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　　工程機械減摩自修復(fù)材料技巧

　　作者:張振召 宣布日期：2006-12-25

　　編者按：金屬磨損自修復(fù)材料技術(shù)作為一種世界領(lǐng)先的高新技術(shù)，它具有奇特的作用原理和金屬表面改性功效，可以用于任何一種存在摩擦的機械裝備中。我國每年因摩擦磨損造成的喪失達上千億元，而推廣和應(yīng)用金屬磨損自修復(fù)材料技術(shù)有看解決諸多相干問題并獲得宏大的經(jīng)濟效益。因此，本刊特向您推舉此文，愿您重點瀏覽并有所收獲。

　　摘 要：金屬磨損自修復(fù)材料技術(shù)是一項具有革命性的、獨創(chuàng)的、全新的金屬表面強化與修復(fù)的新技術(shù)。應(yīng)用這種新材料新技術(shù)，不僅能預(yù)防機件磨損，還能在動態(tài)中修復(fù)機械磨損面，大幅度延伸設(shè)備的使用壽命和降低能耗。文中先容了金屬磨損自修復(fù)材料技術(shù)的作用原理與技術(shù)特色，并通過實例先容了金屬磨損自修復(fù)材料在不同范疇的應(yīng)用情況。

　　金屬磨損自修復(fù)技術(shù)是一種全新的機械設(shè)備和機械零件摩擦表面的減摩技術(shù)。它的特色是在機械設(shè)備不解體的情況下，動態(tài)中完成金屬磨損部位的自修復(fù)進程，生成減摩性能優(yōu)良的耐磨保護層，使摩擦表面硬度和光潔度提高，摩擦系數(shù)大幅度下降，并使已經(jīng)磨損的部位恢復(fù)到本來尺寸。

　　一、“金屬磨損自修復(fù)材料”的作用原理和技術(shù)特色

　　金屬磨損自修復(fù)材料是一種由羥基硅酸鎂等多種礦物成份、添加劑和催化劑等構(gòu)成的龐雜組分超細(xì)粉體組合材料，重要取之于自然礦石。它的常用組分粒度為0.1～10μm，可以添加到各種類型的潤滑油或潤滑脂中使用（圖1）。潤滑油或脂作為載體，將修復(fù)材料的超細(xì)粉體微粒送入摩擦副的工作面上。它不與油品發(fā)生化學(xué)反映，不轉(zhuǎn)變油的粘度和性質(zhì)，也無毒副作用。在常溫下的化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)固。

　　修復(fù)劑微粒在金屬摩擦表面所產(chǎn)生的物理變更是：使摩擦表面得到清算和超精研磨。修復(fù)劑微粒相對于金屬摩擦表面的微凸體和凹坑來說仍然是大尺寸顆粒（0.1～10μm），被帶進摩擦界面后，在機械零件的摩擦滑動中被研磨細(xì)化。此時微粒材料要穿透油膜，對摩擦表面上的所有污染物（潤滑油的分解物、添加劑，磨粒附著物，積炭）進行清理，尤其是將微凹坑中的污染物清算清潔，就象用砂子清算粘有油泥的手掌一樣。修復(fù)劑微粒的超精研磨作用也造成金屬表面的微凸體產(chǎn)生斷裂，使得摩擦表面的光潔度進一步提高。

　　修復(fù)劑微粒在金屬摩擦表面發(fā)生的化學(xué)反響是：在超精研磨中，微凸體發(fā)生斷裂時發(fā)生的閃溫，使微粒晶體中的鎂原子與金屬表層的鐵原子發(fā)生置換反映，在摩擦表面生成鐵硅酸鹽新晶體。在摩擦能的作用下，新晶體在摩擦表面不斷增添，終極形成了與鐵基金屬成化學(xué)鍵聯(lián)合的耐磨保護層。

