金属磨损自修复技术

金属磨损自修复技术
1金属磨损自修复的功能特点和技术指标
金属磨损自修复技术是近几年发展起来的一项具有革命的表面工程领域新技术。

它是一种对机械零件磨损区域进行自动补偿,恢复零件原始尺寸和力学性能的抗磨减摩技术。

该技术采用了一种“矿石粉体润滑组合物”(粒度不大于10μm)的修复材料,添加到油品和润滑脂中使用。

修复材料的主要成分为蛇纹石及少量的添加剂和催化剂,其常用组分(质量分数)包含:蛇纹石[化学通式为3MgO·2SiO2·2H2O,结晶构造式为Mg3(Si2O5)(OH)4]50%～80%,软玉10% ～40%,次石墨1% ～10%。

润滑油或脂作为载体，将修复材料的超细粉粒送入摩擦副的工作面上。

它不与油品发生化学反应，不改变油的粘度和性质，也无毒副作用。

这种自修复材料的保护层不仅能够补偿间隙，使零件恢复原始形状，而且还可以优化配合间隙。

因此，有利于降低摩擦振动，减少噪声，节约能源，实现对零件摩擦表面几何形状的修复和配合间隙的优化。

金属陶瓷层具有如下异乎寻常的力学和物理性能。

表面粗糙度：属极光表面类中的亮光泽面；
摩擦因数：0.003～0.007（干摩擦）；
显微硬度：680～710HV；
电绝缘：0.1～10μm的电绝缘层；
线胀系数：13.6～14.2×10-6（与钢相同）；
冲击强度：500MP；
耐高温：1575～1600℃（破坏温度）；
耐腐蚀：在高湿度、海洋环境、酸碱介质中不腐蚀。

2金属磨损自修复技术的作用机理
金属磨损自修复，总微观过程上分为四个阶段:超精研磨，表面清理,修复剂微粒表面凹坑处充分冷作硬化，修复层形成。

当金属磨损自修复材料中粒径为微米级的颗粒材料以润滑脂作为载体进入相互摩擦的机械零件中时,这些微粒材料在机械零件的摩擦中对相互摩擦的机械零件产生超精研磨作用,并通过一系列物理变化和化学变化改变了摩擦表面的金属微观结构。

修复材料在机械零件摩擦表面发生的物理变化是:机械零件在相互摩擦过程中,在摩擦力的作用下,超细微粒颗粒被进一步碾碎,此时微小颗粒对金属摩擦表面产生超精研磨作用,有足够硬度的微粒的超精研磨作用造成金属表面微凸体断裂,使得机械零件摩擦表面的光洁度进一步提高。

修复材料在机械零件金属摩擦表面发生的化学变化是:在超精研磨过程中,微凸体断裂时产生几百度的瞬间闪温,使微粒晶体中镁原子与摩擦表面的铁原子发生置换反应,促使抗磨修复材料在催化剂、活化剂作用下发生微烧结、微冶金过程,从而在铁基金属摩擦表面生成铁基硅酸盐保护层,亦称金属陶瓷层。

这一铁基硅酸盐保护层是在金属表面微凸体发生断裂出现闪温时产生的,在非磨损部位上不产生摩擦热,不发生化学置换反应。

因而这种铁基硅酸盐保护层的生成有选择性,它只会在相互摩擦的机械零件金属摩擦表面生成。

机械零件间不断发生磨损,摩擦面磨损严重时表面凸凹更明显,运动时有较多的机会产生更高的闪温,磨损产生的微凸体断裂和释放的热能使这种化学置换反应继续进行,抗磨修复材料发生微烧结、微冶金的机会也越多；当其表面生成一层金属陶瓷保护层后,磨损部位的修复使其表面光洁度提高,摩擦因数降低,摩擦产生的热能下降,不能提供形成修复层所需要的高温,化学置换反应也就停止,修复层厚度不再增加。

