激光合金化工艺提高不锈钢轴耐磨性的研究.pdf

《激光合金化工艺提高不锈钢轴耐磨性的研究.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《激光合金化工艺提高不锈钢轴耐磨性的研究.pdf（56页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、大连理工大学 硕士学位论文 激光合金化工艺提高不锈钢轴耐磨性的研究 姓名：邵俊荣 申请学位级别：硕士 专业：机械工程 指导教师：王殿龙;章瑞平 20061201 大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 轴类部件的磨损失效是现代工业生产中经常遇到的问题。巨化集团公司电化厂用于 生产偏二氯乙烯( V 1 ) C ) 单体装置中的皂化泵不锈钢泵轴的磨损破坏，会带来较大的经济 损失与危害同时，这些轴大都价格较昂贵，且检修更换泵轴也较麻烦，影响了装置的 正常运行，因此提高轴饽局部表面的耐磨性能，延长其使用寿命是当务之急本文从不 锈钢轴件的磨损失效机理出发，研究轴件与高能量密度的c O ：激光的相互作用，

2、通过对激 光合金化的合金化材料和工艺参数进行优化设计，提高不锈钢轴件表面的硬度，提高其 耐磨性。由于影响激光合金化宏观和微观质量的因素很多，本文重点研究了预涂合金层 厚度、大面积合金化搭接率等主要因素对合金化质量的影响，通过显微硬度测试、金相 显微组织观察、能谱分析以及磨损对比试验、耐腐蚀试验对合金化质量进行定性、定量 分析，从而确定出最佳的激光合金化工艺参数，达到显著提高不锈钢轴件表面耐磨性的 目的实验结果表明，对不锈钢轴件进行激光合金化处理后，合金化层与基体形成了牢 固的冶金结合，工件表面平均硬度由原来的 N 1 9 1 提高到I - I V 8 2 0 ，轴件的耐磨性提高了七 倍，装机试

3、验结果表明，经激光强化处理的轴件使用寿命初步估计至少提高了三倍以上， 取得了明显的经济效益和社会效益。 关键词：不锈钢泵轴：磨损失效：激光合金化；耐磨性 激光合金化工艺提高不锈钢轴耐磨性的研究 S t u d yO nI m p r o v i n g t h eW e a r - r e s i s t a n c eb yt h eL a s e r A l l o y i n g P r o c e s s i n gf o r t h eS t a i n l e s sS t e e lP u m pS h a f t A b s t r a c t 豇蝣w e a rf 毯l u

4、r eo f s h a f t si so 盘o c c u r r e di nm o d e mi n d u s t r yp r o d u c t i o n 1 1 埠w e a r - o u t f a i l u r eo fs t a i n l e s ss t e e ls o a pp u m p 触u s e di nm o n o m e ri n s t a l l a t i o np r o d u c i n gp a r t i a l d i c h l o r e t h y l e n ei nJ u h u aG r o u pL t d E

5、l e c t r i z a t i o nF a c t o r y 。w i l lc a u s ed r a m a t i c , o n o m i c l o s s e sa n dd a n g e r A tt h es a m et i m e , t h ep r i c eo f t h es h a f t si sv e r yh i g h ，a n dt h et r o u b l e s o m e o fr e p l a c i n gp u m ps h 2 l f w i l li n f l u e n c et h ee q u i p m

6、e n t s r u n n i n g , i ti su r g e n ta n di m p o r t a n tt o l e n g t h e ni t s8 e I W i c el i f e B a s e dO i lt h em e c h a n i s mo f w e a rf a i l u r eo ns t a i B l e s ss t e e ls h a f t s ，t h i s p a p e rs t u d i e dt h ei n t e r a c t i o no f s h a t 脑a n dh i g he n e r g

7、 yd e n s i t yC 0 2l a s e r T h r o u g ho p t i m u m d e s i g n i n go fa l l o y i n gm a t e r i a la n dp r o c e s s i n gp a r a m e t e r sd u r i n gl a s e ra l l o y i n g ，t h eh a r d n e s s a n dw e a r - r e s i s t a n c eo fs t a i n l e s ss t e e lw e T ea d v a n c e d T h o

8、u g ht h e r ea r em a n yf a c t sa f f e c t i n g t h eq u a l i t yo f l 越e ra l l o y i n g , t h i sp a p e re m p h a s i z e d 缸s o m em a i nf a c t o r ss u c ha st h et h i c k n e s s o fp r e - c o a t e da l l o y , o v e r l a p p i n gc o e f f i c i e n t , l a s e rp o w e ra n ds

