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磨損的類型
欄目：業(yè)界資訊 發(fā)布時(shí)間：2021-04-07
現(xiàn)在，磨損還沒有統(tǒng)一的分類方法、通常就按磨損機(jī)理進(jìn)行分類。磨損類型有：粘著磨損、磨粒磨損、沖蝕磨損、疲勞磨損和微動(dòng)磨損。據(jù)估計(jì)，在工業(yè)領(lǐng)域各類磨損造成的經(jīng)濟(jì)損失中，以磨粒磨損所占比例最高，達(dá)50%，粘著磨損占15%；沖蝕磨損和微動(dòng)磨損各占8%；腐蝕磨損占5%。這些比例上的差別顯然是和各類磨損產(chǎn)生的條件和環(huán)境相關(guān)聯(lián)的。
1、 粘著磨損
1.1 磨損機(jī)理
粘著磨損又稱咬合磨損，是在滑動(dòng)摩擦條件下，當(dāng)摩擦副相對(duì)滑動(dòng)速度較小(鋼小于1m/s)時(shí)發(fā)生的。它是因缺乏潤滑油，摩擦副表面無氧化膜，且單位法向載荷很大，以致接觸應(yīng)力超過實(shí)際接觸點(diǎn)處屈服強(qiáng)度而產(chǎn)生的一種磨損。刀具、模具、齒輪、凸輪以及各種軸承等許多機(jī)件的磨損失效都與粘著磨損有關(guān)。活塞環(huán)和氣缸套就是典型的易于發(fā)生粘著摩擦副。
這種磨損可以根據(jù)摩擦機(jī)理來解釋。摩擦副實(shí)際表面上總存在局部凸起，當(dāng)摩擦雙方接觸時(shí)，即使施加較小載荷，在真實(shí)接觸面上的局部應(yīng)力就足以引起塑性變形。倘若接觸面上潔凈而未受到腐蝕，則局部塑性變形會(huì)使接觸面的原子彼此十分接近而產(chǎn)生強(qiáng)烈粘著(冷焊)。所謂粘著，實(shí)際上就是原子音的鍵合作用。隨后在繼續(xù)滑動(dòng)時(shí)，粘著點(diǎn)被剪斷并轉(zhuǎn)移到一方金屬表面，然后脫落下來便形成磨屑。一個(gè)粘著點(diǎn)剪斷了，又在新的地方產(chǎn)生粘著，隨后也被剪斷、轉(zhuǎn)移，如此粘著→剪斷→轉(zhuǎn)移→再粘著循環(huán)不已，就構(gòu)成粘著磨損過程。
影響因素
綜上所述，材料特性、法向力、滑動(dòng)速度以及溫度等均對(duì)粘著磨損有明顯影響。
塑性材料比脆性材料易于粘著；互溶性大的材料(相同金屬或晶格類型、點(diǎn)陣常數(shù)、電子密度、電化學(xué)性質(zhì)相近的金屬)組成的摩擦副粘著傾向大；單相金屬比多相金屬粘著傾向大；化合物比固溶體粘著傾向??；金屬與非金屬組成的摩擦副比金屬與金屬的摩擦副不易粘著。
在摩擦速度一定時(shí)，粘著磨損量隨法向力增大而增加。試驗(yàn)指出，當(dāng)接觸壓應(yīng)力超過材料硬度H的1/3時(shí)，粘著磨損量急劇增加，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)a(chǎn)生咬死現(xiàn)象。因此，設(shè)計(jì)中選擇的許用壓應(yīng)力必須低于材料硬度值的1/3，以免產(chǎn)生嚴(yán)重的粘著磨損。在法向力一定時(shí)，粘著磨損量隨滑動(dòng)速度增加而增加，但達(dá)到某一極大值后又隨滑動(dòng)速度增加而減小。這可能是由于滑動(dòng)速度增加，粘著磨損量因溫度升高材料剪斷強(qiáng)度下降，以及塑性變形不能充分進(jìn)行延續(xù)粘著點(diǎn)長大兩個(gè)因素同時(shí)作用所致。
