金屬自修復(fù)材料在機(jī)械設(shè)備上的應(yīng)用研究

袁俊洲，喬 良

(山東源根石油化工有限公司， 山東 濟(jì)寧 272100)

機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)依賴于零件的相對(duì)接觸運(yùn)動(dòng)，有相對(duì)接觸運(yùn)動(dòng)就會(huì)發(fā)生磨損，而磨損是表面損傷、部件損壞和材料損失的主要原因。潤(rùn)滑是降低磨損的重要措施之一，但是傳統(tǒng)潤(rùn)滑只能減少相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面的磨損，延長(zhǎng)其使用壽命，在摩擦過程中磨損表面沒有自我修復(fù)的能力，所以不可能產(chǎn)生零磨損和自我修復(fù)的效果[1]。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，潤(rùn)滑油及其添加劑的需求量逐年增加。常規(guī)油溶性抗磨減摩添加劑雖然能夠提高油品的承載力和極壓性，但在使用時(shí)會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。納米材料的出現(xiàn)，為潤(rùn)滑油添加劑的開發(fā)提供了新的選擇。

金屬磨損自修復(fù)材料是一種由復(fù)雜的羥基硅酸鹽組成的微米級(jí)組合物。其原料主要來自某些天然礦石，制備金屬自修復(fù)材料就是將修復(fù)材料注入到機(jī)械摩擦界面中，使摩擦系數(shù)降低，達(dá)到超精密磨削的效果。何成善等[2]在研究金屬磨損自修復(fù)機(jī)理和材料的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了基于羥基硅酸鹽自修復(fù)材料的應(yīng)用試驗(yàn)。王洪芹等[3]研究了高彈性自修復(fù)材料自修復(fù)技術(shù)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)維修中的應(yīng)用。為了更好地提高修復(fù)效果，本文在上述傳統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，對(duì)金屬自修復(fù)材料在機(jī)械設(shè)備上的應(yīng)用進(jìn)行研究。

1 金屬自修復(fù)材料在機(jī)械設(shè)備上的應(yīng)用

1.1 自修復(fù)

自修復(fù)是指在實(shí)踐中，機(jī)械設(shè)備經(jīng)過不斷的摩擦而損壞，不需要拆卸設(shè)備部件就能進(jìn)行自修，且磨損的部件也能夠進(jìn)行自修[4-6]。

1.2 應(yīng)用條件

金屬自修復(fù)材料不能用于全新設(shè)備或維修時(shí)間短的設(shè)備，且要經(jīng)過設(shè)備的磨合期之后才能使用。對(duì)無需研磨的機(jī)械設(shè)備，在設(shè)備大修后，可向機(jī)油中添加金屬自修復(fù)材料[7]。

1.3 金屬自修復(fù)材料制備

本文所選潤(rùn)滑油為國(guó)標(biāo)46號(hào)機(jī)械油，該潤(rùn)滑油是一種基礎(chǔ)油，具有良好的潤(rùn)滑和抗氧化性能，可用于對(duì)潤(rùn)滑油沒有特殊要求的全損耗系統(tǒng)潤(rùn)滑，如主軸、軸承、齒輪等輕載機(jī)械零件，也可替代一般淬火油使用[8-10]。

濺射是制備氮化碳最常用的方法，包括 RF反應(yīng)濺射202, DC磁控反應(yīng)濺射212, RF磁控反應(yīng)濺射242。采用高純石墨作靶材，將氮?dú)夂蜌鍤夥謩e作為反應(yīng)氣體和濺射氣體，通過高壓高真空輝光放電，用濺射碳和碳團(tuán)簇高速轟擊沉積氮化碳。

球磨設(shè)備為上海長(zhǎng)方XTL-100自控高能球磨機(jī)。經(jīng)球磨機(jī)處理的氮化碳，其自修復(fù)劑的磨粒直徑需要小于20 μm，為此對(duì)氮化碳進(jìn)行處理[11]。

