納米金剛瓷自修復(fù)材料節(jié)能延壽效果試驗分析

張斌，蔣智杰，閻昌春，陳芳華

（1.浙江省機(jī)電設(shè)計研究院有限公司，杭州 310051；2.杭州人本電機(jī)軸承有限公司，杭州 310022）

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，機(jī)械裝備不斷向高速、重載、高精度、長壽命等方向發(fā)展，其設(shè)計運行條件越來越苛刻，性能要求越來越高。機(jī)械裝備在使用過程中都存在大量的摩擦磨損失效技術(shù)難題，磨損失效已成為制約裝備安全可靠性和使用壽命的技術(shù)瓶頸之一［1－2］。據(jù)統(tǒng)計，我國每年因機(jī)械磨損所損耗的材料高達(dá)幾億元，全球超過1／3的一次性能源是因摩擦而損失的［3－6］。

為了減少機(jī)械裝備零部件的摩擦磨損，延長裝備的使用壽命，除了對摩擦副進(jìn)行合理的摩擦學(xué)設(shè)計外，一般可行的途徑有：1）控制造成磨損的條件，如磨粒、腐蝕等，在潤滑油中添加各種功能的添加劑；2）通過表面改性、表面強(qiáng)化等手段提高摩擦副的耐磨性能；3）使用具有自修復(fù)功能的新材料，在磨損過程中通過新的補償來彌補磨損［7－8］。

基于減小機(jī)械磨損的途徑，金屬抗磨自修復(fù)技術(shù)作為一項革命性的表面工程領(lǐng)域的新技術(shù)，不僅具備抗磨功能，還具備一定的減摩功能，能使運轉(zhuǎn)中的機(jī)器磨損表面得到動態(tài)自修復(fù)，由此大幅延長裝備的使用壽命，同時降低裝備的使用能耗［6，9］。目前許多專家學(xué)者對銅、鋅、鎂等納米態(tài)金屬和硅酸鹽等復(fù)合物自修復(fù)材料進(jìn)行了磨損自修復(fù)的試驗研究［5］，其中，天然礦石粉中提取的羥基硅酸鎂自修復(fù)材料，因其優(yōu)異的修復(fù)效果成為研究的焦點［10］。文獻(xiàn)［9］將羥基硅酸鎂在鐵路大功率DF－11型內(nèi)燃機(jī)車上進(jìn)行應(yīng)用試驗；文獻(xiàn)［11］研究了羥基硅酸鎂對球墨鑄鐵摩擦副耐磨性能的影響和自修復(fù)效果，研究表明，羥基硅酸鎂具有良好的抗磨減摩效果。

JM納米金剛瓷自修復(fù)材料（以下簡稱“金剛瓷”）為人工化學(xué)合成的混合自修復(fù)材料，主要成分為羥基硅酸鎂、催化劑和活化劑等，現(xiàn)有材料粒徑為微納米級，與礦石羥基硅酸鎂相比，最大特點為成本低?，F(xiàn)通過金剛瓷摩擦磨損試驗和在球軸承中的高速強(qiáng)化壽命試驗，驗證金剛瓷的抗磨減摩和節(jié)能延壽效果。

1 金剛瓷抗磨減摩機(jī)理

金剛瓷的自修復(fù)機(jī)理不同于生物或智能材料，生物或智能材料一般是在無外界作用情況下進(jìn)行自修復(fù)［12］，而金剛瓷的自修復(fù)機(jī)理類同于ART技術(shù)［2］，只有在摩擦副摩擦閃溫產(chǎn)生的情況下才能進(jìn)行自修復(fù)。在摩擦副運動過程中，金剛瓷以潤滑劑（潤滑油或潤滑脂）為載體進(jìn)入摩擦副表面，在摩擦副運行過程中，摩擦瞬間閃溫產(chǎn)生時，通過活化劑的作用，在摩擦副表面產(chǎn)生熔融、化學(xué)活化等反應(yīng)，從而在摩擦副接觸面形成金屬陶瓷改性層。金屬陶瓷改性層具有硬度高和表面粗糙度低的特征，從而改善了摩擦副表面的潤滑狀態(tài)和抗磨減摩性能，最終表現(xiàn)為較粗糙或已磨損的摩擦副表面得到自適應(yīng)修復(fù)，摩擦副的使用壽命延長，摩擦副的摩擦阻力和驅(qū)動功耗減?。?3］。

