什麼是磨粒磨耗

硬粒子或對偶面的硬突起刮削較軟表面而將其切除的磨耗。使表面比粒子更硬時會大幅減少。

日文名稱: アブレシブ摩耗

「磨粒磨耗」出現在1領域的2道練習題中(表面處理與磨潤學等)。

這個名詞所屬的領域: 表面處理與磨潤學

二體與三體磨粒磨耗

磨粒磨耗有對偶面的硬突起或固定的磨粒刮削表面的二體磨粒磨耗,以及進入兩個面之間的硬粒子一邊滾動或滑動、一邊切削表面的三體磨粒磨耗。銼刀或研磨砂輪造成的是二體,混入潤滑油的砂、塵埃或磨耗碎屑在軸承中刮傷表面,則是三體的例子。三體中粒子滾動的時間長,切削效率下降,因此磨耗量常比二體小約1個數量級。以潤滑油過濾與密封防止硬粒子進入,是防止三體磨耗的基本。

切除方式的差異

硬粒子刮削表面時,材料被除去的方式有3種:把材料推到溝槽兩側隆起的犁溝、像切屑一樣削去材料的切削,以及脆性材料因破裂而崩落的微破裂。粒子的稜角越尖、與表面接觸的角度越陡,越容易成為切削,磨耗量增加。犁溝時,隆起的部分要反覆被摩擦而因疲勞剝離,材料才會失去,不會立刻損失。延性金屬以犁溝與切削為主,陶瓷這類脆性材料則以破裂造成的磨耗為主。

以硬度與組織應對

減少磨粒磨耗的基本是使表面比粒子硬,但並非只由硬度決定。在高鉻鑄鐵這類含硬碳化物的材料中,碳化物的大小與數量很重要,碳化物若比粒子造成的溝寬小,會連同周圍軟的基地一起被削去。反之,碳化物大、且基地牢固地支撐它時,粒子碰到碳化物就會停下。此外,硬而脆的材料在伴隨大衝擊的磨耗中會發生破裂或崩缺,因此在衝擊大的用途中,要考慮與韌性的平衡來選擇材料。

評估與利用

磨粒磨耗的評估,使用在橡膠輪與試片之間流入乾砂、量測磨耗量的試驗(ASTM G65),以及讓試片在砂紙上滑動的試驗等。在處理土砂的建設機械與礦山機械、農機具、粉體輸送管等中,磨粒磨耗常決定零件的壽命。另一方面,研削、研磨與精研,是積極利用磨粒磨耗機制的加工。藉由選擇磨粒的大小、硬度與按壓的力,調整切削的速度與完成面的粗糙度。

練習磨粒磨耗的題目

某建設機械零件受到含石英砂粒(硬度約1000 HV)的土砂摩擦,減少磨粒磨耗的選材方式,正確者為下列何者?

  1. A使表面硬度提高到與砂粒相當或更高,砂粒就不易咬入表面,磨耗大幅減少
  2. B淬火鋼的麻田散鐵比石英硬,因此只要淬火,磨耗幾乎不再發生
  3. C磨粒磨耗量只由滑動距離決定,與表面硬度無關
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正確答案:A. 使表面硬度提高到與砂粒相當或更高,砂粒就不易咬入表面,磨耗大幅減少

經驗上,砂粒的硬度Ha須達到表面硬度Hs的約1.2倍以上才能刮削表面;提高Hs而使Hs/Ha超過約0.8時,磨粒磨耗會急遽變小。這是因為砂粒無法咬入表面,反而是砂粒的稜角被壓碎。因此會使用含大量比石英硬的Cr碳化物(約1200〜1800 HV)的高鉻鑄鐵、含WC的硬面堆焊層,以及陶瓷被覆等。淬火鋼的麻田散鐵即使高碳也只有約900 HV,與石英相當或比石英軟,雖可提高耐磨耗性,卻不能使磨耗消失。磨耗量與滑動距離成正比,但硬度的影響也很大,並非與硬度無關。

常見問題

要減少磨粒磨耗,只要把表面變硬就夠了嗎?

硬度是最重要的因素,但只靠硬度有時並不足夠。硬質相的大小與分布、基地的強度、對衝擊的韌性也有影響,脆的材料會因衝擊而崩缺。要依粒子的硬度、大小與撞擊方式等使用條件來選擇材料。

沖蝕與磨粒磨耗有什麼不同?

沖蝕是隨流體運動的粒子撞擊表面而削去材料的磨耗,與粒子被壓在表面上滑動的磨粒磨耗,力的作用方式不同。沖蝕受粒子撞擊角度的影響大,延性材料在淺角度、脆性材料在接近垂直的角度磨耗最大。

磨粒磨耗的磨耗量如何估算?

以與Archard方程式相同形式的 V = KWL/H 估算,磨耗量與荷重及滑動距離成正比,與硬度成反比。把粒子視為圓錐時,K 由粒子稜角的尖銳度決定,越尖越大。實際的 K 隨條件大幅改變,因此以試驗求得。

解析中的「磨粒磨耗」

出現「磨粒磨耗」的題目(2題)

  1. 某建設機械零件受到含石英砂粒(硬度約1000 HV)的土砂摩擦,減少磨粒磨耗的選材方式,正確者為下列何者?
  2. 下列磨耗機制的說明中,屬於黏著磨耗的是何者?

相關名詞

麻田散鐵 黏著磨耗 真實接觸面積 氮化處理 無電鍍鎳 滲碳 Archard磨耗方程式 Stribeck曲線

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