9、c a n n i n gr a t e T h eq u a l i t a t i v e a n a l y s i sa n dq u a n t i t a t i v ea n a l y s i sO nl a s e ra l l o y i n gq u a l i t yW C l ep e r f o r m e db ym i c r o - h a r d n e s s t e s t i n g , m e t a U o g r a p h i c a lc o r r o s i o n - r e s i s t i n go b s e r v a t i

10、 o n , e n e r g ys p e c t r u ma n a l y s i s ，w e a r c o n t r a s tt e s t , a n dt h e ng o tt h eo p t i m u mp r o c e s s i n gp a r a m e t e r so fl a s e ra l l o y i n g ，f i n a l l y r e a c h e dt h ea i mo fg r e a t l ya d v a n c i n gt h ew e a r - r e s i s t a n c eo fs t a i

11、n l e s ss t e e ls h a f t s T h er e s u l t s h o w e dt h a ta l t e rl a s e ra l l o y i n gO n $ t s i n l e S Ss t e e l ，as o l i dm e t a l l u r g yb o n d i n gW a sf o r m e d b f t w t 煳l la l l o y i n gl a y e ra n dt h eo r i g i n a l 姗m a t e r i a l t h es u r f a c eh a r d n e

12、s si n c r e a s e df r o m o r i g i n a lH V l 9 lt oH V 8 2 0 a n dt h ew e a r - r e s i s t a n c eo fs h a f t sw a si m p r o v e dO V f f fS e V e nt i m e s 1 1 “ f i e l dt e s tr e s u l ts h o w e dt h a tt h es e r v i c el i f eo f s h a f t sa f t e rl a s e ra l l o y i n gW a sp r e

13、 l i m i n a r i l y e s t i m a t e dt 0i n c r e a s i n go v e rt h r e et i m e sa ll e a s t a n dt h ee c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t so ft h i s t e c h n o l o g ya r ei ne v i d e n c e K e y w o r d s ：S t a i n l e s ss t e e lp u m ps h a f t ；W e a r - o u tf a i l u r e ；L

14、 a s e ra l l o y i n gp r o c e s s i n g ； W e a r - r e s i s t a l i c e 一I l 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签 期：幽! 盟：。烙 学 ， _ 名 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用

15、授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：至堕 导师签名：j 二乡敬d 导师签名：= 圭二j 苎望坠垡 理至年旦月立日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 引言 磨损是轴类零件的主要失效方式之一，巨化股份公司电化厂用于生产偏二氯乙烯 f w c ) 单体装置中的皂化泵不锈钢泵轴的磨损方式主要是粘着磨损和腐蚀磨损

16、。本文从 不锈钢轴件的磨损失效机理出发，研究轴件与高能量密度的c 0 2 激光的相互作用，通过 对激光合金化的合金化材料和工艺参数进行优化设计，提高不锈钢轴件局部表面的硬 度，提高其耐磨性。 由于泵轴的激光强化处理面较大，因此在进行激光合金化时，必须采用多道搭接技 术。多道搭接时，因其每个相邻扫描带的结合处，存在一个二次扫描区，致使搭接层的 组织和性能在整体上呈现一种宏观的周期性变化。因此搭接系数的选择和优化是影响搭 接层宏观质量的关键因素，而目前尚无对激光合金化的搭接率的系统研究，本文着重研 究了不同的搭接率对合金化层质量的影响。 影响激光合金化宏观和微观质量的因素很多，本文重点研究了预涂合

17、金层厚度、搭 接率、激光功率，扫描速度等对合金化质量的影响，通过显微硬度测试、金相显微组织 观察、磨损对比试验以及耐腐蚀试验，对合金化质量进行定性、定量分析，从而确定出 最佳的激光合金化工艺参数，达到显著提高不锈钢轴件局部表面耐磨性的目的。 激光合金化工艺提高不锈钢轴耐磨性的研究 1 绪论 1 1 不锈钢轴件失效分析 巨化股份公司电化厂是全国偏二氯乙烯单体( V D C ) 最大的生产厂家，年产V D C2 万 吨。V D C 单体是重要的化工原料，产品链相当丰富，以V D C 单体为主要原料的聚合 纫一一聚偏二氯乙烯树脂( P V D C ) 是国际公认的三大高阻隔材料之一，产品广泛用于军

