材料磨损的特征与工艺设计优化

材料磨损的特征与工艺设计优化

0损失约占gdp的2.3%

磨损是材料破坏的三个原因之一，它造成了世界上震源的1.3倍。每年与摩擦、磨损有关

的损失约占GDP的2k7乐

在冶金、矿山、化工、建材及航空航天等各个工业部门中，许多工件及设备由于磨损而迅

速失效,从而造成材料及人力的浪费,给国民经济造成巨大损失，易磨件寿命低已成为发展

生产的严重障碍,开发耐磨材料、延长设备使用寿命具有重大的现实意义。

1纳米金属磨损的机理

材料磨损是2个以上的物体摩擦表面在法向力的作用下,相对运动及有关介质、温度环境

的作用使其发生形状、尺寸、组织和性能变化的过程,磨损是造成机械零件失效的主要原

因之一，对机械零件的寿命、可靠性有极大的影响。

从磨损的特征与结果分析:任何一种磨损都发生在物体的工作表面上，但不仅物体表面宏观

发生变化,而且物体微观组织结构及其性能也会发生变化，同时会产生一定数量的磨损产物,

像机床的导轨、各种齿轮、履带板、球磨机的磨球与衬板等等。

从物理与化学观点分析,磨损是发生在两物体相对运动的表面,而且是在很薄的一层工作表

面上,在磨损过程中•个重要的特征是机械能转变为热能,加热与冷却都以非常快的速度进

行：，物体表面具有相当大的活性和相当高的自由能，材料表面与亚表面的组织与性能同内部

是不•样的。对固体金属来说，当温度低时，原子活动较弱，低温变形后，表面的原子数将不

会有多大变化,而在高的温度下,表面原子的活动能力增强,因此,材料的结构可能会出现某

种程度的重新调整与改变,结果使金属性质和能量发生变化。材料表面原子会与环境（介质）

发生相互作用，产生物理吸附、化学吸附或化学反应，使材料表面可能产生加工硬化层或者

形成表面织构,将会影响材料的磨损过程,可以说磨损是一个动态过程。

2耐磨材料介绍

为解决磨损问题,可采用的主要方法包括：（1）主体材料耐磨性能的提高（金属材料、陶瓷材

料、高分子材料等）；（2）涧滑（液体润滑、固体润滑、气体润滑），润滑是减轻磨损的有效手

段,涉及的耐磨材料不多，主要是固体自润滑材料,本文不作介绍；（3）材料的表面强化（梯度

功能材料如喷涂、堆焊、表面沉积、自蔓延合成等）；⑷表面衬层保护和修复（无机衬层、

复合衬层等）；（5）工艺设计优化。其中，工艺设计优化方面，比如在输煤管道上采用变径的

方法控制流速来减少煤粉对管壁的磨损,利用滚动传输代替滑动传输等,这部分也不在本文

介绍的范围之内。

2.1提高主体材料的抗磨性能

2.1.1钢结合金粘结剂的应用

在主体材料耐磨性能的提高方面,钢结合金材料的研究开发最为活跃。钢结合金材料曰于

其广泛的工艺特性和良好的综合物理机械性能及优异的化学稳定性作为耐磨材料被应用于

工业生产的各个领域。

钢结合金是以钢为粘结金属，以难熔金属化合物作硬质相的主体材料,其组织特点是微细硬

质晶粒均匀分散于钢基体中。它兼有硬质化合物的硬度和耐磨性以及钢的强度和韧性,处

于普通硬质合金和钢的中间地位。钢结合金基体可被设计为各种合金和超合金。钢结合金

工艺特性多为基体赋予;钢结合金高硬度、高耐磨性、高韧性等由硬质相及基体提供。钢

结合金不但已经广泛被用于切削刀具，无屑金属加工的工具,耐磨结构零件中，而且特别适

合于制造模具。

作为钢结合金粘结相的钢种近年来在不断扩大，目前的钢种有各种成分的碳素钢、合金钢、

工具钢、高速钢、高镭钢、各种类型的耐热钢、不锈钢以及根据合金用途不同配制各种类

型的铁基合金等。

铁、碳及合金元素是钢基体的基本组元。这三者之间的相互作用，决定着钢结合金的纽织

与性能。碳是钢结合金中最活跃的元素,它是扩大铁的y相区的元素，它可固溶于铁口起

固溶强化作用，同时可与铁及其它形成碳化物的元素形成碳化物。碳在不同类型的钢结合

金中起不同的作用。在可淬火硬化型的钢结合金中，碳是提高合金淬硬性的最有效元素，对

马氏体转变起重大作用。另外，为获得更佳的自润滑效果，期望在钢中有游离的石墨。但在

时效硬化型钢结合金中，碳是不希望有的元素,含量应尽量低(<0.15%)。一方面是由于银含