但是当这一耐磨保护层受到破坏时,金属表面的摩擦热急剧增加,新的置换反应又将开始,使耐磨保护层得到恢复。

3金属磨损自修复技术的研究进展
欧忠文，徐滨士，马世宁，史佩京等，第一次提出金属磨损摩擦自修复原理，即摩擦自适应修复，摩擦成膜自修复，原位摩擦化学自修复。

2002年，乔玉林，姜海等提出了摩擦表面微损伤的原位动态自修复，把纳米材料引入到了自修复中。

乔玉林、徐滨士，张继辉，陈国需等，则在不同条件、不同接触形式下分别考察了软金属纳米铜和纳米锌自修复添加剂的摩擦学性能。

美国研究了对低速冲击具有自修复能力的树脂复合材料。

美国的国家纳米技术计划(NNI)中将设计和制造能进行自修复的纳米材料作为可能取得突破的长期目标。

董凌，陈国需等提出了硬修复，软修复等，即纳米微粒在摩擦条件下还原为微晶单质，与磨损的微粒在磨损表面形成合金，硬修复层，起到自修复作用。

刘谦，许一，史佩京等，提出摩擦系统自修复，包括摩擦条件优化自修复和在线强化自修复(原位摩擦化学自修复)。

提出了表面成膜自修复是真正意义上的自修复。

摩擦磨损的自适应、自修复是材料学和摩擦学设计的最终目标，这既是对提高性能的要求，又是仿生化和环境友好的要求。

为减少或消除磨损，除进行合理的摩擦学设计外，还可通过3条途径来实现:一是减少或控制造成磨损的条件，如腐蚀、疲劳、浸蚀、粘
着转移、磨粒磨损等；二是提高摩擦副的耐磨性能，如表面合金化、渗硫、渗硼等，或使材料具有自组织、自恢复的能力；三是磨损过程中通过形成新的补偿层来弥补磨损。

在油润滑和脂润滑摩擦系统中，以上三条途径均可通过润滑油品设计和有效利用摩擦产生的物理化学作用来实现。

4金属磨损自修复的分类
4.1摩擦成膜自修复
磨损部件的摩擦成膜自修复原理是在摩擦过程中，利用机械产生的摩擦作用、摩擦化学作用和摩擦电化学作用，摩擦副与润滑材料之间产生能量交换和物质交换，从而在摩擦表面上形成正机械梯度的金属保护膜、金属氧化物保护膜、有机聚合物膜、物理或化学吸附膜等，以补偿摩擦副的磨损与腐蚀，形成磨损自修复效应。

摩擦成膜自修复包括: (1)铺展成膜自修复；(2)共晶成膜自修复；(3)沉积成膜自修复。

4.2原位摩擦化学自修复
原理是特种添加剂与金属摩擦副之间产生物理和化学作用，在摩擦副表面垫级或微米级的厚度内渗人或诱发产生新物质，使金属的微组织、微结构得到改善，从而改善金属的强度、硬度、塑性等，实现摩擦副的在线强化，提高摩擦副的承载能力和抗磨性能。

4.3摩擦自适应修复
上面提及的自修复实际上是一种条件自修复，是在摩擦条件下通过润滑介质及环境的物理化学作用，在摩擦副表面形成吸附补偿层、物理沉积补偿层、化学转化膜补偿层和摩擦副表面改性来实现的一种自修复。

4.4微流变塑性整平
润滑介质在摩擦界面的微流变现象是基于摩擦表面不平整所发生的一种润滑状态，结合高分子润滑剂的流变特性，形成了微流变金属表面塑性整平技术。

4.5微观不平
由于高载荷条件下的高接触应力，摩擦表面的流体动压润滑膜也发生塑性化，导致润滑油在弹流接触区内的流变特性。

因此，由于摩擦副表面的微观不平度，特别是在粘着、疲劳磨损等形成的凹坑处，造成摩擦副表面润滑油膜不连续，在这样的情况下由于凹坑或微区的作用，该微区内流体受到的剪切应力大大下降，分子受到表面应力的影响大大加强，微区内特种润滑流体的活性高分子聚集，导致微区内流体流变特性发生变化，微区内高分子链互相缠绕，流体的粘塑特性加剧，并在高接触应力的作用下，形成交织的粘塑性固结层，起到整平摩擦磨损表面的作用。

5金属磨损自修复技术的适用范围
从1999年初起，金属磨损自修复技术先后在铁路内燃机车、轴承、压缩机、汽车发动机、变速箱等机械设备中进行了试验，并首先在交通运输和冶金矿山等部门和行业试用中取得了明显的效果。

6需要研究和解决的几个问题
1.认真进行各种不同类型工况条件下的使用效果和经验总结。

需要根据不同类
型的工况条件制定出有针对性的合适的工艺规范和处理方案以获得最佳效果。

2.进一步的产业化和操作工艺的规范化。

由于矿源和提炼加工该材料工艺的复
杂性，导致其目前的生产成本相对还较高，随着进一步的产业化和使用过程中操作工艺的规范化，必将会大大降低成本和取得更显著的经济效益。

3.深入研究自修复表层的生成机理和扩大其应用范围。

由于磨损具有与工况条
件密切相关的系统特性。

因此，研究自修复表层在不同条件下的生成机理和规律特别是要研究在无润滑或不同载体条件下金属自修复材料生成保护层的效果，研究预处理等工艺方案。