　　保護層的生成速度與厚度與摩擦開釋的能量和修復(fù)劑顆粒的數(shù)目成正比：修復(fù)劑微粒的數(shù)目充分、摩擦開釋的能量大時，保護層的增加速度就快；反之，當(dāng)摩擦間隙得到補償，摩擦釋放的能量降低，保護層增加的速度就慢。因此，修復(fù)劑微粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成保護層的部位是有選擇性的，它只在金屬磨損的部位上發(fā)生。在非磨損部位上，修復(fù)劑微粒不發(fā)生化學(xué)反響，仍然被油液攜帶著流動。隨著保護層的不斷生成，磨損部位的磨損間隙得到補償，表面光潔度提高，導(dǎo)致摩擦開釋的能量降低，置換反映結(jié)束，保護層停滯生長。保護層不僅能夠補償間隙，使零件恢復(fù)原始外形，還可以優(yōu)化配合間隙，這就有利于降低摩擦振動，減少噪音，節(jié)儉能源，實現(xiàn)對零件摩擦表面幾何外形的修復(fù)和配合間隙的優(yōu)化。

　　耐磨保護層具有異乎尋常的力學(xué)和物理性能：

　　摩擦系數(shù) μ 0.003～0.007（干摩擦）

　　顯微硬度 Hv 680～710

　　線脹系數(shù) 13.6～14.2 （與鋼雷同）

　　沖擊強度 50kg/mm2

　　耐高溫 1575～1600 ℃（損壞溫度）

　　耐腐化 高濕度，海洋環(huán)境，酸、堿介質(zhì)中不腐化

　　經(jīng)清華大學(xué)摩擦學(xué)國度重點試驗室丈量驗證，在鐵路大功率DF-11型內(nèi)燃機車使用“金屬磨損自修復(fù)材料”運行15萬公里時，柴油發(fā)動機氣缸內(nèi)壁的摩擦面上天生的耐磨掩護層的厚度為8～14μm，實測其摩擦系數(shù)為0.005，比缸套基體金屬表面油膜潤滑的摩擦系數(shù)降落了一個數(shù)目級；納米硬度比基體金屬表面的硬度提高一倍多。

　　應(yīng)該指出的是，在實驗室中測得的耐磨保護層的平均摩擦系數(shù)為0.005，是在干摩擦條件下測取的。在有SD/CC 40潤滑油油膜的條件下，其摩擦系數(shù)則有恢復(fù)性的升高。因此，對于已生成耐磨保護層的摩擦副，潤滑油的重要作用在于散熱，此時選擇一種粘度值較低的潤滑油將能夠更好地施展耐磨保護層的低摩擦系數(shù)上風(fēng)，從而也進一步降低了能耗，獲得出色的減摩降耗性能。

　　實際使用證實，內(nèi)燃發(fā)動機在使用中因氣缸、活塞等的摩擦阻力大和配合間隙大，造成其動力性能有不同水平的降低，在其氣缸、活塞環(huán)等摩擦表面上生成的超硬超滑耐磨保護層和主動修復(fù)其磨損部位后，發(fā)動機的性能會發(fā)生如下變更：

　　氣缸緊縮比： 進步10～15%；

　　熱發(fā)動機怠速油壓：增添1.0～1.5kg/cm2；

　　動員靈活力： 進步5～25%；

　　發(fā)動機油耗： 降低5～15%；

　　Co、Hc有害氣體排放：下降10～50%。

　　超硬超滑的摩擦表面可在無油條件下工作，汽油機汽車和柴油機汽車無油潤滑的行駛公里數(shù)均可超過200km。

　　鐵基金屬摩擦表面一旦生成耐磨掩護層后，顯微鏡光源，其表面的顯微硬度提高，對進進摩擦表面的風(fēng)沙、粒子的劃傷敏感度下降，使已生成耐磨保護層的內(nèi)燃機車在風(fēng)沙大的路段行駛中能大幅度提高內(nèi)燃機的無故障行駛里程。

