《金屬材料零部件失效分析基礎(chǔ)與應(yīng)用》 課件 第4章 磨損失效

1《金屬材料零部件失效分析基礎(chǔ)與應(yīng)用》第4章磨損失效目錄磨損與摩擦力磨損機(jī)理判斷磨損機(jī)理的方法實(shí)際案例——反擊式破碎機(jī)錘頭耐磨性偏低分析磨損與摩擦力4.1 磨損與摩擦力磨損是零部件在相互接觸的狀態(tài)下進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)（滑動(dòng)、滾動(dòng)或滑動(dòng)＋滾動(dòng)）而引起的一種物理現(xiàn)象。概念摩擦力是由于摩擦而阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)的力，方向平行接觸表面與滑動(dòng)方向一致。摩擦力有以下特征：（1）摩擦力是切向運(yùn)動(dòng)阻力的度量。根據(jù)不同接觸情況有下面不同內(nèi)涵。（2）如果相互接觸的兩個(gè)物體均是剛體，微小的凹凸部分沒(méi)有發(fā)生變形，摩擦力是將一個(gè)物體表面的微凸部分抬高超過(guò)另一個(gè)物體表面微凸體的作用力。（3）如果相互接觸的兩個(gè)物體一方較硬而另一方較軟，硬的一方其表面凸起的微區(qū)就會(huì)壓入軟的一方表面。在滑動(dòng)時(shí)就會(huì)對(duì)軟的一方實(shí)現(xiàn)“切削”，在軟的一方表面形成犁溝。這時(shí)摩擦力就是軟金屬壓入硬度與犁溝截面積的乘積。（4）如果相互接觸的表面發(fā)生黏著，摩擦力就是能剪切開(kāi)兩個(gè)物體表面微小區(qū)域相互黏著的力，也就是使結(jié)合的凸起點(diǎn)被剪斷并使未結(jié)合的點(diǎn)變形所需要的力的總和。（5）滑動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)很多微小的結(jié)合點(diǎn)在表面之間的形成和被剪斷而保持一個(gè)穩(wěn)定的摩擦力。4.1 磨損與摩擦力可見(jiàn)摩擦力的值主要與表面凹凸區(qū)高度、塑性變形及黏著相關(guān)。摩擦力的值無(wú)疑對(duì)于控制磨損量有最直接的關(guān)系，下面采用簡(jiǎn)要模型對(duì)其進(jìn)一步分析。試驗(yàn)證明：對(duì)于很多材料兩個(gè)接觸面之間的摩擦力正比于正壓力，且與表觀接觸面積無(wú)關(guān)。根據(jù)摩擦理論，真實(shí)接觸面的增加正比于載荷，摩擦力正比于載荷和真實(shí)接觸面積。如果摩擦力正比于被剪斷的微觀區(qū)域結(jié)合處的面積（真實(shí)接觸面積）總和，則可得到下面的簡(jiǎn)單關(guān)系：F＝SA （4-1）式中，F(xiàn)是摩擦力，N；S是結(jié)合點(diǎn)兩方中較弱一方材料的剪切強(qiáng)度，N/mm2；A是真實(shí)接觸面積，mm2。依據(jù)摩擦的黏著理論，在接觸點(diǎn)處發(fā)生黏結(jié)，摩擦力就等于使結(jié)合點(diǎn)剪斷所要求的力的總和。真實(shí)接觸面積反比于較弱材料的硬度，正比于垂直載荷。A＝W/P （4-2）4.1 磨損與摩擦力式中，A是真實(shí)接觸面積，mm2；W是垂直載荷（或接觸力），N；P是壓入硬度（通常用維氏硬度測(cè)定），N/mm2。式（4-2）可與式（4-1）結(jié)合，可得F＝SW/P

或F/W＝S/P （4-3）式中，S/P＝m，是摩擦系數(shù)。圖4-1所示為作用在一個(gè)靜止水平面上滑動(dòng)的物體上的垂直載荷W和摩擦力F。作用在沿靜止水平表面滑動(dòng)的物體上的垂直載荷與摩擦力之間的關(guān)系4.1 磨損與摩擦力在上述模型下摩擦系數(shù)是較軟一方的剪切強(qiáng)度與硬度的比值（＝S/P）。上述分析指出了提高耐磨性的基本原則：（1）如果從材料角度提高一對(duì)摩擦副的耐磨性能，應(yīng)該從提高較軟一方的材料性能入手。（2）從摩擦系數(shù)計(jì)算公式可見(jiàn)，如果能提高較軟一方材料的硬度，同時(shí)大幅度降低剪切強(qiáng)度值，則摩擦系數(shù)降低，導(dǎo)致摩擦力降低，一定能提高耐磨性能。一些摩擦副材料的摩擦系數(shù)見(jiàn)表。幾種摩擦副的摩擦系數(shù)

