金属磨损自修复技术在齿轮传动系统中的应用
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量的纳米自修复颗粒引入润滑体系时，同时存在 游离氧和活性自由水不断氧化金属表面微凸体和 纳米颗粒物的微滚珠作用，借助 SiO2 、FexOy 等大 量纳米颗粒物机械抛光金属表面微凸体，同时清 理摩擦表面凹坑处存留的污染物，具体过程如图 1 所示。
图 1 清理 + 机械抛光过程机理示意图 1． 2 摩擦副作用下的物理、化学反应
第 46 卷 第 1 期
化工机械
55
质颗粒和铁氧体反应生成 Fe3 C。同时，修复颗粒 及生成物与基体发生反应，出现生成物与自修复 颗粒物不断沉积在磨损表面的机械合金化现象， 自修复开始，具体过程如图 2 所示。
图 2 摩擦副作用下的物理、化学反应机理示意图 1． 3 修复层形成
摩擦副相对运动带动微凸体对反应体系中的 纳米级颗粒施加剪切和挤压应力，同时产生局部 高温，伴随机械合金化作用不断进行，生成纳米晶 结构修复层。修复初期，由于摩擦能更大，自修复 体系中的反应也就越剧烈，自修复速度越快。随 着修复的进行，摩擦能逐渐减少，修复层生长速度 下降，直至完成修复，具体过程如图 3 所示。
54
化工机械
2019 年
金属磨损自修复技术在齿轮传动 系统中的应用
何成善 权芳民 贾 昆
（ 酒泉钢铁（ 集团） 有限责任公司）
摘 要 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，
结果表明自修复材料能够实现设备自修复功能。金属磨损自修复层具有高硬度、高弹性模量和较佳的
稀土化合物（ 如纳米 La（ OH）3 、LaF3 ） 具有优 良的极压性能并兼具良好的减摩抗磨性能，与其 他自修复材料复合使用的相关研究较多，实际抗 磨、自修复效果也更优异。硼化物，特别是是碱土 金属硼酸盐，其自修复层由沉积物和摩擦化学反 应产物共同形成，具有较好的应用前景。 3 自修复技术在机械传动中应用分析 3． 1 机械设备的磨损分析
图 3 自修复层的形成机理示意图 2 金属自修复材料
金属磨损自修复技术关键是开发出适应于正 常润滑工况的自修复材料。随着微纳米材料制 备、表面改性等技术的发展，新型微纳米粉体材料 不断出现［2］。目前，国内外开发的微纳米自修复 材料主要包括矿物类纳米自修复材料、化合物纳 米自修复材料、单质纳米自修复材料和稀土、硼化 物纳米自修复材料。 2． 1 矿物类纳米自修复材料
目前，国内外对单质纳米自修复材料的研究 集中在软金属和碳系列材料上。其中，单质金属 利用铜、锌、铝、银等软金属剪切强度低的特点，在 载荷触发下金属内部发生滑移，在摩擦副间能够 生成软金属膜，甚至在轻载工况下还可实现自修 复。碳系列纳米自修复材料主要包括金刚石、石 墨、C60 等。俄罗斯生产出了 N-50A 润滑油，其中 的添加剂是纳米金刚石。对石墨、C60 的研究表 明，石墨能显著改善油品的耐磨性能，能够显著降 低基础油的摩擦因数。 2． 4 稀土、硼化物纳米自修复材料
H / E( 硬度与弹性模量比) 比值，其修复基体具有耐磨、高塑性兼具抗冲击性能，非常适合在大功率、高转
速和重载荷的设备上使用。
关键词 金属自修复 齿轮传动 羟基硅酸盐 修复层
中图分类号 TQ050. 4
文献标识码 B
文章编号 0254-6094（2019）01-0054-04
机械装置的传动系统在运转过程中容易产生 磨损，机械设备旋转零部件的磨损与机械设备的 可靠性、安全性和使用寿命直接相关。据统计，在 机械设备失效中因磨损导致的失效占 70% ，由于 设备磨损失效而造成的经济损失占国民经济总产 值的 2% 。因此，如何解决机械零部件的磨损问 题历来是世界各国研究的重要方向。前苏联时 期，乌克兰某地质钻探部门在开采作业时意外发 现［1］，有一处 岩 石 层 对 钻 头 不 产 生 磨 损，经 有 关 科研机构的研究，确认其有效成分是一组以羟基 硅酸镁为主的复杂矿石组合物，在机械设备旋转 摩擦热力作用下，可在铁基金属摩擦表面形成具 有良好耐磨作用的陶瓷保护层。经过多年的研究 和发展，基于不同种类自修复材料的各种金属磨 损自修复技术被世界各国竞相研究，并取得了瞩 目的效果。 1 金属磨损自修复机理