18、工、食品、医药等产品的包装上V D C 单体的生产工艺路线如图1 1 所示。 图1 1V D C 单体生产工艺线路 F i g1 1v I ) cB o n o c a c ep r o d u c t i o nt e c h n i q u el i n e 皂化泵是V D C 单体生产装鼍中的关键设备。电化厂V D C 单体生产装置现有皂化系 统3 套，每套皂化系统的生产能力年均约7 0 0 0 吨，每套系统的日均生产能力约为2 1 吨， 即单套系统每小时的产量约为0 8 8 吨，更换泵轴从停车清洗到检修结束一般需8 小时， 那么检修一次损失产量7 吨左右，产值近7 万元。因此该设备运行

19、的好坏直接关系到 V D C 单体的产量和生产成本，故提高皂化泵的使用寿命显得非常重要。从多年的实际 使用情况来看，皂化泵轴与阻隔泵机封冷却水用橡胶骨架密封圈之间的磨损是造成泵轴 损坏检修韵主要原因。本文研究的就是如何提高泵轴的耐磨性以延长泵的使用寿命，以 取得较好的经济效益 根据生产工艺的要求，皂化泵电机功率为4 5 K W ，转速2 9 6 0 r r a i n ，连续2 4 小时不 间断运行皂化泵轴目前使用不锈钢材质，具体型号为3 0 4 不锈钢。皂化泵的作用有两 个，一个是输送介质，另一个是使介质混和均匀以保证反应充分，泵所输送的介质为盐 水、少量氯化液等的混合物，呈碱性，温度为7

20、2 士0 5 0 c ，具有一定的腐蚀性。 泵的机封用冷却液为自来水，温度2 0 左右，里中性。阻隔冷却液的骨架密封圈材 质为工业橡胶。正常运行情况下，冷却液呈中性，当设备运行一段时间后，机封多少存 在一些盐水泄漏，因此，在皂化泵运行的大多数情况下，冷却液的P H 值一般为7 至8 ， 呈微碱性。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 皂化泵轴的失效主要是由于骨架密封圈与泵轴之间长时间的磨损使泵轴产生凹坑， 进而使机封冷却水大量外泄造成环境的破坏，同时也使得机封冷却水不能保证而加快机 封的损坏，因此泵轴的磨损危害性是比较大的巨化股份公司电化厂是一家经济效益和 社会效益均较好的企业，长期以来一直致力

21、于创建和保持无泄漏工厂和花园式称号，对 介质的泄漏要求非常之严格，因此对于皂化泵轴的机封处的泄漏量是严格限制的，超过 规定的泄漏量必须停车检修整改。皂化泵在实际运行过程中，泵轴和骨架密封圈都会由 于相互磨损而造成停车检修，但从检修的角度来讲，由于离心泵的结构特点，更换骨架 密封圈比更换泵轴方便快捷许多，损失产量也小得多，因此，通过提高泵轴的耐磨性来 延长泵的使用寿命更显得经济可行。 1 2 磨损机理分析 磨损是偶合件之间由于摩擦力以及与摩擦力有关的介质、温度等的作用使表面发生 损伤导致材料流失的过程。磨损是材料三种主要失效形式之一，对零部件的寿命、可靠 性有很大的影响，它所造成的经济损失是十分

22、巨大的。如美国1 9 8 1 年公布的数字，每 年由于磨损而造成的损失高达1 0 0 0 亿美元，其中材料消耗约为2 0 0 亿美元，相当于材 料年产量的7 ，前苏联由于磨损造成的损失，每年约为1 2 0 1 4 0 亿卢布。目前我国尚 缺乏全面的统计数字，但各方面的报导表明，由于材料耐磨性较差，我国大量基础零件 的磨损寿命普遍大幅度低于国外先进产品的水平。因此直接间接的经济损失也是十分惊 人的仅就冶金矿山、农机、煤炭、电力和建材五个工业部门不完全的统计，每年仅由 于磨料磨损而需要补充的备件就达1 0 0 万吨钢材，相当于1 5 - 2 0 亿元。又如机械工业每 年所用的钢材，约有一半是消耗在

23、备件的生产上，而备件中的大部分是由于磨损寿命不 高而失效的，如约4 0 的农机具备件是由于磨料磨损消耗的，约3 0 的锅炉钢管是由于 腐蚀磨损失效的田。 近年来我国各行业己陆续进口了高达1 0 0 0 亿美元的机械设备，由于零件磨损，每 年需要补充的备件约需数亿美元去购买，这对我国是个沉重的负担。为了节约这项外汇， 必须解决进口设备中零件的国产化及磨损零件的强化、修复问题。另外由于零件磨损寿 命不高而造成的设备停产，机械产品质量差效率低，在国际市场上缺乏竞争力等等间接 损失也是十分惊人的。可见材料磨损问题的重要性是十分突出的，它在国民经济发展中 占有举足轻重的地位。 磨损，是在一个物体与另一个

