蛇紋石粉體作為機(jī)械摩擦副磨損表面自修復(fù)添加劑的研究

張樹華，劉 巖，唐詩洋，李 健

（黑龍江省能源環(huán)境研究院，黑龍江 哈爾濱 150027）

當(dāng)今世界上，磨損、腐蝕、斷裂已成為使機(jī)械零件失效的3大主要原因。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界有三分之一的能源消耗在摩擦磨損上，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。我國(guó)每年大約有80%的機(jī)械零件失效是由于磨損造成的，直接損失2萬多億元。

人們廣泛采用潤(rùn)滑的方式來克服摩擦磨損。近年來，越來越多的研究者們熱衷于潤(rùn)滑添加劑的研究。目前，以蛇紋石粉體為主要原料的機(jī)械摩擦副磨損表面自修復(fù)添加劑受到了人們的廣泛關(guān)注，該添加劑能夠直接對(duì)運(yùn)行中磨損的機(jī)械零件進(jìn)行原位自修復(fù)，在表面形成保護(hù)膜，延長(zhǎng)機(jī)械使用壽命，節(jié)約能源，降低經(jīng)濟(jì)損失。它將對(duì)我國(guó)建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)發(fā)揮重要的作用。

1 機(jī)械摩擦副磨損表面自修復(fù)添加劑簡(jiǎn)介

1.1 蛇紋石粉體

機(jī)械摩擦副磨損表面自修復(fù)添加劑的主要原料為蛇紋石，它是硅酸鹽礦物的總稱，分子式為（Mg6（Si4O10）（OH）8），主要含有羥基硅酸鎂化學(xué)成分，其結(jié)構(gòu)為八面體層與六方網(wǎng)狀層按1∶1結(jié)合構(gòu)成的單元層狀，其中[SiO4]四面體構(gòu)成了六方網(wǎng)狀層，而八面體層結(jié)構(gòu)來自蛇紋石中的氫氧鎂石[1]。通過研究發(fā)現(xiàn)，蛇紋石在球磨機(jī)中粉碎時(shí)，強(qiáng)力的機(jī)械力會(huì)使蛇紋石層狀結(jié)構(gòu)中的八面體層與六方網(wǎng)狀層發(fā)生斷裂，存在于八面體層氫氧鎂石中的羥基會(huì)大量暴露出來[2]，O-Si-O、Si-O-Si、鎂鍵、羥基、氫鍵等不飽和鍵出現(xiàn)在斷裂面上。由于不飽和鍵存在極大的活性，使得蛇紋石粉體也具有很高的化學(xué)活性。機(jī)械摩擦副極易吸附這種富含活性的蛇紋石粉體，并在磨損表面上發(fā)生相互作用形成自修復(fù)保護(hù)膜，從而達(dá)到減少摩擦，延長(zhǎng)機(jī)械壽命的目的。

1.2 機(jī)械摩擦副磨損表面自修復(fù)添加劑

機(jī)械摩擦副磨損表面自修復(fù)添加劑是以經(jīng)球磨機(jī)球磨粉碎的蛇紋石超細(xì)粉體為主要基礎(chǔ)原料，添加少量分散劑與助劑，以潤(rùn)滑油或潤(rùn)滑脂為載體，在一定的工藝條件下復(fù)配出來。它作為一種亞微米級(jí)的非油溶性復(fù)合摩擦改進(jìn)劑，在使用過程中不與油品產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，不改變油品的粘度和性質(zhì)[3]。自修復(fù)添加劑可以在磨損表面形成具有較強(qiáng)抗剪切能力的自修復(fù)保護(hù)膜，避免了摩擦副表面的直接接觸，降低摩擦系數(shù)，減少摩擦損耗。