球磨是由電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸，產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊力、研磨和振動(dòng)等高能量的運(yùn)動(dòng)。循環(huán)運(yùn)動(dòng)中，磨球高速旋轉(zhuǎn)，向罐壁運(yùn)動(dòng)，利用磨球與罐壁之間產(chǎn)生的強(qiáng)烈沖擊力，將罐內(nèi)樣品材料磨碎[12]。在磨球質(zhì)量一定的情況下，根據(jù)磨球與罐壁之間產(chǎn)生的沖擊力大小決定磨粒直徑的取值范圍，磨球與罐壁之間產(chǎn)生的沖擊力W的表達(dá)式為：

(1)

式中：Ds為球磨機(jī)磨球的回轉(zhuǎn)直徑；Q為球磨機(jī)磨球的自轉(zhuǎn)速度。

球磨罐內(nèi)襯里是硬鋼，硬鋼的每塊質(zhì)量為8 g，每分鐘移動(dòng)875次。該球磨機(jī)體積小、能量高、噪聲低、操作簡(jiǎn)單，適用于試驗(yàn)室操作。

圖1顯示了球磨機(jī)的工作情況。

圖1 球磨機(jī)工作示意圖

把球磨后的氮化碳按質(zhì)量百分比添加到潤(rùn)滑油中，用占添加劑質(zhì)量1%的鈦酸酯偶聯(lián)劑作為分散劑，在超聲振蕩器中振動(dòng)分散30 min，即可制備出自修復(fù)材料。

1.4 機(jī)械樣品制備

機(jī)械樣品制備過程中，將地面樣品進(jìn)行分解，取試樣的一部分進(jìn)行形態(tài)觀察。試樣應(yīng)按順序進(jìn)行鍍層保護(hù)、鑲嵌試樣、磨削、拋光和腐蝕處理。

1)將試樣分解后，在 WEDM機(jī)上切下試樣的“小爪”部分，將具有磨痕部分的試樣切成5 mm×7 mm的方塊，并將其在丙酮中超聲沖刷20 min后烘干。

2)鎳的電鍍層。將腐蝕的樣品清潔后，在樣品表面鍍金屬鎳，厚度為0.05 mm，圖2為電鍍樣品的示意圖。

圖2 電鍍樣品示意圖

鍍膜溫度由水槽控制,為45 ℃。為防止因?yàn)闀r(shí)間過長(zhǎng)造成摩擦表面氧化，將鍍膜時(shí)間設(shè)置為40 min。鎳層在電子顯微鏡下會(huì)發(fā)光，這樣可以很方便地找到樣品的邊界，節(jié)省了在電子顯微鏡下尋找摩擦面的時(shí)間。

3)將樣品包埋在金相樣品鑲嵌機(jī)中。嵌入材料為酚醛塑料黑色粉末，將嵌入溫度設(shè)置為140～150 ℃，保持這個(gè)溫度8～10 min，以保證試樣與材料的緊密接觸。

4)研磨后，通過砂帶機(jī)對(duì)餅狀試樣進(jìn)行粗磨。首先去除樣品兩端的鑲嵌材料，使得樣品橫斷面可見，兩邊基本平行；接著用細(xì)磨抗水性砂紙磨去樣品橫斷面0.5 mm的厚度。

5)將經(jīng)過打磨的樣品送到拋光機(jī)拋光，直到樣品橫截面成鏡像，在顯微鏡下看不到劃痕(放大40倍)。再加入丙酮，用超聲波清洗器清洗10 min，取出吹干。研磨試樣端面涂有腐蝕劑(95%酒精+5%濃硝酸)，需用電子顯微鏡觀察，掃描電子顯微鏡可用于硝酸干燥后的分析。

