[科普中國(guó)]-巖石磨蝕性

磨蝕作用的物理實(shí)質(zhì)

巖石的磨蝕作用，包含有兩種不同的機(jī)理，一種是類似于銼刀銼金屬的作用，稱之擦蝕，其特征是被磨蝕物體的硬度小于磨蝕物體，而后者表面又必須是粗糙的，它在前者的表面上翹削下碎屑末。另一種作用是類似于硯臺(tái)受墨的研磨，久而久之也要被磨蝕，稱之磨損。對(duì)于鋼制工具而言，除了含有石英顆粒的巖石以外，巖石的磨蝕作用主要是以磨損的形式進(jìn)行的。對(duì)于硬質(zhì)合金制的工具而言，更是以磨損為主了。不過(guò)實(shí)際上擦蝕和磨損種機(jī)理是難以截然區(qū)別開的，經(jīng)常伴隨出現(xiàn)，所以我們?cè)谥形纳嫌眯g(shù)語(yǔ)“磨蝕性”統(tǒng)稱之。

磨蝕過(guò)程是一個(gè)綜合的作用，至少包括下列五種作用；

由于接觸面并非絕對(duì)平整，真實(shí)的接觸面只有外觀面積的百分之一到萬(wàn)分之一。局部的真實(shí)接觸壓力很大，當(dāng)它超過(guò)了彈性限度時(shí)便被壓堆而磨損；

由于兩物體緊密接觸，若其相互間的分子間的引力勝過(guò)自身分子間的引力，那么兩物體相對(duì)移動(dòng)時(shí)，便把表面的分子層“粘”了下來(lái)。尤其當(dāng)物體在結(jié)構(gòu)上存在缺陷時(shí)，這種作用更易發(fā)生；

由于物體表面參差不齊，產(chǎn)生機(jī)械的嚙合作用，相對(duì)移動(dòng)時(shí)，便產(chǎn)生磨損。表面雖平整，但軟硬不均，也將會(huì)產(chǎn)生嚙合而磨損的作用；

嚙合作用不大，相對(duì)位移時(shí)雖然不足以使其磨損，但在反復(fù)微小的撞擊作用之下，表面便因疲勞而損壞；

由于局部凸起接觸，摩擦?xí)r產(chǎn)生大量熱能，使溫度升高到塑性變形乃至熔化。

一般說(shuō)來(lái)，上述作用3在工具磨蝕時(shí)是主要的作用，尤其是在擦蝕作用下更為重要，其他1、2、4三種作用在磨損作用下有著更多的意義。作用5，對(duì)于硬質(zhì)合金工具的磨蝕作用有重要意義。2

巖石磨蝕性測(cè)定的基本關(guān)系和指標(biāo)巖石對(duì)工具產(chǎn)生磨蝕的主要原因是由于工具和巖石之間產(chǎn)生了相對(duì)移動(dòng)，其接觸面上的摩擦力和摩擦力作的功是造成工具磨蝕的重要因素。因此，測(cè)定巖石磨蝕性采用的指標(biāo)所依據(jù)的基本關(guān)系是，當(dāng)工具與巖石相摩擦?xí)r，工具的磨蝕體積ΔV（或重量ΔG）與摩擦功A成正比：

式中 ΔV－工具（標(biāo)準(zhǔn)物）的磨蝕體積；

A－摩擦功；

M－比例系數(shù)，取決于材料的性質(zhì)；

μ－摩擦系數(shù)，取決于摩擦系統(tǒng)；

p－正壓力；

s－摩擦路程。

為使測(cè)定的磨蝕性指標(biāo)具有可比性，需消除其壓力不同，路程長(zhǎng)短之異，對(duì)上式整理后常果用下面幾種指標(biāo)表示巖石的磨蝕性。

1.用單位摩擦路程所磨蝕的體積表示：

式中，ΔVs－磨蝕率（磨損率）。

2.用單位摩擦路程、單位正壓力下的磨蝕體積表示：

式中，ω－摩蝕性系數(shù)。

3.用單位摩擦功所磨蝕的體積或單位磨蝕體積所消耗的功表示：

式中，A0－單位磨蝕體積所消耗的功。

4.用規(guī)定條件下（一定的路程、一定的壓力等等）標(biāo)準(zhǔn)物或巖石的失重ΔG失體積ΔV表示。如巴氏巖石磨蝕性系數(shù)α，切槽法中試棒失重ΔW。

5.用規(guī)定條件下，標(biāo)準(zhǔn)物磨蝕量與巖石磨蝕量之比，即磨蝕比W0表示。

6.以某種礦物或巖石為基準(zhǔn)，相對(duì)地表示其它巖石的磨蝕性系數(shù)和磨蝕比。1

巖石磨蝕性的測(cè)定方法巖石磨蝕性的測(cè)定方法較多，衡量指標(biāo)也不統(tǒng)一。國(guó)內(nèi)外測(cè)定磨蝕性的方法和觀點(diǎn)概括起來(lái)有三類：

1.直接利用礦山生產(chǎn)中的工具消耗率來(lái)表示巖石的磨蝕性。礦山生產(chǎn)中的工具消耗不僅與巖石的磨蝕性有關(guān)，而且還和巖石堅(jiān)固性、生產(chǎn)條件、工藝參數(shù)等因素有關(guān)，后者中的一些條件是變化的，因此，難以用數(shù)量準(zhǔn)確描述磨蝕性；