μ與磨損系數(shù)

k摩擦副（在空氣中）摩擦系數(shù)

μ磨損系數(shù)k金對(duì)金2.510－1黃銅對(duì)硬鋼0.310－3聚四氟乙烯對(duì)硬鋼0.152×10－5聚乙烯對(duì)硬鋼0.610－7磨損機(jī)理4.2.1 黏著磨損機(jī)理黏著磨損通常用Archard（1953）公式表達(dá)：FNHWa

Ka式中，Wa表示黏著磨損率；FN是接觸面上的正壓力，N；H為材料硬度值；Ka表示磨損系數(shù)，Ka不僅與工況有關(guān)，也與摩擦副材料有關(guān)，相同材料組成的摩擦副通常具有相當(dāng)高的Ka值。根據(jù)黏著磨損機(jī)理與式（4-4）對(duì)黏著磨損可以獲得以下規(guī)律：（1）摩擦副間的接觸應(yīng)力越大，越容易發(fā)生黏著磨損。（2）發(fā)生黏著磨損與摩擦副的材料密切相關(guān)。如果其中一種材料越軟，也越容易發(fā)生黏著磨損。硬度不同的材料，黏著過(guò)程通常是軟的材料往硬的材料上粘，因之硬度高的耐磨性要好些。（3）如果黏著點(diǎn)的結(jié)合強(qiáng)度比摩擦副中任一材料剪切強(qiáng)度均高，且黏著區(qū)域大，剪切應(yīng)力低于黏著點(diǎn)結(jié)合強(qiáng)度時(shí)，摩擦副就會(huì)產(chǎn)生咬死而不能運(yùn)動(dòng)。不銹鋼螺栓與不銹鋼螺母在擰緊過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生此現(xiàn)象。4.2.1 黏著磨損機(jī)理接觸應(yīng)力與摩擦速度對(duì)材料的黏著磨損量也有很大影響。在摩擦速度不太高的情況下，鋼鐵材料的磨損量隨摩擦速度、接觸壓力的變化規(guī)律見(jiàn)圖。磨損量與摩擦速度、接觸壓力間的關(guān)系由圖可見(jiàn)，在摩擦速度一定時(shí)，磨損量隨接觸壓力的增加而增加。有資料表明，當(dāng)接觸應(yīng)力超過(guò)材料硬度的1/3時(shí)，黏著磨損量急劇增加，會(huì)產(chǎn)生咬死現(xiàn)象。在接觸應(yīng)力一定情況下，黏著磨損量與摩擦速度之間存在極值關(guān)系。這是因?yàn)殡S著摩擦速度的增加，磨損機(jī)理會(huì)發(fā)生改變，例如由黏著磨損變?yōu)檠趸p。4.2.1 黏著磨損機(jī)理從控制材料組織結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，可以得到一些減輕黏著磨損的定性規(guī)律：（1）脆性材料比韌性材料抗黏著磨損能力強(qiáng)。（2）相同金屬、晶格類型相同或電化學(xué)性質(zhì)相近的金屬所組成的摩擦副黏著傾向大。（3）多相金屬比單相金屬黏著傾向??；金屬中化合物相比單相固溶體黏著傾向小。（4）周期表中B族元素與鐵不相溶或形成化合物，它們黏著傾向小。而鐵與A族元素組成摩擦副黏著傾向大。（5）采用表面處理技術(shù)如化學(xué)熱處理（如滲硫等），可降低黏著傾向。4.2.2 磨粒磨損機(jī)理磨粒磨損也稱為磨料磨損、研磨磨損或微切削磨損。它出現(xiàn)的條件是：摩擦副一方的硬度比另一方硬度高很多，或者在接觸面之間存在硬質(zhì)粒子。當(dāng)另一方接觸到硬粒子時(shí)，它們可以陷入軟材料表面，由于切向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生切削作用。在磨料磨損研究中，Robinowicz（1965）以硬磨粒嵌入軟材料后，由于切向移動(dòng)產(chǎn)生微切削作用導(dǎo)出了磨損關(guān)系式：Wc＝（2/p）（tan?/Hv）Fn式中，Wc為磨損率；?為硬磨料的頂角；Fn法向壓力，N；Hv為硬度值。上式可以簡(jiǎn)化為Wc＝Kc（Fn/Hv）4.2.3 腐蝕磨損1.氧化磨損氧化磨損是在摩擦副實(shí)際接觸區(qū)域產(chǎn)生塑性變形的同時(shí)，由于腐蝕環(huán)境作用在變形區(qū)域形成氧化膜。