蛇纹石粉体作为机械摩擦副磨损表面自修复添加剂的研究

张树华，刘 岩，唐诗洋，李 健

（黑龙江省能源环境研究院，黑龙江 哈尔滨 150027）

当今世界上，磨损、腐蚀、断裂已成为使机械零件失效的3大主要原因。据统计，全世界有三分之一的能源消耗在摩擦磨损上，造成巨大的经济损失。我国每年大约有80%的机械零件失效是由于磨损造成的，直接损失2万多亿元。

人们广泛采用润滑的方式来克服摩擦磨损。近年来，越来越多的研究者们热衷于润滑添加剂的研究。目前，以蛇纹石粉体为主要原料的机械摩擦副磨损表面自修复添加剂受到了人们的广泛关注，该添加剂能够直接对运行中磨损的机械零件进行原位自修复，在表面形成保护膜，延长机械使用寿命，节约能源，降低经济损失。它将对我国建设可持续发展的资源节约型和环境友好型社会发挥重要的作用。

1 机械摩擦副磨损表面自修复添加剂简介

1.1 蛇纹石粉体

机械摩擦副磨损表面自修复添加剂的主要原料为蛇纹石，它是硅酸盐矿物的总称，分子式为（Mg6（Si4O10）（OH）8），主要含有羟基硅酸镁化学成分，其结构为八面体层与六方网状层按1∶1结合构成的单元层状，其中[SiO4]四面体构成了六方网状层，而八面体层结构来自蛇纹石中的氢氧镁石[1]。通过研究发现，蛇纹石在球磨机中粉碎时，强力的机械力会使蛇纹石层状结构中的八面体层与六方网状层发生断裂，存在于八面体层氢氧镁石中的羟基会大量暴露出来[2]，O-Si-O、Si-O-Si、镁键、羟基、氢键等不饱和键出现在断裂面上。由于不饱和键存在极大的活性，使得蛇纹石粉体也具有很高的化学活性。机械摩擦副极易吸附这种富含活性的蛇纹石粉体，并在磨损表面上发生相互作用形成自修复保护膜，从而达到减少摩擦，延长机械寿命的目的。

1.2 机械摩擦副磨损表面自修复添加剂

机械摩擦副磨损表面自修复添加剂是以经球磨机球磨粉碎的蛇纹石超细粉体为主要基础原料，添加少量分散剂与助剂，以润滑油或润滑脂为载体，在一定的工艺条件下复配出来。它作为一种亚微米级的非油溶性复合摩擦改进剂，在使用过程中不与油品产生化学反应，不改变油品的粘度和性质[3]。自修复添加剂可以在磨损表面形成具有较强抗剪切能力的自修复保护膜，避免了摩擦副表面的直接接触，降低摩擦系数，减少摩擦损耗。

1.3 修复原理

机械摩擦副磨损表面自修复添加剂加入到正在运行的设备中，与摩擦副表面接触，自修复材料被进一步研磨细化。在摩擦剪切力与高温高压的作用下，自修复添加剂的不饱和键重新活化，细化后的自修复添加剂对摩擦副表面有很强的附着渗透能力，使其容易被填充到摩擦副长期磨损形成的孔洞或凹面内。在摩擦力产生的高速研磨过程以及瞬间的高温条件下，自修复添加剂在摩擦副表面发生微烧结、微冶金过程，这是超细亚微米粉体的典型特征。同时，摩擦副表面与自修复添加剂的相互摩擦过程中发生复杂的物理化学作用，使得自修复添加剂在磨损表面形成一层自修复保护膜。在磨损越严重的部位，这种微烧结、微冶金过程发生的几率越多。较高表面光洁度与硬度的自修复膜可以使摩擦系数大大降低，摩擦损耗也随之显著减少。当形成的自修复膜厚度、摩擦副间隙以及摩擦表面的几何构型与机械摩擦副的初始状态相似时，摩擦热会大量降低，自修复添加剂的微烧结、微冶金的机会随之减少，磨损与自修复达到了动态平衡，得到了机械的最佳配合间隙，并相对长期保持，延长了机械零件的使用寿命。