1.3 修復(fù)原理

機(jī)械摩擦副磨損表面自修復(fù)添加劑加入到正在運(yùn)行的設(shè)備中，與摩擦副表面接觸，自修復(fù)材料被進(jìn)一步研磨細(xì)化。在摩擦剪切力與高溫高壓的作用下，自修復(fù)添加劑的不飽和鍵重新活化，細(xì)化后的自修復(fù)添加劑對(duì)摩擦副表面有很強(qiáng)的附著滲透能力，使其容易被填充到摩擦副長(zhǎng)期磨損形成的孔洞或凹面內(nèi)。在摩擦力產(chǎn)生的高速研磨過程以及瞬間的高溫條件下，自修復(fù)添加劑在摩擦副表面發(fā)生微燒結(jié)、微冶金過程，這是超細(xì)亞微米粉體的典型特征。同時(shí)，摩擦副表面與自修復(fù)添加劑的相互摩擦過程中發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)作用，使得自修復(fù)添加劑在磨損表面形成一層自修復(fù)保護(hù)膜。在磨損越嚴(yán)重的部位，這種微燒結(jié)、微冶金過程發(fā)生的幾率越多。較高表面光潔度與硬度的自修復(fù)膜可以使摩擦系數(shù)大大降低，摩擦損耗也隨之顯著減少。當(dāng)形成的自修復(fù)膜厚度、摩擦副間隙以及摩擦表面的幾何構(gòu)型與機(jī)械摩擦副的初始狀態(tài)相似時(shí)，摩擦熱會(huì)大量降低，自修復(fù)添加劑的微燒結(jié)、微冶金的機(jī)會(huì)隨之減少，磨損與自修復(fù)達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡，得到了機(jī)械的最佳配合間隙，并相對(duì)長(zhǎng)期保持，延長(zhǎng)了機(jī)械零件的使用壽命。

2 添加劑的應(yīng)用

2.1 實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用研究

裝甲兵工程學(xué)院的郭延寶等[4]將機(jī)械摩擦副磨損表面自修復(fù)添加劑在室溫下添加到載荷為150N、轉(zhuǎn)速為180r·min-1的MM-200型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)中。他們研究發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，摩擦副的摩擦系數(shù)逐漸降低并最終保持平穩(wěn)。由磨損表面的掃描電鏡照片以及元素組成EDXA分析可以得出，磨損表面形成了一層存在元素Si和Al的抗磨保護(hù)層，自修復(fù)添加劑具有減摩抗磨作用。大連海事大學(xué)的陳文剛[5]等也利用MM-200型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)研究自修復(fù)添加劑在摩擦方面的應(yīng)用。該課題組驗(yàn)證了添加自修復(fù)添加劑可以減少摩擦副的磨損量，起到良好的抗磨損作用。于鶴龍等[6]把自修復(fù)添加劑應(yīng)用到UMT-2型磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行研究，他們最終發(fā)現(xiàn)，摩擦副表面形成了一層含有Si、O、Al等元素的高硬度抗磨保護(hù)層，而這些元素是自修復(fù)添加劑主要原料蛇紋石的特征元素。由此可以得出，自修復(fù)添加劑在摩擦副磨損表面具有優(yōu)異的摩擦學(xué)性能。南京工業(yè)大學(xué)的曹娟等[7]利用載荷為392N的WMM-1萬能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行自修復(fù)添加劑的應(yīng)用研究，他們研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)自修復(fù)添加劑的添加量為0.3%時(shí)，摩擦表面的摩擦因數(shù)達(dá)到最小值，自修復(fù)添加劑對(duì)磨損表面起到了修補(bǔ)的作用。隨著添加量的增加，摩擦因數(shù)反而增大。因此他們得出結(jié)論，要添加合適量的自修復(fù)添加劑才能對(duì)摩擦副磨損表面進(jìn)行修復(fù)、保護(hù)。

2.2 工業(yè)應(yīng)用

采用機(jī)械摩擦副磨損表面自修復(fù)添加劑在鐵路機(jī)車上進(jìn)行應(yīng)用試驗(yàn)。機(jī)車添加自修復(fù)添加劑走行30萬km后進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果為：

（1）機(jī)車在使用自修復(fù)添加劑之前和使用之后同里程相比，燃油單耗節(jié)約9.6%，證明使用自修復(fù)添加劑的確對(duì)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)有明顯的節(jié)油效果。