在摩擦副滑動(dòng)過(guò)程中，氧化膜在遇到第二個(gè)凸起部分時(shí)可能剝落，使暴露出來(lái)的表面重新被氧化，如此反復(fù)進(jìn)行發(fā)生磨損。氧化磨損是各類磨損中磨損速率最低的一種。也是生產(chǎn)上允許出現(xiàn)的一種磨損形式。為降低磨損速率，往往是先創(chuàng)造條件將磨損轉(zhuǎn)換成氧化磨損，然后再設(shè)法降低氧化磨損的速率。氧化磨損的速率決定于氧化膜的性質(zhì)及與基體的結(jié)合力，同時(shí)也決定于金屬表層塑性變形的抗力。致密非脆性的氧化膜能有效提高耐磨性能。因此在摩擦副表面生成一層致密的氧化膜，對(duì)提高耐磨性有利。生產(chǎn)上廣泛使用的發(fā)藍(lán)、滲硫、有色金屬氧化提高耐磨性能就是基于此規(guī)律。腐蝕磨損速度與發(fā)生腐蝕磨損的化學(xué)環(huán)境或電化學(xué)環(huán)境有密切關(guān)系。有些時(shí)候化學(xué)反應(yīng)首先進(jìn)行，接著腐蝕產(chǎn)物被機(jī)械作用（磨削）除去，但機(jī)械作用可以發(fā)生在化學(xué)反應(yīng)之前，首先形成非常小的碎屑，隨后再與環(huán)境起反應(yīng)，即使是輕微的化學(xué)反應(yīng)，也可以和機(jī)械作用彼此增強(qiáng)。4.2.3 腐蝕磨損2.微動(dòng)損傷一般說(shuō)的滑動(dòng)、滾動(dòng)是指互相接觸的零部件發(fā)生大幅度的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在緊密配合的零部件間，宏觀上看是沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的。但是實(shí)際工況下兩個(gè)宏觀上看沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零部件，在微觀上卻發(fā)生極小幅度的運(yùn)動(dòng)，稱為“微動(dòng)”。微動(dòng)與普通的往復(fù)滑動(dòng)的區(qū)別僅在于每次往復(fù)運(yùn)動(dòng)的距離不同。微動(dòng)的存在會(huì)引起材料表面發(fā)生損傷，通常包括微動(dòng)磨損、微動(dòng)疲勞與微動(dòng)腐蝕三類。這種現(xiàn)象在生產(chǎn)實(shí)際中大量存在，如各種連接件螺栓、鉚釘、銷等，各種配合件，如花鍵配合、輪軸配合、軸瓦配合等。一些研究表明：微動(dòng)損傷可以使車軸的疲勞強(qiáng)度降低約40%。1911年Eden首次報(bào)道了微動(dòng)與疲勞間的關(guān)系，到20世紀(jì)80年代，微動(dòng)損傷問(wèn)題引起人們高度重視。1992年，Zhou與Vincent提出了研究微動(dòng)損傷的二類微動(dòng)圖，利用這類圖研究材料微動(dòng)損傷規(guī)律。4.2.3 腐蝕磨損實(shí)際工況中微動(dòng)的運(yùn)行模式非常復(fù)雜，為了便于研究將實(shí)際工況歸納為球與平面接觸狀態(tài)進(jìn)行簡(jiǎn)化。按照這類模型人們將球與平面接觸模式簡(jiǎn)化為四種運(yùn)動(dòng)模式，見(jiàn)圖。（a）（d）（b） （c）四種微動(dòng)模式示意圖4.2.3 腐蝕磨損微動(dòng)磨損是微動(dòng)損傷中的一種情況，它與一般的磨損差別在于往復(fù)運(yùn)動(dòng)的距離不同，正是由于這種差別造成微動(dòng)磨損有如下一些特點(diǎn)：（1）由于振幅小，滑動(dòng)的相對(duì)速度低，微動(dòng)磨損時(shí)構(gòu)件處于高頻率、小振幅的磨損環(huán)境中，并且運(yùn)動(dòng)速度與方向不斷發(fā)生變化，始終處于零與某一最大速度之間反復(fù)。由于振幅小導(dǎo)致最大速度也是相當(dāng)有限的，所以屬于一種慢速的摩擦磨損，磨損過(guò)程相當(dāng)緩慢。例如一個(gè)振幅為20m、頻率為50Hz的微動(dòng)磨損，平均速度僅2mm/s。