量高,可促进石墨化，碳过高易产生石墨夹杂；另一方面是碳可与其它易形成碳化物的元素

形成碳化物,从而不利时效。同时,碳对钢结合金烧结工艺影响显著。

钢结合金粘结剂最常使用的添加元素有银、铝、铝等。

钢结合金中添加硅、钵、稀土等可改善钢结合金的物理力学性能和烧结工艺性能，把少量

稀有元素添加进去,可使钢结合金中的脆性硬质点减少,孔隙度降低,从而明显提高横向断

裂强度，扩大烧结温度区间。

2.1.2陶瓷、水泥基材料

(1)引进技术及设备

陶究基复合材料(CMC)包括颗粒、晶须、短纤维或连续纤维增强复合材料。陶瓷基复合材

料的潜在应用领域广泛，包括宇航、国防、能源、汽车工业、环保、生物、化学工业等，在

未来的国际竞争中将起关键的作用。

陶瓷基复合材料的开发一直吸引着技术发达国家投入巨资进行研究。目前,对陶瓷基复合

材料的研究,美国和西欧各国侧重于航空和军事应用，日本则力求把它应用在工业上。2003

年，美国国防部授权发表的《面向21世纪国防需求的材料研究》报告指出，到2020年，陶

瓷基复合材料（CMC）的性能最有潜力获得20旷25%的大幅提升,被列为优先发展的材料.在

迪拉瓦等一些高等学校和杜邦等一批大公司中集中力量研究三维编织增强陶瓷的热结构件。

据悉,NASA开展的陶瓷燃气轮发动机（AGT）研究课题,研制的转子、叶片、燃烧室涡形管等

件已通过热试验;法国SEF公司用陶瓷基复合材料制成的SCD-SEP火箭试验发动机已经通

过点火试车，由于使用了陶瓷基复合材料使结构减轻了50%o

（2）泥基材料的性能与工艺优化

水泥基复合材料包括颗粒型复合材料（如混凝土）和纤维增强水泥基复合材料（如纤维混凝

±）0混凝土基体的组成不断优化，已由普通水泥基向环保水泥基聚合物、聚合物水泥基发

展,MDF水泥基、DSP水泥基材料属超高性能水泥基材料,在此基础上又出现了性能与二艺

优化的RPC水泥基;增强水泥基的纤维品种也越来越多。金属纤维（主要是钢纤维）已有各

种尺度与各种形状（平直型、端勾形、波浪形、质铃形、哑铃形）的钢纤维;无机纤维有天

然有机纤维（木纤维、竹纤维、剑麻纤维等）以及不同尺度与不同性质的混杂纤维。20世纪

90年代又发展了新型高性能FRP筋材。基体性能的优化和纤维品种的增多大大促进了水泥

基复合材料的发展,应用领域也越来越宽。以钢纤维增强水泥基复合材料为例,普通钢纤维

混凝土（SFRC）已是水泥基复合材料中研究最多、应用最广•的一种，它广泛用于各种重大和

重要工程中，王荣荣介绍了5种钢纤维混凝土的成型、性能以及我国钢纤维水泥基复合材

料的发展状况。

2.1.3工艺流程及特点

高分子材料种类繁多，具有耐磨、抗冲击、耐腐蚀、耐疲劳及绝缘性能好的特点，目前在机

械工业各领域中的应用越来越广泛，使机械设备从传统的不安全、笨重、高能耗向安全、

轻便、耐用和较为经济的形式转变。如何根据不同领域内各种设备的不同要求，正确地选

用高分子材料，以获得最佳经济效益,是材料科学在机械行业应用方法的研究热点之一。

超高分子量聚乙烯材料（UHMW-PE）是一种新型的耐磨材料，它对钢的摩擦系数低,磨耗量小，

是一种性能较为全面、在一定领域内替代钢铁材料的理想耐磨材料。实际应用过程中，一

般是将该材料制成板材使用，其主要特点是：（1）耐磨性好,使用寿命长；（2）表面光滑，摩擦

系数小，不易与物体粘结；（3）不吸附物料和水分；（4）抗腐蚀性强,耐酸碱腐蚀,不易老化；（5）

具有较高的抗冲击强度,是韧性极高的高分子聚合物,其抗冲击强度随分子量的增大而升

高；（6）不足之处是不易粘结，可采用连接的方法安装。鉴于该材料的上述特点，可以考虑将

其应用于带式输送机中，作为带式输送机卸料装置的受料漏斗、导料槽、装载漏斗衬板等

要求耐磨的部位的替代材料。超高分子量聚乙烯还具有优异的生理惰性,可以作为心脏瓣

膜、矫形外科零件、人工关节以及节育植人体等临床使用。

2.2高残余应力的残余位移主要影响因素

气相沉积技术（PVD及cvm早期主要用来给切削加工工具的表面镀上耐磨涂层，如今气相沉