1.5 金屬自修復(fù)材料使用前準(zhǔn)備

1)對(duì)機(jī)械設(shè)備情況進(jìn)行檢查，主要查看部件是否發(fā)生損壞，并對(duì)溫度、噪聲等參數(shù)進(jìn)行記錄。

2)去除罐壁雜質(zhì)，對(duì)機(jī)械設(shè)備的部分零件進(jìn)行定期檢查，如有損壞零件及時(shí)更換，并對(duì)檢查情況與更換記錄進(jìn)行存檔，以便后續(xù)查看。

1.6 具體使用方法

金屬自修復(fù)材料必須注意其使用問題，加油量應(yīng)根據(jù)金屬自修復(fù)材料的使用情況而定，所選機(jī)械設(shè)備加金屬自修復(fù)材料應(yīng)按金屬自修復(fù)材料潤(rùn)滑油量的25%進(jìn)行，然后記錄機(jī)械設(shè)備的參數(shù)。

所有準(zhǔn)備工作完成后，加入一半的金屬自修復(fù)材料，30 min后加入剩下的一半。

對(duì)于金屬自修復(fù)材料的使用，還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1)金屬自修復(fù)材料不能定期添加，應(yīng)根據(jù)加入潤(rùn)滑油的周期進(jìn)行更新，可與新潤(rùn)滑劑配合使用；2)對(duì)于新的機(jī)械設(shè)備，在第一次更換潤(rùn)滑劑時(shí)，必須使用自修復(fù)金屬材料。

2 試驗(yàn)分析

2.1 磨損試樣微觀分析方法

對(duì)摩擦副進(jìn)行顯微形貌分析，主要目的是觀察摩擦副的磨損形態(tài)、損傷程度、焊點(diǎn)及表面材料成分。通過分析可直接解釋摩擦表面在摩擦過程中的作用。在不同試驗(yàn)條件下，對(duì)試樣表面磨損情況進(jìn)行對(duì)比，可初步得出試樣表面摩擦磨損規(guī)律。摩擦力形貌的顯微分析主要是觀察摩擦副表面的損傷、磨損修復(fù)及薄膜材料的組成。

試驗(yàn)所用分析方法如下：

1)利用能譜分析儀對(duì)蛇紋石的成分和相態(tài)進(jìn)行分析，基本技術(shù)要求：采用銅鉀射線，且射線波長(zhǎng)λ=1.540 5，工作電壓40 kV。能譜分析儀的射掃描電子顯微鏡如圖3所示。

圖3 能譜分析儀的射掃描電子顯微鏡

2)使用飛翔公司生產(chǎn)的掃描電子顯微鏡(Quanta200 SEEM)，對(duì)摩擦副和截面的微觀形態(tài)進(jìn)行觀察和分析，掃描電子顯微鏡的主技術(shù)指標(biāo)：加速電壓取值為200 V/30 kV，能夠連續(xù)放大7～100萬倍。利用KYKY-2800型掃描電鏡對(duì)摩擦副的磨損表面形貌進(jìn)行觀察，掃描電鏡的主技術(shù)指標(biāo)：加速電壓取值為490 V/30 kV，能夠連續(xù)放大3 020萬倍。加速電壓越大，顯微鏡的放大倍數(shù)越大，其中加速電壓V的表達(dá)式為：

(2)

式中：S為磨損表面積；H為荷載。

3)采用X光能譜、能量色散-Amitx光能譜- EDAX及掃描電鏡等方法對(duì)摩擦副磨損表面和橫截面的元素組成及含量進(jìn)行分析。

2.2 不同載荷下機(jī)械設(shè)備磨損情況對(duì)比

以載荷為影響因素，設(shè)定轉(zhuǎn)速為300 r/min，運(yùn)行時(shí)間為3 h，得到不同載荷下磨損量曲線圖如圖4所示。

圖4 不同載荷下磨損量曲線圖

由圖可以看出，加載100 N、200 N和300 N載荷時(shí)，添加與未添加金屬自修復(fù)材料的兩種情況下磨損量的差異不明顯。加載400 N載荷時(shí)，兩種情況下的磨損量的差異較大，且未添加金屬自修復(fù)材料的磨損量曲線在400 N處出現(xiàn)異常，但兩種情況下的總磨損量隨著荷載的增加逐漸增長(zhǎng)。加入金屬自修復(fù)材料后，磨損量出現(xiàn)了下降的趨勢(shì)，即磨損量隨載荷的增大而減小。

