金属材料磨损失效及防护措施分析

丘先堂， 张雪莉， 余 雷

（宝钢特钢韶关有限公司， 广东 韶关 512123）

经验交流

金属材料磨损失效及防护措施分析

丘先堂， 张雪莉， 余 雷

（宝钢特钢韶关有限公司， 广东 韶关 512123）

介绍了金属材料磨损失效现状及其危害，并针对金属材料磨损失效的相关理论进行了分析，同时提出了相应的防护措施，以期进一步降低设备金属材料的磨损，提高设备运行效率，为企业带来更好的效益。

金属材料 磨损失效 防护措施

1 金属材料磨损失效现状及危害

磨损是导致金属材料失效的主要形式之一，由于金属材料而导致损坏的设备大约占到设备损坏总量的70%以上。根据相关统计数据来看，由于材料磨损失效导致的经济损失每年超过千亿美元。而从我国的情况来看，由于工业发展起步较晚，加上设备老化等多方面原因的影响，材料磨损失效带来的损失更加严重，尤其是汽车、铁路、冶金等金属材料应用较多的行业。

金属材料磨损是由于金属材料表面相互摩擦或者运动导致的材料表面磨损现象，通常包括金属材料表面尺寸、外形、质量、组织结构以及性能的损害。工业机械设备在运行过程中，由于工作环境影响、设备长期运行、振动、金属部件相互摩擦等因素导致大量的固体粉尘颗粒、水汽以及与金属表面发生化学反应后产生的有毒气体侵入到金属机械设备间，但是如果无法及时清理这些杂志，就会导致金属材料发生磨损。当磨损到一定程度后，就会影响到设备的性能和精度，尤其是对一些精密仪器设备而言，这种影响更是会毁灭性的。

2 金属材料磨损失效过程

在实践过程中，金属材料的磨损过失效过程通常包括以下三个阶段[1]。

2.1 跑合磨损阶段

全新的摩擦副在运行的最初阶段，由于其表面的粗糙值相对较大，实际的接触点相对较少，接触面积也相对较小，接触点承受的载荷较大，接触点具有一定的黏着性，会导致出现较大的整体磨损。在整个跑合的过程中，摩擦副表面的接触点会逐渐被磨损，其表面粗糙度值会有所下降，导致其整体接触面积逐渐增加，接触点数量也会逐渐增加，接触点承受的载荷下降，磨损率也随之下降。

2.2 稳定磨损阶段

该阶段，摩擦副接触点的数量、整体接触面积、接触点承受的荷载基本保持不变，整体的磨损处于一个相对较为缓慢而稳定的状态，属于正常磨损过程。

2.3 剧烈磨损阶段

金属设备在经过长期运行之后，摩擦副表面金属由于连续的挤压变形，疲劳增加，其表面形貌会发生变化，整体磨损率会进一步提升，导致机械效率和精度下降，进而导致设备出现故障，最终导致摩擦副性能丧失。

3 金属材料磨损失效基本形式

根据金属材料表面破坏机理的具体特征，可以将金属材料磨损失效划分为磨粒磨损、黏着磨损、表面疲劳磨损、腐蚀磨损以及微动磨损五种形式。其中，前三种形式属于金属材料的基本磨损失效形式，而后面两种磨损失效形式需要在特定条件下才可能出现。

3.1 磨粒磨损

磨粒磨损是金属材料表面硬质颗粒或者硬质突出物相互摩擦之后而导致金属材料表面发生的磨损。根据金属材料摩擦表面承受的应力和冲击力的大小，可以将磨粒磨损分为凿屑式磨损、碾碎式磨损以及擦伤式磨损。如果金属材料承受的应力较大，并且存在硬磨粒，则属于凿屑式磨损；如果金属材料承受应力较大，而磨粒的硬度下降，则属于碾碎式磨损；如果金属材料表面承受的应力较小，此时发生的磨损则属于擦伤磨损。其中，碾碎式磨损会使金属材料表面出现划伤，导致金属材料表面光度下降且出现沟痕。

