"本文作者通過多年對地磅結(jié)構(gòu)件制作中的實踐認識，并深入結(jié)合對金屬材料 及其處理工藝的研究，展望了耐磨材料和耐磨處理工藝在地磅結(jié)構(gòu)件制作中的應(yīng)用前景。

前言

磨損是材料的三種主要失效形式之一，它所造 成的經(jīng)濟損失是十分巨大的。如美國1981年公布 的數(shù)字，每年由于磨損而造成的損失高達1000億美 元，其中材料消耗占到200億美元，相當(dāng)于材料年產(chǎn) 量的7%。前蘇聯(lián)由于磨損造成的損失，每年約120-140億盧布。在我國，僅冶金礦山、農(nóng)機、煤炭、電力 和建材五個工業(yè)部門的統(tǒng)計數(shù)字，每年由于磨料磨 損而需要補充的備件就達100萬噸鋼材，相當(dāng)于 10~20億元人民幣。

隨著各行各業(yè)對計量的要求越來越廣泛，地磅產(chǎn)品的應(yīng)用前景也變得越來越開闊。近年來國家糧 食儲備庫項目、高速公路計重收費項目的廣泛開展 和實施，地磅產(chǎn)品設(shè)計需要面對的使用要求和工作 環(huán)境也越來越復(fù)雜。如糧庫項目中涉及到的定量包 裝設(shè)備，要求地磅能實現(xiàn)準(zhǔn)確計量的同時，應(yīng)保證分 料倉、落料口、擋料板等部件的長期耐受糧食顆粒的 高速沖蝕磨損；高速公路計重收費系統(tǒng)，則要求系統(tǒng) 的計重元件和機械構(gòu)件在接受車輛重載作用的同 時，承受來自動態(tài)車輛的粘著磨損沖擊。

1.磨損機理

以下就地磅用金屬材料構(gòu)件最常見的幾種磨損 形式，進行機理性的簡述。

1.1 沖蝕磨損

沖蝕磨損是指材料受到小而松散的流動粒子沖 擊時表面出現(xiàn)破壞的一類磨損形式。造成沖蝕的粒 子往往比較堅硬，但有些情況下如果流動速度較高， 即使是軟粒子如水滴也會造成沖蝕。

沖蝕磨損的發(fā)生，主要是因為粒子沖擊材料表 面，導(dǎo)致了粒子與材料之間的能量交換，或者說，兩 者之間將出現(xiàn)能量再分配。入射粒子的形狀與造成 材料壓痕體積之間，經(jīng)研究沒有直接的關(guān)系。被沖擊 的表面可能發(fā)生彈性變形，也可能發(fā)生塑性壓痕，其 具體的形式，取決于粒子的入射速度和材料的流動 應(yīng)力。該結(jié)論可通過錐形粒子正面沖擊表面過程的 運動方程以及由此導(dǎo)出的粒子對表面的壓入深度為：

上式不難看出：其一，入射粒子的初速與質(zhì)量即 動能是造成壓痕大小的重要因素；其二，材料自身較 高的屈服強度，有利于抵抗粒子的壓入，尤其是抗正 面沖蝕能力強。

另外，入射粒子入射軌跡與表面的夾角即入射 角、體現(xiàn)沖蝕磨損潛伏期的沖蝕時間、會降低材料屈 服強度并同時增加入射粒子活性的環(huán)境溫度、材料 表面平整和光潔程度都是影響材料抗沖蝕磨損的主 要因素。

針對此，可以從以下幾個方面進行地磅結(jié)構(gòu)件 設(shè)計中的沖蝕磨損控制：

（1）改善結(jié)構(gòu)的設(shè)計，如盡可能以平滑過渡彎 管取代直角接頭保證沖蝕粒子順暢通過以減少沖蝕等；

（2）選擇耐沖蝕材料；

（3）利用表面工藝提高結(jié)構(gòu)的抗沖蝕性能；

（4）改變?nèi)肷浣菧p少沖蝕，如塑性材料盡可能避 免面對20-30。的粒子攻擊，脆性材料避免粒子的垂直入射等。

非連續(xù)累計秤、定量包裝秤的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中， 需要仔細考慮上述因素，以提高整機設(shè)備的長期使 用穩(wěn)定性。