（2）由于振幅小又是反復(fù)性的相對(duì)摩擦運(yùn)動(dòng)，所以微動(dòng)表面接觸區(qū)域重復(fù)磨損的概率相對(duì)高，磨削逸出的機(jī)會(huì)又少，磨粒在金屬表面產(chǎn)生極高的接觸應(yīng)力，導(dǎo)致韌性金屬表面出現(xiàn)塑性變形或者疲勞，脆性金屬的摩擦表面產(chǎn)生脆裂或剝落。（3）鋼件磨損產(chǎn)物往往是紅棕色粉末，相結(jié)構(gòu)主要是Fe2O3，而鋁或鋁合金為黑色粉末，相結(jié)構(gòu)主要是氧化鋁與純鋁。4.2.3 腐蝕磨損在微動(dòng)磨損研究過(guò)程中值得提出的是微動(dòng)圖理論，它為研究微動(dòng)磨損機(jī)理及探索材料損傷規(guī)律提供有力的工具。微動(dòng)圖可以分成兩類：第一類：運(yùn)行工況微動(dòng)圖。它是指接觸表面間摩擦力與位移間的關(guān)系曲線。與一般的磨損現(xiàn)象一樣，接觸表面間的摩擦力-位移的變化曲線（即Ft-D曲線）是反映微動(dòng)最基本和最重要的信息，每次往復(fù)微動(dòng)循環(huán)都對(duì)應(yīng)一組Ft-D曲線，組合整個(gè)微動(dòng)循環(huán)過(guò)程，就可以描述微動(dòng)過(guò)程的動(dòng)態(tài)變化。通過(guò)大量的微動(dòng)試驗(yàn)表明，可將Ft-D曲線歸納為三種基本曲線，如圖。三種基本Ft-D曲線4.2.3 腐蝕磨損第二類：材料響應(yīng)微動(dòng)圖。對(duì)應(yīng)第一類微動(dòng)圖的不同區(qū)域，材料的損傷程度不同，提出與之對(duì)應(yīng)的第二類微動(dòng)圖，即材料響應(yīng)微動(dòng)圖，如圖所示。該圖由三個(gè)區(qū)組成，滑移區(qū)對(duì)應(yīng)的材料損傷通常表現(xiàn)為大量顆粒剝落，表面接觸磨損較為嚴(yán)重，稱為顆粒脫落區(qū)。部分滑移區(qū)對(duì)應(yīng)的材料損傷一般是輕微的，損傷往往僅出現(xiàn)在接觸邊緣，不易觀測(cè)到明顯的表面破壞。混合區(qū)磨損輕微，同一接觸表面受到較大的交變應(yīng)力作用（局部疲勞），表層塑變強(qiáng)烈，成為裂紋快速萌生的最危險(xiǎn)區(qū)域。材料響應(yīng)微動(dòng)圖判斷磨損機(jī)理的方法4.3.1 黏著磨損失效磨損面形貌特征黏著磨損是在高比壓下，材料將發(fā)生塑性變形產(chǎn)生冷焊現(xiàn)象。如果黏著點(diǎn)結(jié)合強(qiáng)度比構(gòu)成摩擦副的材料強(qiáng)度均低，分離就從接觸面分開(kāi)，這時(shí)基體內(nèi)部變形較小，摩擦面較平滑。發(fā)生黏著磨損的很多情況是，黏著點(diǎn)結(jié)合強(qiáng)度比組成摩擦副中某一基體強(qiáng)度高，則從部件的表面上撕下金屬，并把它轉(zhuǎn)移到另一個(gè)部件的表面上。可見(jiàn)這時(shí)軟金屬黏著在相對(duì)較硬的金屬上。磨損面就會(huì)形成下面情況：較軟的金屬磨損面會(huì)形成凹坑或凹槽，較硬的金屬磨損面上就會(huì)有黏著的軟金屬的材料，形成一些長(zhǎng)條形、不均勻分布的條痕。在對(duì)摩擦副材料進(jìn)行分析后，很容易判斷出摩擦副中的軟金屬部件與較硬金屬部件。在掃描電鏡下進(jìn)行觀察，并利用能譜進(jìn)行分析，就可以判斷出是否發(fā)生黏著磨損。發(fā)生黏著磨損的外部條件是：局部應(yīng)力很高（可以進(jìn)行計(jì)算）已經(jīng)超過(guò)材料的強(qiáng)度發(fā)生塑性變形。4.3.1 黏著磨損失效磨損面形貌特征CuO石墨粉Fe-SiFe粉4112余量在分析磨損面形貌后，經(jīng)配合這些綜合分析后容易判斷是否發(fā)生黏著磨損。其中黏著磨損最顯著的特點(diǎn)是對(duì)磨件之間材料發(fā)生明顯的轉(zhuǎn)移。實(shí)際工程中往往根據(jù)這個(gè)特征，在SEM下利用能譜分析，判斷是否為黏著磨損機(jī)制。舉例說(shuō)明如下：【例4-1】

