衝擊磨料磨損

衝擊磨料磨損是工程中的一種特殊磨損方式,是動載下的三體磨料磨損,是衝擊與滑動摩擦磨損等過程的複合。

概述

其過程為:在衝擊瞬間,兩對磨麵在摩擦界面間有硬質磨粒存在的情況下發生相互碰撞,接著兩界面進入高應力磨粒磨損階段;隨後,兩對磨麵脫離接觸,不發生磨損。這兩個過程周而復始地交替進行。衝擊磨料磨損是一種極惡劣的磨損工況,,在該工況下工作的零件都表現出極短的壽命。

國內冶金、電力、建材、建築、化工、煤炭和機械行業的機械設備因受強烈的磨料磨損而年耗鋼鐵易損件數量巨大。根據中國鑄造耐磨材料產業技術路線圖中數據顯示,2009年我國耐磨鑄件年用量約350餘萬噸,折合人民幣400 余億元。其中嚴酷複雜、易損件消耗最快的是衝擊磨料磨損工況,例如,國民經濟和工業發展中不可或缺的挖掘和裝載礦、石、沙、土的工程機械工況年耗高錳鋼和低合金鋼易磨損件30 萬噸。

衝擊磨料磨損的特點

通過與滑動磨料磨損進入比較,可分析衝擊磨料磨損過程具有如下特點:(1)法向載荷為能量載荷, 不同於一般的靜載荷和交變載荷, 載入和卸載過程是瞬間完成。(2)磨粒對摩擦副的作用具有鑿削( 衝擊力大) 和碾碎( 應力超過磨粒壓潰強度) 式磨料磨損的雙重特點, 工況惡劣。(3) 在衝擊瞬間, 伴隨有快速能量轉換, 從能量角度看, 衝擊動能Ed 可能轉變為如下幾部分:a) 塑性變形能E s,b) 彈性波動能E b,c) 磨粒破碎所能消耗的能E k,d ) 熱能Er ,e) 其它能Eo, 如聲能等。即:

Ed= Es+ Eb+ Ek+ Er+ Eo

在相同的試驗條件下,Ek、Eo 相對穩定,不隨摩擦副材料而變化。衝擊動能Ed將主要在Es、E b、Er 中分配。對於塑性好、硬度低的材料,Es 很大,Eb 則相對較小, 這時主要表現為材料表面的塑性破壞, 對於硬度高, 脆性大的材料,Es 較小,E b 則相對較大, 這時彈性波動能將主要促使材料內部裂紋的萌生和發展, 巨觀上表現為疲勞剝落和脆性脫落。

試驗及設備

目前,對於乾態衝擊磨料磨損試驗而言,能夠進行高中低衝擊功可調節的衝擊磨料磨損試驗設備僅有MLD-10動載磨料磨損試驗機。各機構根據各自的研究特點,在此基礎上有所改裝。根據廣東省耐磨及特種功能材料工程技術研究開發中心提供的相關資料可知,衝擊磨料磨損試驗機的工作原理為:上試樣安裝在沖錘上,與其構成摩擦副的下試樣安裝固定在下中軸上隨攪拌葉片一起轉到,實驗進行時,沖錘被提到對應衝擊功設定的高度,隨後自由下落,衝擊下試樣,與此同時石英砂被攪拌葉片揚起進入上下試樣之間。上試樣除反覆衝撞旋轉中的被磨料(石英砂)覆蓋的下試樣外,在每個衝擊周期內,上、下試樣與磨料三者間還發生一段時間的滑動摩擦磨損接觸,形成三體磨料磨損。一段時間後,上下試樣都形成磨料磨損,產生失重,即試樣的磨損量。

衝擊磨料磨損機理

Goodwin等人通過實驗觀察認為,當固體顆粒以較大衝擊角衝擊材料表面時,主要發生兩種現象,一是材料表面發生塑性變形,二是磨料顆粒在衝撞中可能發生破碎。材料的薄弱部分受到尖銳的碎塊作用發生剝離,即“次生損傷”。而“次生損傷”是材料體積損失的重要原因。

Sheldon和Finnie通過沖刷實驗研究顯示,當衝擊磨料顆粒的大小和沖刷速度在一定範圍內時,典型的高硬脆性材料也可以產生塑性變形,而呈現柔韌材料的磨損特徵。

Engel曾認為,在衝擊磨料磨損中,材料表面所產生的疲勞作用並非占主要地位。但有學者提出了基於疲勞破壞的磨損理論,並認為,材料存在塑性流動時,也會因金屬疲勞破壞而剝落金屬。Stauffer認為磨料磨損的原因之一也可能是交變載荷超過材料疲勞極限,而在材料表面發生表層脫落或局部破壞。

Tilly在實驗中發現,對某些質地較軟的金屬和塑膠(如鎂和尼龍),在近於垂直衝擊下,衝擊磨料的碎屑可能嵌入材料表面。

川井正治通過試樣的磨損形貌觀察發現,在高速衝擊時,金屬表面可能產生局部高溫而發生局部熔化現象,如果磨料有相對移動,則這部分軟化的金屬將很容易被切削掉。

綜合科研數據可以得出,衝擊磨料磨損機制一般可概括為兩大類:一類是因磨料引起的切削和鑿削磨損,另一類是因衝擊變形導致的疲勞磨損。尤其對於初始硬度較高的材料而言,疲勞磨損是重要的機制,它不僅作為獨立的機制引起材料的剝落、磨損,並且與切削、鑿削機制起互動作用,促進切削、鑿削機制的發生而加速材料的磨料磨損。

科研發展趨勢

磨料磨損占到材料磨損消耗的50%以上,而衝擊磨料磨損又是其中極為重要的部分。磨損速度高和材料消耗大已成為工程機械業發展受到制約的瓶頸,已成為國內外行業發展的共性關鍵技術難題。現在的具體情況是國內外工程機械工況尚在選用傳統耐磨高錳鋼或普通耐磨低合金鋼鏟齒,使用壽命較低,迫切需要新型高硬度、高韌性和高耐磨性低合金鋼鏟齒,替換傳統材料。

突破傳統高錳鋼和普通耐磨低合金鋼,已成為行業共性關鍵技術難題。研製新一代高硬度/高韌性/高耐磨性低合金鋼材料已成國內外行業共識和當前迫切任務。

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