金属自修复材料在机械设备上的应用研究

袁俊洲，乔 良

(山东源根石油化工有限公司， 山东 济宁 272100)

机器的运转依赖于零件的相对接触运动，有相对接触运动就会发生磨损，而磨损是表面损伤、部件损坏和材料损失的主要原因。润滑是降低磨损的重要措施之一，但是传统润滑只能减少相对运动表面的磨损，延长其使用寿命，在摩擦过程中磨损表面没有自我修复的能力，所以不可能产生零磨损和自我修复的效果[1]。随着现代科技的发展，润滑油及其添加剂的需求量逐年增加。常规油溶性抗磨减摩添加剂虽然能够提高油品的承载力和极压性，但在使用时会对环境造成污染。纳米材料的出现，为润滑油添加剂的开发提供了新的选择。

金属磨损自修复材料是一种由复杂的羟基硅酸盐组成的微米级组合物。其原料主要来自某些天然矿石，制备金属自修复材料就是将修复材料注入到机械摩擦界面中，使摩擦系数降低，达到超精密磨削的效果。何成善等[2]在研究金属磨损自修复机理和材料的基础上，进行了基于羟基硅酸盐自修复材料的应用试验。王洪芹等[3]研究了高弹性自修复材料自修复技术在汽车发动机维修中的应用。为了更好地提高修复效果，本文在上述传统研究的基础上，对金属自修复材料在机械设备上的应用进行研究。

1 金属自修复材料在机械设备上的应用

1.1 自修复

自修复是指在实践中，机械设备经过不断的摩擦而损坏，不需要拆卸设备部件就能进行自修，且磨损的部件也能够进行自修[4-6]。

1.2 应用条件

金属自修复材料不能用于全新设备或维修时间短的设备，且要经过设备的磨合期之后才能使用。对无需研磨的机械设备，在设备大修后，可向机油中添加金属自修复材料[7]。

1.3 金属自修复材料制备

本文所选润滑油为国标46号机械油，该润滑油是一种基础油，具有良好的润滑和抗氧化性能，可用于对润滑油没有特殊要求的全损耗系统润滑，如主轴、轴承、齿轮等轻载机械零件，也可替代一般淬火油使用[8-10]。

溅射是制备氮化碳最常用的方法，包括 RF反应溅射202, DC磁控反应溅射212, RF磁控反应溅射242。采用高纯石墨作靶材，将氮气和氩气分别作为反应气体和溅射气体，通过高压高真空辉光放电，用溅射碳和碳团簇高速轰击沉积氮化碳。

球磨设备为上海长方XTL-100自控高能球磨机。经球磨机处理的氮化碳，其自修复剂的磨粒直径需要小于20 μm，为此对氮化碳进行处理[11]。

球磨是由电机带动转轴，产生强烈的冲击力、研磨和振动等高能量的运动。循环运动中，磨球高速旋转，向罐壁运动，利用磨球与罐壁之间产生的强烈冲击力，将罐内样品材料磨碎[12]。在磨球质量一定的情况下，根据磨球与罐壁之间产生的冲击力大小决定磨粒直径的取值范围，磨球与罐壁之间产生的冲击力W的表达式为：

(1)

式中：Ds为球磨机磨球的回转直径；Q为球磨机磨球的自转速度。

球磨罐内衬里是硬钢，硬钢的每块质量为8 g，每分钟移动875次。该球磨机体积小、能量高、噪声低、操作简单，适用于试验室操作。

图1显示了球磨机的工作情况。

图1 球磨机工作示意图

把球磨后的氮化碳按质量百分比添加到润滑油中，用占添加剂质量1%的钛酸酯偶联剂作为分散剂，在超声振荡器中振动分散30 min，即可制备出自修复材料。

1.4 机械样品制备

机械样品制备过程中，将地面样品进行分解，取试样的一部分进行形态观察。试样应按顺序进行镀层保护、镶嵌试样、磨削、抛光和腐蚀处理。

1)将试样分解后，在 WEDM机上切下试样的“小爪”部分，将具有磨痕部分的试样切成5 mm×7 mm的方块，并将其在丙酮中超声冲刷20 min后烘干。

2)镍的电镀层。将腐蚀的样品清洁后，在样品表面镀金属镍，厚度为0.05 mm，图2为电镀样品的示意图。

图2 电镀样品示意图

镀膜温度由水槽控制,为45 ℃。为防止因为时间过长造成摩擦表面氧化，将镀膜时间设置为40 min。镍层在电子显微镜下会发光，这样可以很方便地找到样品的边界，节省了在电子显微镜下寻找摩擦面的时间。

3)将样品包埋在金相样品镶嵌机中。嵌入材料为酚醛塑料黑色粉末，将嵌入温度设置为140～150 ℃，保持这个温度8～10 min，以保证试样与材料的紧密接触。

4)研磨后，通过砂带机对饼状试样进行粗磨。首先去除样品两端的镶嵌材料，使得样品横断面可见，两边基本平行；接着用细磨抗水性砂纸磨去样品横断面0.5 mm的厚度。

5)将经过打磨的样品送到抛光机抛光，直到样品横截面成镜像，在显微镜下看不到划痕(放大40倍)。再加入丙酮，用超声波清洗器清洗10 min，取出吹干。研磨试样端面涂有腐蚀剂(95%酒精+5%浓硝酸)，需用电子显微镜观察，扫描电子显微镜可用于硝酸干燥后的分析。

