微动磨损综述

微动磨损

摘要：简要介绍了微动磨损的概念和微动磨损的机理，以及影响微动磨损的接触因素，环境因素和材料本身性能和微动磨损的预防。

关键词：微动，磨损，振动，

1 概述

微动磨损是—种复合型式的磨损，是两表面之间由很小的振幅的相对振动产生的磨损。机械零件配合较紧的部位，在载荷和一定频率振动条件下，零件表面产生微小滑动将导致微动损伤。如果在微动磨损过程中，表面之间的化学反应起主要作用，则可称为微动腐蚀磨损。直接与微动磨损相联系的疲劳损坏称为微动疲劳磨损[1]。

微功磨损过程如下：接触压力使摩擦副表面的微凸体产生塑性变形和粘着，在外界小振幅振动作用下，粘着点剪切，粘着物脱落，剪切表面被氧化。磨屑不易排出，这些磨屑起着磨料的作用，加速了微功磨损的过程。这样循环不止，最终导致零件表面破坏。当振动应力足够大例，微动磨损处会成为疲劳裂纹的核心，导致早期疲劳断裂。

微动磨损引起破坏的表现形式为擦伤、金属粘附、凹坑或麻点(通常由粉末状的腐蚀产物所填满)、局部磨损条纹或沟槽以及表面微裂纹。在受微功磨损的表面上，发生有粘着、微切削以及伴有氧化和腐蚀的微区疲劳损坏(疲劳—腐蚀过程)。随着受载条件、材料性质、周围介质成分等情况不同，其中一种破坏形式可能起主导作用，其余则处于从属地位。微动磨损的主要特征是摩擦表面上存在带色的斑点，其内集结着已压合的氧化物[2]。

微动磨损不仅改变零件的形状、恶化表面层质量，而且使尺寸精度降低、紧配合件变松，还会引起应力集中，形成微观裂纹，导致零件疲劳断裂。如果微动磨损产物难于从接触区排走，且腐蚀产物体积往往膨胀，使局部接触压力增大，则可能导致机件胶合，其至咬死。在接触零件需要经常脱开的条件下(例如在安全阀和调节器中)，这种情况尤为危险。在接触器中由于微动磨损形成氧化物磨屑而可能导致信号畸变和电阻增高。人体内移植假体金属材料之间微功磨损可能使金属离子进入人体造成中毒。用火车运输铝锭，铝锭接触表面出现微动磨损磨屑和缺陷，严重影响铝锭挤压后的表面质量。从这些例子可以看出微动磨损存在的普通性以及研究微动磨损的重要性[3]。

2 微动磨损的机理

早期对微动磨损的研究认为微动磨损包括四个阶段。第一阶段，微凸体的粘着金属在接触表面间相互转移；第二阶段，磨损的颗粒氧化、脱落并粉碎后，就变为加工硬化的磨屑对

表面的磨料磨损；第三阶段，磨损率下降，可能是因为试样表面也被加工硬化；第四阶段，稳定状态，磨屑产生速率基本不变。

上述模型在许多情况下不适用，如有些氧化物颗粒增多时磨损并不加剧，甚至可能起有益的润滑作用。一些金属在非氧化性气氛中或某些贵金属如黄金的微动磨损过程中，氧化并不促进微动磨损的发展。铝和钢在空气中微动磨损过程的初期，形成的氧化物颗粒使金属和金属的接触减少[4]。

哈立克认为微动磨损包括三个阶段：金属之间的粘着和转移；出于力学和化学作用产生磨屑；由于疲劳而持续不断地产生磨屑。一些研究者强调化学作用在微动磨损中的地位。他们指出，微动磨损初期，接触表面微凸体严重塑性变形和强化，使表层成为超弥散状态，加速了氧化反应；其后疲劳损坏继续在次表层积累，与此同时，由于氧气和水气吸附于氧化物上，故在摩擦区内形成腐蚀活性介质。此阶段的磨损速度并不高，这主要是与摩擦表面上所形成的氧化膜的破裂有关，而且出于从接触区排走的微粒与产生的微粒相平衡，故氧化膜摩擦区内的磨损产物数量达到平衡值。在此条件下，一种特殊的(机械—化学的)使金属表面加速氧化的机理在起作用。这时形成一种能起保护作用的混合组织，在交变接触作用下极薄表层内将形成细小弥散组织，使磨损速度得以降低。称此阶段为潜伏期。金属微动磨损所形成的高弥散氧化物起着催化作用，以活化原子团和离子根的形式加速吸附氧和水气，从而在两接触表面间形成一种电解质[5]。最后是微动磨损的加速阶段，实际上是腐蚀、疲劳作用造成损伤区域的最终破坏，同时还由于金属表层反复变形，反复强化而失稳、脱落，致使磨损速度增大。

