摘要:针对磨损的基本特征,以及解决磨损的主要方法,从主体材料耐磨性能的提高、材料的表面强化、表面衬层保护和修复3个方面综述了近年来在耐磨材料研究领域的一些研究成果。
关键词:磨损;耐磨材料
0 前言
磨损是材料损伤的3大原因之一,它损失了世界上一次能源的1/3。每年与摩擦、磨损有关的损失约占GDP的2% ~7%。
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 磨损的基本特征
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,在磨损过程中一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一样的。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[1]。
2 解决磨损的方法
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)润滑(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); (4)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 主体材料耐磨性能的提高
2.1. 1 耐磨钢结合金 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。钢结合金材料由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[2, 3]。
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、高锰钢、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,决定着钢结合金的组织与性能。碳是钢结合金中最活跃的元素,它是扩大铁的C相区的元素,它可固溶于铁中起固溶强化作用,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% )。
一方面是由于镍含量高,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[4]。
钢结合金粘结剂最常使用的添加元素有镍、铬、钼等。
钢结合金中添加硅、锰、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[5]。
2.1. 2 陶瓷、水泥基复合材料 (1)陶瓷基复合材料。陶瓷基复合材料(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5面向21世纪国防需求的材料研究6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% ~25%的大幅提升,被列为优先发展的材料[6]。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SEP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%。
(2)水泥基复合材料。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(如纤维混凝土)。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工艺优化的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[7]。
2.1. 3 高分子耐磨材料 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[8]。
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 材料的表面强化
由于磨损常常发生在零件的表面和局部,因此,采用表面局部强化的方法来提高材料的耐磨性是一种行之有效的办法。表面强化技术,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、组织结构以提高其耐磨性能,达到延长其使用寿命的目的。例如,表面形变强化,表面淬火,表面元素扩散热处理,表面喷涂,化学和物理气相沉积等技术在许多领域获得广泛应用。
表面形变强化是指在常温下用机械方法使表面产生塑性变形而形成硬化层的一类方法,包括有喷丸、滚压和挤压等。几种形变处理都使表面硬度提高,而且不同方法强化效果不同,它直接影响到强化层的硬度、深度和表面层的残余压应力大小。张建忠[9]等综述了几种原始组织的材料表面形变强化的有效性,讨论了3个主要因素的作用和相互关系,认为: (1)表面形变强化的有效性是马氏体大于索氏体,缺口件大于光滑件,滚压大于喷丸。滚压可使普通钢铁材料的缺口疲劳极限提高1倍以上,达到或超过光滑疲劳极限; (2)表面形变强化显著提高缺口疲劳极限主要归因于残余压应力的有利作用。缺口的几何约束作用、高的残余应力集中效应和低的残余应力松弛倾向是获得高残余压应力的重要条件; (3)表面形变强化中马氏体的组织强化作用大,组织损伤小,较高强度的马氏体又能获得较高的残余压应力和较低的残余应力松弛倾向; (4)高的压缩屈服极限与拉伸屈服极限比值,可以作为表面形变强化选材的一个判据。
表面淬火是提高材料表面硬度的有效方法,包括火焰加热淬火、感应加热淬火、高频加热淬火等方法。王硕桂[10]等提出了等离子对金属材料表面淬火处理的温度场计算及快速确定铁基材料表面硬化带尺寸的方法。分析了等离子表面淬火过程中一些重要参数与淬硬深度的关系,通过45钢的淬火硬化试验,验证了该方法的正确性和实用性。
表面元素扩散热处理方法很多,包括渗碳、渗氮、碳氮共渗、碳化物覆盖、渗硫、硫氮共渗、硫氮碳共渗及多元共渗,也有采用金属离子的共渗方法,比如渗铝、渗锌、渗硅、渗铬、渗钼等。徐晋勇等利用辉光离子渗金属技术在Q235钢表面进行钼铬共渗,随后进行渗碳淬火、深冷处理及回火复合处理,对渗层组织、成分、硬度和摩擦磨损性能进行了分析。结果表明:渗层化学成分接近钼系高速钢;渗层中的碳化物细小、均匀、弥散,没有粗大的共晶莱氏体组织;经深冷2 h处理试样表面硬度达到1 600Hv,明显高于未经深冷处理试样的表面硬度;经不同时间深冷处理试样的滑动摩擦因数基本相同,但比未经深冷处理的试样降低约15%,其相对耐磨性分别是未渗金属试样的2.10倍和3. 59倍[11]。