24、固体的、液体的或气体的对偶件发生接触和相对运动 中，由于机械作用而造成的表面材料不断损失的过程。 激光合金化工艺提高不锈钢轴耐磨性的研究 摩擦学负荷：一个固体的、液体的或气体的对偶件通过接触和相对运动对另一物体 施加的负荷称为摩擦学负荷，以区别于引起物体( 主要是机械零件) 破坏和失效的其他 类负荷。 磨损的表现：磨损表现为松脱的细小颗粒( 磨屑) 的出现，以及表现为受摩擦学负 荷表面上材料性质( 化学的、物理的、金相组织的、机械工艺的) 和形状的( 形貌和尺 寸、粗糙度、表面层厚度) 变化。 磨损的作用：磨损通常是不希望出现的，即它是消极的、不利的。但在某些例外情 况下，例如在磨合过程中，磨

25、损也可能是有益的；加工过程可认为是创造价值的工艺过 程，此时虽然在刀具和工件表面之间也发生与磨损过程同样的摩擦学过程，但对于被加 工的工件来说，不能认为遭到磨损。 由磨损引起的材料损失的量称为磨损量，它的倒数称为耐磨性。对于耐磨性，常常 有人把它看作材料的固有性质一“耐磨强度”，这是一种误解。一个作为材料固有性质 的“耐磨强度”是不存在的。磨损或耐磨性是与很多因素有关的系统特性。对磨损过程 进行系统分析才是科学的研究和处理磨损问题的方法。 机械零件的磨损过程通常经历不同的磨损阶段p 4 】，直至失效。图1 2 给出了典型的磨 损特性曲线( 浴盆曲线) 。 兰 位 时 间 磨 损 量 磨 f 失

26、刈 蟮 稳定期 图1 2 磨损特性曲线 F i 9 1 2F r a yc h a r a c t c r i 鲥cc u r v e 时间 图1 2 中的纵坐标表示单位时间的磨损量，称磨损率。通常在磨合期内，磨损率比 较大，并是递降的。然后进入一个较长时间的稳定期，磨损率较小并保持不变。直至某 一点，斜率陡升，这预兆着磨损急剧增大，失效即将发生对于一些磨损过程，例如滚 大连理工大学专业学位硕士学位论文 动轴承或齿轮中发生的表面疲劳磨损，开始时磨损率可能为零，当工作时间达到一定数 值后，点蚀开始出现并迅速扩展，磨损率迅速上升，很快发展为大面积剥落和完全失效。 产生磨损的根本原因在于受摩擦学负荷

27、作用的物体与摩擦副系统中相关元素之间 发生的机械、物理和化学作用的结果。至于出现什么样的相互作用，取决于所有参与磨 损过程的各个元素的性质，如：运动类型、运动过程、法向载荷、速度、温度、表面特 性和负荷期限等。 目前人们公认的最重要的四种基本磨损类型( 机理) 是：粘着磨损、磨料磨损、疲劳 磨损和化学磨损。不同磨损类型有不同的磨损表面的外观表现，如表1 1 所示 袁1 1 不同磨损类型对应的表面外观 T a b l e1 1d i f f e r e n ts u r f a c ep r o f i l e sf o r4k i n d so f w e a r 磨损类型( 机理) 磨损表面

28、外观 粘着磨损 磨料磨损 疲劳磨损 摩擦化学磨损 锥刺、鳞尾、麻点 擦伤，沟纹，条痕 裂纹、点蚀 反应产物( 膜、微粒) ( 1 ) 粘着磨损 粘着磨损过程是在外力作用下，摩擦接触的表面间材料原子键的形成( 显微熔接) 和分离过程，外力作用下材料原子问的相互作用是主要的。 由于摩擦副之间真正的接触只发生在微凸体的微观接触面上，所有微观接触面的总 和构成的真实接触面积只是名义接触面积的一个很小部分，因此在真实接触面积内具有 很大接触应力。这些应力由于切向的相对运动还会强化，以致受到负荷作用的微凸体发 生弹性或塑性变形。这样，若表面上的吸附层和反应层遭到破坏，使暴露在表面的原子 键联结( 强短程表

