汽車發(fā)動(dòng)機(jī)維修中的金屬磨損自修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用研究

摘 要：研究了以羥基硅酸鎂為主的超細(xì)粉狀組合物表面改性劑作為發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油添加劑的摩擦物理性質(zhì)，以提高該組合物在發(fā)動(dòng)機(jī)零件磨損表面形成保護(hù)膜和金屬磨損自修復(fù)性能，延長(zhǎng)零件壽命周期。利用同步熱分析儀（TG-DSC）分析羥基硅酸鎂的固相轉(zhuǎn)變，用不同性質(zhì)的改性劑（油酸、司盤80、吐溫80）對(duì)羥基硅酸鎂粉體表面進(jìn)行改性；用高溫高速摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)分析改性劑加量和加熱溫度對(duì)羥基硅酸鎂性能的影響。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，羥基硅酸鎂在潤(rùn)滑油中濃度為10%時(shí)，磨損自動(dòng)修復(fù)性最顯著。經(jīng)過200 ℃和400 ℃環(huán)境溫度的羥基硅酸鎂具有成膜性能和分散活動(dòng)性。經(jīng)試驗(yàn)分析得知，改性劑油酸加快羥基硅酸鎂的分散性。200 ℃和400 ℃熱處理提高羥基硅酸鎂在潤(rùn)滑油中成膜保護(hù)性和分散活動(dòng)性能。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)；磨損機(jī)理；羥基硅酸鎂；金屬磨損自修復(fù)；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：U491.6

近年來，研究人員對(duì)具有抗磨減磨自修復(fù)功能的潤(rùn)滑油添加劑進(jìn)行了大量研究。例如，國內(nèi)隴東學(xué)院的研究人員敬謙[1]提出了金屬磨損自修復(fù)技術(shù)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)維修中的應(yīng)用；南京航空航天大學(xué)研究了利用空芯光纖自診斷、修復(fù)的智能結(jié)構(gòu)[2]；西南交通大學(xué)的卓洪[3]在基礎(chǔ)油中加入納米添加劑，通過改變載荷、頻率、添加劑含量等試驗(yàn)，研究金屬磨損自修復(fù)技術(shù)。國外美國學(xué)者研究了對(duì)低速?zèng)_擊具有自修復(fù)能力的樹脂復(fù)合材料[4]。然而，目前對(duì)羥基硅酸鎂在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)維修中的金屬磨損自修復(fù)機(jī)制尚不明確。因此，本研究針對(duì)應(yīng)用金屬磨損自修復(fù)技術(shù)，對(duì)天然礦石材料進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，使用以羥基硅酸鎂為主的組合物作為機(jī)械設(shè)備金屬元件的潤(rùn)滑材料。

1 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)金屬磨損故障的產(chǎn)生原因

1.1 材料質(zhì)量不合格

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)零部件所使用的材料類型決定著發(fā)動(dòng)機(jī)的整體質(zhì)量及其在運(yùn)行過程中展現(xiàn)出的性能水平，汽車運(yùn)行期間發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的各個(gè)零部件不可避免地會(huì)發(fā)生摩擦、碰撞，倘若在選擇發(fā)動(dòng)機(jī)材料時(shí)沒有考慮到運(yùn)行過程中的磨損問題，所選擇的發(fā)動(dòng)機(jī)零部件材料的力學(xué)強(qiáng)度、延展性、耐磨性等不符合汽車運(yùn)行需求，就會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部發(fā)生劇烈的金屬磨損并產(chǎn)生微小顆粒物，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸筒沿高度方向造成損壞。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量得知，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的金屬小顆粒物在潤(rùn)滑油里面的含量越高，在氣缸筒上止點(diǎn)至15～25 mm處磨損越明顯。如圖1所示，潤(rùn)滑油無含顆粒物氣缸壁磨損較小，含有14 mg/kg顆粒物時(shí)磨損較大，含有40 mg/kg顆粒物時(shí)磨損最大。

1.2 潤(rùn)滑處理不到位

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行期間其內(nèi)部各零部件會(huì)發(fā)生摩擦、碰撞，倘若不同元件之間的摩擦系數(shù)過大，導(dǎo)致金屬磨損量超過正常范圍，就會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行安全造成較大影響。為降低發(fā)動(dòng)機(jī)零部件之間的摩擦系數(shù)，通常會(huì)使用潤(rùn)滑油對(duì)其接觸位點(diǎn)進(jìn)行潤(rùn)滑處理。倘若潤(rùn)滑工作不夠到位，摩擦系數(shù)無法降低至規(guī)定水平，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)各零部件就會(huì)在汽車運(yùn)行期間不斷產(chǎn)生摩擦，不僅會(huì)增大金屬磨損量，給發(fā)動(dòng)機(jī)零部件造成結(jié)構(gòu)性損傷，提高發(fā)動(dòng)機(jī)零件失效與設(shè)備故障的發(fā)生概率，還會(huì)在劇烈磨損過程中釋放出大量熱能，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備的運(yùn)行溫度不斷升高，加快了發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸壁和活塞環(huán)的磨損，縮短了發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命[5]。

