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浅谈机械零件的磨损及其对策

学号：112519249 专业：机械自动化 姓名：黎继军

相接处的物体相互移动时发生阻力的现象称为摩擦.相对运动的零件的摩擦表面发生尺寸、形状和表面质量变化的现象称为磨损。摩擦是不可能避免的自然现象：磨损是摩擦的必然结果，两者均发生于材料表面。摩擦于磨损相伴产生，造成机械零件的失效。当机械零件配合面产生的磨损超过一定限度时，会引起配合性质的改变，使间隙加大、润滑条件变坏。产生冲击，磨损就会变得越来越严重，在这种情况下极易发生事故。一般机械设备中约有80%的零件因磨损而失效报废。据估计，世界上的能源消耗约有30%~50%是由于摩擦和磨损造成的。
摩擦和磨损涉及的科学技术领域甚广，特别是磨损，它是一种微观和动态的过程，在这一过程中，机械零件不仅会发生外形和尺寸的变化，而且会出现其他各种物理、化学和机械现象。零件的工作条件是影响磨损的基本因素。这些条件主要包括：运动速度、相对压力、润滑与防护情况、温度、材料、表面质量和配合间隙等。
以摩擦副为主要零件的机械设备，在正常运转中，机械零件的磨损过程一般可分为磨合阶段、稳定阶段和剧烈阶段。
一． 粘着磨损
粘着磨损又称为粘附磨损,是指当构成摩擦副的两个摩擦表面相互接触并发生相对运动时,由于粘着作用,接触表面的材料从一个表面转移到另一个表面所引起的磨损.根据零件摩擦表面的破坏程度,粘着磨损可分为轻微磨损、涂抹、擦伤、撕脱和咬死等五类。
(1)粘着磨损机理
擦副的表面即使是抛得很好的光洁表面,但实际上也还是高低不平的因此，两个金属零件表面的接触，实际上是微凸体之间的接触面积很小，仅为理论接触面的1%。所以即使在载荷不大时，单位面积的接触应力也很大，如果当这一接触应力大到足以使微凸发生塑性变形，并且接触处很干净，那么这两个零件的金属面将直接接触而产生粘着。当摩擦表面发生相对滑动时，粘着点的切应力作用下变形甚至至断裂，造成接触表面的损伤破坏，这时，如果粘着点的粘着力足够大，并超过摩擦接触点两种材料之一的强度，则材料便会从该表面上被扯下，使材料从一个表面转移到另一个表面上。通常这种材料的转移是由较软的表面转移到较硬的表面上。在载荷和相对运动作用下，两接触点间重复产生“粘着-剪断-再粘着”的循环过程，使摩擦表面的温度显著升高，油膜破坏，严重时表层金属局部软化或熔化，接触点产生进一步粘着。
在金属零件摩擦中，粘着磨损是剧烈的，常常会导致摩擦副灾难性破坏，应加以避免。但是，在非金属零件或金属零件和聚合物体构成摩擦副中，摩擦时聚合物会转移到金属表面。
(2)减少或消除粘着磨损的对策
摩擦表面产生粘着是粘着磨损的前提，因此，减少或消除粘着磨损的对策就有两个方面。
控制摩擦表面的状态摩擦表面的状态主要是指表面自然洁净程度和微观粗糙度。摩擦表面越洁净，越光滑，越可能发生表面的粘着。因此，应当尽可能使摩擦表面有吸附物质、氧化物层和润滑剂。例如，润滑油中加入油性添加剂，能有效地防止金属表面产生粘着磨损：而大气层中的氧通常会在金属表面形成一层保护性氧化膜，能防止金属直接接触和发生粘着，有利于减少摩擦和磨损。
控制摩擦表面材料的成分和金相组织材料成分和金相组织相近的两种金属材料之间最容易发生粘着磨损。这时因为两个摩擦表面的材料形成固溶体的倾向强烈，因此，构成摩擦副的材料应当是形成固溶体倾向最小的两种材料，即应当选用不同材料成分和晶体结构的材料。此外，金属间化合物具有良好的抗粘磨损性能，因此也可选用易于在摩擦表面形成金属间化合物的材料。如果这两个要求都不能满足，则通常在摩擦表面覆盖能有效抗粘着磨损的材料，如锡，铅，银等软金属或和合金。
二．磨料磨损
