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1、第一部分 堆焊材料的磨损1.磨损的基本概念磨损是由摩擦引起的，在建材、冶金、矿山、电力、机械、国防以及航空、航天等等行业处处存在摩擦，处处都有磨损。材料磨损是两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、环境温度的作用使其发生形状、尺寸、组织和性能变化的过程。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。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
2、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。从原子与作用力分析，由于相互接触的两物体表面，其中一物体表面的原子能与另一物体表面的原子极靠近，甚至进入斥力场，在相对运动时，两表面分子就会产生能量损耗。在相对运动中将
3、有些原子进入斥力场，而有另一些原子将离开斥力场，其变化大小，决定于接触程度，而其定量数决定于统计学的相率。当两物体充分接近时，原子将被排斥而其自然的趋向是回到它原来的位置上去，然而这是个似乎不可能的假说，即原子可能被撞击出，并运动得足够远，以至进入相对表面上另一个原子场内，在这里得到新的平衡位置。也就是说原子可以从一个物体表面上被对面的另一个物体表面俘获去。按汤姆林逊的著作，这就是磨损的实质。不管如何定义磨损，材料的磨损必然包括三大要素：1、材料的表面特征；2、另一物质（液体、气体和固体）的接触特性，即接触方式、力的传递和表面变形等；3、相对运动。磨损是一个广泛的领域，可以说每一种磨损都有几种
4、性质不同、互不相关的机理存在，因此在分类上也常出现混乱现象。常见的分类方法见图所示。磨 损 分 类 图2.磨粒磨损的分类在这些类型的磨损中，磨料磨损最为普遍存在，约占各种磨损的 50%，粘着磨损次之，约占 15%，腐蚀磨损约占 8%。划伤式磨损又称低应力磨粒磨损，碾压式磨料磨损又称高应力磨粒磨损。辊压机和煤、立磨的表面磨损均属于高应力磨粒磨损范围。磨粒磨损按磨损表面的数量可分为两体磨损和三体磨损。两体磨损特点是硬质颗粒直接作用于被磨材料的表面上。三体磨损的特点是硬质颗粒处于两个被磨表面之间。显然辊压机和立磨的磨损属于三体磨损。磨粒磨损按金属硬度又可分为硬磨料磨损和软磨料磨损。硬磨料磨损条件是金
5、属表面硬度 Hm/磨料硬度 Ha0.8；软磨料磨损条件是金属表面硬度 Hm/磨料硬度 Ha0.8，在实际应用场合 Hm/Ha 远大于 1 的情况下，磨损仍然会发生。因此，我们可以知道辊压机和立磨的磨损显然属于软磨料磨损范围。3.磨粒磨损基本模型与原理3.1 磨粒磨损简化模型目前，普遍采用拉宾诺维奇（Rabinowicz）提出的磨粒磨损简化模型来讨论磨粒磨损问题。见下图 3-1，并导出定量计算公式。磨料磨损的简化模型模型计算假设条件：a 磨粒磨损中的磨料为圆锥体；b 被磨材料为不产生任何变形的刚体；c 磨损过程为滑动过程。磨粒在载荷 P的作用下，被压入较软的金属材料中，并在切向力作用下沿较软的金
6、属表面滑动距离为 L，犁出一道沟，其深度为 t。那么单位滑动距离磨损掉的金属材料体积，即被迁移的沟槽体积（阴影部分） ，用下式可以算出，即LtrtV21式中 V磨损掉的体积，mm 3； r 磨粒圆锥体的半径，mm ；t 磨粒压入金属材料的深度，mm；L滑动距离，mm。可以得出 V/L=rt因为磨料压入金属材料内的深度，取决于压力的大小和材料硬度的比值，所以t=rctg r2=P/H 代入上式式中 磨粒圆锥体夹角；P法向载荷， N；H金属材料的硬度,MPa；得到： V/L=P/Hctg令磨料磨损系数 K abr= ctg/则 V/L= K abrP/H V= Kabr HPL此式表明，在一定磨料
