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工程机械 减摩 自修复材料技术 工程机械减摩自修复材料技术 作者:张振召发布日期:2006-12-25 编者按:金属磨损自修复材料技术作为一种世界领先的高新技术，它具有独特的作用原理和金属表面改性功能，可以用于任何一种存在摩擦的机械设备中。我国每年因摩擦磨损造成的损失达上千亿元，而推广和应用金属磨损自修复材料技术有望解决诸多相关问题并获得巨大的经济效益。因此，本刊特向您推荐此文，愿您重点阅读并有所收获。 摘要:金属磨损自修复材料技术是一项具有革命性的、独创的、全新的金属表面强化与修复的新技术。应用这种新材料新技术，不仅能预防机件磨损，还能在动态中修复机械磨损面，大幅度延长装备的使用寿命和降低能耗。文中介绍了金属磨损自修复材料技术的作用原理与技术特点，并通过实例介绍了金属磨损自修复材料在不同领域的应用情况。 金属磨损自修复技术是一种全新的机械装备和机械零件摩擦表面的减摩技术。它的特点是在机械装备不解体的情况下，动态中完成金属磨损部位的自修复过程，生成减摩性能优异的耐磨保护层，使摩擦表面硬度和光洁度提高，摩擦系数大幅度降低，并使已经磨损的部位恢复到原来尺寸。 一、金属磨损自修复材料的作用原理和技术特点 金属磨损自修复材料是一种由羟基硅酸镁等多种矿物成份、添加剂和催化剂等构成的复杂组分超细粉体组合材料，主要取之于天然矿石。它的常用组分粒度为0.1~10μm，可以添加到各种类型的润滑油或润滑脂中使用(图1)。润滑油或脂作为载体，将修复材料的超细粉体微粒送入摩擦副的工作面上。它不与油品发生化学反应，不改变油的粘度和性质，也无毒副作用。在常温下的化学性质十分稳定。 修复剂微粒在金属摩擦表面所发生的物理变化是:使摩擦表面得到清理和超精研磨。修复剂微粒相对于金属摩擦表面的微凸体和凹坑来说仍然是大尺寸颗粒(0.1~10μm)，被带入摩擦界面后，在机械零件的摩擦滑动中被研磨细化。此时微粒材料要穿透油膜，对摩擦表面上的所有污染物(润滑油的分解物、添加剂，磨粒附着物，积炭)进行清理，尤其是将微凹坑中的污染物清理干净，就象用砂子清理粘有油泥的手掌一样。修复剂微粒的超精研磨作用也造成金属表面的微凸体发生断裂，使得摩擦表面的光洁度进一步提高。 修复剂微粒在金属摩擦表面发生的化学反应是:在超精研磨中，微凸体发生断裂时产生的闪温，使微粒晶体中的镁原子与金属表层的铁原子发生置换反应，在摩擦表面生成铁硅酸盐新晶体。在摩擦能的作用下，新晶体在摩擦表面不断增加，最终形成了与铁基金属成化学键结合的耐磨保护层。 保护层的生成速度与厚度与摩擦释放的能量和修复剂颗粒的数量成正比:修复剂微粒的数量充足、摩擦释放的能量大时，保护层的增长速度就快;反之，当摩擦间隙得到补偿，摩擦释放的能量降低，保护层增长的速度就慢。因此，修复剂微粒发生化学反映生成保护层的部位是有选择性的，它只在金属磨损的部位上发生。在非磨损部位上，修复剂微粒不发生化学反应，仍然被油液携带着流动。随着保护层的不断生成，磨损部位的磨损间隙得到补偿，表面光洁度提高，导致摩擦释放的能量降低，置换反应停止，保护层停止生长。保护层不仅能够补偿间隙，使零件恢复原始形状，还可以优化配合间隙，这就有利于降低摩擦振动，减少噪音，节约能源，实现对零件摩擦表面几何形状的修复和配合间隙的优化。 耐磨保护层具有异乎寻常的力学和物理性能: 摩擦系数μ0.003~0.007(干摩擦) 显微硬度Hv680~710 线胀系数13.6~14.2(与钢相同) 冲击强度50kg/mm2 耐高温1575~1600℃(破坏温度) 耐腐蚀高湿度，海洋环境，酸、碱介质中不腐蚀 经清华大学摩擦学国家重点实验室测量验证，在铁路大功率DF-11型内燃机车使用金属磨损自修复材料运行15万公里时，柴油发动机气缸内壁的摩擦面上生成的耐磨保护层的厚度为8~14μm，实测其摩擦系数为0.005，比缸套基体金属表面油膜润滑的摩擦系数下降了一个数量级;纳米硬度比基体金属表面的硬度提高一倍多。 应当指出的是，在实验室中测得的耐磨保护层的平均摩擦系数为0.005，是在干摩擦条件下测取的。在有SD/CC40润滑油油膜的条件下，其摩擦系数则有恢复性的升高。因此，对于已生成耐磨保护层的摩擦副，润滑油的主要作用在于散热，此时选择一种粘度值较低的润滑油将能够更好地发挥耐磨保护层的低摩擦系数优势，从而也进一步降低了能耗，获得卓越的减摩降耗性能。 实际使用证明，内燃发动机在使用中因气缸、活塞等的摩擦阻力大和配合间隙大，造成其动力性能有不同程度的下降，在其气缸、活塞环等摩擦表面上生成的超硬超滑耐磨保护层和自动修复其磨损部位后，发动机的性能会发生如下变化: 气缸压缩比:提高10~15%; 热发动机怠速油压:增加1.0~1.5kg/cm2; 发动机动力:提高5~25%; 发动机油耗:下降5~15%; C