2 金剛瓷摩擦磨損試驗

2.1 試驗設(shè)備及試樣

試驗設(shè)備為MM－10W 多功能摩擦磨損試驗機(jī)，摩擦副為球－平面接觸模式的摩擦副（圖1）。

圖1 球－平面摩擦副Fig.1 Ball－plane friction pair

球試樣與平面試樣材料均為GCr15，硬度均約為63.0 HRC，表面粗糙度Ra均約為0.1μm，球徑為1.5 mm，平面試樣尺寸為φ31.25 mm×10 mm。

2.2 潤滑介質(zhì)配制

以長城汽油機(jī)潤滑油SJ10W－40為基礎(chǔ)潤滑油，其運動黏度（100℃）為14.3 mm2／s，開口閃點為211.4℃。在基礎(chǔ)潤滑油中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的金剛瓷，并經(jīng)超聲分散處理配制成JM金剛瓷潤滑油。

2.3 試驗方法與條件

在相同的試驗設(shè)備、接觸應(yīng)力、運動頻率和運行時間條件下，對比同種摩擦副在2種潤滑介質(zhì)下的摩擦因數(shù)和磨損表面形貌，評估金剛瓷的抗磨減摩能力及自修復(fù)性能。

試驗總時間為4 h，步長為2 mm，運動頻率為1 Hz，載荷F為5 N。

2.4 結(jié)果與分析

金剛瓷摩擦磨損試驗結(jié)果見表1。由表可知，0 h時，2種潤滑介質(zhì)下的摩擦因數(shù)幾乎相同。此后，在基礎(chǔ)潤滑油條件下，摩擦因數(shù)呈逐步上升趨勢，運行4 h時，摩擦因數(shù)達(dá)到0.170；在JM金剛瓷潤滑油條件下，試驗運行1 h內(nèi)，摩擦因數(shù)未有明顯變化，運行2 h后，摩擦因數(shù)降低至0.10左右，且一直處于較穩(wěn)定狀態(tài)，運行至試驗結(jié)束，其摩擦因數(shù)相對基礎(chǔ)潤滑油低40%左右。由此可見，金剛瓷對摩擦副表面具有明顯的自修復(fù)能力和減摩效果，但修復(fù)和減摩效果的體現(xiàn)需要一定的時間周期，并且修復(fù)后的摩擦副的摩擦因數(shù)比新摩擦副更低。

表1 摩擦磨損試驗結(jié)果Tab.1 Results of wear and friction test

試驗結(jié)束后，將平面試樣表面清洗干凈，干燥后用Quanta200掃描電子顯微鏡觀察基礎(chǔ)潤滑油和JM金剛瓷潤滑油下平面試樣的接觸表面形貌，如圖2所示。由圖可知，在基礎(chǔ)潤滑油下，平面試樣存在大量尺寸不一的表面缺陷，同時沿摩擦運動方向存在寬而深的犁溝（圖2a）；在JM金剛瓷潤滑油下，平面試樣表面光滑平整，幾乎未見較大尺寸的表面缺陷和較深的犁溝（圖2b）。由此可見，JM金剛瓷具有明顯的自修復(fù)和抗磨能力。

圖2 平面試樣接觸面形貌Fig.2 Contact surfacemorphology of plane samples

3 球軸承高速強(qiáng)化壽命試驗

3.1 試驗設(shè)備和試樣

試驗設(shè)備為BLT－M2型高速軸承強(qiáng)化壽命試驗機(jī)，在驅(qū)動電動機(jī)上加裝DTS601型三相四線電子式有功電能表，記錄壽命試驗過程驅(qū)動電動機(jī)的耗電量。

試樣軸承選取國內(nèi)某廠生產(chǎn)的同一批次電動汽車驅(qū)動電動機(jī)用6209－2RS高速深溝球軸承16套，軸承外形尺寸為φ45 mm×φ85 mm×19 mm，額定動載荷Cr為25.6 kN，極限轉(zhuǎn)速nL為12 000 r／min。將軸承隨機(jī)分成2組，A組填裝JM金剛瓷潤滑脂，B組填裝基礎(chǔ)潤滑脂，填脂量均為4.4 g，在同一臺試驗機(jī)上進(jìn)行強(qiáng)化壽命試驗。軸承安裝結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。

圖3 軸承安裝結(jié)構(gòu)簡圖Fig.3 Structure diagram for installation of bearing

3.2 潤滑介質(zhì)配置

以德國LUBCON252潤滑脂為基礎(chǔ)潤滑脂，在其中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.4%的金剛瓷，經(jīng)勻脂處理配制成JM金剛瓷潤滑脂。