化合 物 纳 米 自 修 复 材 料 涉 及 SiO2 、TiO2 、 MgO、Si3 N4 、ZnO 及 SnO2 等。 研 究 显 示，纳 米 TiO2 具有良好的减摩、抗磨作用和优异的修复性 能。对 SiO2 与多种金属氧化物（ 如 CuO、Al2 O3 、 MgO、SnO2 等） 的复合自修复材料研究表明，Si、 Mg、Al 等元素能沉积到磨损区域形成坚固的化学 吸附沉积层，对磨损表面的修复作用明显。 2． 3 单质纳米自修复材料
摩擦副相对运动过程中，由于微凸体之间的 实际接触，局部产生巨大应力，带动对反应体系中 的纳米级颗粒施加剪切和挤压应力。此时，自修 复颗粒物、油液中高活性碳质颗粒和铁氧体发生 系列物理、化学反应，如羟基硅酸镁发生解理，碳
作者简介： 何成善（1977-） ，高级工程师，从事冶金设备及材料加工的研究工作，hechengshan@ jiugang． com。
目前，矿物类自修复材料成分主要以硅酸盐
百度文库
矿物为主，硅酸盐是硅、氧与其他化学元素（ 主要 是铝、铁、钙、镁、钾、钠等） 结合而成的化合物的 总称，其中 1∶ 1 型层状硅酸盐层间力为氢键与范 德华力，载荷作用下易沿与层面平行的方向劈开 并发生解理，具有优异的减摩抗磨性能［3］。国内 专家基于蛇纹石开发了多种自修复材料，蛇纹石 的主成分是羟基硅酸镁 Mg6 （ Si4 O10 ） （ OH） 8 ，在 硅酸盐结构中的基本单元是 SiO4 四面体和镁氧 八面体，对工程实际应用产生极大的推动作用。 2． 2 化合物纳米自修复材料
目前，国内对金属自修复材料研究的种类繁 多，归纳起来主要有摩擦自适应修复、摩擦成膜自 修复和原位摩擦化学自修复。微观上，以矿物类 自修复材料为例，可以概括为 3 个阶段：清理 + 机 械抛光，摩擦副作用下的物理、化学反应，修复层 形成。
1． 1 清理 + 机械抛光 由于两个摩擦副之间存在微观不平度，当大
图 1 清理 + 机械抛光过程机理示意图 1． 2 摩擦副作用下的物理、化学反应
第 46 卷 第 1 期
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质颗粒和铁氧体反应生成 Fe3 C。同时，修复颗粒 及生成物与基体发生反应，出现生成物与自修复 颗粒物不断沉积在磨损表面的机械合金化现象， 自修复开始，具体过程如图 2 所示。
图 2 摩擦副作用下的物理、化学反应机理示意图 1． 3 修复层形成
摩擦副相对运动带动微凸体对反应体系中的 纳米级颗粒施加剪切和挤压应力，同时产生局部 高温，伴随机械合金化作用不断进行，生成纳米晶 结构修复层。修复初期，由于摩擦能更大，自修复 体系中的反应也就越剧烈，自修复速度越快。随 着修复的进行，摩擦能逐渐减少，修复层生长速度 下降，直至完成修复，具体过程如图 3 所示。
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化工机械
2019 年
金属磨损自修复技术在齿轮传动 系统中的应用
何成善 权芳民 贾 昆
（ 酒泉钢铁（ 集团） 有限责任公司）
摘 要 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，
结果表明自修复材料能够实现设备自修复功能。金属磨损自修复层具有高硬度、高弹性模量和较佳的
稀土化合物（ 如纳米 La（ OH）3 、LaF3 ） 具有优 良的极压性能并兼具良好的减摩抗磨性能，与其 他自修复材料复合使用的相关研究较多，实际抗 磨、自修复效果也更优异。硼化物，特别是是碱土 金属硼酸盐，其自修复层由沉积物和摩擦化学反 应产物共同形成，具有较好的应用前景。 3 自修复技术在机械传动中应用分析 3． 1 机械设备的磨损分析
图 3 自修复层的形成机理示意图 2 金属自修复材料
