丘先堂， 張雪莉， 余 雷

（寶鋼特鋼韶關有限公司， 廣東 韶關 512123）

經(jīng)驗交流

金屬材料磨損失效及防護措施分析

丘先堂， 張雪莉， 余 雷

（寶鋼特鋼韶關有限公司， 廣東 韶關 512123）

介紹了金屬材料磨損失效現(xiàn)狀及其危害，并針對金屬材料磨損失效的相關理論進行了分析，同時提出了相應的防護措施，以期進一步降低設備金屬材料的磨損，提高設備運行效率，為企業(yè)帶來更好的效益。

金屬材料 磨損失效 防護措施

1 金屬材料磨損失效現(xiàn)狀及危害

磨損是導致金屬材料失效的主要形式之一，由于金屬材料而導致?lián)p壞的設備大約占到設備損壞總量的70%以上。根據(jù)相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，由于材料磨損失效導致的經(jīng)濟損失每年超過千億美元。而從我國的情況來看，由于工業(yè)發(fā)展起步較晚，加上設備老化等多方面原因的影響，材料磨損失效帶來的損失更加嚴重，尤其是汽車、鐵路、冶金等金屬材料應用較多的行業(yè)。

金屬材料磨損是由于金屬材料表面相互摩擦或者運動導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、質量、組織結構以及性能的損害。工業(yè)機械設備在運行過程中，由于工作環(huán)境影響、設備長期運行、振動、金屬部件相互摩擦等因素導致大量的固體粉塵顆粒、水汽以及與金屬表面發(fā)生化學反應后產(chǎn)生的有毒氣體侵入到金屬機械設備間，但是如果無法及時清理這些雜志，就會導致金屬材料發(fā)生磨損。當磨損到一定程度后，就會影響到設備的性能和精度，尤其是對一些精密儀器設備而言，這種影響更是會毀滅性的。

2 金屬材料磨損失效過程

在實踐過程中，金屬材料的磨損過失效過程通常包括以下三個階段[1]。

2.1 跑合磨損階段

全新的摩擦副在運行的最初階段，由于其表面的粗糙值相對較大，實際的接觸點相對較少，接觸面積也相對較小，接觸點承受的載荷較大，接觸點具有一定的黏著性，會導致出現(xiàn)較大的整體磨損。在整個跑合的過程中，摩擦副表面的接觸點會逐漸被磨損，其表面粗糙度值會有所下降，導致其整體接觸面積逐漸增加，接觸點數(shù)量也會逐漸增加，接觸點承受的載荷下降，磨損率也隨之下降。

2.2 穩(wěn)定磨損階段

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

2.3 劇烈磨損階段

金屬設備在經(jīng)過長期運行之后，摩擦副表面金屬由于連續(xù)的擠壓變形，疲勞增加，其表面形貌會發(fā)生變化，整體磨損率會進一步提升，導致機械效率和精度下降，進而導致設備出現(xiàn)故障，最終導致摩擦副性能喪失。

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顆?；蛘哂操|突出物相互摩擦之后而導致金屬材料表面發(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力較小，此時發(fā)生的磨損則屬于擦傷磨損。其中，碾碎式磨損會使金屬材料表面出現(xiàn)劃傷，導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)生摩擦副相對運動過程中，由于固相焊合作用導致接觸面發(fā)生磨損的形式。黏著磨損導致金屬材料產(chǎn)生磨屑，進而對設備的性能產(chǎn)生影響。引起黏著磨損的主要因素包括相對滑動距離、負載以及金屬材料本身的硬度等。其中，相對滑動距離越大，負載越大，黏著磨損程度越嚴重。而從金屬材料硬度來看，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力的作用下，金屬材料表面由于疲勞而產(chǎn)生的物質損失。從摩擦學理論來看，疲勞磨損的主要原因是由于金屬材料在周期性負載作用下產(chǎn)生的重復變形，由此導致金屬材料表面發(fā)生硬化和塑性變形。金屬材料疲勞磨損會導致其表面產(chǎn)生裂紋，進而導致金屬機械部件發(fā)生嚴重損壞，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程中，金屬材料表面與周圍環(huán)境中的介質發(fā)生化學反應或者電化學反應而導致金屬表面物質損失的磨損形式[2]。腐蝕磨損通常需要在特殊情況下才會發(fā)生，在腐蝕磨損的過程中，隨著金屬材料表面受到腐蝕，進而產(chǎn)生磨粒磨道。在腐蝕磨損中，腐蝕物會繼續(xù)引發(fā)其他磨損，導致磨損重疊，使金屬材料的磨損程度進一步加劇，形成更加嚴重的失效。

3.5 微動磨損

在機械設備的金屬材料中，相對滑動的金屬材料非常容易產(chǎn)生磨損，而相對固定的金屬材料也會產(chǎn)生一定程度的磨損，只是這種磨損相對較為輕微。在相對固定的金屬材料與副材料的表面發(fā)生摩擦時，往往會由于周圍環(huán)境的影響而產(chǎn)生非常細微的相對運動，而這種幅度較小的相對振動會產(chǎn)生輕微的磨損，這種磨損被稱為微動磨損。