总之，微动磨损的机理是复杂的，粘着磨损、腐蚀磨损、疲劳磨损和磨料磨损都可能存在或同时有几种机制起作用，对具体问题和不同条件下的微动磨损必须具体分析[6]。

3 影响微动磨损的因素和防护方法

3.1 影响因素

3.1.1 力学因素

（1）载荷循环数，微动磨损随循环数增加而发展的规律与材料性质，滑动振幅和施加载荷有关。

（2）相对滑动振幅，通常认为振幅大于70一100um时磨损量与滑动振幅大小成正比，在某些情况下也有至抛物线关系的。低振幅下磨损率极低，是由于表面运动为弹性变形，或者是由于氧化物颗粒在界面向滚动。

（3）法向载荷，磨损量随法向裁荷的变化规律对不同试验条件、材料性质、损坏评定准则、滑动幅度以及载荷范围可能是不相同的。

（4）频率，通常，随振动频率的增大，空气中微动磨损减小到某一定值，然后趋于稳定状态。在氮气中，磨损与振动频率无关。当振幅一定时，频率越小，金属表面氧化膜两次破裂和形成的时间间隔增长，故磨损相应增大[7]。

3.1.2 环境因素

（1）气氛（包括湿度），微动磨损程度相当主要地取决于介质腐蚀活性，且金属的化学活性愈大，依赖程度也愈大。空气中的磨损比在液体(如蒸馏水、氢氧化钠溶液)中大几倍。看来液体介质中形成保护氧化膜的速度比在干摩按时大。此外，液体中的磨损产物硬度较低，且部分被冲洗掉，故使磨损下降[8]。

（2）湿度，实践指出，微动磨损损伤在冬季比夏季大得多。低温下金属可能脆化，并且气体吸附加快，因而可能影响到化学反应速度，潮气也可能起润滑作用。温度超过200℃时氧化物较厚，可以阻止金属间粘着和局部焊合．氧化物起着固体润滑剂的作用，使磨损量相当低[9]。

3.1.3 材料因素

金属的硬度和强度对微动磨损抗力影响很大但它们之间尚未建立确定的关系。只有不氧化的材料(石英、红宝石、破胡、云母等)才随硬度提高而表现出高的抗微动磨损能力。微动磨损抗力还依赖于材料的磨料磨损耐磨性、疲劳强度、腐蚀活性以及材料的弹—粘性质。

在某些情况下，电化学因素起着重要作用；但有时机械因素比腐蚀因素起作用，因此应在耐蚀性和疲劳强度上有适当的配合。

组织成分对材料的微动磨损抗力也有影响，例如灰口铸铁中铁素体相的相对量增加，微动磨损量也增加。铸铁中磷含量增加，磨损量就下降[10]。

3.2 减少微动磨损的措施

3.2.1 设计

在设计中选用整体结构代替螺栓固定、法兰盘连接、键配合等，但性能保证、经济合算、结构更换、安装方便等方面应统筹考虑。

减少接触区应力集中，增大紧配合的过盈量，利用阻尼装置减轻或消除振动，改善润滑剂输送方式，减少配合表面的几何偏差，采用无接触的曲路密封，用球形表面代替圆柱配合表面，优先用滚动摩擦代替滑动摩擦，完全排除棱形键和半月键，以上这些都是从结构上防止微动磨损的措施[11]。

3.2.2 表面处理及涂层

改善接触表面物理—化学性能的工艺方法很多，如机械处理、热处理、化学热处理、电镀、涂层及各种表面处理方法；能够强化表面、保护表面免受腐蚀、降低系统热动力学不稳定性、减小摩擦力影响的措施，都能有效地减少微动磨损[12]。

3.2.3 润滑

在联轴节和花键中，液体润滑可减轻其微动磨损。但在许多情况下采用液体润滑剂困难，需使用固体润滑刘，石墨和二硫化钼可以很好地控制微动磨损的出现。为了防止固体润滑剂