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磨損的類型
欄目：業界資訊 發布時間：2021-04-07
現在，磨損還沒有統一的分類方法、通常就按磨損機理進行分類。磨損類型有：粘著磨損、磨粒磨損、沖蝕磨損、疲勞磨損和微動磨損。據估計，在工業領域各類磨損造成的經濟損失中，以磨粒磨損所占比例最高，達50%，粘著磨損占15%；沖蝕磨損和微動磨損各占8%；腐蝕磨損占5%。這些比例上的差別顯然是和各類磨損產生的條件和環境相關聯的。
1、 粘著磨損
1.1 磨損機理
粘著磨損又稱咬合磨損，是在滑動摩擦條件下，當摩擦副相對滑動速度較小(鋼小于1m/s)時發生的。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，以致接觸應力超過實際接觸點處屈服強度而產生的一種磨損。刀具、模具、齒輪、凸輪以及各種軸承等許多機件的磨損失效都與粘著磨損有關。活塞環和氣缸套就是典型的易于發生粘著摩擦副。
這種磨損可以根據摩擦機理來解釋。摩擦副實際表面上總存在局部凸起，當摩擦雙方接觸時，即使施加較小載荷，在真實接觸面上的局部應力就足以引起塑性變形。倘若接觸面上潔凈而未受到腐蝕，則局部塑性變形會使接觸面的原子彼此十分接近而產生強烈粘著(冷焊)。所謂粘著，實際上就是原子音的鍵合作用。隨后在繼續滑動時，粘著點被剪斷并轉移到一方金屬表面，然后脫落下來便形成磨屑。一個粘著點剪斷了，又在新的地方產生粘著，隨后也被剪斷、轉移，如此粘著→剪斷→轉移→再粘著循環不已，就構成粘著磨損過程。
影響因素
綜上所述，材料特性、法向力、滑動速度以及溫度等均對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、點陣常數、電子密度、電化學性質相近的金屬)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小；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，粘著磨損量隨法向力增大而增加。試驗指出，當接觸壓應力超過材料硬度H的1/3時，粘著磨損量急劇增加，嚴重時甚至會產生咬死現象。因此，設計中選擇的許用壓應力必須低于材料硬度值的1/3，以免產生嚴重的粘著磨損。在法向力一定時，粘著磨損量隨滑動速度增加而增加，但達到某一極大值后又隨滑動速度增加而減小。這可能是由于滑動速度增加，粘著磨損量因溫度升高材料剪斷強度下降，以及塑性變形不能充分進行延續粘著點長大兩個因素同時作用所致。
摩擦副表面粗糙度、摩擦表面溫度以及潤滑狀態等也都對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，反因潤滑劑難于儲存在摩擦面內而促進粘著。溫度和滑動速度的影響是一致的。這里所說的溫度是環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的溫度。在接觸區，因摩擦熱的影響，其溫度很高，甚至可能使材料達到熔化狀態。不管何種概念的溫度，提高溫度都促進粘著磨損產生。良好的潤滑狀態能降低粘著磨損量。
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材料的選擇 其基本原則是配對材料的粘著傾向應比較小，如選用互溶性小的材料配對；選用表面易形成化合物的材料配對；金屬與非金屬材料配對，如金屬與高分子材料配對，以及選用淬硬鋼與灰鑄鐵配對等都有明顯效果。
(2) 采用表面化學熱處理改變材料表面狀態 可有效地減輕粘著磨損。如果沿接觸面上產生粘著磨損，可進行滲硫、磷化、氮碳共滲處理或涂覆鎳-磷合金等。表面化學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，故可防止粘著。如果粘著磨損發生在較軟一方材料機件內部，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) 控制摩擦滑動速度和接觸壓應力 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合能力，以增強氧化膜的穩定性，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 磨損機理
磨料磨損是當摩擦副一方表面存在堅硬的細微突起，或者在接觸面之間存在著硬質粒子時所產生的一種磨損。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。硬質粒子可以是由磨損產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。
根據磨粒所受應力大小不同，磨粒磨損可分為鑿削式磨粒磨損、高應力碾碎性磨粒磨損和低應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，如挖掘機斗齒、破碎機腭板等機件表面的破壞。若磨粒不斷被碾碎，并產生高應力碾碎性磨粒磨損。此時，一般金屬材料被拉傷，韌性金屬產生塑性變形疲勞，脆性金屬則形成碎裂或剝落，如球磨機襯板與鋼球、軋碎機滾筒等機件表面的破壞。當作用于磨粒上的應力不超過其破壞強度時，產生低應力擦傷性磨粒磨損。此時，磨擦表面僅產生輕微擦傷，如犁鏵、運輸槽板及機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關系看，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。
