浅谈金属材料耐磨性的研究进展

　　摘要：金属材料是一种历史悠久发展成熟的工程材料,对金属材料的干滑动摩擦磨损及电接触滑动摩擦磨损的影响因素进行了研究，并概述了国内外耐磨金属材料领域研究开发的现状及取得的一系列新进展。
　　关键词：金属材料；耐磨；发展
　　一、金属材料分类及机械性能
　　（1）金属材料的分类。金属材料的基本元素是金属。笼统地说，金属材料具有高强度、优良的塑性和韧性，耐热、耐寒，可铸造、锻造、冲压和焊接，还有良好的导电性、导热性和铁磁性，因此是一切工业和现代科学技术中最重要的材料。金属材料按冶金工业可分为两大类：黑色金属和有色金属。
　　（2）金属材料的机械性能。金属材料的性能一般分为工艺性能和使用性能两类。所谓工艺性能是指机械零件在加工制造过程中，金属材料在所定的冷、热加工条件下表现出来的性能。金属材料工艺性能的好坏，决定了它在制造过程中加工成形的适应能力。由于加工条件不同，要求的工艺性能也就不同，如铸造性能、可焊性、可锻性、热处理性能、切削加工性等。所谓使用性能是指机械零件在使用条件下，金属材料表现出来的性能，它包括机械性能、物理性能、化学性能等。金属材料使用性能的好坏，决定了它的使用范围与使用寿命。
　　二、干滑动摩擦磨损对金属材料的摩擦磨损
　　干滑动摩擦磨损是一种特殊的摩擦磨损形式。摩擦副材料具有高的耐磨性、高而稳定的摩擦系数，较高的力学性能及优良的其他使用性能。在摩擦初期，摩擦面附近的温度梯度很大，而远离摩擦面处温度低，同时温度梯度较小。干滑动摩擦条件下,摩擦副的摩擦表面由于摩擦热的介入，处于非常高的温度。
　　材料的干摩擦行为中，摩擦系数的高低与摩擦过程中所发生的3种现象有关：滑动表面光滑区域的粘着；磨粒和硬质粗糙对对偶面造成的犁削；粗糙表面的变形。对于不同的滑动条件、摩擦副材料和工作环境，三种过程对摩擦系数的影响是不同的。一般来说，犁削和粗糙表面的变形对总的摩擦系数的影响要比粘着的影响大。当受电弓滑板工作在粉尘、风沙较大条件时，砂粒等硬颗粒附着在滑板或导线上进入接触面，将导致磨粒磨损的产生。磨粒对表面产生犁沟作用或称微切削、划伤表面；磨粒压入表面，因挤压作用使表面材料塑性变形而脆化，从而在滑动时形成鳞片状的剥落屑。影响材料干滑动摩擦磨损行为的因素有：
　　（1）载荷的影响。载荷对复合材料的磨损特性有很大的影响，载荷的增加使摩擦生热显著增加，使基体有蠕变软化的趋势，有利于微裂纹的扩展。同时，载荷增大易于发生严重粘着磨损，磨损量增加。在摩擦过程中，载荷作用下基体次表层的塑性变形，使位错滑移和聚集，产生了许多空位和微裂纹，使表层组织变的疏松，结构发生软化。软化层的形成将严重削弱合金的耐磨性。
　　（2）速度的影响。滑动速度对干滑动摩擦磨损的影响也较大。在小于1.2m/s的滑动速度下，磨损机制被描述为疲劳磨损，相应的表面出现裂纹，磨损碎片很小。摩擦表层覆盖一层摩擦层，在这样的低滑动速度下，增强物对磨损率的影响不明显，在高的滑动速度下，磨损过程发生转变，这与摩擦层的破裂有关。随着滑动速度向临界速度的增加，磨损率降低。这一临界速度取决于施加载荷、热扩散系数和磨损表面的硬度。
　　（3）温度场的影响。影响摩擦温度场的主要因素为摩擦条件与摩擦副材料。随着摩擦速度与接触正压力乘积的增大，表面温度与温度梯度直线上升。因此，在干滑动摩擦条件下，摩擦热所引起的摩擦温度场是影响摩擦学行为的主要因素之一。
　　三、耐磨金属材料的最新研究进展
　　（1）高锰钢。高锰钢使用状态的组织为奥氏体，具有良好的韧性和加工硬化能力。即在强烈的冲击载荷或挤压载荷下，受力表面被加工硬化，硬度可从原始的200HB左右提高到500HB以上，而心部仍保持着良好的韧性。高锰钢的这种建筑在加工硬化基础上的耐磨性能使它的使用受到限制，因此要扩大高锰钢的应用范围，必须对其进行改进性研究，进一步提高其耐磨性。目前，在高锰钢研究方面取得的新进展主要有：
　　①采用合金化的方法，添加Cr、Mo引起固溶强化，加入钛形成碳化钛，可引起弥散强化，并能细化结晶组织，最终达到强化基体，提高其耐磨性和屈服强度的目的。工艺方面，采用铸后利用余热淬化的手段来替代传统上使用加热再进行水韧处理的方法，不但能简化工艺、节约能源、缩短生产周期，而且经济效益显著。
　　②在轧制工艺方面，用深度轧制的方法对高锰钢进行预变形表面硬化处理，并分析和研究了其组织演变及性能变化。试验表明，经深度冷轧的高锰钢随着形变量的增加，其耐磨料磨损性能也随之增加。这是因为深度冷轧的高锰钢表面形成的高密度位错及孪晶组织，晶粒明显细化，改善了铸造高锰钢产生的各项异性、气孔等缺陷，能有效阻止磨粒造成的磨损表面的脆性剥落。
　　（2）变质中锰耐磨钢。在磨损冲击功较小的情况下，中锰钢的耐磨性优于高锰钢的耐磨性。但在实际应用中，中锰钢在铸造和热处理的过程中易产生热裂，使铸件的成品率很低，且安全可靠性差。近十几年来，在中锰耐磨钢研究方面，人们采用变质处理的方法，即向中锰钢中加入作为复合变质剂的Cr、Nb、Mg和稀土等元素，来改善显微组织与碳化物的形态和分布，取得了良好的效果。这主要是因为复合变质剂的加入能显著地提高材料的力学性能和位错密度，如稀土可净化钢液，使钢中夹杂物数量减少；而Cr、Mg等能促进碳化物球化，增强稀土吸附及稀土夹杂物与碳化物的非均质晶核的作用，同时也能阻止夹杂物、碳化物进一步长大，使其组织明显细化，成分偏析减小，从而使变质中锰钢韧性得到明显改善，耐磨性能显著提高。
　　
　　参考文献：
　　［1］张永振.铸铁的干滑动摩擦磨损［J］.现代铸造，2000，（2）.
　　［2］谢贤清.铸造法制备Tic/AZ43复合材料连续润滑摩擦行为研究［J］.航空材料学报，2000，（4）.