4 金屬材料磨損失效防護措施

4.1 提高零件表面的耐磨性

當前，提升金屬零件表面耐磨性主要包括以下幾種方法。

4.1.1 對金屬材料進行化學熱處理

化學熱處理是通過向金屬零件中滲入一些外來元素改變其表面的化學結構，從而提升其表面硬度，化學熱處理的過程通常通過固態(tài)擴散來實現(xiàn)[3]，然而化學熱處理需要由專業(yè)人員來實現(xiàn)，并且需要較長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，應用范圍較小。

4.1.2 表面薄膜強化

表面薄膜強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，從而達到提升零件表面耐磨性能的目的。

4.1.3 表面形變強化

主要是通過冷擠壓、噴丸等機械方法提升金屬零件表面的強度和硬度。通常來說，該方法操作較為方便，應用成本較低，因此也得到了較為廣泛的應用。

4.1.4 表面熱處理強化

主要是通過快速加熱以及高溫等方式對金屬零件的表面進行處理，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。該方法操作簡單、應用效果較好，是當前各行業(yè)較為常用的一種強化方法。

4.1.5 表面合金強化

表面合金強化主要是將金屬零件表層的合金材料融化，然后進行快速冷卻，從而形成一層硬化層，達到表層組織結構和化學成分的最佳化，從而提升金屬零件表面的耐磨性能。該強化形式一般通過高能量密度的快速加熱方法來實現(xiàn)。

4.2 合理選擇金屬材料

金屬材料本身的性質是決定金屬磨損程度的最直接因素。因此，需要針對機械設備的不同需求以及機械設備中不同部位的工作需求選擇不同性質的金屬材料。針對工作環(huán)境較差、工作強度較大并且承受較大載荷的機械部件，需要選擇機械強度較高的金屬材料制作的部件，并且還應該對其表面進行進一步的強化，從而降低金屬材料的磨損程度[4]。同時，需要充分考慮成本投入，在控制成本的基礎上，盡量提升金屬部件的抗磨損性能。

4.3 改進材料制作技術

對金屬材料的制作技術進行改進是提升金屬材料耐磨性能的重要途徑。針對不同性能的金屬材料，首先需要對金屬材料的加工工藝進行改進，提升金屬部件表面廣度和耐磨性能，降低機械設備的磨損程度。同時，需要重視金屬材料鍛造、澆鑄、切割等各種加工工藝技術，通過高性能的金屬部件提升機械設備的使用性能。

4.4 采取預防性維修方式

首先，可以為機械設備監(jiān)理運行檔案，對金屬零部件發(fā)生磨損故障的后果和原因進行詳細分析，同時進行相應的信息反饋，結合分析結果制定金屬零部件磨損防護措施；其次，對機械設備的金屬零部件進行劃分，對其中存在較大磨損的部分進行重點分析，及時了解磨損情況并采取相應的防護措施；最后，需要由機械設備操作人員以及相關專家選擇具體的維修方式，保證維修的針對性和有效性。

4.5 確保設備具有良好的運行環(huán)境

高溫、超負荷、振動以及長時間的連續(xù)作業(yè)都會導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，粉塵、水汽以及酸堿性化學物質會導致金屬零件發(fā)生磨粒磨損和腐蝕磨損，需要盡量減少這些物質對金屬零件的入侵，為機械設備創(chuàng)造一個良好的運行環(huán)境，減少金屬零件的磨損，提高其運行壽命。

4.6 定期保養(yǎng)

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

5 結語

隨著工業(yè)的快速發(fā)展，企業(yè)對設備運行的可靠性要求不斷提高，然而機械設備在運行過程中，金屬材料磨損失效問題已經(jīng)成為了影響機械設備運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，不但會對企業(yè)的正常生產(chǎn)產(chǎn)生影響，同時還可能導致設備損壞，影響企業(yè)生產(chǎn)安全，并造成嚴重的經(jīng)濟損失。因此，需要對金屬材料磨損失效的機理進行深入研究，采取針對性的防護措施，提升金屬材料的耐磨性能，從而保證機械設備的安全、可靠運行，保證企業(yè)的經(jīng)濟效益。

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

[2] 陳君.金屬腐蝕磨損的研究進展[J].腐蝕科學與防護技術，2014（5）：474-478.

[3] 劉楓棣.機械設備金屬材料的磨損失效及安全防范策略[J].科技經(jīng)濟導刊，2016（12）：85-86.

[4] 黃建洪.農(nóng)機零件的磨損、選材及熱處理[J].農(nóng)村牧區(qū)機械化，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)于國家開放大些，從事特鋼物理性能檢測作業(yè)管理。

（編輯：王瑾）