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文章以工程机械零部件为例,概述了其磨损失效的主要类型,分析了其磨损失效的主要原因,总结出几种切实可行的抗磨措施,以提高零部件的使用寿命,确保工程机械设备的高效作业.
文 龙 浩
零部件磨损导致能源和材料的消耗,影响工程机械的可靠性和使用寿命.统计分析结果表明,大多数工程机械零部件是由于表面过度磨损而失效的.机械零部件的耐磨性差,会导致其精度很快下降,影响工作效率.修复和更换磨损件需要花费大量的人力和高昂的资金,造成巨大的损失.随着科学技术的进步和社会生产力的发展,对机械设备可靠性的要求越来越高.而工程机械的可靠性又取决于其零部件的质量.为此,提高机械零部件的耐磨性和对其磨损进行控制已成为现代生产技术中的一个十分重要的问题.
一、工程机械零部件磨损失效的主要类型
工程机械零部件磨损失效是材料不断地从零件表面流失的过程,是个渐变、逐步发展的过程.磨损是个非常普遍的现象,零件的重量、尺寸和形状等物理参量均会在磨损过程中发生变化,进而影响机械设备的正常运行,甚至对机械造成毁灭性破坏.工程机械零部件磨损失效的主要类型有：
第一,腐蚀磨损.指由环境与材料的电化学作用或化学作用及机械作用共同引起的磨损.例如,摩擦处受到润滑油中残存的少量无机酸或空气中的酸及水分的电化学作用或化学作用,在相对运动中造成表面材料的损失而形成的磨损.
第二,疲劳磨损.指摩擦表面材料微体积在重复变形时疲劳破坏而引起的机械磨损.例如,齿轮传动或滚动轴承运转时,如果它们受到的反复作用接触应力超过材料相应的接触疲劳极限时,就会在零件工作表面处形成疲劳裂纹.随着裂纹的扩展与相互连接,形成疲劳磨损.
第三,粘附磨损.当摩擦表面的轮廓峰在相互作用的各点处发生冷焊后,在相对滑动时,材料从一个表面迁移到另一个表面,便形成了粘附磨损.这是金属摩擦处之间最普遍的一种磨损形式.
二、工程机械零部件磨损失效原因分析
任何相对运动的机械零件都会发生磨损,只不过由于零件的材料工艺或使用年限差异,其磨损速率也不同.归纳来看,工程机械零件磨损失效的原因主要有：
第一,结构设计.磨损失效受零件结构的影响很大,包括零件的形状尺寸和整机结构.因此,无论是在无润滑磨损情况下,还是在有润滑磨损的情况下,都应考虑设计因素.
第二,选材.易磨损零件的合理选材是个十分突出的问题.对众多失效分析的结果研究得出,对提高耐磨性最经常遇到的也是最应该重点考虑的问题是合理选择符合机械工作条件的最佳性能材料.
第三,工艺.合理的设计,正确的选材,如果没有恰当的生产工艺和热处理工艺作保证,也同样会使零件发生早期失效.工艺问题可以分为铸造冶炼和热处理两个方面.冶炼的成分控制、气体含量和夹杂物,都会影响材料的性能,如强度和韧性等.这些性能在某些工况条件下,与零件的耐磨性有着密切的关系.
第四,使用与维护.经常维修保养工程机械也是提高其零部件使用寿命的一项重要措施.同样的机械设备,不同技术素养的人员操作,设备会有不同的寿命.因此,必须对机械设备进行合理的润滑设计和实践,降低磨损程度,提高其使用寿命.
三、工程机械零部件的抗磨措施
(一)表面强化技术
既然磨损是存在于零件摩擦表面之间的一种破坏形式,各种磨损机制也都是发生在表面及其约几十微米深度内的亚表层内.因此减磨和防磨的措施只需考虑改善表面和亚表面的材料性能即可,而不必去改变零件整体的材料性能.
第一、表面热处理和化学热处理.
首先,表面热处理.感应加热淬火长期以来是较常用的一种表面热处理方法.它主要用于各种调质钢材质零件的表面处理,通过对表面局部加热进行淬火获得具有较高硬度的零件表面,同时使其心部仍保持较高的强度而不至于由于整体淬火而变得太脆,甚至淬裂.这种方法在齿轮表面热处理中应用较广,对于提高齿面的耐磨性和齿轮使用寿命效果非常显著,且成本低廉,操作简单易行.