金属磨损自修复技术关键是开发出适应于正 常润滑工况的自修复材料。随着微纳米材料制 备、表面改性等技术的发展，新型微纳米粉体材料 不断出现［2］。目前，国内外开发的微纳米自修复 材料主要包括矿物类纳米自修复材料、化合物纳 米自修复材料、单质纳米自修复材料和稀土、硼化 物纳米自修复材料。 2． 1 矿物类纳米自修复材料
目前，国内外对单质纳米自修复材料的研究 集中在软金属和碳系列材料上。其中，单质金属 利用铜、锌、铝、银等软金属剪切强度低的特点，在 载荷触发下金属内部发生滑移，在摩擦副间能够 生成软金属膜，甚至在轻载工况下还可实现自修 复。碳系列纳米自修复材料主要包括金刚石、石 墨、C60 等。俄罗斯生产出了 N-50A 润滑油，其中 的添加剂是纳米金刚石。对石墨、C60 的研究表 明，石墨能显著改善油品的耐磨性能，能够显著降 低基础油的摩擦因数。 2． 4 稀土、硼化物纳米自修复材料
H / E( 硬度与弹性模量比) 比值，其修复基体具有耐磨、高塑性兼具抗冲击性能，非常适合在大功率、高转
速和重载荷的设备上使用。
关键词 金属自修复 齿轮传动 羟基硅酸盐 修复层
中图分类号 TQ050. 4
文献标识码 B
文章编号 0254-6094（2019）01-0054-04
机械装置的传动系统在运转过程中容易产生 磨损，机械设备旋转零部件的磨损与机械设备的 可靠性、安全性和使用寿命直接相关。据统计，在 机械设备失效中因磨损导致的失效占 70% ，由于 设备磨损失效而造成的经济损失占国民经济总产 值的 2% 。因此，如何解决机械零部件的磨损问 题历来是世界各国研究的重要方向。前苏联时 期，乌克兰某地质钻探部门在开采作业时意外发 现［1］，有一处 岩 石 层 对 钻 头 不 产 生 磨 损，经 有 关 科研机构的研究，确认其有效成分是一组以羟基 硅酸镁为主的复杂矿石组合物，在机械设备旋转 摩擦热力作用下，可在铁基金属摩擦表面形成具 有良好耐磨作用的陶瓷保护层。经过多年的研究 和发展，基于不同种类自修复材料的各种金属磨 损自修复技术被世界各国竞相研究，并取得了瞩 目的效果。 1 金属磨损自修复机理
化合 物 纳 米 自 修 复 材 料 涉 及 SiO2 、TiO2 、 MgO、Si3 N4 、ZnO 及 SnO2 等。 研 究 显 示，纳 米 TiO2 具有良好的减摩、抗磨作用和优异的修复性 能。对 SiO2 与多种金属氧化物（ 如 CuO、Al2 O3 、 MgO、SnO2 等） 的复合自修复材料研究表明，Si、 Mg、Al 等元素能沉积到磨损区域形成坚固的化学 吸附沉积层，对磨损表面的修复作用明显。 2． 3 单质纳米自修复材料
摩擦副相对运动过程中，由于微凸体之间的 实际接触，局部产生巨大应力，带动对反应体系中 的纳米级颗粒施加剪切和挤压应力。此时，自修 复颗粒物、油液中高活性碳质颗粒和铁氧体发生 系列物理、化学反应，如羟基硅酸镁发生解理，碳
作者简介： 何成善（1977-） ，高级工程师，从事冶金设备及材料加工的研究工作，hechengshan@ jiugang． com。
目前，矿物类自修复材料成分主要以硅酸盐
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矿物为主，硅酸盐是硅、氧与其他化学元素（ 主要 是铝、铁、钙、镁、钾、钠等） 结合而成的化合物的 总称，其中 1∶ 1 型层状硅酸盐层间力为氢键与范 德华力，载荷作用下易沿与层面平行的方向劈开 并发生解理，具有优异的减摩抗磨性能［3］。国内 专家基于蛇纹石开发了多种自修复材料，蛇纹石 的主成分是羟基硅酸镁 Mg6 （ Si4 O10 ） （ OH） 8 ，在 硅酸盐结构中的基本单元是 SiO4 四面体和镁氧 八面体，对工程实际应用产生极大的推动作用。 2． 2 化合物纳米自修复材料
目前，国内对金属自修复材料研究的种类繁 多，归纳起来主要有摩擦自适应修复、摩擦成膜自 修复和原位摩擦化学自修复。微观上，以矿物类 自修复材料为例，可以概括为 3 个阶段：清理 + 机 械抛光，摩擦副作用下的物理、化学反应，修复层 形成。
1． 1 清理 + 机械抛光 由于两个摩擦副之间存在微观不平度，当大