磨料磨损也称为磨粒磨损，它是当摩擦副的接触表面之间存在着硬质颗粒，或者当摩擦副材料一方的硬度比另一方的硬度大得多时，所产生的一种类似金属切削过程的磨损。它是机械磨损的一种，特征是在接触面上有明显的切削痕迹。在各类磨损中，磨料磨损占50%。是十分常见且危害性最严重的一种磨损，其磨损速率和磨损强度都很大，致使机械设备的使用寿命大大降低，能源和材料大量消耗。
根据摩擦表面所受的应力和冲击的不同、磨料磨损的形式可分为鉴削式、高应力碾碎式和低应力擦伤式三类。
1. 磨料磨损机理
磨料磨损的机理属于磨料颗粒的机械作用,磨料的来源有外界沙尘、切屑侵入、流体带入、表面磨损产物、材料组织的表面硬点及杂物等。
2. 减少或消除磨料磨损的对策
磨料磨损是由磨料颗粒与摩擦表面的机械作用而引起的，因而，减少或消除磨料磨损的对策已有两方面。
磨料方面磨料磨损与磨料的相对硬度、形状、大小有密切的关系。磨料的硬度相对于摩擦表面材料硬度越大，磨损越严重：呈菱角状的磨料比圆滑状的磨料的挤切能力强，磨损率高。实践与实验表明，在一定粒度范围内，摩擦表面的磨损磨粒尺寸的增大而按比例较快地增加，但当磨料粒度达到一定尺寸后，磨损量基本保持不变。这是因为磨料本身的缺陷和裂纹随着磨料尺寸增大而增多，导致磨料的强度降低，易于断裂破碎。
摩擦表面材料方面 摩擦表面材料的显微组织、力学性能与磨料磨损有很多关系。在一定范围内，硬度越高，材料越耐磨，因为硬度反映了被磨损表面抵抗磨料压力的能力。断裂韧度反映材料对裂纹的产生和扩散的敏感性，材料的磨损性也有重要的影响。因此必须综合考虑硬度和断裂韧度的取值，只有两者配合合理时，材料的耐磨性才能最佳。弹性模量的大小，反映被磨材料是否能以弹性变形的方式去适应磨料、允许磨料通过，而不发生塑性变形或切削作用，避免或减少表面材料的磨损。
三． 腐蚀磨损
在摩擦过程中，金属同时与周围介质发生化学反应或电化学反应，引起金属表面的腐蚀剥落，这种现象称为腐蚀腐蚀磨损。它是与机械磨损、粘着磨损、磨料磨损等相结合时才能形成的一种机械化学磨损。因此，腐蚀磨损的机理与前述三种磨损的机理不同。腐蚀磨损时一种极为复杂的磨损过程，经常发生在高温或潮湿的环境下，更容易发生在有酸、碱、盐等特殊介质的条件下。
按腐蚀介质的不同类型，腐蚀磨损可分为氧化磨损和特殊介质下的腐蚀磨损两大类。
1.氧化磨损
我们知道，除金、铂等少数金属外，大多数金属表面都被氧化膜覆盖着。若在摩擦过程中，氧化膜被磨掉，摩擦表面与氧化介质反应速度很快，立即又形成新的氧化膜，然后又被磨掉，这种氧化膜不断被磨掉又反复形成的过程，就是氧化磨损。氧化磨损的产生必须同时具备以下条件：一是摩擦表面要能够发生氧化，而且氧化膜生成速度大于其磨损破坏速度；二是氧化膜与摩擦表面的结合强度大于摩擦表面承受的切应力；三是氧化膜厚度大于摩擦表面破坏的深度。在通常情况下，氧化磨损比其他磨损轻微得多。减少或消除氧化膜的对策主要有：
控制氧化膜生长的速度与厚度在摩擦过程中，金属表面形成氧化物的速度要比非摩擦时快的多。在常温下，金属表面形成的氧化膜厚度非常小，例如铁的氧化膜厚度为1~3mm钢的氧化膜厚度约为5微米。但是，氧化膜的生成速度随时间而变化。
控制氧化膜生长的性质金属表面形成的氧化膜的性质对氧化磨损有重要影响。若氧化膜紧密、完整无孔，与金属表面基体结合牢固，则有利于防止金属表面氧化；如氧化膜本身性脆，与金属表面基体结合差，则容易被磨掉。例如铝的氧化膜是硬脆的，在无摩擦时，其保护作用大，但在摩擦时其保护作用很小。低温下，铁的氧化物事紧密的，与基体结合牢固。
因此，为了提高零件的使用效率，我们必须认识磨损产生的机理，不断的探索和研究，尽量的减少磨损的发生，以提高资源的利用率，减少世界资源的消耗。

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