耐磨材料及耐磨处理工艺在地磅结构件制造中的应用前景分析

"本文作者通过多年对地磅结构件制作中的实践认识，并深入结合对金属材料 及其处理工艺的研究，展望了耐磨材料和耐磨处理工艺在地磅结构件制作中的应用前景。

前言

磨损是材料的三种主要失效形式之一，它所造 成的经济损失是十分巨大的。如美国1981年公布 的数字，每年由于磨损而造成的损失高达1000亿美 元，其中材料消耗占到200亿美元，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120-140亿卢布。在我国，仅冶金矿山、农机、煤炭、电力 和建材五个工业部门的统计数字，每年由于磨料磨 损而需要补充的备件就达100万吨钢材，相当于 10~20亿元人民币。

随着各行各业对计量的要求越来越广泛，地磅产品的应用前景也变得越来越开阔。近年来国家粮 食储备库项目、高速公路计重收费项目的广泛开展 和实施，地磅产品设计需要面对的使用要求和工作 环境也越来越复杂。如粮库项目中涉及到的定量包 装设备，要求地磅能实现准确计量的同时，应保证分 料仓、落料口、挡料板等部件的长期耐受粮食颗粒的 高速冲蚀磨损；高速公路计重收费系统，则要求系统 的计重元件和机械构件在接受车辆重载作用的同 时，承受来自动态车辆的粘着磨损冲击。

1.磨损机理

以下就地磅用金属材料构件最常见的几种磨损 形式，进行机理性的简述。

1.1 冲蚀磨损

冲蚀磨损是指材料受到小而松散的流动粒子冲 击时表面出现破坏的一类磨损形式。造成冲蚀的粒 子往往比较坚硬，但有些情况下如果流动速度较高， 即使是软粒子如水滴也会造成冲蚀。

冲蚀磨损的发生，主要是因为粒子冲击材料表 面，导致了粒子与材料之间的能量交换，或者说，两 者之间将出现能量再分配。入射粒子的形状与造成 材料压痕体积之间，经研究没有直接的关系。被冲击 的表面可能发生弹性变形，也可能发生塑性压痕，其 具体的形式，取决于粒子的入射速度和材料的流动 应力。该结论可通过锥形粒子正面冲击表面过程的 运动方程以及由此导出的粒子对表面的压入深度为：

上式不难看出：其一，入射粒子的初速与质量即 动能是造成压痕大小的重要因素；其二，材料自身较 高的屈服强度，有利于抵抗粒子的压入，尤其是抗正 面冲蚀能力强。

另外，入射粒子入射轨迹与表面的夹角即入射 角、体现冲蚀磨损潜伏期的冲蚀时间、会降低材料屈 服强度并同时增加入射粒子活性的环境温度、材料 表面平整和光洁程度都是影响材料抗冲蚀磨损的主 要因素。

针对此，可以从以下几个方面进行地磅结构件 设计中的冲蚀磨损控制：

（1）改善结构的设计，如尽可能以平滑过渡弯 管取代直角接头保证冲蚀粒子顺畅通过以减少冲蚀等；

（2）选择耐冲蚀材料；

（3）利用表面工艺提高结构的抗冲蚀性能；

（4）改变入射角减少冲蚀，如塑性材料尽可能避 免面对20-30。的粒子攻击，脆性材料避免粒子的垂直入射等。

非连续累计秤、定量包装秤的机械结构设计中， 需要仔细考虑上述因素，以提高整机设备的长期使 用稳定性。

1.2粘着磨损

两个相对滑动的表面在摩擦力的作用下，表面 层会发生塑性变形，表面的污染膜、氧化膜会发生破 裂，结果新鲜金属表面裸露出来，由于分子力的作用 使两个表面发生焊合。如果外力能克服焊合点的结 合力，相对滑动的表面可以继续运动。若剪切发生 在原来的接触表面上，表面不会发生磨损，但若剪切 发生在强度较低的金属一方，强度较高的材料表面 将粘附对摩件的金属。而且在后续的重复摩擦过程 中，软金属粘附物将辗转于对摩件的表面之间，这种 金属转移、连续滑动的结果，容易造成磨屑的产生。

衡器构件中，地磅台面垫板与传感器承载压头间、轨道衡钢轨平面与刹车车轮间的磨损失效形 式都属于该类磨损。

材料间的粘着磨损，关键取决于形成摩擦副的 两材料间摩擦系数的大小，此外，还应考虑以下因素 的影响：

（1）金属的原子结构，反应在键合强度或该金属 抗材料转移的能力；

(2)金属的晶体结构，如面心立方结构的金属材 料高与密排六方结构的金属材料；

(3)金属显微组织，包括晶粒尺寸的大小、组织 状态的不同等。通常状况下，粗大晶粒结构的金属抗 粘着磨损的能力低于细小晶粒结构的金属；组织的 显微硬度决定了材料的耐磨性能，但也不能不考虑 该组织的稳定性和综合机械性能。如：从稳定角度， 回火马氏体优于淬火马氏体；而贝氏体硬度虽低于 马氏体，但由于韧性和加工硬化性能优异，其耐磨性 反而优于马氏体。

