磨损失效的主要类型、显微机制、影响因素、注意问题等

磨损失效是机械设备和零部件的三种主要失效形式———断裂、腐蚀和磨损失效形式之一。

通常磨损过程是一个渐进的过程,正常情况下磨损直接的结果也并非灾难性的,因此,人们容易忽视对磨损失效重要性的认识。

实际上,机械设备的磨损失效造成的经济损失是巨大的[1～10,15]。

美国曾有统计,每年因磨损造成的经济损失占其国民生产总值的4%。

2004年底由中国工程院和国家自然科学基金委共同组织的北京摩擦学科与工程前沿研讨会的资料显示,磨损损失了世界一次能源的三分之一,机电设备的70%损坏是由于各种形式的磨损而引起的;我国的GDP只占世界的4%,却消耗了世界的30%以上的钢材;我国每年因摩擦磨损造成的经济损失在1000亿人民币以上,仅磨料磨损每年就要消耗300多万吨金属耐磨材料。

可见减摩、抗磨工作具有节能节材、资源充分利用和保障安全的重要作用,越来越受到国内外的重视。

因此,研究磨损失效的原因,制定抗磨对策、减少磨损耗材、提高机械设备和零件的安全寿命有很大的社会和经济效益。

1 磨损和磨损失效的主要类型
磨损———由于机械作用造成物体表面材料逐渐损耗。

磨损失效———由于材料磨损引起的机械产品丧失应有的功能。

通常,按照磨损机理和磨损系统中材料与磨料、材料与材料之间的作用方式划分,磨损的主要类型可分为磨料磨损、粘着磨损、冲蚀磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损和微动磨损等类型。

1.1 磨料磨损
由外部进入摩擦面间的硬颗粒或突出物在较软材料的表面上犁刨出很多沟纹,产生材料的迁移而造成的一种磨损现象称为磨料磨损。

影响这种磨损的主要因素:在多数情况下,材料的硬度越高,耐磨性越好;磨损量随磨损磨粒平均尺寸的增加而增大;磨损量随
着磨粒硬度的增大而加大等。

1.2 粘着磨损
在两摩擦表面相对滑动时,材料发生"冷焊"后便从一个表面转移到另一个表面,成为表面凸起物,促使摩擦表面进一步磨损的
现象称为粘着磨损。

影响粘着磨损的主要因素:同类的摩擦副材料比异类材料容易粘着,采用表面处理(如热处理、喷镀、化学处理等)可以减少粘着磨损;脆性材料比塑性材料抗粘着能力高;材料表面粗糙度值
越小,抗粘着能力也越强;控制摩擦表面的温度,采用的润滑剂等可减轻粘着磨损等。

1.3 冲蚀磨损
当含有流动微粒(固、液或气体)的流体冲击材料表面造成的一种磨损现象称为冲蚀磨损。

影响冲蚀磨损的主要因素是流动微粒的冲击速度及角度等。

1.4 疲劳磨损
当两种材料相对运动(滚动或滑动)时,接触区受到循环应力的反复作用,当循环应力超过材料接触疲劳强度,接触表面或表面下某处形成疲劳裂纹,造成表面层局部脱落的现象称为疲劳磨损。

影响疲劳磨损的主要因素:零件表面硬度越高,产生疲劳裂纹的危险性越小;减少表面粗糙度,可改善零件疲劳寿命;高粘度的润滑油能提高抗疲劳磨损的能力,有利于提高疲劳寿命等。