1.5 金属自修复材料使用前准备

1)对机械设备情况进行检查，主要查看部件是否发生损坏，并对温度、噪声等参数进行记录。

2)去除罐壁杂质，对机械设备的部分零件进行定期检查，如有损坏零件及时更换，并对检查情况与更换记录进行存档，以便后续查看。

1.6 具体使用方法

金属自修复材料必须注意其使用问题，加油量应根据金属自修复材料的使用情况而定，所选机械设备加金属自修复材料应按金属自修复材料润滑油量的25%进行，然后记录机械设备的参数。

所有准备工作完成后，加入一半的金属自修复材料，30 min后加入剩下的一半。

对于金属自修复材料的使用，还应注意以下几点：1)金属自修复材料不能定期添加，应根据加入润滑油的周期进行更新，可与新润滑剂配合使用；2)对于新的机械设备，在第一次更换润滑剂时，必须使用自修复金属材料。

2 试验分析

2.1 磨损试样微观分析方法

对摩擦副进行显微形貌分析，主要目的是观察摩擦副的磨损形态、损伤程度、焊点及表面材料成分。通过分析可直接解释摩擦表面在摩擦过程中的作用。在不同试验条件下，对试样表面磨损情况进行对比，可初步得出试样表面摩擦磨损规律。摩擦力形貌的显微分析主要是观察摩擦副表面的损伤、磨损修复及薄膜材料的组成。

试验所用分析方法如下：

1)利用能谱分析仪对蛇纹石的成分和相态进行分析，基本技术要求：采用铜钾射线，且射线波长λ=1.540 5，工作电压40 kV。能谱分析仪的射扫描电子显微镜如图3所示。

图3 能谱分析仪的射扫描电子显微镜

2)使用飞翔公司生产的扫描电子显微镜(Quanta200 SEEM)，对摩擦副和截面的微观形态进行观察和分析，扫描电子显微镜的主技术指标：加速电压取值为200 V/30 kV，能够连续放大7～100万倍。利用KYKY-2800型扫描电镜对摩擦副的磨损表面形貌进行观察，扫描电镜的主技术指标：加速电压取值为490 V/30 kV，能够连续放大3 020万倍。加速电压越大，显微镜的放大倍数越大，其中加速电压V的表达式为：

(2)

式中：S为磨损表面积；H为荷载。

3)采用X光能谱、能量色散-Amitx光能谱- EDAX及扫描电镜等方法对摩擦副磨损表面和横截面的元素组成及含量进行分析。

2.2 不同载荷下机械设备磨损情况对比

以载荷为影响因素，设定转速为300 r/min，运行时间为3 h，得到不同载荷下磨损量曲线图如图4所示。

图4 不同载荷下磨损量曲线图

由图可以看出，加载100 N、200 N和300 N载荷时，添加与未添加金属自修复材料的两种情况下磨损量的差异不明显。加载400 N载荷时，两种情况下的磨损量的差异较大，且未添加金属自修复材料的磨损量曲线在400 N处出现异常，但两种情况下的总磨损量随着荷载的增加逐渐增长。加入金属自修复材料后，磨损量出现了下降的趋势，即磨损量随载荷的增大而减小。

研究结果表明，添加金属自修复材料后，抗磨效果有所增加，能降低磨损，磨损量要比未添加时小很多。

2.3 不同转速下机械设备对比试验结果分析

以转速为影响因素，设定载荷为100 N，运行时间为3 h，图5显示了添加和未添加金属自修复材料后机械设备的磨损情况。

图5 不同转速下机械设备磨损对比试验结果对比

由图可知，当负荷为100 N，转速为300 r/min和500 r/min时，摩擦面接触不深，金属自修复材料没有足够的时间来修复机械设备。随着速度增加，摩擦时间延长，摩擦面会互相抛光，从而使试样由凸起部分逐渐抛光至光亮部分，由此得到较好的修复效果。

2.4 不同磨损时间下机械设备的磨损情况对比

将磨损时间作为影响因素，为了研究添加和不添加金属自修复材料后，是否会由于磨损时间的延长而失去抗磨效果，设定载荷为100 N，转速为300 r/min，运行时间分别为1，2，3，4，5 h。图6为不同磨损时间下机械设备的磨损情况。

图6 不同磨损时间下机械设备的磨损情况对比

由图可以看出，运行时间为1 h时，添加与未添加金属自修复材料的机械设备磨损量差别不大，但在运行时间为2 h时，添加金属自修复材料的磨损面开始变得平滑，随着磨损时间的延长，磨损量开始下降，说明机械设备表面的细小裂纹逐渐消失，磨损面变得极为光滑，裂纹和微孔减少。当运行时间为3，4，5 h时，磨损量基本相同，即金属自修复层形成之后，磨损面不再继续形成修复层，修复层不是与铁基金属剥离，而是紧密结合，因此金属的抗磨自修复成分与铁基金属发生化学作用，从而保证了修复效果。而随着磨损时间延长，使用未添加金属自修复材料的机械设备磨损量逐渐增大，不能形成平整的修复层。

3 结束语

本文完成了对金属自修复材料在机械设备上的应用研究，将添加与未添加金属自修复材料的机械设备磨损情况进行对比可知，添加金属自修复材料对机械设备磨损情况具有较好的修复作用。但是本文研究还存在一定的不足，只对金属自修复材料在机械设备上的应用进行了研究，自修复材料在成品油中的抗磨效果还有待进一步的研究。