為模擬汽車剎車片磨損情況，采用HT20-40鑄鐵材料與粉末冶金材料進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)。粉末冶金材料組成見(jiàn)表。粉末冶金材料組成（wt%）試驗(yàn)在MM-1000型磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)按照J(rèn)B

3063—82標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。樣品經(jīng)過(guò)一段磨損試驗(yàn)后，判斷磨損機(jī)理。對(duì)磨損樣品表面采用SEM觀察形貌，結(jié)果見(jiàn)圖。（a）磨損面犁溝與剝落坑

（b）磨損面白色黏著物鑄鐵材料表面磨痕的SEM照片4.3.1 黏著磨損失效磨損面形貌特征【例4-2】 在上例中為改善磨損情況，對(duì)粉末冶金材料的組成進(jìn)行改進(jìn)，采用HT20-40鑄鐵材料與粉末冶金材料進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)。粉末冶金材料組成見(jiàn)表。粉末冶金材料組成（wt%）鑄鐵樣品表面仍形成“犁溝”及有明顯的白塊狀異物黏結(jié)在樣品表面。但是白塊尺寸減小，能譜分析表明這些小白塊成分仍與粉末冶金材料的成分基本相同。因此判斷改進(jìn)后磨損過(guò)程中，仍發(fā)生粉末冶金材料黏著到鑄鐵表面現(xiàn)象，但是黏著情況減輕，測(cè)定磨損量大幅度減少，表明改進(jìn)的材料提高了磨損性能。HT20-40鑄鐵材料表面磨痕的SEM照片Cu石墨粉MoS2PbAl2O3Fe311231余量4.3.2 磨粒磨損失效磨損面形貌特征，球墨鑄鐵電鍍鉻層出現(xiàn)明顯的溝槽，表明發(fā)生磨粒磨損。而球墨鑄鐵經(jīng)過(guò)氮化后氮化層在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間磨損后也出現(xiàn)磨痕，同時(shí)有剝落現(xiàn)象。因此根據(jù)磨面形貌判斷磨損機(jī)理是磨粒磨損。例4-3是通過(guò)表面處理方法提高磨損性能的例子。（a）球墨鑄鐵電鍍鉻層磨粒磨損后形貌 （b）球墨鑄鐵氮化層磨粒磨損后形貌球墨鑄鐵樣品經(jīng)過(guò)表面處理與鑄鐵磨損后磨面形貌照片4.3.2 磨粒磨損失效磨損面形貌特征【例4-3】 城市輕軌是一種有效交通工具。在輕軌線路建設(shè)中，采用PC梁結(jié)構(gòu)。其中有一對(duì)摩擦副部件稱為支壓板與銷軸。需要對(duì)這對(duì)摩擦副進(jìn)行材料與處理工藝的選擇，目的是減少磨損量，提高這對(duì)摩擦副的使用壽命。采用45CrNiMoV材料制作支壓板，40CrNiMo材料制作銷軸。采用不同的處理工藝，制備出下面幾種摩擦副，模擬實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行摩擦磨損對(duì)比試驗(yàn)：（1）45CrNiMoV材料調(diào)質(zhì)與40CrNiMo調(diào)質(zhì)材料對(duì)磨，見(jiàn)圖。（2）45CrNiMoV材料高頻淬火與40CrNiMo材料高頻淬火對(duì)磨，見(jiàn)圖。（3）45CrNiMoV材料經(jīng)過(guò)多元共滲處理與40CrNiMo材料經(jīng)過(guò)多元共滲處理后對(duì)磨，見(jiàn)圖。