根據試驗，金屬材料對粒磨損的抗力與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是對組織不敏感的，因此，機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
對于以切削作用為主要機理的磨粒磨損應增加材料硬度, 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，經常注意機件防塵和清洗，防止大于1μм磨粒進入接觸面，也是有效的措施 。
3、 沖蝕磨損
3.1 磨損機理
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材料表面進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。根據攜帶粒子的介質不同，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。在粒子反復沖擊、材料反復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展的過程。當用銳角粒子沖擊脆性材料表面時，發現有兩種形狀的裂紋：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展降低材料強度。橫向裂紋形成并擴展到表面，材料脫落變為磨屑而流失。
影響沖蝕磨損的因素很多，從沖蝕磨損發生的環境條件和材料破壞特性看，主要影響因素有：
(1) 環境因素 如沖擊角、粒子速度及濃度、沖擊時間、溫度及介質。
(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，通常要測定材料沖蝕率的變化。對噴砂型沖蝕，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。大量試驗表明：陶瓷、玻璃等典型脆性材料最大沖蝕率出現在沖擊角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。
粒子速度對材料沖蝕率的影響，主要是因為沖蝕磨損量與粒子動能有重要關系。將許多材料沖蝕磨損試驗結果整理，可以得到下列關系式
ε= κνn
式中ε--------沖蝕率
κ--------常數
ν--------粒子速度
n --------速度指數，通常為2.3~ 2.4。
粒子速度對沖蝕磨損的影響通常教師指調整范圍(60 ~ 400m/s)。
粒子粒度對可抽吸 明顯影響。粒子尺寸在20 ~ 200μм范圍內，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，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，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生的磨損還要大。
粒子在單擊材料表面時有時會發生破碎，破碎的粒子碎片又會對表面產生第二次沖蝕，使材料沖蝕率增加。
3.2 改善沖蝕磨損耐磨性的措施
1)、設法減小入射粒子和介質的速度，因為速度是引起沖蝕磨損的重要參數。
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)、合理設計機件形狀，如合理設計渦輪葉片、飛行器或其他機件的迎風面，輸送管線平滑過渡和彎曲等。
5)、在保持良好設計條件時，應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境介質發生化學或電化學反應形成腐蝕產物，腐蝕產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械磨損(粘著磨損或磨粒磨損)共存，故又稱腐蝕機械磨損。
任何存在于大氣中的機件表面總有一層氧的吸附層。當摩擦副作相對運動時，由于表面凹凸不平，在凸起部位單位壓力很大，導致產生塑性變形。塑性變形加速了氧向金屬內部擴散，從而形成氧化膜。由于氧化膜強度低，在摩擦副繼續作相對運動時，氧化膜被摩擦副一方的凸起所剝落，裸露出新表面，從而又發生氧化。隨后又再被磨去。如此，氧化膜形成又除去，機件表面逐漸被磨損，這就是氧化磨損過程。
氧化磨損的宏觀特征是，在摩擦面上沿滑動方向呈勻細磨痕，其磨損產物或為紅褐色的Fe2O3，或為Fe3O4。
5、 微動磨損
在機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位移，但在外部變動載荷和振動的影響下卻能產生微小滑動。這種微小滑動是小振幅的切身振動，稱為微動，其振幅約為10-2μм數量級。接觸表面之間因存在小振幅相對振動或往復運動而產生的磨損稱為微動磨損或微動腐蝕，其特征是摩擦副接觸區有大量紅色Fe2O3磨損粉末，如果是鋁件，則磨損產物為黑色的。產生微動磨損時在摩擦面上還常常見到因接觸疲勞破壞而形成的麻點或蝕坑。
微動磨損是一種復合磨損，兼有粘著磨損、氧化磨損和磨粒磨損的作用。
改善微動磨損耐磨性的措施，首先是加強緊配，保證足夠的過盈量，避免產生微小振動。還可以用化學熱處理方法，提高摩擦副表面抗 粘著能力，以減輕微動磨損。
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