摩擦副表面粗糙度、摩擦表面溫度以及潤滑狀態(tài)等也都對(duì)粘著磨損有較大影響。降低表面粗糙度，將增加抗粘著磨損能力；但粗糙度過低，反因潤滑劑難于儲(chǔ)存在摩擦面內(nèi)而促進(jìn)粘著。溫度和滑動(dòng)速度的影響是一致的。這里所說的溫度是環(huán)境溫度或摩擦副體積平均溫度，它不同于摩擦副的表面平均溫度，更不同于摩擦副接觸區(qū)的溫度。在接觸區(qū)，因摩擦熱的影響，其溫度很高，甚至可能使材料達(dá)到熔化狀態(tài)。不管何種概念的溫度，提高溫度都促進(jìn)粘著磨損產(chǎn)生。良好的潤滑狀態(tài)能降低粘著磨損量。
1.2 改善粘著磨損耐磨性的措施
(1) 首先要注意摩擦副配對(duì)材料的選擇 其基本原則是配對(duì)材料的粘著傾向應(yīng)比較小，如選用互溶性小的材料配對(duì)；選用表面易形成化合物的材料配對(duì)；金屬與非金屬材料配對(duì)，如金屬與高分子材料配對(duì)，以及選用淬硬鋼與灰鑄鐵配對(duì)等都有明顯效果。
(2) 采用表面化學(xué)熱處理改變材料表面狀態(tài) 可有效地減輕粘著磨損。如果沿接觸面上產(chǎn)生粘著磨損，可進(jìn)行滲硫、磷化、氮碳共滲處理或涂覆鎳-磷合金等。表面化學(xué)熱處理在金屬表面形成一層化合物層或非金屬層，既摩擦副直接接觸，又減小摩擦因數(shù)，故可防止粘著。如果粘著磨損發(fā)生在較軟一方材料機(jī)件內(nèi)部，則采用滲碳、滲氮、碳氮共滲及碳氮硼三元共滲等工藝都有一定效果。
(3) 控制摩擦滑動(dòng)速度和接觸壓應(yīng)力 可使粘著磨損大為減輕。
改善潤滑條件，提高表面氧化膜與基體金屬的結(jié)合能力，以增強(qiáng)氧化膜的穩(wěn)定性，阻止金屬之間直接接觸，以及降低表面粗糙度等也都可以減輕粘著磨損。
2、 磨粒磨損
2.1 磨損機(jī)理
磨料磨損是當(dāng)摩擦副一方表面存在堅(jiān)硬的細(xì)微突起，或者在接觸面之間存在著硬質(zhì)粒子時(shí)所產(chǎn)生的一種磨損。前者又可生稱為兩體磨粒磨損，如銼削過程；后者又可稱為三體磨粒磨損，如拋光。硬質(zhì)粒子可以是由磨損產(chǎn)生而脫落在摩擦副表面間的金屬磨屑，也可以是自表面脫落下來的氧化物或其他沙、灰塵等。
根據(jù)磨粒所受應(yīng)力大小不同，磨粒磨損可分為鑿削式磨粒磨損、高應(yīng)力碾碎性磨粒磨損和低應(yīng)力擦傷性磨粒磨損三類。在鑿削式磨地，從材料表面上鑿削下大顆粒金屬，磨擦面有較深溝槽，如挖掘機(jī)斗齒、破碎機(jī)腭板等機(jī)件表面的破壞。若磨粒不斷被碾碎，并產(chǎn)生高應(yīng)力碾碎性磨粒磨損。此時(shí)，一般金屬材料被拉傷，韌性金屬產(chǎn)生塑性變形疲勞，脆性金屬則形成碎裂或剝落，如球磨機(jī)襯板與鋼球、軋碎機(jī)滾筒等機(jī)件表面的破壞。當(dāng)作用于磨粒上的應(yīng)力不超過其破壞強(qiáng)度時(shí)，產(chǎn)生低應(yīng)力擦傷性磨粒磨損。此時(shí)，磨擦表面僅產(chǎn)生輕微擦傷，如犁鏵、運(yùn)輸槽板及機(jī)件被海洋法污染的磨擦表面等。
如果從磨粒硬度與磨材料硬度相對(duì)關(guān)系看，若磨粒硬度高于被磨材料的硬度，則屬于硬磨粒磨損；反之，為軟磨粒磨損。通常的磨粒磨損即指硬磨粒磨損。
磨粒磨損過程可能是磨粒磨擦表面的切削作用、塑性和疲勞破壞作用或脆性斷裂的結(jié)果，還可能是它們綜合作用的反映，而以某一損害作用為主。