（a）45CrNiMoV材料（調(diào)質(zhì)）磨痕形貌 （b）40CrNiMo材料（調(diào)質(zhì)）磨痕形貌經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理后材料對(duì)磨磨痕形貌4.3.2 磨粒磨損失效磨損面形貌特征（a）45CrNiMoV材料（高頻）磨痕形貌（a）45CrNiMoV材料（多元共滲）磨痕形貌（b）40CrNiMo材料（多元共滲）磨痕形貌經(jīng)過(guò)多元共滲處理后材料對(duì)磨磨痕形貌（b）40CrNiMo材料（高頻）磨痕形貌經(jīng)過(guò)高頻淬火后材料對(duì)磨磨痕形貌4.3.2 磨粒磨損失效磨損面形貌特征由圖4-11可見(jiàn)，調(diào)質(zhì)處理后的兩種材料，摩擦副的典型形貌是表面出現(xiàn)劃痕與一些小的坑，在高倍下還可以看到明顯的小微裂紋。表明磨損機(jī)理主要是磨粒磨損，在45CrNiMoV材料的磨面上可見(jiàn)一些小白顆粒，認(rèn)為可能同時(shí)發(fā)生輕微的黏著磨損。由圖4-12可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)高頻淬火后，40CrNiMo材料磨損面僅出現(xiàn)磨痕，沒(méi)有微小的坑及微裂紋。45CrNiMoV材料也出現(xiàn)淺磨痕與小坑共存，但是磨痕與坑的尺寸相對(duì)調(diào)質(zhì)處理均變得細(xì)小。說(shuō)明磨損機(jī)理仍是磨粒磨損，但是磨損情況減輕，實(shí)際測(cè)定的磨損量也是如此。由圖4-13可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)多元共滲處理后兩種材料，摩擦副的典型形貌是均出現(xiàn)細(xì)小磨痕，看不見(jiàn)微裂紋及小坑。磨損機(jī)理雖然不變，但是磨損量進(jìn)一步降低。4.3.3 微動(dòng)磨損磨面的形貌在4.2節(jié)中已經(jīng)論述，微動(dòng)磨損是在接觸面發(fā)生極小幅度運(yùn)動(dòng)的情況下，產(chǎn)生的磨損現(xiàn)象。因此在整個(gè)摩擦副的接觸面上一定可以分成磨損區(qū)域與未被磨損區(qū)域，這兩種區(qū)域有明顯的界限。是42CrMo鋼在進(jìn)行微動(dòng)磨損試驗(yàn)后觀察到的磨痕照片。（a）磨痕表面（b）局部放大形貌 （c）磨痕局部剖面（Fn＝600

N，D＝40mm，N＝105次）42CrMo鋼微動(dòng)磨損試驗(yàn)后滑移區(qū)磨痕照片[5]實(shí)際案例—

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反擊式破碎機(jī)錘頭耐磨性偏低分析4.4 實(shí)際案例——反擊式破碎機(jī)錘頭耐磨性偏低分析1.概 述反擊式破碎機(jī)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖。其主要功能是破碎物料?；驹硎抢酶咚傩D(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子上的錘頭，對(duì)送入破碎腔內(nèi)的物料產(chǎn)生高速?zèng)_擊而破碎，且使已破碎的物料沿切線方向以高速拋向破碎腔另一端的反擊板，再次被破碎，然后從反擊板反彈到錘頭上，繼續(xù)重復(fù)上述過(guò)程。1—給料板；2，3—反擊面。反擊式破碎機(jī)工作原理4.4 實(shí)際案例——反擊式破碎機(jī)錘頭耐磨性偏低分析反擊式破碎機(jī)主要由三種形式對(duì)物料進(jìn)行破碎，在Ⅰ區(qū)內(nèi)是自由破碎和反彈破碎，而在Ⅱ區(qū)主要是銑削破碎。反擊式破碎機(jī)的錘頭以螺釘固定、插入法固定、楔塊固定等多種形式安裝固定于破碎機(jī)的轉(zhuǎn)子上， 。螺釘固定式結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，應(yīng)用較為普遍。它的截面近似于矩形，呈長(zhǎng)條狀，沿長(zhǎng)度方向安裝在轉(zhuǎn)子的托板上。有依靠的固定形式，為應(yīng)用高硬度材料創(chuàng)造了條件。工作時(shí)錘頭以30～40

