简析金属材料磨损失效及其防护

陈世昌 袁康 杨勇 李宏宾

摘要：金属材料失效问题存在于各类材料中，它直接影响到产品质量，关系到企业的信誉及生存。因此为了保障金属材料功能的有效性，本文简述了金属材料磨损的危害性，对金属材料磨损的失效及其防护进行了简要分析。

关键词：金属材料;磨损;危害性;失效;形式;原因;防护策略

一、金属材料磨损的危害性分析

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。金属材料的磨损主要是由于金属零件之间的相互运动而引起的零件表面摩擦，进而引起零件表面的损耗，最终使得零件的尺寸、外形、表面质量、组织机构及其性能发生变化，从而影响机械的正常运行。由于很大一部分机械是一天二十四小时运行，在高速、高温、高负荷的工作环境下进行，又有粉尘、水汽等对零件表面的入侵，所以零件表面的磨损很大。如果零件的材料选择不合适及不及时进行零件的清洁、润滑保养，就会影响机械的运转效率及工作性能，甚至影响机械的安全性能，导致机械设备发生故障。这不仅缩短机械的使用寿命，还会引起安全事故。

二、金属材料磨损的失效形式及其失效过程与原因分析

1、金属材料磨损的失效形式分析。（1）磨粒磨损。金属材料磨损最常见的的磨损是磨粒磨损，它是金属材料磨损失效的主要成因。磨粒磨损主要是由于外部硬质颗粒或者零件表面硬质突起物在相互运动过程中引起摩擦而引起零件表面的破坏。（2）粘着磨损。粘着磨损是在相对滑动的零件之间，由于超负荷或者润滑不好，使得零件表面温度急剧升高而引起塑性变形，引起零件表面金属融化而焊接。冷却后由于运动使焊接点被切断，多次反复，就会破坏零件的摩擦表面。（3）疲劳磨损。零件由于长期的运行，导致金属材料超过其疲劳度，从而零件表面凹坑、脱落、裂纹等，引起零件表面的磨损和破坏。（4）腐蚀磨损。由于零件表面与周围的介质发生化学反应而产生腐蚀物，这些腐蚀物又在运动过程中磨损，零件表面再进一步腐蚀。这样往复循环，造成零件表面的腐蚀磨损加剧。（5）微动磨损。在相对固定的零件之间，由于振动而形成零件表面摩擦的磨损叫微动磨损。微动磨损相对来讲磨损较小。

2、金属材料磨损的失效过程分析。（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）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。

3、金屬磨损的失效原因分析。主要体现在：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。

三、金属材料磨损失效的防护策略分析

1、提高金属材料表面的耐磨性。（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。（2）表面薄膜强化。表面薄膜强化是利用离子注入、电镀、气相沉积等方法在零件表面形成覆盖膜，这层膜硬度高，抗腐蚀性强，从而提高零件的耐磨性。（3）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。（4）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。

2、改善金属材料的制造工艺。随着材料科学的迅速发展，新型耐磨性材料日益涌现，在制造设备时，特别是转动有摩擦零件的制造，应紧跟科技的形势，选择耐磨性好的材料制造零件，以有效减少零件的磨损。并且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，还应该改进机械设备的切削工艺、铸造工艺、焊接工艺、锻造工艺等，从而提高机械设备的机械性能、化学性能、物理性能等。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。

3、加强维修保养的防护策略。（1）定期保养。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。（2）合理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;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。

四、结束语

综上所述，材料科学是支撑工业发展、科技进步的基础性学科。金属材料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，因此对金属材料磨损失效及其防护进行分析具有重要意义。

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）.

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

（作者单位：西宁特殊钢股份有限公司）