根據(jù)試驗(yàn)，金屬材料對(duì)粒磨損的抗力與H/E成比例，H主材料硬度，E為彈性模量。材料的H/E值越大，在相同接觸壓力下彈性變形量增大。由于接觸面積嗇，單位法向力反面下降，致溝槽深度減小。然而，E是對(duì)組織不敏感的，因此，機(jī)件抵抗磨粒磨損的能力主要與材料硬度成正比。所以，一般情況下，材料硬度越高，其抗磨粒磨損能力也越好。
2.2 改善磨粒磨損耐磨性的措施
對(duì)于以切削作用為主要機(jī)理的磨粒磨損應(yīng)增加材料硬度, 這是提高耐磨性的最有效措施。
采用滲碳、碳氮共滲等化學(xué)熱處理, 提高表面硬度，也能有效地提高磨粒磨損耐磨性。
另外，經(jīng)常注意機(jī)件防塵和清洗，防止大于1μм磨粒進(jìn)入接觸面，也是有效的措施 。
3、 沖蝕磨損
3.1 磨損機(jī)理
沖蝕磨損是指流體或固體以松散的小顆粒按一定的速度和角度對(duì)材料表面進(jìn)行沖擊所造成的磨損。松散粒子尺寸一般小于100μм，沖擊速度在550m/s以內(nèi)。根據(jù)攜帶粒子的介質(zhì)不同，部沖蝕磨損又分為氣固沖蝕磨損、流體沖蝕磨損、液滴沖蝕磨損和氣蝕磨損。
實(shí)際上，塑性材料表面慢坑是在短程微切削和塑性變形作用下形成的。在粒子反復(fù)沖擊、材料反復(fù)塑性變形下形成磨屑，材料流失。
脆性材料(如陶瓷、玻璃等)沖蝕磨損是裂紋形成與快速擴(kuò)展的過程。當(dāng)用銳角粒子沖擊脆性材料表面時(shí)，發(fā)現(xiàn)有兩種形狀的裂紋：一種是垂直于表面的初生徑向裂紋；另一種是平等于表面的橫向裂紋。在粒子沖擊下，徑向裂紋形成及其擴(kuò)展降低材料強(qiáng)度。橫向裂紋形成并擴(kuò)展到表面，材料脫落變?yōu)槟バ级魇А?/div>
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影響沖蝕磨損的因素很多，從沖蝕磨損發(fā)生的環(huán)境條件和材料破壞特性看，主要影響因素有：
(1) 環(huán)境因素 如沖擊角、粒子速度及濃度、沖擊時(shí)間、溫度及介質(zhì)。
(2) 粒子性能 如粒度、形狀、硬度、密度、可碎性等。
(3) 材料性能 如硬度、強(qiáng)度、韌性和物理性能。
在研究各種影響材料沖蝕磨損的因素時(shí)，通常要測定材料沖蝕率的變化。對(duì)噴砂型沖蝕，沖蝕率為單位重量粒子造成材料流失的重量體積，單位為mg/g或mm3/g。
粒子入射軌跡與材料表面的夾角稱為沖擊角或攻角(入射角、迎角)。沖擊角是影響材料沖蝕磨損量的重要因素。大量試驗(yàn)表明：陶瓷、玻璃等典型脆性材料最大沖蝕率出現(xiàn)在沖擊角900附近；銅、鋁合金等典型塑性材料最大沖蝕率出現(xiàn)在200∽300之間。一般工程材料顯示介于脆性材料和塑性材料之間的特性。
粒子速度對(duì)材料沖蝕率的影響，主要是因?yàn)闆_蝕磨損量與粒子動(dòng)能有重要關(guān)系。將許多材料沖蝕磨損試驗(yàn)結(jié)果整理，可以得到下列關(guān)系式
ε= κνn
式中ε--------沖蝕率
κ--------常數(shù)
ν--------粒子速度
n --------速度指數(shù)，通常為2.3~ 2.4。
粒子速度對(duì)沖蝕磨損的影響通常教師指調(diào)整范圍(60 ~ 400m/s)。
粒子粒度對(duì)可抽吸 明顯影響。粒子尺寸在20 ~ 200μм范圍內(nèi)，材料沖蝕率隨粒子尺寸增大而上升，但粒子尺寸增大到某一臨界值時(shí)，材料沖蝕率幾乎不變或變化很緩慢。
尖角粒子與圓形粒子比較，在相同條件下，如450角沖擊角時(shí)，尖角形粒子比圓形粒子造成的磨損大約4倍，甚至低硬度的尖角形粒子較高硬度的圓形粒子產(chǎn)生的磨損還要大。