m/s，甚至達(dá)到50

m/s的線速度破碎物料，磨損極為嚴(yán)重，錘頭的不斷更換不但消耗大量的金屬材料，更因?yàn)橥．a(chǎn)大大影響破碎機(jī)的生產(chǎn)率，甚至成為生產(chǎn)的限制性環(huán)節(jié)。錘頭與安裝示意圖4.4 實(shí)際案例——反擊式破碎機(jī)錘頭耐磨性偏低分析零件在破碎過(guò)程中，錘頭除受撞擊外還受到物料的沖刷。隨著上述過(guò)程的不斷重復(fù)，錘頭的原工作面遭到破壞，其表面形狀發(fā)生了變化，原來(lái)的棱角磨削為光滑的圓弧面，從圖中可以看到：作用在錘頭磨面的力F分解為兩個(gè)力，一個(gè)是垂直于磨面的法向力F法；另一個(gè)是平行于磨面的切向力F切。前者對(duì)錘頭磨面產(chǎn)生撞擊作用；后者對(duì)錘頭磨面造成切削、沖刷。錘頭磨損前后示意圖4.4 實(shí)際案例——反擊式破碎機(jī)錘頭耐磨性偏低分析錘頭采用ZGM13材料鑄造而成，經(jīng)過(guò)水韌處理后使用。這種材料及處理工藝是成熟的工藝，使用多年反映良好。高錳鋼是一種典型的耐磨鋼，有高耐磨性能的原因如下：（1）高錳鋼的加工硬化。加工硬化是高錳鋼的重要特征。鑄態(tài)高錳鋼經(jīng)水韌處理后形成單相奧氏體組織，該組織硬度僅為170～230HB。但是經(jīng)過(guò)形變后奧氏體高錳鋼的形變層內(nèi)表現(xiàn)出顯著的加工硬化現(xiàn)象，變形層的硬度可以達(dá)到500～800HB。（2）高錳鋼的形變誘發(fā)馬氏體相變。經(jīng)過(guò)水韌處理之后的高錳鋼中的奧氏體具有向馬氏體轉(zhuǎn)化的相變驅(qū)動(dòng)能和相變可能性。高錳鋼由于含有較多穩(wěn)定奧氏體的元素Mn，因此馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)低于室溫，即使經(jīng)加熱和水冷，都因相變驅(qū)動(dòng)能不夠，不能發(fā)生馬氏體相變。在承受沖擊或壓力的工作狀態(tài)下，表層奧氏體晶粒將在切應(yīng)力分量作用下產(chǎn)生滑移導(dǎo)致塑性變形，這個(gè)過(guò)程同時(shí)促使奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變。切應(yīng)力在產(chǎn)生滑移變形時(shí)，不斷做機(jī)械功，當(dāng)這種機(jī)械功與化學(xué)驅(qū)動(dòng)能之和等于或大于馬氏體相變阻力所需的相變驅(qū)動(dòng)能時(shí)，就會(huì)發(fā)生馬氏體相變，形成加工硬化層和馬氏體層。4.4 實(shí)際案例——反擊式破碎機(jī)錘頭耐磨性偏低分析正是由于上述原理，高錳鋼是反擊式破碎機(jī)最常用的錘頭材料。對(duì)錘頭的技術(shù)要求是：（1）鑄件不得有氣孔、裂紋等鑄造缺陷；（2）各件質(zhì)量相同，質(zhì)量差不大于0.1kg；（3）水韌處理后HB179～229；（4）質(zhì)量：5.01kg。某企業(yè)利用煤礦中的廢料煤矸石制備建筑用磚，采用這種反擊式破碎機(jī)破碎煤矸石。但是使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)錘頭的耐磨性非常低，遠(yuǎn)低于設(shè)備說(shuō)明書(shū)中提供的壽命。有的能使用幾個(gè)班，有的甚至只能使用幾個(gè)小時(shí)。導(dǎo)致頻繁更換錘頭，不但增加生產(chǎn)成本，同時(shí)由于換錘頭浪費(fèi)大量的時(shí)間，極大影響生產(chǎn)率。該企業(yè)為解決耐磨性偏低問(wèn)題，購(gòu)買多個(gè)廠家生產(chǎn)的Mn13鋼錘頭進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)論是耐磨性能均相差不多，遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到要求的壽命。要求分析錘頭耐磨性偏低的原因，同時(shí)找到解決問(wèn)題的方法。4.4 實(shí)際案例——反擊式破碎機(jī)錘頭耐磨性偏低分析試驗(yàn)方法（1）采用SEM觀察使用過(guò)的錘頭表面的磨痕形狀，判斷磨損機(jī)理。（2）采用金相顯微鏡觀察使用過(guò)的錘頭表面的金相組織。（3）測(cè)定使用過(guò)的錘頭表面的硬度。試驗(yàn)結(jié)果與磨損機(jī)理分析選取使用過(guò)的錘頭，