1.2粘著磨損

兩個相對滑動的表面在摩擦力的作用下，表面 層會發(fā)生塑性變形，表面的污染膜、氧化膜會發(fā)生破 裂，結(jié)果新鮮金屬表面裸露出來，由于分子力的作用 使兩個表面發(fā)生焊合。如果外力能克服焊合點的結(jié) 合力，相對滑動的表面可以繼續(xù)運動。若剪切發(fā)生 在原來的接觸表面上，表面不會發(fā)生磨損，但若剪切 發(fā)生在強度較低的金屬一方，強度較高的材料表面 將粘附對摩件的金屬。而且在后續(xù)的重復(fù)摩擦過程 中，軟金屬粘附物將輾轉(zhuǎn)于對摩件的表面之間，這種 金屬轉(zhuǎn)移、連續(xù)滑動的結(jié)果，容易造成磨屑的產(chǎn)生。

衡器構(gòu)件中，地磅臺面墊板與傳感器承載壓頭間、軌道衡鋼軌平面與剎車車輪間的磨損失效形 式都屬于該類磨損。

材料間的粘著磨損，關(guān)鍵取決于形成摩擦副的 兩材料間摩擦系數(shù)的大小，此外，還應(yīng)考慮以下因素 的影響：

（1）金屬的原子結(jié)構(gòu)，反應(yīng)在鍵合強度或該金屬 抗材料轉(zhuǎn)移的能力；

(2)金屬的晶體結(jié)構(gòu)，如面心立方結(jié)構(gòu)的金屬材 料高與密排六方結(jié)構(gòu)的金屬材料；

(3)金屬顯微組織，包括晶粒尺寸的大小、組織 狀態(tài)的不同等。通常狀況下，粗大晶粒結(jié)構(gòu)的金屬抗 粘著磨損的能力低于細小晶粒結(jié)構(gòu)的金屬；組織的 顯微硬度決定了材料的耐磨性能，但也不能不考慮 該組織的穩(wěn)定性和綜合機械性能。如：從穩(wěn)定角度， 回火馬氏體優(yōu)于淬火馬氏體；而貝氏體硬度雖低于 馬氏體，但由于韌性和加工硬化性能優(yōu)異，其耐磨性 反而優(yōu)于馬氏體。

從這個角度看，在進行衡器機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計中， 尤其是遇到耐磨結(jié)構(gòu)設(shè)計時，必須充分考慮對結(jié)構(gòu) 件的熱處理。

2.耐磨材料的選用

金屬類的耐磨材料種類很多，較為常見的有耐 磨鑄鋼、耐磨鑄鐵、有色耐磨合金、硬質(zhì)合金等。地磅類產(chǎn)品，多以承載條件為主的使用現(xiàn)狀，要求我們在地磅結(jié)構(gòu)件的設(shè)計和材料選用，大多將眼光局限在 常用、性能較高、價格相對低廉的碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金 結(jié)構(gòu)鋼、鑄鋼、鑄鐵等。但正是這些常用的材料，給我 們了充分、成熟的工藝研究保證。通常：

(1)重載條件或承受循環(huán)沖擊條件下的地磅結(jié) 構(gòu)件；料倉襯板etc)，不妨選用中：約6%)、高10~ 14%)錳含量的鑄鋼材料，如ZGMn13系列。其中的緣 由應(yīng)歸咎于中、高錳鋼具有著優(yōu)異的加工硬化性能， 很適合在經(jīng)受高沖擊或高應(yīng)力條件下的承載作業(yè)。

