鑄造耐磨材料的磨損
2021-07-05 16:49
山西中重
對于材料磨損，目前尚無統一的定義。一般認為磨損是摩擦副的兩對偶表面因相對運動而出現材料不斷遷移或損失的現象。機械設備中的磨損通常是有害的，會損傷零件工作表面，影響機械設備性能，消耗材料和能源，并使設備使用壽命縮短。因此，避免和控制有害的磨損是十分必要的。但磨損有時卻是有益的，如新機器的磨合以及機械加工中的磨削、研磨等。
磨損的實質與分類
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，嚴重影響了工程機械的可靠性和使用壽命。統計分析結果表明，大多數機械設備零部件是由于表面過度磨損而失效的。機械設備零部件的耐磨性差，會導致其精度很快下降，影響工作效率。修復和更換磨損的零部件需要花費大量的人力和髙昂的資金，造成巨大的損失。隨著科學技術的進步和社會生產力的提高，對機械設備可靠性的要求越來越高，而機械設備的可靠性又取決于其零部件的質量，因此，提高機械設備零部件的耐磨性和對其磨損進行有效控制已成為現代生產技術中一個十分重要的問題。
機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、逐步發展的過程。磨損是非常普遍的現象。零件的質量、尺寸和形狀等物理參量均會在磨損過程中發生變化，進而影響機械設備的正常運行，甚至對機械設備造成毀滅性破壞。
磨損的實質分析
從磨損的特征與結果分析
磨損是摩擦的結果。任何一種磨損都發生在物體的工作表面上，不但物體的宏觀表面發生變化，而且其微觀組織結構及性,能也發生顯著的變化，同時會產生一定數量的磨損產物。例如，機床導軌、齒輪、球磨機磨球與襯板、刀具等，在工作中都會產生大量的磨損，造成材料的損耗和能源的浪費，導致機械零部件的早期失效。
從物理化學觀點分析
由于磨損發生在兩相對運動的物體表面上，而且是很薄的一層工作表面，在磨損過程中，機械能轉變為熱能，加熱過程和冷卻過程都以非常快的速度進行，使物體表面具有相當高的活性和自由能，導致材料磨損表層與亞表層的組織和性能與材料內部的組織和性能有很大差異。對于固體金屬而言，當材料磨損表面的溫度較低時，原子的活性較弱，低溫變形后，表面的原子數不會有大的變化；當磨損表面的溫度較高時，原子的活動能力增強，材料的結構將會產生不同程度的調整與變化，結果使金屬材料的性能發生變化。此外，材料表面與外界環境介質相互接觸，將會產生物理吸附、化學吸附或化學反應等現象，使材料表面可能產生加工硬化層或形成特殊的表面織構，影響材料的磨損特性。
從微觀原子作用力的角度分析
當兩個物體相互接觸時，一個物體表面的原子可能與另一個物體表面的原子靠得很近，甚至進人斥力場，在相對運動時，兩表面分子就會產生能量消耗。在相對運動過程中，有些原子將不斷地進人斥力場，而有些原子又會離開斥力場，這將取決于物體的接近程度。當兩物體充分接近時，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，并運動得足夠遠，以至于進入相對表面上的另一個原子場內，在那里重新找到其平衡位置，以此發生材料遷移，產生磨損。
相對于摩擦而言，對磨損過程的研究起步較晚，并且對許多磨損問題的研究還很不夠，對磨損的定義和分類尚不統一。但有一點是可以肯定的，磨損是相互接觸的物體在相對運動時表層材料不斷損傷的過程，是伴隨摩擦而產生的必然結果。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。根據統計，機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，研究磨損機理和提高材料耐磨性的措施，將有效地節約材料和能源，提高機械設備的使用性能和壽命，減少維修費用。這對國民經濟具有重大的意義。由于科學技術的迅速發展，20世紀30年代以后，磨損問題已成為機械設備正常工作的薄弱環節，特別是在高速、重載、精密和特殊工況下工作的機械設備，對磨損研究提出了迫切的要求。20世紀60年代以來，其他科學技術（如材料科學、表面物理與化學、表面測試技術等）的發展，促進了對磨損機理的研究。研究磨損的目的在于通過對各種磨損現象的考察和特征分析，找出它們的變化規律和影響因素，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，就必須對材料的磨損形式進行分析研究，了解金屬材料的磨損機理，找出防止或抑制金屬材料磨損的解決對策。對磨損進行分類的目的就是將實際存在的各式各樣的磨損現象歸納為幾個基本類型。合理的分類能夠使研究工作簡化，更好地認識磨損的實質。磨損的分類方法表達了人們對磨損機理的認識，但不同的學者提出了不同的分類觀點，至今還沒有普遍公認的統一分類方法。