29、面力的作用) 得到加强当摩擦副发生相对运动时，这种原子键又被 撕开，为此所需要的力及能量是粘着摩擦的起因。磨损的产生则是由于原子键联结并不 一定都在原始微观接触处断开，而有可能在摩擦副中较弱方的表面层附近断开，结果使 材料从摩擦副一方到另一方的转移，经常形成松脱的磨屑。 粘着磨损使摩擦副表面的几何形状发生变化，从光学显微镜下可以看到表面擦伤、 划伤、材料转移、咬死焊点和疲劳点蚀等磨损形态。 按照摩擦表面损伤程度可划分为五类粘着磨损，如表1 2 所示 激光合金化工艺提高不锈钢轴耐磨性的研究 表1 2 粘着磨损类型 T a b l e1 2t h es i t u a t i o no f t h

30、 eb o n d i n gw e a r 类型损坏现象损坏原因 剪切破坏发生在粘着结合面上，粘着结合强度比摩擦副的两基 轻微磨损 表面转移的材料较轻微本金属抗剪强度都弱 剪切破坏发生在离粘着结合面粘着结合强度大于较软金属的 涂抹 不远的较软金属浅层内，软金属抗剪强度，但小于较硬金属的抗 涂抹在硬金属表面上剪强度 剪切主要发生在较软金属的亚 表层内有是也发生在硬金属的 粘着结合强度比两基本金属的 擦伤 亚表层内：转移到硬金属上的粘 抗剪强度都高 着物又使软表面出现细而浅的 划痕，有时硬金属表面也有划伤 剪切破坏发生在摩擦服一方或 粘着结合强度比两基本金属的 划伤 双方金属较深处。表面呈现宽而

31、抗剪强度都高，切应力高于粘着 深的划痕结合强度 摩擦副之间发生严重粘着而不 粘着结合强度比两基本金属的 咬死 抗剪强度都高。而且粘着区域 能相对运动 大，切应力低于粘着结合强度 粘着磨损与其他磨损形式的很大不同在于，其他磨损形式一般都需要一些时间来扩 展或达到临界破坏值，而粘着磨损则发生的非常突然；这主要发生在滑动副或滚动副之 间没有润滑剂时，或期间油膜受到过大负荷或过高温度而破坏时严重时，机械系统中 运动零件的“咬死”将导致灾难性失效，如轴承抱死、剧烈磨损等。 简化的粘着磨损计算公式： = 置争 式中：w 。粘着磨损的体积磨损量； H 一摩擦副中较软一方的材料硬度； F N 法向载荷； r

32、滑动行程； K 磨损系数，按不同的滑动材料组合和不同的摩擦条件试验测得。 由此得到下面三条磨损定律： 大连理工大学专业学位硕士学位论文 材料磨损量与行程成正比； 材料磨损量与载荷成正比； 材料磨损量与较软材料的硬度成正比； 在采用上式时应注意其使用范围： 第定律可适用于多种条件。 第定律只适用于有限的载荷范围。实验证明，当压力不超过大约t - I B 3 ( 皿 钢的布氏硬度) 时，钢钢摩擦副的K 值接近常量，因而磨损率与载荷成正比；而超 过此压力后K 值急剧增大，因而磨损率也急剧增大结论是，在超过t - I B 3 的临界载荷 时就会发生大面积的严重粘着。对于其他金属，K 值开始增大时的平均

33、压力往往低于 如粥，也获得了同样的结果。实际上，在法向载荷下，临界载荷I - I B 3 是个别微凸体下 面的塑性区开始相互作用的压力，而当压力超过H B 3 时将使表面微凸体之闻呈现塑性 接触，因而真实接触面积不再与载荷成正比。当有切向力( 摩擦力) 存在时，法向压力 低于H B 3 也会发生这种情况。因此，设计中选择许用应力必须低于材料硬度的1 ，3 ，才 有可能减轻或不发生糙着磨损。 在名义压力不超过引起磨损系数K 急剧增大的临界值时，某些工作条件下的K 值见下表1 3 所示。 第定律也有局限性实际上，只有摩擦副双方是由相同的、而且不含合金的金属 组成时。才有可能按其硬度估计粘着磨损；如

34、果用的是合金或不同材料的摩擦副，则硬 度就不能反映它们的粘着系数、粘着磨损或粘着引起的咬死等情况1 5 ，6 1 要减少粘着磨损和确定磨损率，试验数据或经验数据是必需的。 激光合金化工艺提高不锈钢轴耐磨性的研究 表1 3 不同工作条件下的磨损系数K T a b I e1 3t h e w e a l “ c o e f f i c i e n t s u n d e r d i f f e r e n t c o n d i t i o n s 介质摩擦条件摩擦副材料 K 铜对铜 1 0 _ z 室温 低碳钢对低碳钢 1 0 4 洁净表面 不锈钢对不锈钢 l O 畸 铜对低碳钢 1 0 d 清