1.5 腐蚀磨损
摩擦过程中,摩擦面与周围介质发生化学或电化学反应,造成表面材料的损失现象,称为腐蚀磨损。

影响腐蚀磨损的主要因素:腐蚀介质(如酸、碱、盐)的性质、零件表面氧化膜的性质和环境温度与湿度等。

1.6 微动磨损
在相互压紧的金属表面间由于微小振幅振动,使接触面产生氧化磨损微粒,难以从接触部位排除,就会发生微动磨损。

影响微动磨损的主要因素:同类材料相接触要比异类材料相接触时磨损情况严重的多。

表1为工业领域中不同磨损类型的统计表[9],实际上大多数的工业领域中的磨损失效现象是以上述几种磨损形成的复合形式出现的。

上述磨损的分类方法比较常用,实际上这类方法里包含两类磨损,即由于磨料作用于材料表面造成的磨料磨损以及摩擦副之间的摩擦导致的磨损。

对于磨料磨损还可以进一步按不同分类方法进行分类:例如,两体磨损、三体磨损、凿削磨损、高应力磨损、低应力磨损、切削磨损、变形磨损等,此处不再罗列。

2 磨料磨损失效的显微机制
从表1工业领域中磨损类型的统计表可知,磨料磨损占磨损类型的50%,是磨损失效中最主要的一种类型。

本文重点讨论磨料磨损的失效分析。

一般来说,在磨料磨损过程中,材料的迁移主要有切削、变形和脆断三种形式。

2.1 切削机制
磨料颗粒作用在材料表面,颗粒上所承受的载荷分为切向分力和法向分力,在法向分力作用下,磨粒刺入材料表面,在切向分力的作用下,磨粒沿平面向前滑动,带有锐利棱角和合适攻角的磨粒对材料表面进行切削,如图1a,b所示。

如果磨粒棱角不锐利,或者没有合适的攻角,材料便发生犁沟变形,磨粒一边向前推挤材料,一边将材料犁向沟槽两侧,如图1c所示。

在切削的情况下,材料就像被车刀车削一样从磨粒前方被去除,在磨损表面留下明显的切痕,在磨屑的切削面上也留有切痕,而磨屑的背面则有明显的剪切皱褶,如图1d所示。

(a) 锐利棱角磨粒的犁削 (b) 材料表
面切削形貌
(c) 棱角不锐利磨粒的切削 (d)
磨屑表面形貌
图1 磨料颗粒作用磨损表面示意图和磨损形貌
2.2 变形机制
在滑动磨粒磨损中,由于磨粒不具备有利的攻角如图1c,并不是一次犁就产生磨屑,在磨粒的反复多次作用下,形成薄的片状碎屑,这种磨屑表面比较光滑,看不到磨痕和剪切褶皱,这类磨损则属于变形机制。

图2 变形后脱落的扁平
状图3 材料脆性断
裂、图4 不同材料硬度所对应的
磨屑形
貌微观剥落的形貌磨损机理当磨料以较大的角度作用于材料表面时,材料不具备被切削的条件,此时,磨料颗粒将材料从坑中挤出,在众多磨粒反复作用下,材料多次变形硬化失去塑性,直到应力超过材料的强度极限后形成扁平状磨屑脱落,此类磨损多发生于颚式破碎机及锥式破碎机的齿板和破碎壁表面,磨屑如图2所示。

但是值得注意的是,对于这类工件,宏观上磨料与材料似乎没有相对滑动,在微观上材料
表面的磨料还是有一部分作滑动或者转动,这时仍是可以直接产生短切屑或凿屑。

2.3 脆断机制
硬而脆的材料遇到磨粒磨损时,由于磨料不易刺入材料使材料发生塑性变形,更不易被切削,这时材料常常是以脆性断裂、微观剥落的机制发生迁移,宏观上便是发生了磨损,如图3所示。

图4表示了不同性质的材料所对应的不同磨损机理,可见不同的磨损机理在不同性质材料之间可以转化。

3 磨损失效的影响因素
材料的耐磨性不是材料自身固有的性质,它是磨损系统的函数,同一材料在不同工况下表现出的磨损特性不尽相同,因此,有必
要了解磨损系统中各参量对材料的耐磨性和磨损失效的影响。

3.1 磨损环境条件的影响
3.1.1 压力的影响
一般来说,随着磨损压力的增加,磨损量随之增大,因为随着压力的增大磨料对于材料的刺入深度增加,对材料表面进行切削或变形的能量随之增强。

3.1.2 速度的影响
对于不同磨损种类,磨损速度的影响是不同的。

滑动磨损情况下,速度的影响并不明显;冲蚀磨损速度对磨损有重要影响,当冲击速度高到一定程度时,原本在滑动磨损或低速情况不造成磨损的物料此时也可以造成磨损,极端的例子是高压水射流切割以及气蚀等,这是因为速度决定输入给磨损表面的能量,能量越高,磨损越严重。

3.1.3 冲击角度的影响
冲蚀磨损中冲击角度对磨损的影响非常大(图5),图5a为材料在不同冲击角度下的磨损特性。

可见,冲击角度对脆性材料和韧
性材料的影响不同。

对于玻璃、陶瓷等脆性材料,随着角度的增加磨损量增加,在接近90°角的垂直冲击条件下,磨损量达到最大,这表明脆性材料不适合在大角度冲蚀工况下使用;对于韧性材料,磨损量先是随着冲击角度增加而增加,在某一角度时达到最大值,其后随着冲击角度的增加磨损量随之下降。