3.2 黏着磨损

黏着磨损主要是指金属材料相互接触的表面发生摩擦副相对运动过程中，由于固相焊合作用导致接触面发生磨损的形式。黏着磨损导致金属材料产生磨屑，进而对设备的性能产生影响。引起黏着磨损的主要因素包括相对滑动距离、负载以及金属材料本身的硬度等。其中，相对滑动距离越大，负载越大，黏着磨损程度越严重。而从金属材料硬度来看，其硬度越高，黏着磨损的程度越小。

3.3 疲劳磨损

金属材料的疲劳磨损主要是指相互接触的金属材料部件表面在交变接触压应力的作用下，金属材料表面由于疲劳而产生的物质损失。从摩擦学理论来看，疲劳磨损的主要原因是由于金属材料在周期性负载作用下产生的重复变形，由此导致金属材料表面发生硬化和塑性变形。金属材料疲劳磨损会导致其表面产生裂纹，进而导致金属机械部件发生严重损坏，甚至碎裂。

3.4 腐蚀磨损

腐蚀磨损是金属材料表面在相互摩擦的过程中，金属材料表面与周围环境中的介质发生化学反应或者电化学反应而导致金属表面物质损失的磨损形式[2]。腐蚀磨损通常需要在特殊情况下才会发生，在腐蚀磨损的过程中，随着金属材料表面受到腐蚀，进而产生磨粒磨道。在腐蚀磨损中，腐蚀物会继续引发其他磨损，导致磨损重叠，使金属材料的磨损程度进一步加剧，形成更加严重的失效。

3.5 微动磨损

在机械设备的金属材料中，相对滑动的金属材料非常容易产生磨损，而相对固定的金属材料也会产生一定程度的磨损，只是这种磨损相对较为轻微。在相对固定的金属材料与副材料的表面发生摩擦时，往往会由于周围环境的影响而产生非常细微的相对运动，而这种幅度较小的相对振动会产生轻微的磨损，这种磨损被称为微动磨损。

4 金属材料磨损失效防护措施

4.1 提高零件表面的耐磨性

当前，提升金属零件表面耐磨性主要包括以下几种方法。

4.1.1 对金属材料进行化学热处理

化学热处理是通过向金属零件中渗入一些外来元素改变其表面的化学结构，从而提升其表面硬度，化学热处理的过程通常通过固态扩散来实现[3]，然而化学热处理需要由专业人员来实现，并且需要较长的处理周期以及较高的成本投入。因此，该方法仅仅适用于一些重要性较高的特殊零件的处理，应用范围较小。

4.1.2 表面薄膜强化

表面薄膜强化主要是利用离子注入、电镀以及气相沉淀等方法在金属零件表面形成一层特殊的覆盖薄膜，该薄膜具有较高的硬度和抗腐蚀性能，从而达到提升零件表面耐磨性能的目的。

4.1.3 表面形变强化

主要是通过冷挤压、喷丸等机械方法提升金属零件表面的强度和硬度。通常来说，该方法操作较为方便，应用成本较低，因此也得到了较为广泛的应用。

4.1.4 表面热处理强化

主要是通过快速加热以及高温等方式对金属零件的表面进行处理，使金属零件表面发生固态相变，从而提升金属零件的耐磨性和抗疲劳性能。该方法操作简单、应用效果较好，是当前各行业较为常用的一种强化方法。

4.1.5 表面合金强化

表面合金强化主要是将金属零件表层的合金材料融化，然后进行快速冷却，从而形成一层硬化层，达到表层组织结构和化学成分的最佳化，从而提升金属零件表面的耐磨性能。该强化形式一般通过高能量密度的快速加热方法来实现。