35、洁表 所有的金属 1 0 4 1 0 。 空 面 润滑不 气 所有的金属 l o - 1 0 I 良表面 润滑良 所有的金属 1 0 4 1 0 - 好表面 钢 1 0 - 1 磨料磨损 黄铜1 0 - 2 各种金属 l O 一2 二氧 载荷黄铜表面淬火钢 1 0 1 化 3 9 2 N 铜表面淬火钢 1 矿 速度3 c m s 碳 软钢表面淬火钢 l o - 室温 载荷黄铜表面淬火钢 1 0 _ 氮3 9 2 N 铜表面淬火钢 1 0 气 速度3 c s s 室温 软钢表面淬火钢 1 0 载荷 洁净面 1 0 4 9 8 N 不锈 P b O 薄膜面 1 0 真 速度 钢一 S n 薄膜面

36、1 0 呵 1 9 5 c m s A u 薄膜面1 0 。7 空不锈 室温 2 7 x l 矿 钢 g o S 2 薄膜面1 0 4 1 0 ” 6 7 X 1 0 8 ( 2 ) 磨料磨损 一8 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 磨料磨损是由硬颗粒或硬凸起引起的摩擦表面破坏，能分离出磨屑或形成划伤的过 程。 在形貌图上判断磨料磨损的主要依据是划痕，在这些划痕中往往还有微切削痕迹存 在；一些脆性材料上还会出现崩碎、颗粒一般认为磨料磨损有凿削式磨料磨损、磨 料浸蚀、高应力碾碎式磨料磨碎、低应力擦伤式磨料磨损和冲击浸蚀等类型。 为了对比不同材料的磨料磨损特性，规定了以下度量单位： 磨损量：w

37、 ； 耐磨性：c = 1 W ； 相对耐磨性：e 尸( 试样) ，e ( 标样) 磨料磨损不局限发生在某些材料中，这主要取决于配对件或中问磨粒的硬度，金属、 陶瓷或聚合物材料都有可能出现剧烈的磨料磨损。实际中，磨料磨损主要发生在采矿、 物料运输、农机或工程机械作业和原材料加工处理过程中若沙粒或尘粒进入零件副的 滑动面或滚动面上，则同样会发生严重的磨料磨损，如开式齿轮传动等。若磨属不能从 它形成的地方被润滑油带走并过滤掉，也会导致磨料磨损。 ( 3 ) 摩擦化学磨损 摩擦化学磨损是在摩擦促进作用下，摩擦副的一方或双方与中间物质或环境介质中 的某些成分发生化学或电化学的过程，有时也称为磨蚀磨损。可

38、进一步将其区分为氧化 磨损与特殊介质与特使介质磨蚀磨损两种基本类型。 摩擦学负荷、温度等都会使反应速度增大摩擦氧化形成的氧化铁层增长情况与低 温下氧化情况呈明显对照促使反应过程加快的原因是：阻碍反应的外边界层被“磨” 去，参与反应物质的输送得到加速。易起反应的表面积扩大，摩擦热使温度升高，塑性 变形过程引起晶格结构破坏，出现有自由键的的表面原子 摩擦化学反应形成的表面层的脆性随表面层厚度达到一临界值时就发生磨损，因此 这些表面层的脆性随后度的增加而增大。事实上，摩擦化学磨损的过程与某些添加剂通 过生成化学反应膜以防止以防止磨损的过程基本相同。二者的差别在于，化学生成物质 是保护表面防止磨损，还

39、是促使表面脱落。化学生成物质的形成速度与被磨掉速度之间 存在平衡问题，两者相对大小的不同，将产生不同的效果。因此，应根据使用条件合理 选择添加剂化学活性。在最佳活性条件下，既有效的防止了粘着，避免发生突然失效， 又不至于产生过度的摩擦化学磨损，使总的磨损最小。 摩擦化学磨损的典型形貌对于铁质材料，常常用肉眼就可以辨认出红棕色或黑色的 覆盖层；如用光学显微镜则可看得更清晰。这种覆盖层由a - F e 2 0 3 和F e 3 0 4 构成。若希 激光合金化工艺提高不锈钢轴耐磨性的研究 望起保护作用并降低磨损，则主要是形成结合强度高的反应层。如果表面上出现一定密 度的松脱颗粒，若它们起着磨料的作用

