[科普中国]-岩石磨蚀性

磨蚀作用的物理实质

岩石的磨蚀作用，包含有两种不同的机理，一种是类似于锉刀锉金属的作用，称之擦蚀，其特征是被磨蚀物体的硬度小于磨蚀物体，而后者表面又必须是粗糙的，它在前者的表面上翘削下碎屑末。另一种作用是类似于砚台受墨的研磨，久而久之也要被磨蚀，称之磨损。对于钢制工具而言，除了含有石英颗粒的岩石以外，岩石的磨蚀作用主要是以磨损的形式进行的。对于硬质合金制的工具而言，更是以磨损为主了。不过实际上擦蚀和磨损种机理是难以截然区别开的，经常伴随出现，所以我们在中文上用术语“磨蚀性”统称之。

磨蚀过程是一个综合的作用，至少包括下列五种作用；

由于接触面并非绝对平整，真实的接触面只有外观面积的百分之一到万分之一。局部的真实接触压力很大，当它超过了弹性限度时便被压堆而磨损；

由于两物体紧密接触，若其相互间的分子间的引力胜过自身分子间的引力，那么两物体相对移动时，便把表面的分子层“粘”了下来。尤其当物体在结构上存在缺陷时，这种作用更易发生；

由于物体表面参差不齐，产生机械的啮合作用，相对移动时，便产生磨损。表面虽平整，但软硬不均，也将会产生啮合而磨损的作用；

啮合作用不大，相对位移时虽然不足以使其磨损，但在反复微小的撞击作用之下，表面便因疲劳而损坏；

由于局部凸起接触，摩擦时产生大量热能，使温度升高到塑性变形乃至熔化。

一般说来，上述作用3在工具磨蚀时是主要的作用，尤其是在擦蚀作用下更为重要，其他1、2、4三种作用在磨损作用下有着更多的意义。作用5，对于硬质合金工具的磨蚀作用有重要意义。2

岩石磨蚀性测定的基本关系和指标岩石对工具产生磨蚀的主要原因是由于工具和岩石之间产生了相对移动，其接触面上的摩擦力和摩擦力作的功是造成工具磨蚀的重要因素。因此，测定岩石磨蚀性采用的指标所依据的基本关系是，当工具与岩石相摩擦时，工具的磨蚀体积ΔV（或重量ΔG）与摩擦功A成正比：

式中 ΔV－工具（标准物）的磨蚀体积；

A－摩擦功；

M－比例系数，取决于材料的性质；

μ－摩擦系数，取决于摩擦系统；

p－正压力；

s－摩擦路程。

为使测定的磨蚀性指标具有可比性，需消除其压力不同，路程长短之异，对上式整理后常果用下面几种指标表示岩石的磨蚀性。

1.用单位摩擦路程所磨蚀的体积表示：

式中，ΔVs－磨蚀率（磨损率）。

2.用单位摩擦路程、单位正压力下的磨蚀体积表示：

式中，ω－摩蚀性系数。

3.用单位摩擦功所磨蚀的体积或单位磨蚀体积所消耗的功表示：

式中，A0－单位磨蚀体积所消耗的功。

4.用规定条件下（一定的路程、一定的压力等等）标准物或岩石的失重ΔG失体积ΔV表示。如巴氏岩石磨蚀性系数α，切槽法中试棒失重ΔW。

5.用规定条件下，标准物磨蚀量与岩石磨蚀量之比，即磨蚀比W0表示。

6.以某种矿物或岩石为基准，相对地表示其它岩石的磨蚀性系数和磨蚀比。1

岩石磨蚀性的测定方法岩石磨蚀性的测定方法较多，衡量指标也不统一。国内外测定磨蚀性的方法和观点概括起来有三类：

1.直接利用矿山生产中的工具消耗率来表示岩石的磨蚀性。矿山生产中的工具消耗不仅与岩石的磨蚀性有关，而且还和岩石坚固性、生产条件、工艺参数等因素有关，后者中的一些条件是变化的，因此，难以用数量准确描述磨蚀性；