　　金屬磨損自修復(fù)材料的減摩機理與市場上銷售的其它抗磨添加劑有明顯不同，它不是在金屬摩擦表面上生成軟金屬保護膜（或聚四氟乙烯保護膜），也不是通過溶解于潤滑油的鉬、硼有機化合物在摩擦表面生成含鉬、硼的化學(xué)鍵構(gòu)架，而是在發(fā)生磨損的金屬表面生成減摩性能優(yōu)良的耐磨保護層，并且可不解體的修復(fù)機械裝備中已產(chǎn)生磨損的表面，使之恢復(fù)到Zui佳配合間隙。各種類型的添加劑，都是油溶性的，它們的基礎(chǔ)功效都是對潤滑油進行二次處理，沒有脫分開石油化工工程和潤滑工程的范疇。金屬磨損自修復(fù)材料可以原位強化和修復(fù)鐵基摩擦副的工程表面，是全新的表面強化與修復(fù)技術(shù)，屬于表面工程的范圍。2002年9月18日通過了國家經(jīng)貿(mào)委會同交通部、鐵道部、教導(dǎo)部、國防科工委、國家環(huán)保局等部分組織的產(chǎn)品鑒定。

　　二、“金屬磨損自修復(fù)材料”應(yīng)用技術(shù)的試驗室驗證

　　為了獲得“金屬磨損自修復(fù)材料”應(yīng)用技術(shù)的國內(nèi)Zui有威望性的實驗室驗證檢測數(shù)據(jù)，國家經(jīng)貿(mào)委分辨委托清華大學(xué)磨擦學(xué)國家重點實驗室、國家軸承質(zhì)量監(jiān)視檢驗中心、國防科工委第一計量測試研討中心等，對 “金屬磨損自修復(fù)材料”進行有關(guān)實驗室試驗和在機械設(shè)備上的使用特征進行驗證性檢測，檢測內(nèi)容和檢測成果如下。

　　1. 清華大學(xué)摩擦學(xué)國家重點試驗室的檢測情況

　?、?驗證在試樣摩擦表面天生耐磨維護層的進程及其形貌特點

　　在摩擦磨損試驗機上，對45#鋼面接觸摩擦副試樣實施“金屬磨損自修復(fù)材料”應(yīng)用技術(shù)，試驗機累計運行450小時后摩擦副表面的平均顯微硬度值從原始表面的Hv=230，提高到Hv=680；在下試樣金相樣品橫斷面上可用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀測到8微米左右的耐磨保護層。

　?、?測試汽缸內(nèi)壁生成的耐磨掩護層的厚度

　　對實施金屬磨損自修復(fù)材料應(yīng)用技術(shù)后運行15萬公里的DF-11型機車063號柴油機第15缸的缸套表面形成的耐磨保護層進行掃描電鏡觀測，成果表明：在取自缸套的金相樣品橫斷面上，約10微米厚度的耐磨保護層無論在光學(xué)顯微鏡下還是掃描電子顯微鏡下均清楚可見。

　?、?測試生成的耐磨保護層表面的摩擦系數(shù)

　　在SRV摩擦磨損試驗機上，應(yīng)用已形成耐磨保護層的內(nèi)燃機柴油機缸套切取的下試樣，用對磨的原配鍍鉻活塞環(huán)制備上試樣，在無油潤滑（干摩擦）的條件下測得的摩擦系數(shù)穩(wěn)固堅持在0.005。

　?、?檢測氣缸內(nèi)壁生成的耐磨保護層的顯微硬度

　　氣缸內(nèi)壁基體的納米硬度丈量值為524，天生耐磨維護層后的丈量值為1110。

　?、?檢測氣缸內(nèi)壁生成的耐磨保護層表面的粗糙度

　　用表面形貌儀測得耐磨維護層的表面粗糙度為 Ra=0.0694μm，其微觀特征屬極光表面類中的亮光澤面。

　　2. 國家軸承質(zhì)量監(jiān)視檢驗中心的檢測情況

　　國度軸承質(zhì)量監(jiān)視檢驗中心對經(jīng)“金屬磨損自修復(fù)材料”進行表面處置的6205-2RSIXI微型汽車張緊輪軸承進行壽命試驗。該軸承的慣例實驗壽命為L10=126h。試驗至21倍壽命時，軸承套圈滾道，轉(zhuǎn)動體表面基礎(chǔ)沒有磨損。