从这个角度看，在进行衡器机械结构的设计中， 尤其是遇到耐磨结构设计时，必须充分考虑对结构 件的热处理。

2.耐磨材料的选用

金属类的耐磨材料种类很多，较为常见的有耐 磨铸钢、耐磨铸铁、有色耐磨合金、硬质合金等。地磅类产品，多以承载条件为主的使用现状，要求我们在地磅结构件的设计和材料选用，大多将眼光局限在 常用、性能较高、价格相对低廉的碳素结构钢、合金 结构钢、铸钢、铸铁等。但正是这些常用的材料，给我 们了充分、成熟的工艺研究保证。通常：

(1)重载条件或承受循环冲击条件下的地磅结 构件；料仓衬板etc)，不妨选用中：约6%)、高10~ 14%)锰含量的铸钢材料，如ZGMn13系列。其中的缘 由应归咎于中、高锰钢具有着优异的加工硬化性能， 很适合在经受高冲击或高应力条件下的承载作业。

(2)单纯静载条件下的衡器结构件，可以以铸铁 材料为主进行选用。如地磅的承载垫板、传感器的 承载压头。金钟公司曾使用铌贝氏体铸铁材料进行 桥式传感器的上压头制作，效果不错。

(3)抗冲蚀磨损方面，冲击粒子的小角度冲击条 件，应选用高硬度的材料；而大角度冲击条件下，则 应选用高韧性材料。

3.耐磨处理工艺的选用

考虑到耐磨处理工艺在地磅结构件制作中的成本因素，不妨在构件的关键部位采用下述适当工艺 进行局部耐磨处理。

3.1热喷涂

包括火焰喷涂以及熔融喷涂等。其工艺原理是， 用高速气流将熔融或半熔化的材料金属、陶瓷或高 分子材料）雾化成粒状，经过加速喷射到经过预处理 的基材表面，以形成具有某些特性的表面。其特点 是涂层和表面之间为简单的机械嵌合或微区域扩散 结合，涂层呈多孔或典型的层状结构，结合力相对较 低，且表现为一定的各向异性，需要在应用中注意其 耐磨减摩的方向处理。

3.2硬面堆焊

作为防磨处理中，较为常见的另一种措施，堆焊 是利用热源电焊、火焰、高能粒子、光束）将具有特 定性能的合金熔化并涂覆在基材表面，以达到耐磨 防蚀的目的。与热喷涂不同，堆焊的工艺处理过程 中，涂层和基材同时熔化，使二者形成一定尺寸上的 冶金结合过渡带。因此，堆焊层有着较高的结合强度。

3.3镀层

采用电镀方法获得耐磨的镀层常见的有：硬铬、 硬镍。其中，硬铬镀层与基材有着较高的结合强度 (在钢基体表面可达到400-450Mpa)、镀层厚可达 1000um以上）、硬度高；HRC最高达64)、尤其适合 于承受重载的滑动摩擦表面。

硬镍镀层，虽然同硬铬一样，必须在沉积至一定 的厚度尺寸200-3000um)时，才表现出较高的耐磨 性能，但由于镀层内存在压应力的缘故，较硬铬镀层 有着更高的承受父变载荷、抗振动、抗疲劳的能力。

除此，当前流行的化学镀镍处理工艺也逐渐以 外观酷似不锈钢、表面耐磨性能好的优势逐步被地磅制造厂商所广泛接受。按此工艺得到的化学非晶 镍磷镀层有着结晶细致、均匀、显微硬度高一般镀 层硬度可达HV300-500，经过适当的热处理后硬度 最大可上升为HV1000)。

3.4激光熔凝处理

采用激光束作为热源，对材料表面进行强化处 理，可以是激光淬火利用激光束加热速度快、能量 集中、金属材料本身的散热效率高的特点）、激光合 金化使用激光能量，将预先涂覆的合金层与基材表 面熔化，以类冶金的方式完成对基材表面的成分和 组织调整）、激光非晶处理；在激光熔凝晶粒高度细 化的前提下，加入急冷的外界条件，使熔化状态下的 金属原子的有序排列被完整的保留而形成金属玻 璃--非晶态）。

笔者曾进行高速钢表面的激光熔敷陶瓷研究， 所得到的W18Cr4Y基体）+ Ni-P)非晶层及CuZn- Ni过渡粘结层+AL2O3或Co包WC陶瓷层，其耐磨 性较单一的W18Cr4V高速钢材料提高3-4倍。