金属材料磨损失效及防护的探讨

赵朋飞

【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。

【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。

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：①选择出最有效维修方式的维修工作任务手册；②将设备维修方法进行分类；③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，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艺来实现。此外，设备人员还应该针对机械设备在实际应用中存在的各种缺陷来进行改进，如选用适宜的摩擦副材料、设计合理的金属零件摩擦学结构等等，为机械设备正常工作的发挥出积极的作用。

4.结语

总之，应该及时评定机械设备的使用情况，对其磨损失效予以高度重视，并且还要给出合理、科学的防护措施，以保证机械设备可靠、经济、安全地实现可持续性运行。

参考文献

[1]赵新华.钢材表面除锈用高碳铸钢丸的磨损失效分析[J].材料保护，2014，（09）：181-184.

[2]王磊.浅析金属材料的磨损失效和防护[J].科技资讯，2013，（17）：89-93.

[3]于风春.浅析金属材料的磨损失效及防护措施[J].硅谷. 2011，（10）：143-147.

[4]王宇飞，杨振国.材料磨损失效的数值模拟技术及其应用前景[J].金属热处理，2007，（S1）：181-187.