这表明韧性材料在低角度工况下工作容易发生磨损,而在高角度时则可充分发挥其耐磨性。

这是因为韧性材料硬度较低,低角度冲蚀时磨粒对表面的切削最有利,磨损量即上升,而脆性材料在垂直冲击时,材料表面最容易碎裂剥落,所以磨损量最大,通常工程上用的金属耐磨材料介于两者之间。

硬质合金和碳钢的冲击角度对磨损量的影响见图5b。

掌握不同材料在特定磨损工况下的最大磨损角度和最小磨损角度,对于冲蚀磨损下耐磨材料的选择和抗磨对策的制定有重要指导意义。

(a)
(b)
图5 不同冲击角对磨损特性和磨损量的影响
3.2 磨料特性的影响
在磨料的诸多特性中,磨料硬度的影响最为重要,早在20世纪40年代,苏联的赫鲁绍夫[6]以及后来英国的理查森都有过大量的研究,对此将在后面结合材料硬度进行叙述。

3.2.1 磨料粒径的影响
磨料粒径对磨损的影响,最初随着粒径的增大磨损呈线性关系增大,当达到某个数值即所谓的临界粒径之后,磨损的增长就变得缓慢,或者出现不再增长的情况。

3.2.2 磨料粒形的影响
磨粒的粒形对磨损有很大的影响,尖锐磨粒的磨损能力很强,而圆钝的磨损能力相对较差。

这是因为尖锐的磨粒可以比较容易地刺入材料表面,引起材料的塑性变形,或者直接切削材料,而切削是一次成屑,所以尖锐磨粒的磨损能力很强。

3.2.3 磨料中水分的影响
实际工程中,在金属摩擦副的情况下,液体进入对磨界面,磨损可以大大下降;可是在磨料磨损的情况下,磨料中有水分进入,磨损反而变得严重。

另外,对于摩擦磨损,润滑剂达到一定量时,润滑和减磨效果就不再增加,而磨料磨损的磨损量先是随着水分增
加而增加,达到最大值后,随水分的增加而下降,其极端情形为砂浆磨损。

3.3 材料特性的影响
材料特性对磨损的影响非常大,工程耐磨材料主要有金属和非金属两大类,用于耐磨用途的非金属材料主要有陶瓷、橡胶。

在水平和低角度磨损时,陶瓷显示出了优异的耐磨性,特别是在高
温工况下更是如此。

在垂直或大角度冲击磨损工况下,橡胶材料表现出色,特别是在湿磨料磨损时更是如此。

不同的材料在同样磨损条件下所表现出的磨损特性不尽相同。

金属耐磨材料兼备强度、韧性和耐磨性于一身,应用最为广泛。

在金属材料性能与磨损的关系中,研究得最多的依然是硬度的影响,早期赫鲁绍夫、理查森所作的工作是经典的,直到现在依然被广泛引用,如图6所示[12]。

对于纯金属(图6中的曲线1,2所覆盖的范围),随着材料硬度的增加,相对耐磨性随之增加并呈现出较好的线性关系。

而对于某一种碳素钢或合金钢(图6中的曲线3,4,5),采用热处理使之硬度在200～800HV之间变化时,随硬度增加其相对耐磨性的增加比较缓慢。

图6 材料硬度与相对磨损性的关系
[13] 图7 金属磨粒磨损量和磨损比与磨粒硬度的关系
(H1和H2分别为材料M1和M2的硬度)在研究磨损机理和磨损特性时,常常单独考察材料硬度的影响或者磨料硬度的影响。

实际在工程上,更有意义的是材料与磨料的相对硬度,或者说是硬度比值。

从对磨料磨损进行的大量试验发现,材料硬度与磨料硬度的比值与磨损量之间有如图7的关系。

图中H1和H2分别为材料M1和M2的硬度。

图7为两种不同硬度金属随着磨料硬度变化时的磨损体积变化以及两种材料磨损体积之比的变化规律[8],在图7a中,对于
较软的材料M1而言,当磨料的硬度小于材料的硬度H1时,随着磨料硬度的增加,磨损上升缓慢,而当磨料的硬度上升到材料硬度
左右时,磨损对磨料硬度最为敏感,当磨料硬度超过材料的硬度后,继续提高磨料的硬度对磨损没有影响。