在磨損面處與心部取樣，在金相顯微鏡下觀察其組織，見(jiàn)圖錘頭表面金相照片（100×）錘頭心部金相照片（100×）4.4 實(shí)際案例——反擊式破碎機(jī)錘頭耐磨性偏低分析對(duì)比錘頭表面和心部的金相組織照片可以得到如下結(jié)論：表面應(yīng)該出現(xiàn)馬氏體組織及加工硬化的組織并沒(méi)有出現(xiàn)，錘頭表面與心部組織沒(méi)有明顯變化。說(shuō)明在服役條件下，沒(méi)有形成足夠的加工硬化層與足夠的馬氏體，組織仍然是奧氏體。顯然奧氏體的硬度不能夠滿足工作條件對(duì)硬度方面的要求。表明Mn13錘頭在該企業(yè)特殊的工作環(huán)境下，無(wú)法發(fā)揮其潛在耐磨性。從表面到心部硬度的測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖。使用過(guò)的錘頭表面到心部的硬度測(cè)定結(jié)果4.4 實(shí)際案例——反擊式破碎機(jī)錘頭耐磨性偏低分析與金相組織分析對(duì)應(yīng)，表面到心部硬度沒(méi)有明顯變化。最高硬度值不超過(guò)HB260，遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到高錳鋼硬化層的硬度HB800～500。觀察Mn13錘頭其表面磨痕形貌見(jiàn)圖。Mn13錘頭表面磨痕的SEM圖像4.4 實(shí)際案例——反擊式破碎機(jī)錘頭耐磨性偏低分析從圖中可以看出，磨痕表面有溝槽與犁溝，說(shuō)明Mn13錘頭在服役環(huán)境下是典型的磨料磨損機(jī)理。磨料磨損根據(jù)力的作用特點(diǎn)一般可以分為以下三種：1）鑿削式磨料磨損由于磨料對(duì)材料表面進(jìn)行高應(yīng)力碰撞，從材料表面鑿削出顆粒狀的金屬，被磨表面形成很深的犁溝。2）高應(yīng)力碾碎式磨料磨損當(dāng)磨料與材料表面之間的接觸壓應(yīng)力大于磨料的壓潰強(qiáng)度時(shí)，一般金屬材料表面被拉傷，韌性材料產(chǎn)生塑性變形或疲勞，脆性材料則發(fā)生碎裂或剝落。3）低應(yīng)力擦傷式磨料磨損當(dāng)磨料與材料表面之間的作用力小于磨料的壓潰強(qiáng)度時(shí)，材料表面只發(fā)生微小的劃痕。從照片可見(jiàn)該錘頭應(yīng)為鑿削式磨料磨損。硬度是材料耐磨性的重要因素。4.4 實(shí)際案例——反擊式破碎機(jī)錘頭耐磨性偏低分析材料淬火溫度/°C淬火保溫時(shí)間/min淬火介質(zhì)回火溫度/°C回火時(shí)間/min42CrMo85030水淬200404.

錘頭材料選擇與熱處理工藝制定為提高耐磨性能必須提高硬度，可以考慮采用高碳合金鋼與中碳合金鋼制作錘頭材料。采用高碳合金鋼硬度很高，但是由于韌性差有發(fā)生脆斷的風(fēng)險(xiǎn)，所以采用中碳合金鋼制作錘頭，經(jīng)過(guò)成本、加工等多方面因素考慮選擇42CrMo材料。42CrMo材料制備的零件通常采用調(diào)質(zhì)處理，但是在制作錘頭時(shí)采用低溫回火工藝，見(jiàn)表。42CrMo錘頭熱