早期人們根據摩擦表面的作用將磨損分為以下三大類.：
機械類由摩擦過程中物體表面的機械作用而產生的磨損，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械磨損形式。
分子-機械類由于分子力作用形成表面粘著結點，再經機械作用使粘著結點剪切 所產生的磨損，即粘著磨損。
腐蝕-機械類這類磨損是指由介質的化學作用引起的表面腐蝕，而摩擦中的機械作用加速腐蝕過程。它包括氧化磨損和化學腐蝕磨損。
顯然，上述分類雖然在一定程度上能夠闡明各類磨損產生的原因，但卻過于籠統。
現代機械工程界常按照摩擦表面破壞的機理和特征，將磨損分為磨粒磨損、粘著磨損、 疲勞磨損、腐蝕磨損和微動磨損等。這種分類方法揭示了各種類型磨損的過程和本質，對采取相應的耐磨措施有很大的指導意義。
磨粒磨損
外界硬顆粒或者對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象稱為磨粒磨損。例如，掘土機鏟齒、犁耙、球磨機襯板等的磨損都是典型的磨粒磨損。機床導軌面上的切屑也會引起磨粒磨損。水輪機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力的大小，磨粒磨損又可分為鑿削式磨粒磨損、低應力磨粒磨損和高應力磨粒磨損三種類型。
鑿削式磨粒磨損磨粒與表面產生高應力碰撞，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。挖掘機的斗齒、礦石破碎機錘頭等零部件表面的磨損都屬于此類磨損。
低應力磨粒磨損在一對摩擦副中，硬表面的粗糙峰對軟表面起著磨粒作用，并且磨料作用于摩擦表面的應力不超過它本身的壓潰強度，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。
高應力磨粒磨損外界磨粒移動于兩摩擦表面之間，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生極高的接觸應力（往往超過磨粒的 壓潰強度），磨料不斷地被碾碎，被碾碎的磨料顆粒呈多邊形，會擦傷金屬，在摩擦表面留下溝槽和凹坑。這類磨損的特征是應力高，使韌性金屬的摩擦表面產生塑性變形或疲勞，使脆性金屬表面發生脆裂或剝落。礦石粉碎機的顎板、軋碎機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，嚴重影響了工程機械的可靠性和使用壽命。統計分析結果表明，大多數機械設備零部件是由于表面過度磨損而失效的。機械設備零部件的耐磨性差，會導致其精度很快下降，影響工作效率。修復和更換磨損的零部件需要花費大量的人力和髙昂的資金，造成巨大的損失。隨著科學技術的進步和社會生產力的提高，對機械設備可靠性的要求越來越高，而機械設備的可靠性又取決于其零部件的質量，因此，提高機械設備零部件的耐磨性和對其磨損進行有效控制已成為現代生產技術中一個十分重要的問題。
機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、逐步發展的過程。磨損是非常普遍的現象。零件的質量、尺寸和形狀等物理參量均會在磨損過程中發生變化，進而影響機械設備的正常運行，甚至對機械設備造成毀滅性破壞。
磨損的實質分析
從磨損的特征與結果分析
磨損是摩擦的結果。任何一種磨損都發生在物體的工作表面上，不但物體的宏觀表面發生變化，而且其微觀組織結構及性,能也發生顯著的變化，同時會產生一定數量的磨損產物。例如，機床導軌、齒輪、球磨機磨球與襯板、刀具等，在工作中都會產生大量的磨損，造成材料的損耗和能源的浪費，導致機械零部件的早期失效。
從物理化學觀點分析
由于磨損發生在兩相對運動的物體表面上，而且是很薄的一層工作表面，在磨損過程中，機械能轉變為熱能，加熱過程和冷卻過程都以非常快的速度進行，使物體表面具有相當高的活性和自由能，導致材料磨損表層與亞表層的組織和性能與材料內部的組織和性能有很大差異。對于固體金屬而言，當材料磨損表面的溫度較低時，原子的活性較弱，低溫變形后，表面的原子數不會有大的變化；當磨損表面的溫度較高時，原子的活動能力增強，材料的結構將會產生不同程度的調整與變化，結果使金屬材料的性能發生變化。此外，材料表面與外界環境介質相互接觸，將會產生物理吸附、化學吸附或化學反應等現象，使材料表面可能產生加工硬化層或形成特殊的表面織構，影響材料的磨損特性。
