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磨粒磨损试验机的检测技术发展探究

来源: /  作者:   时间: 2016/7/4 17:09:04

  所谓磨损是由于机械作用, 间或伴有化学或电的作用,物体工作表面材料在相对运动中不断损耗的现象。在农业机械中, 土壤对其零部件的磨损造成了大量的经济损失, 其中磨粒磨损是农机耕作部件失效的主要形式。因此, 对农业机械中磨粒磨损的研究受到了普遍的重视[1]。据不完全统计, 能源的 1/3 到 1/2 消耗于摩擦与磨损, 约 60% ~80% 的机器零件失效是由于磨损引起的, 可知磨损是机器最常见也是最大量的一种失效方式。因而研究磨损机理和提高材料耐磨性的措施, 将有效地节约材料和能量, 提高机器装备的使用性能和使用寿命, 减少维修费用, 这对于国民经济的发展具有重大意义。

  一、磨粒磨损研究的现状

  20 世纪30年代以后, 由于科学技术的快速发展, 磨损问题已成为保证机器设备正常工作的薄弱环节, 对磨损的研究提出了迫切的要求。20 世纪 50 年代初期在工业发达国家开始研究“粘着磨损”理论, 探讨磨损机理。1953年美国的阿查德( J.F.Archard) 提出了简单的磨损计算式, 1957年前苏联德克拉盖尔斯基( И.В.Kpare дbcKNN) 提出了固体疲劳理论和计算方法, 1973 年美国的苏( N.P.Suh) 提出了有争议的磨损剥层理论。从20世纪60年代以后, 由于电子显微镜、光谱仪、能谱仪、俄歇谱仪以及电子射仪等测试仪器和同位素示踪技术、铁谱技术等大量和综合的应用, 使得磨损研究在摩擦力学、机理、失效分析、监测及维修等方面有了较快的发展。目前已把磨损试验机直接装在电子显微镜内以便进行观测和电视录像, 了解磨损的动态过程, 而且研究磨损的表面、次表面及磨屑形貌、成分、组织和性能的变化, 以便搞清磨损机理, 分析和监测磨损过程, 从而寻求提高机器寿命的可能途径。

  最常见的磨损分类方法, 是按机理来分类, 一般可分为:粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损、接触疲劳磨损、冲蚀磨损、微动磨损和冲击磨损。前四种的磨损机理是各不相同的, 后三种磨损机理常与前四种有类似之处或为前四种机理中几种机理的复合, 实际情况下, 材料的磨损往往不只是一种机理在起作用, 而是几种机理同时存在, 当条件发生变化时, 磨损也会以一种机理为主转变为另一种机理为主。

  磨粒磨损在工程生产中广泛地存在, 特别是矿山机械、农业机械、工程机械及铸造机械等, 它们与泥砂、岩石、矿物直接或间接接触, 造成各种不同程度和类型的磨粒磨损。所谓磨粒磨损就是硬的磨粒或凸出物在载荷作用下, 与机器零件表面相互接触时在工件表面上相对运动, 导致工件表面材料的迁移和损耗的一种现象或过程。磨粒磨损的分类比较繁多, 美国矿业系统早年根据艾弗莱( Avery) 提出的矿山机械受力特点将磨粒磨损分为凿削式磨粒磨损、高应力碾磨式磨粒磨损和低应力划伤式磨粒磨损等3种。

  1975 年艾弗莱在其“磨粒磨损的性质”一文中又建议把磨粒磨损分为7大类: 纯流体冲蚀、冲积冲蚀、冲刷磨损、切削式磨粒磨损、高应力碾磨磨粒磨损、凿削式磨粒磨损、冲刷腐蚀磨损等。

  磨粒磨损的机理分类至今还有一些争论。主要的磨损机理有: 微观切削磨损机理、多次塑变导致断裂的磨损机理、疲劳磨损机理和微观断裂( 剥落) 磨损机理等, 磨粒磨损过程中不只是一种机理而往往有几种机理同时存在, 外部条件或内部组织发生变化时, 磨损机理也相应地发生变化, 从一种机理为主转变为另一种机理为主。

  二、磨粒磨损研究的发展

  磨损是摩擦学科中发展较晚的分支, 目前对许多磨损问题没有进行过深入的系统研究。磨损机理的许多观点, 论据还不充分, 只能适应特定条件下的磨损问题。现在人们已经认识到材料的磨损问题并不是材料固有的特性, 而是材料的工作条件和材料的机械、物理及化学特性的综合表现, 人们现用系统工程的观点来研究材料的磨损问题, 研究结果表明: 没有一种材料或组织能够满足各类磨损条件下的使用要求。因此要找出防止或抑制磨损的方法, 必须对整个系统进行研究。研究磨损问题, 首先是研究磨损机理, 查明在各种条件下磨损的发生和发展过程, 分析各种因素对其影响和规律,然后制定出减少或抑制磨损的方法, 研究新的耐磨材料和抗磨工艺。

  ( 一) 抗磨材料的研究

  为了控制和减少金属材料的磨损, 近些年来国内外对于耐磨材料的研究极为重视。耐磨性不是材料的固有特性, 它只是某一磨损系统中的一个参量, 由于磨损的复杂性和多变性, 耐磨性也只是针对某一特定的磨损系统而言, 并没有绝对的耐磨材料。目前在生产中常用于磨粒磨损的金属耐磨材料主要有: 高锰钢、低合金耐磨钢、高铬合金白口铸铁以及其它合金白口铸铁[7]。