(2)單純靜載條件下的衡器結(jié)構(gòu)件，可以以鑄鐵 材料為主進行選用。如地磅的承載墊板、傳感器的 承載壓頭。金鐘公司曾使用鈮貝氏體鑄鐵材料進行 橋式傳感器的上壓頭制作，效果不錯。

(3)抗沖蝕磨損方面，沖擊粒子的小角度沖擊條 件，應(yīng)選用高硬度的材料；而大角度沖擊條件下，則 應(yīng)選用高韌性材料。

3.耐磨處理工藝的選用

考慮到耐磨處理工藝在地磅結(jié)構(gòu)件制作中的成本因素，不妨在構(gòu)件的關(guān)鍵部位采用下述適當(dāng)工藝 進行局部耐磨處理。

3.1熱噴涂

包括火焰噴涂以及熔融噴涂等。其工藝原理是， 用高速氣流將熔融或半熔化的材料金屬、陶瓷或高 分子材料）霧化成粒狀，經(jīng)過加速噴射到經(jīng)過預(yù)處理 的基材表面，以形成具有某些特性的表面。其特點 是涂層和表面之間為簡單的機械嵌合或微區(qū)域擴散 結(jié)合，涂層呈多孔或典型的層狀結(jié)構(gòu)，結(jié)合力相對較 低，且表現(xiàn)為一定的各向異性，需要在應(yīng)用中注意其 耐磨減摩的方向處理。

3.2硬面堆焊

作為防磨處理中，較為常見的另一種措施，堆焊 是利用熱源電焊、火焰、高能粒子、光束）將具有特 定性能的合金熔化并涂覆在基材表面，以達到耐磨 防蝕的目的。與熱噴涂不同，堆焊的工藝處理過程 中，涂層和基材同時熔化，使二者形成一定尺寸上的 冶金結(jié)合過渡帶。因此，堆焊層有著較高的結(jié)合強度。

3.3鍍層

采用電鍍方法獲得耐磨的鍍層常見的有：硬鉻、 硬鎳。其中，硬鉻鍍層與基材有著較高的結(jié)合強度 (在鋼基體表面可達到400-450Mpa)、鍍層厚可達 1000um以上）、硬度高；HRC最高達64)、尤其適合 于承受重載的滑動摩擦表面。

硬鎳鍍層，雖然同硬鉻一樣，必須在沉積至一定 的厚度尺寸200-3000um)時，才表現(xiàn)出較高的耐磨 性能，但由于鍍層內(nèi)存在壓應(yīng)力的緣故，較硬鉻鍍層 有著更高的承受父變載荷、抗振動、抗疲勞的能力。

除此，當(dāng)前流行的化學(xué)鍍鎳處理工藝也逐漸以 外觀酷似不銹鋼、表面耐磨性能好的優(yōu)勢逐步被地磅制造廠商所廣泛接受。按此工藝得到的化學(xué)非晶 鎳磷鍍層有著結(jié)晶細致、均勻、顯微硬度高一般鍍 層硬度可達HV300-500，經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚砗笥捕?/span> 最大可上升為HV1000)。

3.4激光熔凝處理

采用激光束作為熱源，對材料表面進行強化處 理，可以是激光淬火利用激光束加熱速度快、能量 集中、金屬材料本身的散熱效率高的特點）、激光合 金化使用激光能量，將預(yù)先涂覆的合金層與基材表 面熔化，以類冶金的方式完成對基材表面的成分和 組織調(diào)整）、激光非晶處理；在激光熔凝晶粒高度細 化的前提下，加入急冷的外界條件，使熔化狀態(tài)下的 金屬原子的有序排列被完整的保留而形成金屬玻 璃--非晶態(tài)）。

筆者曾進行高速鋼表面的激光熔敷陶瓷研究， 所得到的W18Cr4Y基體）+ Ni-P)非晶層及CuZn- Ni過渡粘結(jié)層+AL2O3或Co包WC陶瓷層，其耐磨 性較單一的W18Cr4V高速鋼材料提高3-4倍。