机械设计中耐磨损材料的选择与应用

陈 绒

（广东科技学院，广东 东莞 523083）

1 机械零件磨损的分类

通常情况下，由于零件结合部摩擦面的磨损状态和机理的不同，我们把磨损分为腐蚀磨损、粘着磨损、磨粒磨损和疲劳磨损等几类。

（1）腐蚀磨损。我们都知道，空气中含有许多介质，而腐蚀磨损就是由于在零件结合部的摩擦过程当中，和空气环境中的介质产生了化学反应而在零件摩擦表面产生了腐蚀现象，造成了零件表面物质的脱落、转化，我们把这种磨损现象称为腐蚀磨损。

（2）粘着磨损。在零件结合部表面通常会粘合吸附膜，而在两个零件发生摩擦之后，由于贴合面不够平滑而造成吸附膜破裂，并且摩擦产生的高温会使其重塑融粘，并在零件摩擦表面形成凸起，降低摩擦表面的平滑度从而增大了摩擦力，造成摩擦面进一步的磨损，我们称之为粘着磨损。

（3）磨粒磨损。在零件的结合部摩擦面，由于多种原因使得摩擦表面出现硬质颗粒，使得摩擦表面受到其刮擦、切削等作用力而受到损害，引起其表面材质脱落，我们称此类磨损为磨粒磨损。

（4）疲劳磨损。零件结合部两摩擦面由于长期发生摩擦，所产生的高温和相互作用力使得摩擦接触面弯曲、变形，进一步增加摩擦面摩擦力，互相产生阻力造成摩擦接触面材质脱落、损坏的现象，我们称之为疲劳磨损。

从上文中我们可以看出磨损的类别各不相同，而造成这种区别的原因主要是由于环境、机械功能以及零件工作模式的不同，不同的磨损类型所要求的材料硬度也不尽相同，且在形状上的选择也更加能够减少摩擦所造成的零件磨损、破坏。所以在选择零件材料时，因考虑到这些外部和内部条件，选择材质最为合适的材料，以得到最好的优化材料对磨损的耐久度，提高机械工作效率和安全性。

2 耐磨损材料的选择与应用

机械工程零件的材料一般分为金属材料和非金属材料两种，其中金属材料又分为黑色金属，也就是钢铁材料以及有色金属和合金材料，统称为非铁金属材料。在对机械材料的选择上，首先要满足相应的耐磨要求，再兼顾其经济性和工艺性。

（1）马氏体不锈钢。马氏体不锈钢是用于耐磨材料中比较广泛的一种，其特点是高硬度、高韧性，一般都将此类材质的耐磨材料适用于有高硬度要求的机械零件表面中。而在我国应用的马氏体不锈钢中，高锰钢是比较常见的一种，该材质的优点在于其优良的抗压度和硬度，由于高锰钢拥有良好的韧性，尤其适合运用于冲击条件下的零件中作为耐磨材料使用，能够充分发挥其耐磨性，例如铁路道岔、挖掘机斗齿等方面，在高锰钢的强化机制方面，在高锰钢的工件表面一旦产生了小的塑性变形时，其内部组织中将会产生大量的层错，且随着形变增加，将会有孪晶在层错的基础之上产生，大量的孪晶形变使得全位错和不全位错在共格孪晶界面上受阻；而相对的再另一方面由于形变过程中所产生的大量C-M n原子对位错核心中的C-M n原子队中的C的重新取向锁住了位错，使得位错密度增加。最后形成硬度及高韧度的马氏体相变。

（2）铜、镍等有色金属。在耐磨材料的选择上，由于其磨损特点的不尽相同，所以除了在硬度和韧性方面的要求之外，某些特定的零件部位会要求使用材料具有抗腐蚀性以及耐热性较高的材质。而其中铜或铜合金以其超高的耐腐蚀性以及电导率，被广泛的运用于电气元件中，例如各式各样的电路元件、家庭用电线路等等方面都有着相当良好的表现。相比之下虽然镍的耐热度不及铜，但是其耐腐蚀性也相当高，加之具有相比而言更高的硬度，所以在泵柱塞轴、防冲蚀等机械部件上也能够发挥出良好的适应性。还有其他的一些有色金属例如钼是耐热盐酸的唯一金属材料，自溶合金具有固液强化、流动性好、粘度小等功能，能够有效消除气孔与基体形成牢固的冶金结合。

总之，在有色金属材料的选择上，由于不同材料的特质鲜明、优点各不相同，我们在选择上可以着重选择能够充分发挥优点、特质的材料，以达到最好的使用效果。

（3）陶瓷材料。陶瓷材料作为耐磨损材质被运用到机械零件中也是比较常见的，其优点突出：耐高温、耐磨性强、经济型强、使用寿命长等，而缺点主要是韧性和硬度方面并不是很好，所以通常来说陶瓷材料都会运用到一些不需要高强度工作的机械和零部件上去，例如阀门、阀杆等。

上文中大致介绍了3种耐磨材料：黑色金属（铁）、有色金属以及陶瓷这样的非金属材料，我们在机械设计中选择及应用这些材料时，应针对机械的工作特点、常规环境、特殊要求等方面来进行选择和应用，这以此为首要条件的基础上再去考虑经济性和工艺性。这是机械设计中对耐磨材料选择及应用的参考条件。

3 提高材质耐磨性的方法

将材料应用到机械零件中提高耐磨性的方法大致可分为3种：堆焊、焊接、热喷涂，我们在提高耐磨性的策略上，首先是做到根据实际要求合理的选择耐磨材料，并且对磨损性质进行分析，根据得出的结论选择合适的润滑方式；严格控制机械工作中的环境、介质、温度、流动速度等外部条件，以适应机械耐磨性的要求；或是对摩擦表面进行改性，例如对摩擦表面进行热处理或是表面加工硬化、还有P V D、C V D、渗碳、渗氮、离子注入、深冷处理、喷镀等等。下面我们详细介绍一下堆焊和热喷涂对耐磨性材料的选择和应用。

（1）堆焊。堆焊的作用是提高基表耐蚀性、耐磨性，而常用的堆焊合金主要有：铁基堆焊合金、镍基堆焊合金、钴基堆焊合金、铜基堆焊合金、复合堆焊合金以及喷焊用自熔型合金，所使用的材料一般有奥氏体类、马氏体类、珠光体类三种，三种材料的特点都很鲜明，奥氏体类奥氏体组织，对于某些具体的磨损因素有非常良好的耐磨性，例如13 M n，而马氏体类我们在之前有介绍过其优点是硬度很高，具有很好的耐磨性，珠光体的特点就在于其良好的韧性是比较突出的。

（2）热喷涂。热喷涂主要作用是将耐磨材料粉末喷涂于机械零件部件的表面以达到加强耐磨性以及修复磨损部位的作用，热喷涂所使用的材料繁多，无论是金属材、陶瓷还是复合型材质都可以使用，根据各种材料的特性来选择合适的材质进行喷涂，例如马氏体钢可以用于要求高硬度表面的机械零件的修复及加固，在周围介质中含有盐酸、稀硫酸、氯气、硫酸盐溶液等化学物时不宜使用，这种高腐蚀性坏境中我们就需要用到锌、铝及其合金这样的耐蚀性较高的材料来进行热喷涂工作。由于热喷涂的材料选择面非常广，所以我们在选择上就更加游刃有余，结合特定的需求和工艺性、经济性来选择热喷涂所使用的材料。