  高锰钢主要应用在高冲击负荷下的各种大型破碎机易损件, 如破碎机颗板、大型破碎机锤头、挖掘机铲齿、铁道辙叉等。针对在冲击负荷小或低应力磨损条件下不能充分加工硬化而不耐磨的问题, 发展了合金化改性高锰钢, 易加工硬化中锰钢、低锰钢。为使厚大铸件中心部位也为全奥氏体组织, 提高加工硬化能力, 发展了超高锰(Mn15,Mn17,Mn20,Mn25)。

  对耐磨钢进行了大量的研究工作, 研究出了新型高强韧性奥 - 贝组织低合金钢, 其价格低廉, 含稀贵金属少, 并对其抗冲击磨粒磨损特性、二体磨粒磨损特性以及接触疲劳磨损特性等方面进行了研究。

  高铬白口铸铁被国内外公认具有优异的耐磨性能, 80年代以来, 为了进一步提高高铬白口铸铁的性能并扩大应用范围, 进行了大量的研究。在基础理论方面, T.Ohide 和 G.Ohiratfr等人发现, 当 Cr>10%以后, 合金的凝固特性发生了根本的变化, 表现为糊状凝固, 碳化物由斜方晶系 M3C 型转化为六方晶系 M7C3 型, 显微硬度由 1060 一 1240H V 提高到 1500一 1800Hv。在应用方面, 为了进一步发挥高铬合金的优势,使其在腐蚀性的湿磨条件下得到更广泛的应用, 日本、英国、德国均向高 铬 铸 铁 中 加 人 钒 , 随 着 钒 量 的 增 加 , VC 颗 粒(2800H V)明显增加, 由于 VC 颗粒周围的铬浓度比(Fe·Cr)7C3周围的铬浓度高, 使基体中的铬浓度相对提高, 从而提高了高铬白口铸铁的耐蚀性和抗磨性。

  70 年代末诞生的贝氏体球铁为抗磨材料的研究和发展提供了一条新的思路, 即以球墨铸铁代替白口铸铁, 以贝氏体组织代替马氏体组织, 同时有少量奥氏体和弥散分布的碳化物, 显示出优良的耐磨性能和份异的埃合力学性能。在经济建设中, 机械、冶金、矿山、建材及电力等工业领域发展迅速, 抗磨材料的开发对这些工业的发展产生重要影响。磨损是材料消耗的主要方式之一, 因此抗磨材料的研究和开发一直是材料工作者的热点课题。通过他们的不懈努力, 各种类型的高性能抗磨材料在各行各业得到了充分的应用。

  ( 二) 提高材料耐磨性的表面技术研究

  机器零件的磨损多产生于表面, 因此表面技术是提高材料表面耐磨性的一个重要方面, 表面技术是利用各种物理的、化学的或机械的工艺方法使材料表面获得特殊的成分、组织结构与性能, 以提高其耐磨抗蚀性能, 延长其使用寿命的技术。

  表面技术具有它的独特优点, 因而已成为抗磨技术的前沿, 它的特点为:

  ( 1) 由于材料的磨损、腐蚀和疲劳失效现象均发生在材料表面, 对材料表面进行强化就可以防止材料的磨损与腐蚀。

  ( 2) 表面技术可以使材料表面获得作为整体材料很难,甚至无法得到的特殊组分和结构。

  ( 3) 由于表面涂层用材料很少, 可以采用贵重稀少元素来保证质量, 而不显著增加成本。

  ( 4) 利用各种表面技术可以修复已经磨损或腐蚀失效的零部件。

  表面技术可分为: 表面淬火、表面化学热处理( 常见有渗碳、渗氮、渗硼) 、电渡、热喷涂、堆焊、激光表面处理、气相沉积技术等。

  热喷涂是一种重要的表面工程技术, 通过在普通材料的表面喷涂保护层、强化层和装饰层, 来实现耐磨、耐蚀、耐高温、绝缘、导光的功能特性。随着新型热喷涂设备的不断研制, 热喷涂方法的不断完善以及涂层性能的不断提高, 热喷涂技术已广泛应用于航空、航天、机械、电子、冶金、能源、交通、石油、兵器工业等各个领域, 并不断向高新技术领域渗透。国外学者预测, 在20世纪末全世界的热喷涂市场每年将超过30亿美元。专家预测表明, 今后等离子喷涂仍将占主导地位, 高速火焰喷涂(HVOF )位于第二, 电弧喷涂由于其经济性好, 涂层性能比火焰喷涂层优越二跃居第三。

  用于 表 面 处 理 的 激 光 主 要 有 三 种 类 型 : CO2 激 光 、Nd:YAG 激光和激元激光。目前CO2激光应用最广泛, ND: YAG激光发展很快, 尤其是在需要自动控制、小公差和高重复率的场合, 我国可以制造 1~5 KW 横流 CO2 激光器, 高功率YAG 尚处于开发阶段。激光表面处理主要有以下几种工艺:激光相变硬化、激光冲击硬化、激光表面熔覆、激光表面合金化等。

  激光堆焊可以获得高性能( 如耐磨性、耐腐蚀性能、抗氧化性能、热障性能、抗气蚀和冲蚀磨损等) 的合金堆焊层, 在工业应用上展现了广阔的应用前景。近十来年激光堆焊在材料表面处理方面倍受关注, 主要是在于激光堆焊层与基体的结合为冶金结合, 组织极细, 覆层成份及稀释率可控, 覆层厚度大, 热变形小, 易实现选区堆焊, 工艺过程易实现自动化。

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