3.3 試驗方法與條件

在相同的試驗設(shè)備和試驗條件下，以球軸承摩擦副為試樣，對比滾滑摩擦副在強(qiáng)化運動（強(qiáng)化壽命試驗）過程中的能耗和強(qiáng)化壽命，進(jìn)一步驗證金剛瓷對球軸承的節(jié)能延壽效果。

徑向載荷Fr＝5.591 kN（P／C＝0.218），試驗轉(zhuǎn)速n＝8 000 r／min，額定壽命L10h＝200 h。試驗方法為定時截尾試驗法，截尾時間T＝1 000 h，每次裝機(jī)4套軸承，試驗過程中每隔24 h記錄一次電能表數(shù)據(jù)。

3.4 結(jié)果與分析

球軸承高速強(qiáng)化壽命試驗結(jié)果見表2。由表可知，試驗運行1 000 h時，A組8套軸承均未發(fā)生失效；在截尾時間內(nèi)，B1，B7軸承分別運行到415，507 h時發(fā)生潤滑失效。由此可見，填裝JM金剛瓷潤滑脂的軸承高速壽命試驗運行時間明顯長于填裝基礎(chǔ)潤滑脂的軸承，平均相對延壽比率達(dá)到117%以上。

表2 球軸承高速強(qiáng)化壽命試驗結(jié)果Tab.2 High－speed accelerated life test results of ball bearing

由于B組軸承最短失效時間為415 h，為了避免帶入軸承失去潤滑而未停機(jī)時期能耗增大的影響因素，取試樣軸承運行384 h（16 d）的能耗數(shù)據(jù)做對比，結(jié)果如圖4所示。由圖可知，填裝JM金剛瓷潤滑脂的軸承2次裝機(jī)，運行384 h的總能耗均明顯低于填裝基礎(chǔ)潤滑脂的軸承，平均相對節(jié)能比率達(dá)到6.95%左右。

圖4 軸承能耗曲線Fig.4 Energy consumption curve of bearing

試驗結(jié)果表明，金剛瓷在6209－2RS軸承高速強(qiáng)化壽命試驗中體現(xiàn)出明顯的節(jié)能延壽效果。由于B組軸承的失效模式均為失去潤滑而失效，并非疲勞剝落失效，故認(rèn)為其延壽機(jī)理為：軸承試驗運行時不是一個純滾動的摩擦副，球在滾動的同時與溝道接觸處存在微小位移的滑動，該滑動產(chǎn)生使金剛瓷產(chǎn)生修復(fù)作用所需的瞬間閃溫，在金剛瓷活化劑作用下，金屬接觸表面形成了金屬陶瓷改性層，對粗糙表面產(chǎn)生修復(fù)作用，使溝道表面粗糙度得到進(jìn)一步降低，改善了摩擦副的潤滑狀態(tài)，使軸承邊界潤滑的發(fā)生時間大幅延后，或使邊界潤滑壽命大幅延長，抑或兩者均有之。

由圖4還可知，在開始運行120 h內(nèi)，4組軸承高速運行的驅(qū)動能耗隨時間的增長而增大，4條曲線的斜率基本一致；超過120 h后，A組軸承二次裝機(jī)的運行能耗斜率均明顯低于B組軸承，即A組軸承運行日均能耗明顯低于B組軸承。由此可見，金剛瓷對粗糙表面的修復(fù)需要一定的周期。

4 結(jié)論

1）JM金剛瓷能對表面粗糙度Ra達(dá)0.1μm級別的摩擦副表面進(jìn)行進(jìn)一步自修復(fù)，從而進(jìn)一步降低摩擦副的摩擦因數(shù)和球軸承的驅(qū)動能耗，在高端軸承和高端裝備上具有應(yīng)用潛力。

2）JM金剛瓷對6209－2RS高速球軸承的延壽效果主要源于潤滑狀態(tài)的改變，而非金剛瓷抗磨效果的體現(xiàn)，該效果應(yīng)在低速重載條件下進(jìn)行驗證。

3）JM金剛瓷自修復(fù)效果的體現(xiàn)需要一定的周期，其長短與摩擦副的接觸應(yīng)力、表面粗糙度Ra量級和相對運行速度等有關(guān)。

4）JM 金剛瓷對6209－2RS軸承相對節(jié)能6.95%的試驗結(jié)果是在強(qiáng)化壽命試驗條件下得出的，對較小載荷的使用工況不一定完全適用。