　　3. 國防科工委第一計量測試研討中心的檢測情形

　　國防科工委第一計量測試研究中心研討員等數(shù)人，與北京內(nèi)燃機務(wù)段計量職員組成測試小組，對使用“金屬磨損自修復(fù)材料”運行至30萬公里的DF-11型063號內(nèi)燃機車的柴油發(fā)動機進行了分解測試，測試其活塞環(huán)、活塞、氣缸套的磨損情況（鐵道部規(guī)定：DF-11型內(nèi)燃機車柴油發(fā)動機運行至30萬公里時應(yīng)進行中修，調(diào)換活塞環(huán)等易磨損機件）。檢測結(jié)論為：

　　“DF-11型063號內(nèi)燃機車編號為159的柴油發(fā)動機經(jīng)過30萬公里的實際運行后，其活塞、活塞環(huán)、氣缸內(nèi)徑的實際尺寸仍符合新品尺寸請求”。

　　三、“金屬磨損自修復(fù)材料”在機械裝備、軸承和加工刀具上的試應(yīng)用情況

　　1、在鐵路內(nèi)燃機車大功率柴油機的試用情況

　　在北京鐵路分局內(nèi)燃機務(wù)段的大力支撐下，1999年11月在北京型內(nèi)燃機車2008號機車上首次進行了“金屬磨損自修復(fù)資料”利用實驗。至2001年1月，該車運行28萬公里，按“修程”規(guī)定進行中修。在中修時發(fā)明其已分解的第一、七缸燃燒室的氣缸套內(nèi)徑、活塞環(huán)、活塞、曲軸、凸輪軸、軸瓦等機件的尺寸均在新品規(guī)定的公稱尺寸之內(nèi)，毋需調(diào)換，持續(xù)運行。在此期間的燃油耗費率由51.2公斤/萬噸公里，減少到46.5公斤/萬噸公里，油耗降落了9.6%。至2002年11月底，該機車已運行50多萬公里。

　　2001年4月5日，北京內(nèi)燃機務(wù)段又對更大功率的DF-11型內(nèi)燃機車063、163號兩臺機車進行了加注“金屬磨損自修復(fù)材料”的同樣試驗。至2002年1月18日，063號機車行駛30萬公里進行中修時分解柴油動員機，經(jīng)檢測證實，該機車發(fā)動機的氣缸套、活塞、活塞環(huán)均在新品尺寸規(guī)定范疇之內(nèi)。

　　在上述運用實驗取得顯明后果的基本上，2001年12月，北京鐵路局決議，在北京、天津、石家莊、太原四個分局的100臺DF-11型內(nèi)燃機車上進行批量推廣“金屬磨損自修復(fù)資料”利用工作。截止2002年11月底，北京鐵路分局內(nèi)燃機務(wù)段已有31臺機車相繼進進30萬公里“中修”期，經(jīng)檢測，其氣缸套、活塞、活塞環(huán)等均不須要調(diào)換部件，未經(jīng)中修持續(xù)進行第二個中修期60萬公里的應(yīng)用試驗。2002年12月19日通過了北京市科委組織的科學(xué)技巧結(jié)果鑒定。

　　2、在直柄麻花鉆上的試用情形

　　哈爾濱第一工具廠對直柄麻花鉆實行金屬磨損自修復(fù)材料利用技術(shù)，與未實行技巧處置的同樣規(guī)格的直柄麻花鉆在同等加工條件下進行刀具性能對照試驗。成果表明：實行金屬磨損自修復(fù)材料運用技術(shù)的麻花鉆切削刃部能堅持持久銳利，應(yīng)用壽命進步5倍以上。

