材料磨损失效与预防

作为科技支柱之一的材料技术的发展直接关系到国家经济、科技的发展水平,材料失效问题普遍存在于各类材料中,它直接影响着产品的质量,关系到企业的信誉和生存。材料失效分析的建立是发达国家工业革命的一个重要起点,材料的失效分析和预测预防工作在经济发展中占有十分重要的地位,对于材料失效问题的判断和解决能力,代表了一个国家的科学技术发展水平和管理水平。磨损、腐蚀和断裂是材料失效的3种主要形式,其中由摩擦所导致的磨损失效是包括航空材料在内的机电材料失效的主要原因,约有70%~80%的设备损坏是由于各种形式的磨损而引起的。磨损失效不仅造成大量的材料和部件浪费,而且可能直接导致灾难性后果,如机毁人亡等。

(1)耐磨材料的生产品种日趋完善和标准化,生产工艺不断改进目前,高锰钢,低合金钢,抗磨白口铸铁,高、中、低铬合金铸铁,贝氏体、马氏体球铁等耐磨材料都得到了成功的应用。特别是国内研制成功了一些符合国情的耐磨材料及产品。其中,用量较大的磨球等产品已相应制定了建材、冶金、电力部门的专业标准以及国家标准。

(2)研究耐磨材料的规模和数量大大增加，据初步统计,我国研究磨损和耐磨材料的机构和生产企业已有好几百家,耐磨易损件的总产量每年可达几百万吨。其中,有的生产企业年产量已超过四万多吨,产值在2亿元以上。所以,耐磨材料行业已在工业中占有相当的比重。

(3)耐磨材料新技术、新工艺和新产品正在不断开发和应用。近年来,已从国外引进和自制了几条生产线并采用了一些先进的设备,一些传统工艺正在逐步被更换和改变。例如,宁国耐磨材料总厂从日本新东公司引进的VRH法铸钢生产线;马鞍山东友集团与东洋铁球公司合资引进的金属模磨球生产线。这种金属模磨球生产线也已在我国自行研制成功并在江西东乡铜矿得到成功应用。这使耐磨产品的生产效率大大提高,质量更加稳定并为我国的耐磨材料产品走向国外市场打下了基础。

磨损一般有五种模式：

一是磨粒磨损失效，它是指由外界硬颗粒或偶件表面的硬突起物在摩擦过程中引起的摩擦表面材料脱落或塑性变形所导致的失效。

二是粘着磨损失效，它是指在摩擦过程中,摩擦副材料表面之间由于发生了粘着剪切效应,使摩擦表面材料发生脱落或向对偶表面转移而导致的失效。

三是疲劳磨损失效，它是指摩擦副表面在循环变化的接触应力作用下,由于材料疲劳剥落形成凹坑而导致的失效。

四是腐蚀磨损失效，它是指在摩擦过程中,摩擦副材料与周围介质发生了化学或电化学相互作用,这种作用加剧了材料的磨损过程而导致的失效。

五是微动磨损失效，它是指相对固定的摩擦副材料(在设计上大多为静接触)表面之间,由于环境因素所带来的振幅很小的相对振动而产生磨损所导致的失效。

确定了磨损失效的模式并不等于找到了导致磨损失效的原因,这是由于材料的磨损特性并不仅仅由摩擦副材料所决定,而是整个摩擦学系统的性质。材料的磨损过程往往是多因素共同作用的系统过程和动态过程,有其特殊性和复杂性。

影响材料磨损性能的各种因素包括:

①摩擦副材料(包括材质和表面处理);

②润滑技术(包括润滑剂和润滑方式);

③环境条件(包括温度、气氛和介质);

④摩擦条件(包括接触形式、运动形式、负荷以及速度);

⑤结构设计;

⑥润滑管理。

对一个具体的磨损失效问题而言,如何透过现象看本质,在上述诸多影响因素中,找到起主导作用的因素,并提出合理的预防应对措施,是解决问题的难点和关键所在。

我们应针对具体的磨损失效问题,收集已磨损报废的零件及其磨屑,并进一步查明该部件的摩擦工况,包括摩擦副的接触形式、运动形式、载荷、速度、介质、温度、湿度、润滑方式以及润滑剂种类等,确定润滑剂有无变质并检查润滑系统的工作情况,了解失效发生时设备的使用情况及日常维护保养情况。在充分掌握情况的基础上,应对磨损失效表面和磨屑进行仔细分析,检查磨损失效前后表面形貌和硬度等物理机械性能的变化,根据表面磨损特征和磨屑形状判定磨损失效模式,确定失效是由外界偶然因素(如不期而至的磨粒或杂物、冲击负载、断油等)引起的突发过程还是在设计工况条件下运行后的累计结果。

对于后者,还需对磨损次表层进行分析,了解裂纹的形成部位及扩展方向,并由此确定磨损的发生和发展过程。对于有可能发生化学腐蚀磨损的部件,则需要对磨损失效表面和磨屑进行化学分析。如有必要,还应进行零件磨损失效的模拟试验。只有认真获取上述信息,并进一步结合失效零件摩擦学设计的合理性进行综合分析,才能对导致磨损失效的过程本质和主要原因有深入的认识;在此基础上,才有可能为磨损失效的预防提出合理的改进措施。

一般而言,除了外界因素、设备管理和润滑剂变质等非设计因素之外,引起机械零部件磨损失效的设计和工艺方面的原因主要有:

①摩擦副材料或表面处理(含热处理)工艺选择不当;

②零件的摩擦学结构设计(含润滑系统)不合理;

③零件的加工或安装精度未达到要求。

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