粒子在單擊材料表面時(shí)有時(shí)會(huì)發(fā)生破碎，破碎的粒子碎片又會(huì)對(duì)表面產(chǎn)生第二次沖蝕，使材料沖蝕率增加。
3.2 改善沖蝕磨損耐磨性的措施
1)、設(shè)法減小入射粒子和介質(zhì)的速度，因?yàn)樗俣仁且饹_蝕磨損的重要參數(shù)。
2)、改變沖擊角以減輕沖蝕磨損，塑性材料盡是避免在200~300之間服役，脆性材料則應(yīng)力求不受粒子垂直入射。
3)、合理利用粒子濃度和粒度減輕沖蝕磨損。
4)、合理設(shè)計(jì)機(jī)件形狀，如合理設(shè)計(jì)渦輪葉片、飛行器或其他機(jī)件的迎風(fēng)面，輸送管線平滑過渡和彎曲等。
5)、在保持良好設(shè)計(jì)條件時(shí)，應(yīng)盡可能選用沖蝕抗力較高的材料及表面處理方法。
4、 腐蝕磨損
在磨擦過程中，磨擦副之間或磨擦副表面與環(huán)境介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)形成腐蝕產(chǎn)物，腐蝕產(chǎn)物的形成和脫落引起腐蝕磨損。腐蝕磨損因常于摩擦面之間的機(jī)械磨損(粘著磨損或磨粒磨損)共存，故又稱腐蝕機(jī)械磨損。
任何存在于大氣中的機(jī)件表面總有一層氧的吸附層。當(dāng)摩擦副作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于表面凹凸不平，在凸起部位單位壓力很大，導(dǎo)致產(chǎn)生塑性變形。塑性變形加速了氧向金屬內(nèi)部擴(kuò)散，從而形成氧化膜。由于氧化膜強(qiáng)度低，在摩擦副繼續(xù)作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，氧化膜被摩擦副一方的凸起所剝落，裸露出新表面，從而又發(fā)生氧化。隨后又再被磨去。如此，氧化膜形成又除去，機(jī)件表面逐漸被磨損，這就是氧化磨損過程。
氧化磨損的宏觀特征是，在摩擦面上沿滑動(dòng)方向呈勻細(xì)磨痕，其磨損產(chǎn)物或?yàn)榧t褐色的Fe2O3，或?yàn)镕e3O4。
5、 微動(dòng)磨損
在機(jī)器的嵌合部位和緊配合處，接觸表面之間雖然沒有宏觀相對(duì)位移，但在外部變動(dòng)載荷和振動(dòng)的影響下卻能產(chǎn)生微小滑動(dòng)。這種微小滑動(dòng)是小振幅的切身振動(dòng)，稱為微動(dòng)，其振幅約為10-2μм數(shù)量級(jí)。接觸表面之間因存在小振幅相對(duì)振動(dòng)或往復(fù)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的磨損稱為微動(dòng)磨損或微動(dòng)腐蝕，其特征是摩擦副接觸區(qū)有大量紅色Fe2O3磨損粉末，如果是鋁件，則磨損產(chǎn)物為黑色的。產(chǎn)生微動(dòng)磨損時(shí)在摩擦面上還常常見到因接觸疲勞破壞而形成的麻點(diǎn)或蝕坑。
微動(dòng)磨損是一種復(fù)合磨損，兼有粘著磨損、氧化磨損和磨粒磨損的作用。
改善微動(dòng)磨損耐磨性的措施，首先是加強(qiáng)緊配，保證足夠的過盈量，避免產(chǎn)生微小振動(dòng)。還可以用化學(xué)熱處理方法，提高摩擦副表面抗 粘著能力，以減輕微動(dòng)磨損。
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