激光加热表面处理是又一种高能量密度加热表面淬火技术.该技术具有操作简便、无污染、可用于处理各种形状复杂的零件表面.经处理的零件不易变形,表面光整,可作为一种最终加工工艺.激光表面淬火处理可使零件得到较高的表面硬度,耐磨性大大提高,是一般的淬火方法难以实现的.例如,用激光热处理挖掘机发动机缸套表面进行淬火,可有效的提高其表面的耐磨性,延长使用寿命.
其次,渗碳、渗氮.渗氮是一种优点较多的化学热处理工艺,且不需要再进行淬火就可以达到更高的硬度（1000HV以上）.不仅如此,处理后的零件表面将具有很好的表面接触疲劳强度、红硬性（即在高温下不丧失其硬度）和耐磨性.加之渗氮需要的温度校低,故零件的变形很小,一般都不需要再进行机械加工.但缺点是处理时间较长,得到的渗氮层也较浅,为此需加入某种合金元素才能使问题在一定程度上得到解决.
渗碳是一种用于钢材质零件表面强化应用最广泛也是最简单的一种化学热处理技术.它以低碳钢为处理对象,将其表面暴露在含碳的高还原性介质中,并且在一定的温度条件下,经过一定的时间,使一定深度内的零件表层材料达到表面淬硬的需要的含碳量.经渗碳后尚处于高温的零件可以直接进行整体淬火,从而使其表面达到较高的硬度,而心部却因含碳量不够继续保持原先的硬度值,因而不会发生淬裂问题.
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再次,磷化和硫化.磷化和硫化主要是在钢材质零件表面形成磷化层或硫化层,以增加其表面的润滑效果.这样既能降低摩擦系数,提高了零件的抗磨能力,又可以防止胶合或擦伤的发生.磷化和硫化常常作为如表面淬火、渗氮、渗碳等表面强化处理之后的最终处理工序.使得磷化层或硫化层可以在较高硬度的基体上进一步有效地发挥其润滑效果.
第二,薄膜强化.表面薄膜强化是利用化学方法或电镀在零件表面形成一层或多层粘着力很强的不同材料的防腐蚀或耐磨薄膜.
首先,气相沉积.包括化学气相沉积和物理气相沉积.化学气相沉积的沉积层致密,均匀性好,附着力强,可用于处理各种复杂形状的零件表面.但由于其需要较高的温度,因此容易导致零件变形.物理气相沉积可以在较低的温度下进行,沉积速度快,且零件不易发生变形.但沉积层的均匀性及附着力差异较大,控制难度较大.
其次,离子注入.P+、C+、N+等离子的注入可以降低零件之间的摩擦系数,提高其耐磨性和表面硬度,增强零件表面在高温下的抗腐蚀和抗氧化能力.该方法适用于各种硬质合金、高速工具钢及钛合金材质零件的表面处理.离子注入不会使零件发生变形,处理之后也无需对零件表面进行加工.
再次,电镀.通常是在零件表面镀硬铬以提高其耐磨性.硬铬镀层具有低摩擦系数和较高的硬度及其在材料基体上有较强的粘着力,至使零件表面具有很强的耐磨性,而且不易发生变形.加之其成本低廉和工艺简单的优点,甚至可用于对严重磨损的零件表面进行修复.
(二)润滑技术
润滑一直是阻止摩擦和减少摩擦的最简单且最有效的方法.润滑离不开润滑剂,润滑剂除了具备减磨抗磨的功能之外,还有以下三方面作用：（1）可以把磨损颗粒及其它机械杂质带离摩擦、磨损表面,从而使摩擦表面较少磨损；（2）将由于摩擦或其它过程产生的热量及时带离其产生的区域,从而使零件在一个温度许可的水平上保持热平衡；（3）可以保护零件表面不被腐蚀.
总之,只有在特殊的工况条件下,即用一般的润滑剂难以胜任的时候,才考虑使用其他技术来解决抗磨、清除杂质和冷却等问题.
四、结语
零件的磨损是使工程机械设备失效的主要方式之一,每年因机械零件磨损造成的经济损失巨大.尽管磨损现象广泛存在,且磨损条件和发生的原因多种多样,但是利用现有的科学技术,同时结合一些新技术,完全有可能将损失降低到最小程度,从而提高工程机械设备的工作效率和使用寿命.
参考文献
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[2] 余小燕,朱华．振动轴承磨损失效与对策研究[J]．矿山机械,2003,（3）.
[3] 程先华,薛玉君．汽车减振器连杆磨损失效和断裂力学分析[J].摩擦学学报,2001 ,（3 ）.
作者简介：龙浩,广西大学函授研究生.
（责任编辑：耿春芳）
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