7、条件下，单位距离内磨损体积与外加载荷和滑动距离成正比，而与材料的硬度成反比，并且可以显然看出“”角越小，即磨粒越尖锐，磨损越严重。在上面的方程中的磨损系数 Kabr 为理论值，仅考虑到磨粒的形状系数，并且假定所有的磨料都参加切削、犁出的沟槽体积全部成为切屑。实际上，在磨损过程中所发生的现象是十分复杂的，包括外部载荷，施力情况，磨粒硬度、相对运动、迎角与环境以及材料的组织和性能等等，磨损系数应该是上面的几何因数 ctg/ 与比例常数的乘积，实际比例常数是在所有磨粒中能产生磨损碎屑的比例分数。对于三体磨损时，磨粒大约有 90%的时间处于滚动而不发生磨损，只有 10%的时间是在滑动并磨损表面。在辊压
8、机与立磨的比较中，辊压机的实际比例常数由于物料破碎后形成的磨粒尖角更加尖锐，磨损系数要大于立磨的比例常数，当物料中石英砂的比例（SiO 2）的比例高时，磨粒中能产生磨损碎屑的比例分数明显变大，因此磨料磨损系数大。这也就是含硅高的矿石和熟料更难磨，堆焊耐磨层磨损快的根本原因。3.2 磨粒磨损机理3.2.1 微观切削磨损机理磨粒在材料表面的作用力分为法向力和切向力两个分力。法向力使磨粒压入表面；切向力使磨粒向前推进，当磨粒形状与运动方向适当时，磨粒如同刀具一样，在表面进行切削而形成切屑。当然这种切屑的宽度和深度都很小，因此切削也很小，所以称之为微观切削。切削磨损占整个磨损的比例很大，但总的看切削的
9、概率不是很大。其原因是：a 磨粒形状较圆钝； b 在犁沟过程中磨粒的棱角不是棱边对着运动方向；c 磨粒和被磨表面之间的夹角（迎角）太小；d 表面材料塑性很高。在这种情况下，磨粒在表面滑过后，往往只能犁出一条沟来，而把材料推向两边和前面，不能切出切屑（即只发生塑性变形，而不产生切屑） 。特别是松散的磨粒，大致有 90%磨粒发生滚动接触，只能压出印痕，而形成犁沟的概率只有 10%，这样切削的可能性就更小了。所以说微观切削是一种常见的磨损机理，但是概率又是不大的机理。3.2.2 多次塑变磨损机理在磨粒磨损中，当磨粒滑过被磨材料表面时，除了切削以外，大部分把材料推向两边或边缘，这些材料的塑性变形很大，
10、但却没能脱离母体，在沟底及沟槽附近的材料也有较大的变形。对于那些未切削而堆积到两侧的塑性变形金属称为犁皱。受到随后的磨粒作用时，可能把已堆积的材料压平，也可能使已变形的沟底材料遭受再一次的犁皱变形，如此反复塑变，导致材料产生加工硬化或其他强化作用最终剥落而成为磨屑。这种形式的磨粒磨损在辊压机辊面、球磨机的磨球和衬板、颚式破碎机的齿板以及圆锥式破碎机的壁上所造成的磨损最具有典型性。当磨粒的硬度超过零件表面材料的硬度时，在冲击力的作用下，磨料压入材料表面，使材料发生塑性流动，形成凹坑及其周围的凸缘。当第二颗磨粒再压入凹坑及其周围的凸缘时，又重复发生塑性流动，如此反复塑性变形和加工硬化，终于使材料逐
11、渐硬化而脆性剥落以致成为切屑。从微观的角度看来，就是材料多次塑性变形引起材料的晶格畸变，当积累到一定程度，有些截面（当外力不变时）由于应力增长（或集中）而逐渐丧失塑性并转变为脆性状态，在冲击力的作用下裂断成磨屑。对于辊压机的辊面和大部分的磨粒磨损均属于多次塑变磨损。磨损表面图3.2.3 疲劳磨损机理疲劳磨损是由重复作用应力循环引起的一种特殊破坏形式，这种应力循环的应力幅不超过材料的弹性极限。疲劳磨损是因表面层微观组织受到周期载荷作用而产生的。其特征是材料在强化过程发展的同时，过程的速度主要取决于周围的介质及其对强化的作用。标准疲劳过程常有发展的潜伏期，在此期间内表面不出现任何破坏层，材料外部发