2.在測(cè)定其它指標(biāo)的同時(shí)測(cè)定磨蝕性。如鑿碎法可鉆性分級(jí)中，在測(cè)定可鉆性指標(biāo)鑿碎比功的同時(shí)測(cè)定了釬刃磨鈍寬作為磨蝕性指標(biāo)；

3.模擬試驗(yàn)測(cè)定巖石磨蝕性。模擬工具在破碎巖石過(guò)程中受磨蝕的實(shí)質(zhì)，利用和研制簡(jiǎn)單的儀器，測(cè)定巖石的磨蝕性。這是巖石磨蝕性研究中用得較多的一種方法。

下面介紹常見的幾種測(cè)定巖石磨蝕性的方法。

1.鉆磨法

利用臺(tái)鉆等裝置，夾住標(biāo)準(zhǔn)物，使其在巖樣上轉(zhuǎn)動(dòng)，“鉆”磨巖樣，以標(biāo)準(zhǔn)物的損耗作為指標(biāo)表示磨蝕性。由于它比較符合鉆進(jìn)磨蝕的實(shí)際情況，方便簡(jiǎn)單，因而常被用來(lái)測(cè)定巖石的磨蝕性。

2.圓盤磨蝕法

把標(biāo)準(zhǔn)物作成圓盤（圓環(huán)）形，使其以固定的轉(zhuǎn)數(shù)和壓力在巖石上轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)巖石也作水平移動(dòng)，以圓盤和巖石的磨蝕量表示巖石的磨蝕性。由手其測(cè)定過(guò)程和設(shè)備與銑過(guò)程和銑床類似，該法又稱為銑磨法。

3.沖擊磨蝕法

該法是把巖石裝進(jìn)滾筒里，筒里或有磨料或有葉片等磨蝕物。滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，筒內(nèi)巖石之間，或巖石與磨料（葉片）之間產(chǎn)生沖擊，互相之間都受到了磨蝕。該法以筒內(nèi)磨料（或巖石）磨蝕的重量或磨蝕的百分比（與原始重量之比）為指標(biāo)表示巖石的磨蝕性。1

巖石的結(jié)構(gòu)組成和磨蝕性的關(guān)系從史萊涅爾和巴隆對(duì)一系列巖石磨蝕性測(cè)定的結(jié)果，可得出下述巖石結(jié)構(gòu)組成對(duì)鋼質(zhì)材料磨蝕性的一般關(guān)系。

巖石具有硬的礦物組成時(shí)，磨蝕性增大。

對(duì)于巖漿巖和礦物而言，磨蝕系數(shù)ω大體上與其組成的礦物微痕硬度成正比例。

由軟硬不同的幾種礦物組成的巖石，其磨蝕性比單一礦物組成的巖石為大。

結(jié)晶體的礦物比其非晶態(tài)的磨蝕性為大。

沉積巖的磨蝕性系數(shù)幾乎和它的石英含量成正比例。按照史氏觀點(diǎn)，對(duì)于砂巖來(lái)說(shuō)，巖石的磨蝕性和其侵入硬度成反比。巖石的侵入硬度反映了巖石的堅(jiān)固性，而不是巖石的顆粒硬度。但據(jù)另外一些研究者的意見，含石英量相等的巖石，堅(jiān)固的磨蝕性要大。而含石英多的砂巖，堅(jiān)固性可能小于含石英多的。

無(wú)論是砂巖或巖漿巖，顆粒越細(xì)磨蝕性越弱。這是因?yàn)榧?xì)粒構(gòu)造的巖石表面較平整，接觸點(diǎn)的真實(shí)應(yīng)力較小。同時(shí)，物體的赫芝硬度隨著壓頭的曲率半徑減小將直線地增大。因此其磨蝕性也就削弱了。

砂巖的顆粒大小及其膠結(jié)物的強(qiáng)度對(duì)其磨蝕性影響很大，對(duì)于鋼制工具來(lái)說(shuō)，巖石顆粒由石英或長(zhǎng)石組成，對(duì)磨蝕性的影響退居第二位。常常是花崗砂巖或長(zhǎng)石砂巖，只要其粒度及侵入硬度跟石英砂巖相當(dāng)，其磨蝕性也就差不多。但是對(duì)硬質(zhì)合金的磨蝕，石英顆粒和長(zhǎng)石顆粒大概是會(huì)不一樣的。

巖石的磨蝕性，在很大程度上還取決于摩擦面的粗糙程度。如在正長(zhǎng)石、石英和黃玉的晶面（或解理面）上摩擦，巴氏磨蝕性指標(biāo)a值各為27.3、21.3和19.0，即反比例于硬度；而在其自然斷口上摩擦，相當(dāng)?shù)腶值卻各為31.1、35.4和46.2，即說(shuō)明只有在粗糙面上的磨蝕性才和硬度成正比。據(jù)此，巴氏采取了自然斷口作為測(cè)定其磨蝕性的標(biāo)準(zhǔn)條件。

從以上介紹可知，對(duì)于沉積巖，影響其磨蝕性的因素莫過(guò)于石英的含量、顆粒大小以及巖石的堅(jiān)固性了。2