形或金属材料脱落， 进而导致磨损失效。 虽然确定了金属磨损失效的模式， 但并不意味着确定了金属磨损失效的原 因，主要原因在于：金属磨损失效是由 整个摩擦学系统来决定的，而不仅仅是 受到摩擦副材料决定；金属磨损失效有 着其复杂性、特殊性，受到多种因素的 互相作用。归纳起来，金属磨损失效的 起因主要包括：第一，结构设计因素； 第二，包括表面处理、材质等在内的摩 擦副材料因素；第三，包括介质、温度 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 等在内的环境条件因素；第四，包括速 度、接触形式、负荷及运动形式等在内 的摩擦条件；第五，包括润滑方式、润 滑剂等在内的润滑技术。只有找准导致 出现金属磨损失效的主要因素，并有针 对性地采取相应防护措施，才能够彻底 解决问题。 3.金属材料磨损失效的有效防护 措施 3.1 提高金属材料表面的耐磨性 3.1.1 化学热处理 化学热处理是指通过固态扩散渗 入一些外来元素来对金属材料的化学成 分进行改变，以便达到强化表面的效果。 但是值得注意的是，化学热处理的成本 支出较高，且处理时间较长，还需要专 门的专业人员来操作专门设备，所以， 仅仅只是在特殊情况下使用，使用频率 较低。 3.1.2 表面薄膜强化 表面薄膜强化是指在金属材料表 面利用离子注入、气相沉积、电镀等化 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 学方法或物理方法是覆盖膜层（覆盖膜 层的材料与基体材料完全不同） ，以此 来形成抗腐蚀膜和耐磨层。 3.1.3 表面形变强化 表面形变强化是指利用冷挤压、 喷丸等机械方法来强化金属材料表面层， 使之形成较强的塑性变形，进而使之出 现强度、硬度较高的硬化层。表面形变 强化能够对金属材料的耐磨性予以有效 地提高，且操作方法简单。 3.1.4 表面热处理强化 表面热处理强化是指利用快速加 热、高温等方式来热处理金属材料表面， 其工作原理为固态相变。金属材料在热 处理之后，不仅能够明显提高抗疲劳强 度，还能够提高耐磨性，属于工程上应 用较多的方法。 3.1.5 表面合金强化 表面合金强化是指重新凝固、重 新熔化金属材料表面，以此来获得较佳 的组织或者成分。表面合金强化主要是 采用高能量密度的快速加热，使金属表 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 层熔化，或是将覆盖在金属表层上的合 金材料熔化，然后通过冷却的方式进行 凝固，从而获得硬化层，这样金属表层 便会具有足够的耐磨性。 3.2 定期维修保养 3.2.1 定期的润滑保养 当使用机械设备一段时间之后， 为了能够避免出现金属材料磨损失效的 问题，可利用润滑油（耐磨性较高）来 保养金属材料，这样一来，不仅能够增 强金属材料的抗磨性及自身性能，还能 够对机械设备的使用寿命予以有效地延 长。 3.2.2 改善工作环境 导致金属材料磨损失效的主要因 素之一是工作环境，可通过对工作环境 机械改善来达到防护金属材料磨损失效 的效果。第一，要最大限度防止机械设 备中渗入各种腐蚀性物质；第二，正常 使用机械设备，不能让其长期处于超额 作业状态；第三，保持机械设备工作环 境的整洁。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 3.2.3 采取预防性维修方式 第一，以环境、质量、安全、成 本、利用率为依据，基于档案资料来对 机械设备金属材料磨损故障后果和原因 进行分析；同时，对其进行相应的反馈 （损失、停机、可靠性等） ；运用分析 结果来改进金属材料磨损失效工作，并 及时确定预防性维修的方式。第二，将 机械设备分解成若干个模块，同时要深 入调查分析重要部件材料磨损情况。第 三，应该由机械设备的操作人员、熟悉 此设备的人员或者专家来选择具体的维 修方式。为了让所选择的维修方式变得 更加有效，设备管理部门应该编写下列 文件：选择出最有效维修方式的维修 工作任务手册；将设备维修方法进行 分类；建立设备维护逻辑判断程序， 以适合多种故障模式维修。 3.3 改善金属材料的制造工艺 针对金属材料表面存在的摩擦力 和粗糙度，可对金属材料的制造工艺予 以改善，降低摩擦系数，提升光滑度， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 从而有效地让粘着磨损得以降低；与此 同时，还应该要进一步改进机械设备的 切削工艺、铸造工艺、焊接工艺、锻造 工艺，进而有效提高机械设备的机械性 能、化学性能、物理性能。例如：机械 设备的抗电化学腐蚀性能和抗化学腐蚀 性能可通过改进锻造工