热喷涂是利用高速气流将熔融或半熔化的金属、陶瓷或高分子材料雾化成粒状,经过加速喷射到经过预处理的基材表面,以形成某些特性的表面强化技术,已成为抗磨防磨施工的重要手段。
在喷涂装备方面,包括超音速火焰喷涂、等离子喷涂等。目前的研究主要集中在各种喷涂用材的应用方面。刘长江[12]等采用超音速火焰喷涂方法,通过工艺试验研究,得到一套最佳喷涂工艺,涂层为CO基碳化钨时,明显提高了汽轮机高温部件的耐冲蚀能力。王卫泽[13]等综述了热喷涂涂层中气孔的特征、气孔率测量与气孔的表征方法,归纳了涂层层状结构如单个扁平粒子结构、粒子层间结合的研究结果。蒋伟[14]等介绍了热喷涂的特点、分类、形成机理、以及它的工艺方法,并对热喷涂的发展作了简要的概括。
气相沉积技术(PVD及CVD)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[15]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PVD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 表面衬层保护和修复
利用不定型耐磨材料对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 无机耐磨衬里材料 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[16]介绍和评述了无机耐磨材料在结合系统、材质和新品种、施工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0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0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[17]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~300e、300e~ 600e和600e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~110e烘干、110e~400e和400e以上。
费洗非[18]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[19]等用浇注料流变仪研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SiO2微粉替代部分Al2O3微粉,浇注料的流变性能得到明显改善。
顾华志[20]等用H2C2O4溶液对镁钙砂进行表面浸渍,然后在CO2气氛下于450e热处理制得抗水化的镁钙砂,采用这种镁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[21]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SiO2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[22]等研究了A-Al2O3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-Al2O3微粉和水泥的加入量分别为6%和4% (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% )、性能良好的刚玉质自流浇注料。章荣会[23]等利用旋转式粘度仪可以精确地测定含不同种类、不同加人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 有机/无机复合耐磨材料 无机耐磨材料的耐化学腐蚀性、抗渗透性较差,它对基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。
丁雷[24]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[25]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,并且展望了高分子固体润滑耐磨涂层的发展趋势和研究方向。
寇建章[26]综合评述并分析了颗粒增强高分子聚合物的机理以及不同粒径颗粒体间的增强机理;对耐磨涂层的厚度,涂层中高分子聚合物与颗粒体的配合比以及粗细颗粒体间的配合比设计,分别建立了相应的数学模型,并对耐磨蚀涂层的适用范围作了说明。文中指出:由于磨损和腐蚀(包括气蚀)的机理同时存在或产生协同作用,致使对耐磨涂层的增强效果分析变得更加复杂,所设计的模型有待进一步修正。
吴国振[27]等对不同改性环氧树脂耐磨涂层材料在汽蚀破坏条件下的磨损状况进行了研究。结果表明,聚氨酯改性环氧互穿网络聚合物耐磨涂层材料相对其它改性环氧涂层,具有更好的抵御汽蚀与磨蚀的联合破坏的能力。
张阁[28]等总结了水轮机过流部件破坏的形式和机理,介绍了高耐磨耐蚀涂层技术的相关研究状况,同时展望了纳米表面技术在该领域的研究进展和应用前景。
3 结束语
在解决磨损的手段方面,提高主体材料耐磨性能依然是首要问题,随着材料制备、合成技术的进步,新的合金材料、陶瓷材料、高分子材料不断出现,耐磨性能不断提高;在材料表面强化方面,设备越来越好,复层材料的种类不断增多,性能不断提高;在衬层保护和修复方面,复合耐磨材料的研究十分活跃,尤其是固体自润滑耐磨材料,通过减小摩擦系数、并设计成同基材相配备,可以大大减轻摩擦磨损。在提倡资源节约、节能降耗的今天,加强对摩擦、磨损的理论研究,开发和应用新型耐磨材料,减轻磨损给工业生产带来的损失,具有显著的经济和社会意义。
参考文献略
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