积方法在许多方面获得广泛应用。杨勇等人指出，对试件进行不同的表面处理并进行实验

所绘出的最大剪切应力及磨损曲线是不同的;经等离子渗氮及PYD处理的钢的最大剪切应

力及耐磨性能取决于渗氮时间；用等离子渗氮及PVD技术能够设计出抗剪切、耐磨损的金

属表面。

2.3表面衬层的保护和修复

利用不定型耐磨材料工作界面进行表面衬层保护和修复是目前最常用的方法。不定型耐

磨材料包括无机耐磨衬里材料和有.机/无机复合耐磨衬里材料。

2.3.1应用自流渗浆与设备的研究

无机耐磨材料主要包括水玻璃系列、磷酸盐系列和铝酸盐水泥系列不定型耐磨材料。在胶

结料方面，向着复合胶结料和低水泥方面发展;在骨料方面，通过采用高性能、高纯度的骨

料，或对骨料进行表面处理，提高耐磨性能、耐火性能、抗渣性能以满足不同工矿条件;通

过微粉、特种减水剂的应用，使材料的综合性能得到大幅度地提高。

周宁生介绍和评述了无机耐磨材料在结合系统、材质和新品种、施T方法等方面的发展动

态。结合系统向着尽可能减少由结合物带人杂质成分的“纯净化”的方向发展和向着在受

热过程中减少结合物的挥发和分解以减少对材料结构破坏的“稳定化”的方向发展。施工

方法向着简便化、机械化和高效化的方向发展。与施工方法和高效烘烤相适应，自流浇注

料、湿式喷射料、自流渗浆浇注料振动捣打料的应用日益增加。

刘敏等借助XRD、TG和DTA对各浇注料基质浆体的脱水行为和相组成进行分析。水合结合

主导的水泥结合浇注料和低水泥浇注料的脱水相似,3个脱水阶段分别为室温~300C

300600°C和600°C以上。以凝聚结合主导的二氧化硅微粉和水合氧化铝结合的浇注

料、MgO-SiO2-H2O结合的浇注料及超低水泥浇注料的脱水行为相似,3个脱水阶段分别为

室温~110℃烘干、110℃~400C和400℃以上。

费洗非利用固体磷酸铝做胶结料,加入适量的硬化剂、抑制剂等制成高强度刚玉浇注料，产

品在生产、运输、施工方面具有较好的性能。

贾全利等用浇注料流变仪讲究了粒度分布对超低水泥刚玉质浇注料流变性的影响，结果表

明：粒度分布对超低水泥浇注料的流变性能影响较大，以Si02微粉替代部分A1203微粉,浇

注料的流变性能得到明显改善。

顾华志等用H2C2O4溶液对铁钙砂进行表面浸渍，然后在CO2气氛下于450℃热处理制得抗

水化的镁钙砂，采用这种铁钙砂制成的镁钙浇注料具有良好的抗水化性能和抗渣渗透性能。

贾全利等研究了SiO2微粉加入量对刚玉质超低水泥浇注料的性能影响，结果表明，随着

Si02的加入,浇注料的烧结性能和抗热震性能得到明显改善,高温抗折强度也得到显著提高。

邓勇跃等研究了a-A12O3微粉和纯铝酸钙水泥的加入量对刚玉质自流浇注料性能的影响。

结果表明：a-A1203微粉和水泥的加入量分别为6%和式（质量分数，下同）时，基质料泥桨

具有较低的粘度,可获得低加水量（4.5%）,高流动度（105用）、性能良好的刚玉质自流浇注料。

章荣会等利用旋转式粘度仪可以精确地测定含不同种类、不同加入量的减水剂的浇注料浆

体的粘度变化，从而可以筛选出所需要的减水剂及其最佳加入量。

2.3.2高分子固体润滑大复合涂层材料

无机耐磨材料的耐化学腐蚀性、抗渗透性较差,它对某材表面的粘结性能不好，常常需要焊

接钢网、龟甲网作为支撑材料;对耐磨要求更高、基材表面无法焊接、耐化学腐蚀要求高、

施工厚度小的部位,无机耐磨材料并不适用，在这种情况下，人们常常采用有机/无机复合耐

磨材料。在有机/无机复合耐磨材料中，粘结基料包括环氧树脂及其改性物、酚醛树脂、聚

氨酯等，耐磨骨料常选用无机高硬材料，如刚玉、碳化硅、氮化硅、陶瓷等。

丁宙等综述了颗粒增强、纤维增强等各种不同的环氧树脂增强方法以及各种环氧树脂改性

的原理及应用。

乔红斌等在阐明高分子固体润滑耐磨涂层的主要类型和减摩耐磨机理的基础上，总结评述

了常用的几种高分子树脂（环氧树脂、酚醛树脂、聚酰胺树脂等）基体固体润滑耐磨涂层的

摩擦学特性,分析讨论了高分子涂层固体润滑耐磨性能的影响因素，并且展