（2）通過對(duì)氣缸的表面檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，摩擦表面光滑，且硬度增強(qiáng)，具有抗磨效果。證明自修復(fù)添加劑在磨損表面形成了一層自修復(fù)保護(hù)膜。

（3）在機(jī)車中修時(shí)，機(jī)車的有關(guān)技術(shù)指標(biāo)都保持最佳狀態(tài)，曲軸、摩擦副的各部件都保持良好，同時(shí)內(nèi)燃機(jī)汽缸套、活塞、活塞環(huán)均幾乎沒有發(fā)生磨損，提高了機(jī)車的利用率，降低了機(jī)車的檢修率，大大節(jié)省了檢修費(fèi)用。

利用小型轎車來研究自修復(fù)添加劑對(duì)中小型發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用效果。在車輛行駛5000km后，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，汽車的平均氣缸壓力提高21.3%，節(jié)油率15.2%，汽車在使用自修復(fù)添加劑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狀態(tài)，摩擦表面光滑。使用自修復(fù)添加劑達(dá)到了延長(zhǎng)使用壽命、節(jié)約燃油、減少尾氣排放的功效。

3 展望

綜上所述，以蛇紋石為主要原料的機(jī)械摩擦副磨損表面自修復(fù)添加劑具有減摩抗磨、修復(fù)磨損表面的功效，可以達(dá)到延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命，節(jié)約燃油，保護(hù)環(huán)境的目的，是一種高效節(jié)能環(huán)保型添加劑。目前，越來越多的研究者致力于自修復(fù)添加劑的研究并積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。在未來，對(duì)機(jī)械摩擦副磨損表面自修復(fù)添加劑的研究應(yīng)該以以下幾個(gè)方面為主：

（1）提高蛇紋石粉體的研磨粉碎工藝，使其粒徑更小，接近納米級(jí)，顆粒尺寸更均勻。

（2）對(duì)蛇紋石粉體表面進(jìn)行修飾，使其在溶劑中具有穩(wěn)定的分散性。

（3）擴(kuò)展自修復(fù)添加劑的應(yīng)用領(lǐng)域，如船舶用的大型發(fā)動(dòng)機(jī)、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、工業(yè)機(jī)械等。獲得廣闊的發(fā)展前景，并創(chuàng)造巨大的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

［1］楊其明，白志民.超細(xì)蛇紋石粉體的材料特性、摩擦學(xué)介入行為及其工業(yè)應(yīng)用［J］.潤(rùn)滑與密封，2010，35（9）：98-101.

［2］李桂金，白志民，黃衛(wèi)俊，等.蛇紋石粉體表面改性研究［J］.硅酸鹽通報(bào)，2008，27（6）：1091-1095.

［3］高玉周，張會(huì)臣，許曉磊，等.硅酸鹽粉體作為潤(rùn)滑油添加劑在金屬磨損表面成膜機(jī)制［J］.潤(rùn)滑與密封，2006，（10）：39-42.

［4］郭延寶，徐濱士，馬世寧，等.羥基硅酸鹽潤(rùn)滑油添加劑對(duì)45#鋼/球墨鑄鐵摩擦副摩擦磨損性能的影響［J］.摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2004，24（6）：512-515.

［5］陳文剛，高玉周，張會(huì)臣.蛇紋石粉體作為自修復(fù)添加劑的抗磨損機(jī)理［J］.摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2008，28（5）：463-468.

［6］于鶴龍，王紅美，趙可可，等.蛇紋石潤(rùn)滑油添加劑摩擦反應(yīng)膜的力學(xué)特征和摩擦學(xué)性能［J］.摩擦學(xué)基礎(chǔ)理論，2011，47-52.

［7］曹娟，張振忠，趙芳霞.超細(xì)蛇紋石粉體改善潤(rùn)滑油摩擦磨損性能的研究［J］.潤(rùn)滑與密封，2007，32（12）：53-55.