4.2 合理选择金属材料

金属材料本身的性质是决定金属磨损程度的最直接因素。因此，需要针对机械设备的不同需求以及机械设备中不同部位的工作需求选择不同性质的金属材料。针对工作环境较差、工作强度较大并且承受较大载荷的机械部件，需要选择机械强度较高的金属材料制作的部件，并且还应该对其表面进行进一步的强化，从而降低金属材料的磨损程度[4]。同时，需要充分考虑成本投入，在控制成本的基础上，尽量提升金属部件的抗磨损性能。

4.3 改进材料制作技术

对金属材料的制作技术进行改进是提升金属材料耐磨性能的重要途径。针对不同性能的金属材料，首先需要对金属材料的加工工艺进行改进，提升金属部件表面广度和耐磨性能，降低机械设备的磨损程度。同时，需要重视金属材料锻造、浇铸、切割等各种加工工艺技术，通过高性能的金属部件提升机械设备的使用性能。

4.4 采取预防性维修方式

首先，可以为机械设备监理运行档案，对金属零部件发生磨损故障的后果和原因进行详细分析，同时进行相应的信息反馈，结合分析结果制定金属零部件磨损防护措施；其次，对机械设备的金属零部件进行划分，对其中存在较大磨损的部分进行重点分析，及时了解磨损情况并采取相应的防护措施；最后，需要由机械设备操作人员以及相关专家选择具体的维修方式，保证维修的针对性和有效性。

4.5 确保设备具有良好的运行环境

高温、超负荷、振动以及长时间的连续作业都会导致金属零件的磨损增加，需要尽量避免这样的状况出现。同时，粉尘、水汽以及酸碱性化学物质会导致金属零件发生磨粒磨损和腐蚀磨损，需要尽量减少这些物质对金属零件的入侵，为机械设备创造一个良好的运行环境，减少金属零件的磨损，提高其运行寿命。

4.6 定期保养

对设备的定期保养是减少金属材料磨损的重要措施。因此，需要定期对设备的金属零部件进行润滑、保养和维修。在选择润滑油时，需要结合金属材料的特性选择对应的润滑油，从而全面提升金属材料的润滑性能。同时，需要定期做好金属零部件的保养和维修工作，减少由于超负荷运行而降低金属材料性能的情况，提高设备的运行效率，保证设备运行安全。

5 结语

随着工业的快速发展，企业对设备运行的可靠性要求不断提高，然而机械设备在运行过程中，金属材料磨损失效问题已经成为了影响机械设备运行可靠性和安全性的重要因素。一旦出现金属材料磨损失效，不但会对企业的正常生产产生影响，同时还可能导致设备损坏，影响企业生产安全，并造成严重的经济损失。因此，需要对金属材料磨损失效的机理进行深入研究，采取针对性的防护措施，提升金属材料的耐磨性能，从而保证机械设备的安全、可靠运行，保证企业的经济效益。

[1] 王新淑.金属材料磨损失效及防护的探讨[J].中国高新区，2017（12）：127.

[2] 陈君.金属腐蚀磨损的研究进展[J].腐蚀科学与防护技术，2014（5）：474-478.

[3] 刘枫棣.机械设备金属材料的磨损失效及安全防范策略[J].科技经济导刊，2016（12）：85-86.

[4] 黄建洪.农机零件的磨损、选材及热处理[J].农村牧区机械化，2014（4）：41.

Analysis ofW ear Failure and Protection M easures of M etal M aterials

Qiu Xiantang,Zhang Xueli,Yu Lei
（Baosteel Special Steel Shaoguan Co.,Ltd.,Shaoguan Guangdong 512123）

This paper introduces the present situation and harm of the wear failure ofmetalmaterials,analyzes the related theory of wear failure of metal materials,and puts forward the corresponding protective measures so as to further reduce the wear of metal materials,improve the operation efficiency of equipment,bring better benefits for enterprises.

metalmaterial;wear failure;protectionmeasures

TH117

A

1672-1152（2017）05-0115-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2017.05.44

2017-09-18

丘先堂（1988—），男，本科，毕业于国家开放大些，从事特钢物理性能检测作业管理。

（编辑：王瑾）