從微觀原子作用力的角度分析
當兩個物體相互接觸時，一個物體表面的原子可能與另一個物體表面的原子靠得很近，甚至進人斥力場，在相對運動時，兩表面分子就會產生能量消耗。在相對運動過程中，有些原子將不斷地進人斥力場，而有些原子又會離開斥力場，這將取決于物體的接近程度。當兩物體充分接近時，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，并運動得足夠遠，以至于進入相對表面上的另一個原子場內，在那里重新找到其平衡位置，以此發生材料遷移，產生磨損。
相對于摩擦而言，對磨損過程的研究起步較晚，并且對許多磨損問題的研究還很不夠，對磨損的定義和分類尚不統一。但有一點是可以肯定的，磨損是相互接觸的物體在相對運動時表層材料不斷損傷的過程，是伴隨摩擦而產生的必然結果。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。根據統計，機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，研究磨損機理和提高材料耐磨性的措施，將有效地節約材料和能源，提高機械設備的使用性能和壽命，減少維修費用。這對國民經濟具有重大的意義。由于科學技術的迅速發展，20世紀30年代以后，磨損問題已成為機械設備正常工作的薄弱環節，特別是在高速、重載、精密和特殊工況下工作的機械設備，對磨損研究提出了迫切的要求。20世紀60年代以來，其他科學技術（如材料科學、表面物理與化學、表面測試技術等）的發展，促進了對磨損機理的研究。研究磨損的目的在于通過對各種磨損現象的考察和特征分析，找出它們的變化規律和影響因素，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，就必須對材料的磨損形式進行分析研究，了解金屬材料的磨損機理，找出防止或抑制金屬材料磨損的解決對策。對磨損進行分類的目的就是將實際存在的各式各樣的磨損現象歸納為幾個基本類型。合理的分類能夠使研究工作簡化，更好地認識磨損的實質。磨損的分類方法表達了人們對磨損機理的認識，但不同的學者提出了不同的分類觀點，至今還沒有普遍公認的統一分類方法。
機械類由摩擦過程中物體表面的機械作用而產生的磨損，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械磨損形式。
分子-機械類由于分子力作用形成表面粘著結點，再經機械作用使粘著結點剪切 所產生的磨損，即粘著磨損。
腐蝕-機械類這類磨損是指由介質的化學作用引起的表面腐蝕，而摩擦中的機械作用加速腐蝕過程。它包括氧化磨損和化學腐蝕磨損。
顯然，上述分類雖然在一定程度上能夠闡明各類磨損產生的原因，但卻過于籠統。
現代機械工程界常按照摩擦表面破壞的機理和特征，將磨損分為磨粒磨損、粘著磨損、 疲勞磨損、腐蝕磨損和微動磨損等。這種分類方法揭示了各種類型磨損的過程和本質，對采取相應的耐磨措施有很大的指導意義。
磨粒磨損
外界硬顆粒或者對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象稱為磨粒磨損。例如，掘土機鏟齒、犁耙、球磨機襯板等的磨損都是典型的磨粒磨損。機床導軌面上的切屑也會引起磨粒磨損。水輪機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力的大小，磨粒磨損又可分為鑿削式磨粒磨損、低應力磨粒磨損和高應力磨粒磨損三種類型。
鑿削式磨粒磨損磨粒與表面產生高應力碰撞，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。挖掘機的斗齒、礦石破碎機錘頭等零部件表面的磨損都屬于此類磨損。
低應力磨粒磨損在一對摩擦副中，硬表面的粗糙峰對軟表面起著磨粒作用，并且磨料作用于摩擦表面的應力不超過它本身的壓潰強度，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。
高應力磨粒磨損外界磨粒移動于兩摩擦表面之間，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生極高的接觸應力（往往超過磨粒的 壓潰強度），磨料不斷地被碾碎，被碾碎的磨料顆粒呈多邊形，會擦傷金屬，在摩擦表面留下溝槽和凹坑。這類磨損的特征是應力高，使韌性金屬的摩擦表面產生塑性變形或疲勞，使脆性金屬表面發生脆裂或剝落。礦石粉碎機的顎板、軋碎機滾筒等表面的磨損就屬于此類磨損。