1.3 使用環(huán)境較惡劣

汽車運(yùn)行環(huán)境對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)金屬磨損問題有著重要影響。當(dāng)汽車在相對(duì)平整的路面行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)不會(huì)在顛簸中發(fā)生振動(dòng)，內(nèi)部零件的磨損率相對(duì)緩慢。倘若行駛道路過于崎嶇，起伏路段較多，且路面存在較多坑洼不平處，汽車就會(huì)在行駛過程發(fā)生顛簸，發(fā)動(dòng)機(jī)也會(huì)隨之振動(dòng)，其內(nèi)部各個(gè)零件之間會(huì)發(fā)生大量的摩擦碰撞，加大了金屬磨損率，容易導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)零件受損，引發(fā)故障問題。另外，環(huán)境溫度也會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量性能造成影響，當(dāng)汽車長(zhǎng)時(shí)間暴露于冬季低溫環(huán)境中，并多次反復(fù)起動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的性能會(huì)受到損害，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)故障的發(fā)生頻率提高[6]。如圖2所示，發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)時(shí)，氣缸壁溫度低，氣缸壁和活塞環(huán)磨損嚴(yán)重，隨著溫度的增加磨損量緩慢下降。經(jīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知，剛起動(dòng)瞬間氣缸壁磨損嚴(yán)重，當(dāng)溫度達(dá)到93.3 ℃時(shí)，磨損量最小，隨后溫度的升高而磨損量增加量較小。

2 金屬磨損自修復(fù)技術(shù)及機(jī)理

金屬磨損自修復(fù)技術(shù)是在表面工程、材料科學(xué)以及摩擦學(xué)理論研究的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一項(xiàng)機(jī)械設(shè)備金屬材料修復(fù)技術(shù)。在應(yīng)用金屬磨損自修復(fù)技術(shù)時(shí)，通常會(huì)選擇對(duì)天然礦石材料進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，使用以羥基硅酸鎂為主的組合物作為機(jī)械設(shè)備金屬元件的潤(rùn)滑材料，羥基硅酸鎂在電子顯微鏡下形貌如圖3所示。

這類粉末材料的粒徑為微米級(jí)大小，具有極為穩(wěn)定的理化性質(zhì)，不會(huì)溶解在潤(rùn)滑油中，不會(huì)與潤(rùn)滑油發(fā)生反應(yīng)，也不會(huì)對(duì)機(jī)械設(shè)備以及人體造成毒害損傷。將這類無機(jī)礦石組合物摻入至潤(rùn)滑劑中，使之隨潤(rùn)滑劑滲入到機(jī)械設(shè)備內(nèi)部，并附著在機(jī)械設(shè)備零部件的摩擦位置表面。當(dāng)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行過程中零部件之間發(fā)生摩擦?xí)r，附著在其表面的無機(jī)礦石組合物會(huì)與接觸面金屬在摩擦產(chǎn)生的熱量作用下發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)。一方面，在超精研磨作用下，摩擦面的微凸體會(huì)發(fā)生斷裂；另一方面，鐵基金屬零部件表面的鐵原子會(huì)與自修復(fù)材料中的鎂原子發(fā)生置換反應(yīng)，形成鐵基硅酸鹽保護(hù)層，附著在金屬摩擦面上，讓凹凸不平的摩擦面實(shí)現(xiàn)平整度與光潔度的提升，有效修復(fù)摩擦部位的結(jié)構(gòu)磨損，并降低零部件之間的摩擦系數(shù)，起到良好的預(yù)防機(jī)械設(shè)備零部件磨損的效果[7]。隨著接觸面光潔度的提升與摩擦系數(shù)的下降，摩擦產(chǎn)生的熱量越來越少，當(dāng)摩擦熱無法為自修復(fù)材料與金屬零部件表面的置換反應(yīng)提供能量時(shí)，修復(fù)過程將自動(dòng)終止。

3 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)金屬磨損自修復(fù)技術(shù)應(yīng)用策略