同样道理,对于硬材料M2也存在同样变化规律,将大量的实验结果归纳起来可以将磨损分为三个区域:Ⅰ低磨损区,H s<H m[H m/H s>(1.25～1130),式中H m 为材料的硬度,H s为磨料的硬度];Ⅱ过渡磨损
区,0.8H s<H m<1.25H s;Ⅲ高磨损区,H m<1.25H s。

低磨损区Ⅰ:在Ⅰ区磨损不严重,在这个区域内的磨损有的学者称之为软磨料磨损,其磨损机理还不很清楚,有的学者将其归
结为化学抛光作用,但是在研究煤的磨损和农作物的磨损时发现,对于硬度远高于加工物料的工件来说,真正造成工件有效磨损的组份不是加工物料,而是其中的少量高硬度杂质,这些只占百分
之几的杂质控制着磨损过程。

过渡磨损区Ⅱ:大多数工程意义上的磨损常常发生在Ⅱ区,这时矿物与加工矿物的工件的硬度接近,提高工件的硬度可以显著地提高工件的耐磨性,这一情况对于失效分析和耐磨材料的选择具有指导意义。

当磨料的硬度进一步增加时,即进入高磨损的Ⅲ区,此时磨损不再随磨料的硬度增加或增加得缓慢,在此区内盲目地提高材料的硬度,无助于磨损的改善,并且增加了成本。

4 几种机械产品的磨损失效分析
4.1 饲料粉碎机锤片的失效[11]
饲料粉碎机的锤片是粉碎机中主要易损件,初步统计,每年消耗数亿件。

为了提高使用寿命,对锤片的形状、材质及处理工艺等方面进行研究,图8a为粉碎机锤片的宏观磨损形貌。

图8b为物料与粉碎机锤片工作面的冲击角度α随磨损时间t的变化
(t1<t2<t3)。

(a)
(b)
图8 饲料粉碎机锤片的宏观磨损形貌(a)及物料对锤片
表面的冲击角度α与随磨损时间t的变化(t1<t2<t3)(b) 通过对磨损冲击速度、冲击角度和不同材质(45钢感应淬火、低合金钢白口铁、高铬铸铁和WC堆焊)锤片的实验研究,得出以下结论:由于越靠近锤片尖端的线速度越大,物料对锤片尖端的
磨损越严重,锤片尖端尺寸和形状改变,锤片的粉碎效率下降;对于硬度不高的锤片材料,磨损过程中冲击角的变化将加速材料的迁移。