　　3、在M42-錐體球頭銑刀上的試用情況

　　哈爾濱風(fēng)華機器廠機器人公司對M42-錐體球頭銑刀進行金屬磨損自修復(fù)材料應(yīng)用技術(shù)處理，與同型號未經(jīng)處置的銑刀相比，其對高溫合金材料加工的應(yīng)用壽命提高了1倍以上。

　　4、在汽車動員機上的試用情形

　　“金屬磨損自修復(fù)材料”已經(jīng)在北京、大連、哈爾濱等十幾個城市的各類汽車（包含公共汽車、出租汽車、單位和家庭用汽車等）上應(yīng)用，均獲得顯明后果。以北京公交運七公司為例，試驗的17臺公交車運行4個月后，所有試驗車的汽缸壓力均勻上升了20%，基礎(chǔ)恢復(fù)到尺度值，尾氣均勻值降落了50%，節(jié)油率為7%以上。

　　四、運用遠(yuǎn)景及經(jīng)濟效益

　　磨損、腐化、疲勞是材料失效的三種重要情勢。有材料指出：全世界能量產(chǎn)出的1/3到1/2被用于戰(zhàn)勝摩擦阻力。據(jù)我國冶金礦山、農(nóng)機、煤炭、電力和建材五個部分的不完整統(tǒng)計，每年由于摩擦磨損造成的材料喪失和能源揮霍高達數(shù)十億元。和產(chǎn)業(yè)發(fā)達國度相比，由于我國雷同產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值的能耗高，造成我國資源糟蹋很大，節(jié)能降耗一直是我國工業(yè)發(fā)展中盡力尋求的目的。

　　我國有關(guān)行業(yè)入口的機械裝備，由于零件磨損，每年需彌補購置的各類備件約數(shù)十億美元。以軸承行業(yè)為例：我國生產(chǎn)的軸承的精度已能到達國際同類產(chǎn)品程度，但在壽命上卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)落伍于國外，每年需大批從國外進口：1999年進口軸承約6.4億套，3.46億美元；2000年進口軸承約9.2億套，4.45億美元；2001年進口軸承約7.25億套，4.89億美元（《軸承產(chǎn)業(yè)動態(tài)》統(tǒng)計數(shù)據(jù)）。

　　我國生產(chǎn)的各型內(nèi)燃機、汽輪機、減速齒輪箱等等，處于高速、高負(fù)荷運轉(zhuǎn)下的部件，受鋼材質(zhì)量和加工工藝的影響，都存在著嚴(yán)重的摩擦磨損問題，造成其應(yīng)用壽命低、故障率高、維修周期短的突出問題。

　　在我國工業(yè)生產(chǎn)中推廣使用“金屬磨損自修復(fù)材料”可以獲得重大的經(jīng)濟效益。以鐵路內(nèi)燃機車為例，全國每年耗費的燃油高達500多萬噸，假如鐵路內(nèi)燃機車使用“金屬磨損自修復(fù)材料”后，均勻單臺機車能減少燃油消費3-5%，則全年可節(jié)儉燃油15-25萬噸，折合國民幣4-6.5億元，其內(nèi)燃機車的中修修程由30萬公里延伸至60萬公里，每年還可以至少節(jié)儉中修費、零修費數(shù)億元，尚未計入機車應(yīng)用率提高后的增益值。

　　我國事潤滑油消費大國，僅次于美、俄，占世界第三位。我國每年耗費潤滑油340萬噸，其中包含從國外入口50萬噸。假如內(nèi)燃機潤滑油改用加添有“金屬磨損自修復(fù)資料”超細(xì)粉體和抗氧化劑的基本油，則不僅能夠使現(xiàn)有的內(nèi)燃機實現(xiàn)“節(jié)能降耗”，而且有看實現(xiàn)內(nèi)燃機的“畢生免大修”，還可減少高級潤滑油的入口量。


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