研究結(jié)果表明，添加金屬自修復(fù)材料后，抗磨效果有所增加，能降低磨損，磨損量要比未添加時(shí)小很多。

2.3 不同轉(zhuǎn)速下機(jī)械設(shè)備對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果分析

以轉(zhuǎn)速為影響因素，設(shè)定載荷為100 N，運(yùn)行時(shí)間為3 h，圖5顯示了添加和未添加金屬自修復(fù)材料后機(jī)械設(shè)備的磨損情況。

圖5 不同轉(zhuǎn)速下機(jī)械設(shè)備磨損對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由圖可知，當(dāng)負(fù)荷為100 N，轉(zhuǎn)速為300 r/min和500 r/min時(shí)，摩擦面接觸不深，金屬自修復(fù)材料沒有足夠的時(shí)間來修復(fù)機(jī)械設(shè)備。隨著速度增加，摩擦?xí)r間延長(zhǎng)，摩擦面會(huì)互相拋光，從而使試樣由凸起部分逐漸拋光至光亮部分，由此得到較好的修復(fù)效果。

2.4 不同磨損時(shí)間下機(jī)械設(shè)備的磨損情況對(duì)比

將磨損時(shí)間作為影響因素，為了研究添加和不添加金屬自修復(fù)材料后，是否會(huì)由于磨損時(shí)間的延長(zhǎng)而失去抗磨效果，設(shè)定載荷為100 N，轉(zhuǎn)速為300 r/min，運(yùn)行時(shí)間分別為1，2，3，4，5 h。圖6為不同磨損時(shí)間下機(jī)械設(shè)備的磨損情況。

圖6 不同磨損時(shí)間下機(jī)械設(shè)備的磨損情況對(duì)比

由圖可以看出，運(yùn)行時(shí)間為1 h時(shí)，添加與未添加金屬自修復(fù)材料的機(jī)械設(shè)備磨損量差別不大，但在運(yùn)行時(shí)間為2 h時(shí)，添加金屬自修復(fù)材料的磨損面開始變得平滑，隨著磨損時(shí)間的延長(zhǎng)，磨損量開始下降，說明機(jī)械設(shè)備表面的細(xì)小裂紋逐漸消失，磨損面變得極為光滑，裂紋和微孔減少。當(dāng)運(yùn)行時(shí)間為3，4，5 h時(shí)，磨損量基本相同，即金屬自修復(fù)層形成之后，磨損面不再繼續(xù)形成修復(fù)層，修復(fù)層不是與鐵基金屬剝離，而是緊密結(jié)合，因此金屬的抗磨自修復(fù)成分與鐵基金屬發(fā)生化學(xué)作用，從而保證了修復(fù)效果。而隨著磨損時(shí)間延長(zhǎng)，使用未添加金屬自修復(fù)材料的機(jī)械設(shè)備磨損量逐漸增大，不能形成平整的修復(fù)層。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文完成了對(duì)金屬自修復(fù)材料在機(jī)械設(shè)備上的應(yīng)用研究，將添加與未添加金屬自修復(fù)材料的機(jī)械設(shè)備磨損情況進(jìn)行對(duì)比可知，添加金屬自修復(fù)材料對(duì)機(jī)械設(shè)備磨損情況具有較好的修復(fù)作用。但是本文研究還存在一定的不足，只對(duì)金屬自修復(fù)材料在機(jī)械設(shè)備上的應(yīng)用進(jìn)行了研究，自修復(fù)材料在成品油中的抗磨效果還有待進(jìn)一步的研究。