袁俊洲，喬 良

(山東源根石油化工有限公司， 山東 濟寧 272100)

機器的運轉(zhuǎn)依賴于零件的相對接觸運動，有相對接觸運動就會發(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。潤滑是降低磨損的重要措施之一，但是傳統(tǒng)潤滑只能減少相對運動表面的磨損，延長其使用壽命，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，但在使用時會對環(huán)境造成污染。納米材料的出現(xiàn)，為潤滑油添加劑的開發(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)材料注入到機械摩擦界面中，使摩擦系數(shù)降低，達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)機理和材料的基礎(chǔ)上，進行了基于羥基硅酸鹽自修復(fù)材料的應(yīng)用試驗。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)動機維修中的應(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，對金屬自修復(fù)材料在機械設(shè)備上的應(yīng)用進行研究。

1 金屬自修復(fù)材料在機械設(shè)備上的應(yīng)用

1.1 自修復(fù)

自修復(fù)是指在實踐中，機械設(shè)備經(jīng)過不斷的摩擦而損壞，不需要拆卸設(shè)備部件就能進行自修，且磨損的部件也能夠進行自修[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。對無需研磨的機械設(shè)備，在設(shè)備大修后，可向機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

本文所選潤滑油為國標46號機械油，該潤滑油是一種基礎(chǔ)油，具有良好的潤滑和抗氧化性能，可用于對潤滑油沒有特殊要求的全損耗系統(tǒng)潤滑，如主軸、軸承、齒輪等輕載機械零件，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，將氮氣和氬氣分別作為反應(yīng)氣體和濺射氣體，通過高壓高真空輝光放電，用濺射碳和碳團簇高速轟擊沉積氮化碳。

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

球磨是由電機帶動轉(zhuǎn)軸，產(chǎn)生強烈的沖擊力、研磨和振動等高能量的運動。循環(huán)運動中，磨球高速旋轉(zhuǎn)，向罐壁運動，利用磨球與罐壁之間產(chǎn)生的強烈沖擊力，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的表達式為：

(1)

式中：Ds為球磨機磨球的回轉(zhuǎn)直徑；Q為球磨機磨球的自轉(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875次。該球磨機體積小、能量高、噪聲低、操作簡單，適用于試驗室操作。

圖1顯示了球磨機的工作情況。

圖1 球磨機工作示意圖

把球磨后的氮化碳按質(zhì)量百分比添加到潤滑油中，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分散30 min，即可制備出自修復(fù)材料。

1.4 機械樣品制備

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

1)將試樣分解后，在 WEDM機上切下試樣的“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 ℃。為防止因為時間過長造成摩擦表面氧化，將鍍膜時間設(shè)置為40 min。鎳層在電子顯微鏡下會發(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間。

3)將樣品包埋在金相樣品鑲嵌機中。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，通過砂帶機對餅狀試樣進行粗磨。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)材料使用前準備

1)對機械設(shè)備情況進行檢查，主要查看部件是否發(fā)生損壞，并對溫度、噪聲等參數(shù)進行記錄。

2)去除罐壁雜質(zhì)，對機械設(shè)備的部分零件進行定期檢查，如有損壞零件及時更換，并對檢查情況與更換記錄進行存檔，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)材料潤滑油量的25%進行，然后記錄機械設(shè)備的參數(shù)。

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

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

2 試驗分析

2.1 磨損試樣微觀分析方法

對摩擦副進行顯微形貌分析，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。在不同試驗條件下，對試樣表面磨損情況進行對比，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。

試驗所用分析方法如下：

1)利用能譜分析儀對蛇紋石的成分和相態(tài)進行分析，基本技術(shù)要求：采用銅鉀射線，且射線波長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)，對摩擦副和截面的微觀形態(tài)進行觀察和分析，掃描電子顯微鏡的主技術(shù)指標：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型掃描電鏡對摩擦副的磨損表面形貌進行觀察，掃描電鏡的主技術(shù)指標：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摩擦副磨損表面和橫截面的元素組成及含量進行分析。

2.2 不同載荷下機械設(shè)備磨損情況對比

以載荷為影響因素，設(shè)定轉(zhuǎn)速為300 r/min，運行時間為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，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，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。加入金屬自修復(fù)材料后，磨損量出現(xiàn)了下降的趨勢，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小很多。

2.3 不同轉(zhuǎn)速下機械設(shè)備對比試驗結(jié)果分析

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

圖5 不同轉(zhuǎn)速下機械設(shè)備磨損對比試驗結(jié)果對比

由圖可知，當負荷為100 N，轉(zhuǎn)速為300 r/min和500 r/min時，摩擦面接觸不深，金屬自修復(fù)材料沒有足夠的時間來修復(fù)機械設(shè)備。隨著速度增加，摩擦時間延長，摩擦面會互相拋光，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 不同磨損時間下機械設(shè)備的磨損情況對比

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

圖6 不同磨損時間下機械設(shè)備的磨損情況對比

由圖可以看出，運行時間為1 h時，添加與未添加金屬自修復(fù)材料的機械設(shè)備磨損量差別不大，但在運行時間為2 h時，添加金屬自修復(fù)材料的磨損面開始變得平滑，隨著磨損時間的延長，磨損量開始下降，說明機械設(shè)備表面的細小裂紋逐漸消失，磨損面變得極為光滑，裂紋和微孔減少。當運行時間為3，4，5 h時，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)生化學作用，從而保證了修復(fù)效果。而隨著磨損時間延長，使用未添加金屬自修復(fù)材料的機械設(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

本文完成了對金屬自修復(fù)材料在機械設(shè)備上的應(yīng)用研究，將添加與未添加金屬自修復(fù)材料的機械設(shè)備磨損情況進行對比可知，添加金屬自修復(fù)材料對機械設(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，只對金屬自修復(fù)材料在機械設(shè)備上的應(yīng)用進行了研究，自修復(fù)材料在成品油中的抗磨效果還有待進一步的研究。