2.在测定其它指标的同时测定磨蚀性。如凿碎法可钻性分级中，在测定可钻性指标凿碎比功的同时测定了钎刃磨钝宽作为磨蚀性指标；

3.模拟试验测定岩石磨蚀性。模拟工具在破碎岩石过程中受磨蚀的实质，利用和研制简单的仪器，测定岩石的磨蚀性。这是岩石磨蚀性研究中用得较多的一种方法。

下面介绍常见的几种测定岩石磨蚀性的方法。

1.钻磨法

利用台钻等装置，夹住标准物，使其在岩样上转动，“钻”磨岩样，以标准物的损耗作为指标表示磨蚀性。由于它比较符合钻进磨蚀的实际情况，方便简单，因而常被用来测定岩石的磨蚀性。

2.圆盘磨蚀法

把标准物作成圆盘（圆环）形，使其以固定的转数和压力在岩石上转动，同时岩石也作水平移动，以圆盘和岩石的磨蚀量表示岩石的磨蚀性。由手其测定过程和设备与铣过程和铣床类似，该法又称为铣磨法。

3.冲击磨蚀法

该法是把岩石装进滚筒里，筒里或有磨料或有叶片等磨蚀物。滚筒转动，筒内岩石之间，或岩石与磨料（叶片）之间产生冲击，互相之间都受到了磨蚀。该法以筒内磨料（或岩石）磨蚀的重量或磨蚀的百分比（与原始重量之比）为指标表示岩石的磨蚀性。1

岩石的结构组成和磨蚀性的关系从史莱涅尔和巴隆对一系列岩石磨蚀性测定的结果，可得出下述岩石结构组成对钢质材料磨蚀性的一般关系。

岩石具有硬的矿物组成时，磨蚀性增大。

对于岩浆岩和矿物而言，磨蚀系数ω大体上与其组成的矿物微痕硬度成正比例。

由软硬不同的几种矿物组成的岩石，其磨蚀性比单一矿物组成的岩石为大。

结晶体的矿物比其非晶态的磨蚀性为大。

沉积岩的磨蚀性系数几乎和它的石英含量成正比例。按照史氏观点，对于砂岩来说，岩石的磨蚀性和其侵入硬度成反比。岩石的侵入硬度反映了岩石的坚固性，而不是岩石的颗粒硬度。但据另外一些研究者的意见，含石英量相等的岩石，坚固的磨蚀性要大。而含石英多的砂岩，坚固性可能小于含石英多的。

无论是砂岩或岩浆岩，颗粒越细磨蚀性越弱。这是因为细粒构造的岩石表面较平整，接触点的真实应力较小。同时，物体的赫芝硬度随着压头的曲率半径减小将直线地增大。因此其磨蚀性也就削弱了。

砂岩的颗粒大小及其胶结物的强度对其磨蚀性影响很大，对于钢制工具来说，岩石颗粒由石英或长石组成，对磨蚀性的影响退居第二位。常常是花岗砂岩或长石砂岩，只要其粒度及侵入硬度跟石英砂岩相当，其磨蚀性也就差不多。但是对硬质合金的磨蚀，石英颗粒和长石颗粒大概是会不一样的。

岩石的磨蚀性，在很大程度上还取决于摩擦面的粗糙程度。如在正长石、石英和黄玉的晶面（或解理面）上摩擦，巴氏磨蚀性指标a值各为27.3、21.3和19.0，即反比例于硬度；而在其自然断口上摩擦，相当的a值却各为31.1、35.4和46.2，即说明只有在粗糙面上的磨蚀性才和硬度成正比。据此，巴氏采取了自然断口作为测定其磨蚀性的标准条件。

从以上介绍可知，对于沉积岩，影响其磨蚀性的因素莫过于石英的含量、颗粒大小以及岩石的坚固性了。2