12、生硬化而不会发生亚微观破坏。当进一步发展时，在合金层表面出现硬化的滑移塑变层和裂纹。近年来发现材料在超过弹性极限的周期性重复应力作用下有破坏现象，称为低周疲劳磨损，扩大了疲劳磨损的概念。辊压机辊面的磨损有一部分应该划入疲劳磨损的范畴。从破坏后的工件表面来看，是很难区分疲劳磨损和多次塑变磨损的。他们的破坏形式和条件等都在不断地讨论之中。3.2.4 微观断裂磨损机理磨损时磨粒压入被磨表面而具有静压的压力状态，所以多数材料都会发生塑性变形。但有些材料尤其是脆性材料，可能是断裂机理占主要地位。当断裂发生时，压痕周围的材料都要被磨损剥落。脆性材料的压痕断裂，其外部条件决定于载荷大小、磨粒的形状和尺寸以及
13、周围环境等，其内部条件主要决定于材料的硬度和断裂韧性等。在磨损过程中，磨粒如果近似看成球形，当颗粒的曲率半径很小，常会变成弹-塑性变形，不会产生微观断裂磨损，当颗粒的曲率半径很大，即压头比较尖锐时，压痕未达到临界尺寸，不会发生断裂，产生多次塑变磨损和疲劳磨损，而这个临界尺寸随着材料硬度的降低和断裂韧性的提高而增大。环境对脆性断裂磨损有影响，在 SiO2 磨料作用下，若有水和酸性溶液存在，会使断裂增多。在软磨料磨损条件下，一般不会产生微观断裂磨损。3.3 辊压机及立磨磨损分析对于辊压机来说，其辊面除了保证耐磨以外，更多的是要考虑抗疲劳剥落能力（这在本文的后面会分析） ，因此辊压机辊面的材料必须有
14、好的塑韧性。辊压机的耐磨性主要是依靠条纹层来保证的。其磨损过程与立磨辊面和耐磨复合板的过程基本相似。对于以上工件来说，其破碎和承受的磨损物料主要是生料（石灰石，CaCO 3）及其高温煅烧后的熟料。前面提到辊压机和立磨的磨损都属于软磨料磨损。这是根据物料和耐磨表面硬度决定的。下表列出了相关的物料的硬度值，由于不同物料采用的硬度标准不同，根据对照表进行了换算，可能会略有偏差，但不会很大。物料 莫氏硬度 H显微硬度Hv（Kg/mm 2，载荷 100g）洛氏硬度HRc石灰石 3 172 -熟料 4.5-4.9 500-600 49-54石英（SiO 2） 7 1120 -刚玉（AI 2O3） 9 21
15、00 -辊压机耐磨层基体 5.1 615 56YSD-M 焊丝熔敷金属基体 5.5 742 62YSD-S（含Nb）焊丝熔敷金属基体6.2950（由于碳化物太小，无法完全打到基体）-YSD-145（含W、 Mo、V、Nb）焊丝熔敷金属基体7.11150（由于碳化物太小，无法完全打到基体）碳化铬Cr7C3 8.5 1500 -碳化铌NbC 9-9.4 2400 -碳化钒VC 9.4-9.6 2800 -碳化钨WC 9-9.4 2400 -碳化钼Mo2C 8.5-8.8 1700 -YSD-M 焊丝熔敷金属碳化物 8.5-8.6 1590-1780YSD-S 焊丝熔敷金属碳化物 8.9 1785-
16、2000YSD-145 焊丝熔敷金属碳化物8.8-9.2 1900-2290HRc 最大可以打到 68，相当于 Hv940；最小可以打到 20.5，相当于 Hv241附注：相关的硬度表示方法莫氏硬度 表 示 矿 物 硬 度 的 一 种 标 准 。 1812 年 由 德 国 矿 物 学家 莫 斯 (Frederich Mohs)首 先 提 出 。 应 用 划 痕 法 将 棱 锥 形 金 刚 钻针 刻 划 所 试 矿 物 的 表 面 而 发 生 划 痕 ， 用 测 得 的 划 痕 的 深 度 分 十 级来 表 示 硬 度 。 硬 度 值 并 非 绝 对 硬 度 值 ， 而 是 按 硬 度 的 顺 序 表 示 的值 。 测 定 矿 物 相 对 硬 度 的 10 种 标 准 矿 物 由 小 到 大 分 为