40、，就可能使磨损量上升 摩擦化学磨损是微动磨损的一个局部过程，但它并不是这种损坏的唯一原因。摩擦 化学磨损主要发生在金属材料表面。即使是耐磨蚀的钢，如果其防锈的钝化膜在摩擦作 用下被磨掉，也避免不了要发生磨蚀磨损陶瓷和聚合物材料，发生摩擦化学磨损的可 能性很小【7 一 因为摩擦化学磨损的反应物会使滑动副的间隙减小或者完全被阻塞，以致滑动副的 相对运动受到阻滞，所以在实际工程中对摩擦化学磨损要特别小心。由于反应层会大大 降低导电性能，故在继电器中必须避免这种反应层。 ( 4 ) 接触疲劳 摩擦副表面微凸体之间的反复作用，使得材料微体积受循环接触应力和重复变形， 导致裂纹的产生和扩展，分离出微片或颗

41、粒的磨损成为疲劳磨损。 由于摩擦学负荷通常与作用在表面上的机械应力有关，并且它的大小是随时间或位 置的不同而不断改变的，所以在很多磨损过程中都伴随有疲劳磨损。它表现为裂纹的逐 渐形成和扩展，最后在受摩擦学负荷的范围内脱落下一些颗粒状或片状磨屑，结果留下 一些麻点和坑穴。还有垂直与运动方向的横向裂纹，也表明有疲劳磨损发生。当有很多 裂纹同时扩展时，有可能产生磨屑。 表面疲劳裂纹的产生及其部位与接触处表面下方应力场的性质有关。静弹性接触的 赫芝理论表明，最大压应力发生在表面，而最大单向切应力则发生在表面下方深度为 Z m 处( 平行圆柱体的z m = O 7 8 8 , t 。卸3 p l n 。

42、) 。在滚动接触条件下，重要的应力参数 是最大交变切应力，它比最大单向切应力更接近于表面如果表面还承受相当大的摩擦 力，则这些切应力最大值的位置就变动而向表面区移动 当两个表面没有直接的固体接触，而是完全被一层的润滑油膜隔开时( 全膜润滑) ， 也存在着疲劳磨损的可能性。例如圆柱滚子副，当滚子之间有润滑油时，就产生一弹性 流体动力润滑油膜，在润滑油流出一侧( 出口) 会形成一个压力峰。当速度超出某一临界 值后压力峰值会超过赫芝压力。这与在静载荷条件下的压应力P 的分布情况大不相同 由剪应力等值线知，越向物体内部，材料应力就越小；而最大切应力T 。户0 3 6 p 。，正 处于表面附近处。 表1

43、 4 汇总了在计算滚动应力分布式必须考虑的一些附加影响因素，根据这些因素 对各向同性、均质、弹性、表面光滑的材料在于滚动接触情况下计算出来的名义接触应 力分布进行修正 大连理工大学专业学位硕士学位论文 表1 4 影响滚动应力分布的附加因素 T 曲l e1 4t h ea t t a c h e df a c t sa f f e c t e dt h ed i s t r i b u t i o no f r o l ls t r e s s 影响因素内容 氧化物和其他硬脆夹杂物，硫化物、碳化 物及其它二相颗粒，晶界、亚晶界、孪晶 表面层下应力增高 及其它位错点阵 表面性貌和纹理 残余应力 表

44、面能级 表面特征 微观结构 污染物 夹杂物及二相颗粒 刻痕及真假布氏压痕 沟槽及擦伤 腐蚀坑、锈斑、水蚀 表面缺陷 微动磨损损伤 打滑损伤 。线”接触几何形状的端部 接触几何形状的不连续性 接触区碎片 弹性挠曲 轴承零件的安装误差 轴承中载荷分布 内部间隙轴承调整 没有整体滑动 切向力 滚动加滑动 不仅滚动摩擦过程，滑动摩擦过程也可导致疲劳磨损。在研究滑动时微凸体接触点 表面下区域内的弹塑性应力场及可能的位错相互作用时，提出了一种“剥层磨损理论”， 它根据以下一系列过程来解释片状磨屑的产生： 表面下产生位错； 位错堆积； 形成空穴； 空穴汇合引起平行与表面的裂纹： 当裂纹达到某一临界长度时，就