影响锤片材料磨损的主要物料是加工物料中夹杂的硬质颗粒(石英等);锤片磨损性能和机理因材料而异。

45钢感应淬火主要是微切削机理;WC堆焊材料主要受WC的碎裂和基体的磨损控制;高铬铸铁浸挂层具良好的强韧性配合,显示了较高的磨损抗力。

4.2 挖掘机斗齿的磨损失效分析[13]
挖掘机斗齿是易损件,斗齿失效方式多数为磨损,少数为断裂。

文献[11,13]给出了磨损失效斗齿的残体形貌和不同材料斗齿失效分析报告。

斗齿由于齿尖和齿的底部与物料接触发生磨损致使挖掘功能下降而失效。

在对WK4挖掘机斗齿的磨损失效分析中发现,挖掘机(WK4)斗齿结构是否合理,对其使用寿命有很大的影响。

笔者曾研制的新型矿山挖掘机(WK4)斗齿在结构上有以下特点[13]:①改变了原
斗齿上下表面对称中心线位置,使斗齿与挖掘过程的磨损曲面相吻合,且呈光滑连续曲线。

这样可有效减少挖掘的阻力。

②增加了齿尖部位的有效工作材料体积和几何尺寸。

根据斗齿结构合理分布,当增加有效部位工作材料体积的15%时,整体斗齿的总质量并不增加或略有增加。

结果表明,平均使用寿命比对称斗齿提高30%以上,取得了较好效果。

4.3 冷挤压模具冲头的磨损失效[14]
模具是制造技术中的重要基础工艺装备,模具的质量不仅关系到生产制品的质量和性能,而且直接影响到制造成本和效率。

冷作模具的失效主要有过载失效、磨损失效和疲劳失效等形式。

其中磨损失效是主要形式之一。

模具的磨损失效是指模具工作部位与被加工材料之间的摩擦损耗,使工作部位(刃口、冲头)形状和尺寸发生变化引起的失效。

它又包括正常磨损失效和非正常磨损失效两类。

4.3.1 正常磨损失效
要求表面尺寸严格的冷冲压、冷挤压模具,在保证模具不断裂的前提下,其使用寿命取决于表面抗磨损能力。

正常磨损失效是模具工作部位与被加工材料之间的均匀摩擦损耗,使工作部位(刃口、冲头)形状和尺寸发生均匀变化直至失
效。

这类模具使用寿命较长,如表面质量要求高的冲载模和挤压模易产生此类失效(图9a)。

4.3.2 非正常磨损失效
在局部高压力作用下,模具工作部位与被加工材料间发生咬合即被加工材料“冷焊”到模具表面(或模具材料“冷焊”到加工材料表面),引起被加工产品(或模具材料)表面形状和尺寸发生突变出现的失效,引起被加工产品表面质量出现划痕的失效。

在拉伸、弯曲模具及冷挤压模具中易发生此类失效(图9b)。

(a) 正常磨损失
效(b) 非正常磨
损失效
图9 W6Mo5Cr4V2钢冷挤压冲头表面磨损失效的SEM形貌
提高冷挤压冲头模具的抗磨损寿命,一种方法是提高冲头模具钢基体材料的磨损抗力,通常是提高材料的硬度。

由于提高钢基体材料硬度的幅度有限,同时提高硬度还将损失一部分韧度,容
易出现断裂失效。

另一种方法是提高表面硬度或施加减少冷焊的表面改性涂层。

近20a(年)来,表面改性涂层技术发展很快,为提高冷作模具
的抗磨损寿命提供了很多有效方法。

5 磨损失效分析中应注意的问题
失效分析是依据磨损零件残体等分析,判明磨损类型,揭示磨损机理,追溯磨损发生发展并导致工件磨损失效的整个过程,是
一个从结果到原因的逆向分析过程。

磨损失效分析中应注意以下几个问题。

5.1 磨损失效信息的收集
(1)磨损失效条件———了解失效工件与磨料载荷、作用方式、物料性状、温度和腐蚀介质等工况。

(2)磨屑收集———尽可能提取磨屑,一般磨屑都是以极小比例混在加工物料或介质中(如润滑油)。

(3)失效残体———最好用线切割机取样。

为便于观察表面形貌和组织,制作斜切面是较好的方法(见图10)。

图10 磨损失效残体的取样制作方法(mm)
5.2 磨屑的提取与分析
磨屑的提取分析是利用磨屑的铁磁性,常用永久磁铁,但用铁谱仪进行分离效果更好,这样不但能够进行分离,还能够对磨屑进行排列,有利于对磨屑的形貌和分布规律进行统计分析。

油谱仪用来分析进入油液的磨屑。

而气动式铁谱仪则用于提取和排列粉体中的磨屑,非常方便。

5.3 综合分析与失效判定
磨损失效重要环节是对收集信息、观察和检测结果进行去伪存真,实事求是地客观综合分析,以揭示从磨损的发生、发展及工件失效的整个过程,从而判明失效的直接原因和间接原因。

对失效分析而言,查明磨损失效的主要因素可以说完成了任务。

但对于以提高产品寿命为目的的失效分析,这还不是最终目
的。

一个完整的失效分析过程,还应包括对耐磨材料的选材和抗磨对策的制定提出建议和指导意见。

人们往往认为材料越硬越耐磨。

实际上,盲目地追求硬度并不一定能取得理想的效果,反而会使成本大幅度提高,造成浪费。

例如,曾有试验表明高铬铸铁是一种优秀的耐磨材料,但是在接近90°角冲蚀磨损时其耐磨性还不如20号钢,因此在大角度冲蚀磨损时,就不应选择这类脆性较高的材料。

相反在小角度或者是滑动磨损工况下,高铬铸铁远比20号钢要耐磨的多。

另外,对于磨料磨损,在0.8H a<H m<1.25H a范围内,提高材料的硬度有显著的效果,在此外的低磨损区和高磨损区提高材料的硬度,效果都不明显。

因此,首先进行失效分析,确定失效工件和磨料各自的硬度,根据情况决定是不是继续提高材料的硬度,况且,对于复相组织,宏观硬度与耐磨性的关系并不一一对应,碳化物强化相的硬度、数量和分布形态都有很大的影响,因此,必须具体问题具体分析,这也说明失效分析的重要性。

参考资料：磨商网 。