3.1 氣缸磨損不嚴(yán)重時(shí)的應(yīng)用策略

對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)金屬零部件進(jìn)行修復(fù)處理時(shí)，倘若氣缸與活塞環(huán)的磨損程度未超過一定范圍，磨損問題不嚴(yán)重時(shí)，維修技術(shù)人員在應(yīng)用金屬磨損自修復(fù)技術(shù)時(shí)無須對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行解體，可以直接將自修復(fù)材料注入至氣缸內(nèi)部，并在注入過程中嚴(yán)格控制精準(zhǔn)度，避免與活塞頂部接觸，影響汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行。在注入完成后，需要切斷供油系統(tǒng)，并以10 s以內(nèi)的間隔時(shí)間多次啟動(dòng)馬達(dá)，確保每次啟動(dòng)后的持續(xù)時(shí)間在5 s以內(nèi)。維修技術(shù)人員需要使用強(qiáng)制潤(rùn)滑法將自修復(fù)材料轉(zhuǎn)移至汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的摩擦位置表面，提高金屬磨損自修復(fù)的精準(zhǔn)度。其次，維修技術(shù)人員需要根據(jù)潤(rùn)滑油用量以及汽車發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比來控制自修復(fù)材料在潤(rùn)滑油中的濃度。用電子顯微鏡觀測(cè)不同濃度潤(rùn)滑油形成的磨損表面，顯示不同濃度羥基硅酸鎂對(duì)磨損表面的影響不同，如圖4所示。潤(rùn)滑油不添加羥基硅酸鎂成分磨損表面磨損比較嚴(yán)重，呈現(xiàn)犁溝模樣；羥基硅酸鎂成分濃度為10%時(shí)，磨損表面平整光滑，磨損較?。涣u基硅酸鎂成分濃度為20%時(shí)，磨損表面平整光滑，但表面上呈現(xiàn)顆粒物，是濃度較大的羥基硅酸鎂以顆粒形式粘連在磨損表面上而導(dǎo)致的。應(yīng)用高溫高速摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，分析改性劑加量和加熱溫度對(duì)羥基硅酸鎂性能的影響。用不同性質(zhì)的改性劑（油酸、司盤80、吐溫80等）對(duì)羥基硅酸鎂粉體表面進(jìn)行改性。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的觀察發(fā)現(xiàn)含改性劑油酸的潤(rùn)滑油沉降比最小，分散效果最好；其次司盤80，沉降比最差為吐溫80。經(jīng)過200 ℃和400 ℃環(huán)境溫度的羥基硅酸鎂具有成膜性能和分散活動(dòng)性。

在現(xiàn)實(shí)中首次加注完成后，需要在車輛行駛400～600 km后進(jìn)行自修復(fù)材料的二次加注，以便有效緩解汽車發(fā)動(dòng)機(jī)磨損問題，及時(shí)補(bǔ)充在修復(fù)過程中發(fā)生反應(yīng)而消耗的自修復(fù)材料[8]。此外，維修技術(shù)人員還需要注意在應(yīng)用金屬磨損自修復(fù)技術(shù)時(shí)要定期更換汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的油濾清器，維護(hù)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行，延長(zhǎng)其使用壽命。

3.2 氣缸與活塞環(huán)磨損嚴(yán)重時(shí)的應(yīng)用策略

倘若汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中氣缸與活塞環(huán)的磨損程度過于嚴(yán)重，其使用時(shí)間已經(jīng)超限，利用自修復(fù)材料對(duì)氣缸和活塞環(huán)進(jìn)行修復(fù)處理已不具備可行性。在這種情況下，維修技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行拆卸處理，采購并裝配新的活塞與活塞環(huán)來替換發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部原有的活塞以及活塞環(huán)，更換發(fā)動(dòng)機(jī)的研磨氣門、氣門油封等各個(gè)零部件，使發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在新零件的支持下延長(zhǎng)其使用壽命。在替換發(fā)動(dòng)機(jī)損壞零部件的過程中，維修技術(shù)人員還需要對(duì)活塞環(huán)內(nèi)部的積炭進(jìn)行清潔處理，為氣缸增設(shè)氣缸套，提升汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效果[9]。在零部件替換完成之后，維修技術(shù)人員可在氣缸壁表面鋪設(shè)金屬磨損自修復(fù)材料，并保證其鋪設(shè)均勻性，再安裝好發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸蓋，并投入到汽車正常駕駛運(yùn)行中，使自修復(fù)材料在氣缸壁的摩擦過程中發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，提升摩擦面光潔度，降低摩擦系數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)磨損表面的有效修復(fù)。