45、产生片状磨屑。 所有材料都可能发生疲劳磨损。这种磨损是降低滚动轴承使用寿命的主要原因，当 它们由于疲劳磨损出现麻点时，其使用寿命即将终结。齿轮及凸轮挺杆摩擦副也可能 激光合金化工艺提高不锈钢轴耐磨性的研究 遭受疲劳磨损出现麻点而失效。在流体动力润滑的轴承中油膜能传递交变机械应力，因 此疲劳磨损也是其主要失效形式之一此外，在冲击负荷下也会出现疲劳磨损；表面疲 劳还是材料气蚀和流体浸蚀的主要损坏机理。 疲劳磨损通常要经过较长的潜伏期后才出现剥蚀或剥落的磨屑。通常在潜伏期里磨 损还达不到可测出的程度，而主要是通过组织变化以及裂纹形成和扩展为磨屑的形成做 准备。因而疲劳磨损采用有效寿命( 即开始正常工

46、作到出现磨屑分离的时间) 为其主要 衡量磨损程度的指标；有时也采用失重法测定的数据作为参考。 表面疲劳现象具有很强的随机性，在相同条件下同一批试件得到的疲劳寿命之间相 差很大。为了得到可靠的结论，相同条件下的试验批量必须大于1 0 ，并应按统计学方法 处理数据1 1 1 , 1 2 。 1 3 抗磨损研究现状 材料耐磨性是指某种材料在一定的摩擦条件下抵抗磨损的能力。提高材料的耐磨 性，一般从两方面着手；( 1 ) 研究开发新型耐磨材料；( 2 ) 热处理技术提高材料耐磨性。 对于巨化股份公司电化厂的皂化泵不锈钢轴，因工况需要，轴的材料选用不锈钢，因此 本文将重点研究通过热处理表面技术来提高其耐

47、磨性。 表面技术，即利用各种物理的、化学的或机械的工艺方法使材料表面获得特殊的成 分、组织与性能，以提高其耐磨抗蚀性能，延长其使用寿命，表面改性的特点在于： ( 1 ) 因为材料的磨损现象都发生在表面，使表面强化而不必整体改善材料，使材料 “物尽其用”，或作成保护层，防止材料的磨损，均可显著地节约材料 ( 2 ) 可使材料表面层获得作为整体材料很难，甚至无法褥到的特殊组分和结构，如 超细晶粒、非晶态、超饱和固溶体，多层结构等，其性能远非一般整体材料可比。 ( 3 ) 因为表面涂层很薄，涂层用材料很少，为了保证涂层的性能质量，可以采用贵 重稀缺元素而不会显著增加成本。 ( 4 ) 利用各种表面技

48、术不但可以制造性能优异的零部件产品，而且可以用于修复已 经磨损失效的零部件。 因此发展表面技术对于提高零部件的使用寿命和可靠性，改善机械设备的性能质 量，增强产品的竞争能力，解决引进设备零部件的修复及国产化问题，支持高技术和新 技术的发展，以及节约材料，节约能源等各方面都具有十分重要的意义近年来，各种 各样的表面改性技术的研究与开发异常活跃，发展非常迅速，在科技界成为令人瞩目的 一个新兴领域。 目前，用于提高材料耐磨性的表面改性方法主要有： 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 ) 表面化学热处理：渗碳、渗氮、渗硼等表面硬化技术；渗硫、氧化、磷化等表 面润化技术；以及这两种技术有机结合的复合化

49、学热处理工艺； 2 ) 镀层技术：电镀、电刷镀、复合镀和化学镀： 3 ) 堆焊及热喷涂： 4 ) 激光表面处理【9 ，1 0 】：激光相变硬化、激光表面熔凝、激光合金化、激光表面熔覆 等； 5 ) 气相沉积技术：化学气相沉积、物理气相沉积等。 本文重点研究的是激光表面合金化技术，利用这项技术有两方面的期望，一是提高 泵轴的耐磨性，二是在提高耐磨性的同时不降低轴的耐蚀性，从而可望明显提高皂化泵 轴的使用寿命，为企业创造效益。 激光合金化工艺提高不锈钢轴耐磨性的研究 2 激光合金化工艺提高耐磨性的技术 2 1 激光的特性 I 、方向性 激光是沿一定方向发射的一束很细的光束，光束的发散角很小。光束在几公里外， 扩展范围也不过几厘米，这样好的方向性是普通光源所无法达到的。可应用于测距，通 信和雷达等方面。 2 、亮度 由于激光的方向性好，能量在空间沿发射方向可高度集中，亮度比普通光源有极大 提高。另外，采用特殊措施的激光器，还可以积累能量，引