2 添加剂的应用

2.1 实验室应用研究

装甲兵工程学院的郭延宝等[4]将机械摩擦副磨损表面自修复添加剂在室温下添加到载荷为150N、转速为180r·min-1的MM-200型摩擦磨损试验机中。他们研究发现，随着时间的延长，摩擦副的摩擦系数逐渐降低并最终保持平稳。由磨损表面的扫描电镜照片以及元素组成EDXA分析可以得出，磨损表面形成了一层存在元素Si和Al的抗磨保护层，自修复添加剂具有减摩抗磨作用。大连海事大学的陈文刚[5]等也利用MM-200型摩擦磨损试验机研究自修复添加剂在摩擦方面的应用。该课题组验证了添加自修复添加剂可以减少摩擦副的磨损量，起到良好的抗磨损作用。于鹤龙等[6]把自修复添加剂应用到UMT-2型磨损试验机上进行研究，他们最终发现，摩擦副表面形成了一层含有Si、O、Al等元素的高硬度抗磨保护层，而这些元素是自修复添加剂主要原料蛇纹石的特征元素。由此可以得出，自修复添加剂在摩擦副磨损表面具有优异的摩擦学性能。南京工业大学的曹娟等[7]利用载荷为392N的WMM-1万能摩擦磨损试验机进行自修复添加剂的应用研究，他们研究发现，当自修复添加剂的添加量为0.3%时，摩擦表面的摩擦因数达到最小值，自修复添加剂对磨损表面起到了修补的作用。随着添加量的增加，摩擦因数反而增大。因此他们得出结论，要添加合适量的自修复添加剂才能对摩擦副磨损表面进行修复、保护。

2.2 工业应用

采用机械摩擦副磨损表面自修复添加剂在铁路机车上进行应用试验。机车添加自修复添加剂走行30万km后进行检测，检测结果为：

（1）机车在使用自修复添加剂之前和使用之后同里程相比，燃油单耗节约9.6%，证明使用自修复添加剂的确对内燃发动机有明显的节油效果。

（2）通过对气缸的表面检测发现，摩擦表面光滑，且硬度增强，具有抗磨效果。证明自修复添加剂在磨损表面形成了一层自修复保护膜。

（3）在机车中修时，机车的有关技术指标都保持最佳状态，曲轴、摩擦副的各部件都保持良好，同时内燃机汽缸套、活塞、活塞环均几乎没有发生磨损，提高了机车的利用率，降低了机车的检修率，大大节省了检修费用。

利用小型轿车来研究自修复添加剂对中小型发动机的应用效果。在车辆行驶5000km后，检测发现，汽车的平均气缸压力提高21.3%，节油率15.2%，汽车在使用自修复添加剂之前和使用之后同里程相比，CO排放量降低1.22%，HC排放量降低0.57%，NOx排放量降低2.62%，各零部件均保持良好状态，摩擦表面光滑。使用自修复添加剂达到了延长使用寿命、节约燃油、减少尾气排放的功效。

3 展望

综上所述，以蛇纹石为主要原料的机械摩擦副磨损表面自修复添加剂具有减摩抗磨、修复磨损表面的功效，可以达到延长发动机使用寿命，节约燃油，保护环境的目的，是一种高效节能环保型添加剂。目前，越来越多的研究者致力于自修复添加剂的研究并积累了一定的经验。在未来，对机械摩擦副磨损表面自修复添加剂的研究应该以以下几个方面为主：

（1）提高蛇纹石粉体的研磨粉碎工艺，使其粒径更小，接近纳米级，颗粒尺寸更均匀。

（2）对蛇纹石粉体表面进行修饰，使其在溶剂中具有稳定的分散性。

（3）扩展自修复添加剂的应用领域，如船舶用的大型发动机、飞机发动机、工业机械等。获得广阔的发展前景，并创造巨大的社会效益、经济效益和环境效益。

［1］杨其明，白志民.超细蛇纹石粉体的材料特性、摩擦学介入行为及其工业应用［J］.润滑与密封，2010，35（9）：98-101.

［2］李桂金，白志民，黄卫俊，等.蛇纹石粉体表面改性研究［J］.硅酸盐通报，2008，27（6）：1091-1095.

［3］高玉周，张会臣，许晓磊，等.硅酸盐粉体作为润滑油添加剂在金属磨损表面成膜机制［J］.润滑与密封，2006，（10）：39-42.

［4］郭延宝，徐滨士，马世宁，等.羟基硅酸盐润滑油添加剂对45#钢/球墨铸铁摩擦副摩擦磨损性能的影响［J］.摩擦学学报，2004，24（6）：512-515.

［5］陈文刚，高玉周，张会臣.蛇纹石粉体作为自修复添加剂的抗磨损机理［J］.摩擦学学报，2008，28（5）：463-468.

［6］于鹤龙，王红美，赵可可，等.蛇纹石润滑油添加剂摩擦反应膜的力学特征和摩擦学性能［J］.摩擦学基础理论，2011，47-52.

［7］曹娟，张振忠，赵芳霞.超细蛇纹石粉体改善润滑油摩擦磨损性能的研究［J］.润滑与密封，2007，32（12）：53-55.