3.3 拉缸故障時(shí)的應(yīng)用策略

當(dāng)汽車在運(yùn)行過程中其發(fā)動(dòng)機(jī)水箱缺水狀態(tài)的維持時(shí)間過長(zhǎng)，導(dǎo)致散熱能力持續(xù)下降，無法有效帶走發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行期間產(chǎn)生的大量熱量，發(fā)動(dòng)機(jī)就會(huì)長(zhǎng)時(shí)間在溫度超出正常范圍的狀態(tài)下運(yùn)行，使得發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生拉缸故障的頻率大幅度提升。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生拉缸故障時(shí)，首先，維修技術(shù)人員需要對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行拆卸，取出已經(jīng)損壞的活塞環(huán)和氣門油封，將新購置的、符合汽車發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的活塞環(huán)和氣門油封安裝在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部，在安裝完成后，維修技術(shù)人員還需要對(duì)氣缸活塞和活塞環(huán)上附著的積炭進(jìn)行清潔處理，避免積炭過多對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)后續(xù)運(yùn)行造成不利影響；其次，維修技術(shù)人員需要對(duì)氣缸內(nèi)層表面進(jìn)行清潔處理，使用細(xì)砂紙打磨氣缸內(nèi)層表面的頑固附著物，使其表面保持平整、干凈、無雜質(zhì)的狀態(tài)。在清理完成后，維修技術(shù)人員即可將金屬磨損自修復(fù)材料鋪設(shè)在氣缸壁內(nèi)層表面位置，確保鋪設(shè)均勻性，使之能夠有效解決汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的磨損問題[10]；最后，維修技術(shù)人員可以安裝配置好氣缸蓋，將發(fā)動(dòng)機(jī)各零部件以及運(yùn)行參數(shù)設(shè)置好，并使發(fā)動(dòng)機(jī)投入到汽車運(yùn)行駕駛過程中，讓氣缸壁上的磨損部位在摩擦過程中產(chǎn)生熱量，為自修復(fù)材料的修復(fù)反應(yīng)提供能量，使之有效修復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)金屬零部件的摩擦部位，解決汽車發(fā)動(dòng)機(jī)磨損問題，延長(zhǎng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，提升汽車駕駛運(yùn)行效果。

3.4 提升自修復(fù)技術(shù)應(yīng)用效果的策略

為確保金屬磨損自修復(fù)技術(shù)能夠發(fā)揮其實(shí)際效用，切實(shí)解決汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零部件磨損問題，相關(guān)技術(shù)人員需要對(duì)使用金屬磨損自修復(fù)技術(shù)的車輛進(jìn)行追蹤調(diào)研，與車輛駕駛?cè)藛T進(jìn)行充分溝通交流，掌握應(yīng)用自修復(fù)技術(shù)之后的車輛運(yùn)行效果與駕駛體驗(yàn)，了解其中可能存在的故障問題及其所產(chǎn)生的后果，對(duì)金屬磨損自修復(fù)技術(shù)的修復(fù)時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行全面采集與科學(xué)分析，判斷自修復(fù)技術(shù)的實(shí)際效果與應(yīng)用可行性，并針對(duì)其中存在的問題進(jìn)行全面優(yōu)化改進(jìn)，以便提升金屬磨損自修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用效果。

4 結(jié)語

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部零件常常會(huì)在運(yùn)行過程中發(fā)生機(jī)械磨損，加快發(fā)動(dòng)機(jī)零件的老化速度，縮短發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得知，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)氣缸筒上止點(diǎn)至15～25 mm處磨損越明顯，潤(rùn)滑油中不含金屬屑顆粒物時(shí)氣缸壁磨損最小，含有14 mg/kg顆粒物時(shí)磨損較大，含有40 mg/kg顆粒物時(shí)磨損最大。發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)瞬間氣缸壁磨損嚴(yán)重，當(dāng)溫度達(dá)到93.3 ℃時(shí)，磨損量最小，隨后溫度的升高而磨損量增加量較小。而金屬磨損自修復(fù)技術(shù)，即羥基硅酸鎂成分在潤(rùn)滑油里濃度為10%，在200 ℃和400 ℃環(huán)境溫度下的羥基硅酸鎂具有成膜性能和分散活動(dòng)性，不僅能夠快速修復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部零件的磨損部位，還能夠有效降低磨損部位的摩擦系數(shù)，減少發(fā)動(dòng)機(jī)金屬磨損現(xiàn)象的發(fā)生頻次。此結(jié)論，對(duì)維修工作人員根據(jù)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的不同運(yùn)行狀態(tài)與故障類型選擇合適的自修復(fù)處理方法，提供重要依據(jù)。

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*基金項(xiàng)目：渤海船舶職業(yè)學(xué)院2022年度橫向科研課題“金屬磨損自修復(fù)技術(shù)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)維修中的應(yīng)用”（2022102108）。