金属磨损自修复材料（技术）.doc

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1、yiyangdoudou金属磨损自修复材料介绍金属磨损自修复技术（Auto-Restoration Technology of Wear of Metals 简称ART），是一项全新的机械装备和机械零件摩擦表面的减摩技术。它的特点是在机械装备不解体的情况下，动态中完成金属磨损部位的自修复过程，生成减摩性能优异的耐磨保护层，使摩擦表面硬度和光洁度提高，摩擦系数大幅度降低，并使已经磨损的部位恢复到原来尺寸。一、 ART产品金属磨损自修复材料（简称ART）是引进和采用了俄罗斯专利“机械零件磨擦表面和接触表面之磨损选择补偿保护层生成方法”，在俄境外实现商品化规模生产的唯一产品。公司在技术引进、消化吸收

2、的基础上，改进了制备方法，于2002年获取了国家发明专利，建成国内也是亚洲唯一的一条高品质的金属磨损自修复材料生产线，使这一技术从原料、制备、至产品应用的知识产权全部实现了国产化，2002年9月18日，国家经贸委会同国防科工委、铁道部、交通部、教育部、国家环保总局等有关部门在哈尔滨主持召开了“金属磨损自修复材料产品鉴定会”。由徐滨士院士、钟群鹏院士、丁传贤院士、张福泽院士等17位专家组成的鉴定委员会一致通过了金属磨损自修复材料产品鉴定。专家委员会认为：“金属磨损自修复材料是一项具有自主知识产权的的高科技产品，具有世界先进水平”；“开发成功的金属磨损自修复材料具有广阔的应用前景，能推动我国表面工

3、程、摩擦学领域应用基础的研究，同时，能带动我国传统产业的提升和改造，对我国国民经济的发展有重大影响”。国家经贸委将这一项目纳入了国家科技创新计划。2002年12月17日，北京市科委主持召开了“金属磨损自修复材料在内燃机车柴油机应用的研究”技术鉴定会，鉴定委员会一致同意通过该项技术鉴定。专家指出：“金属磨损自修复材料在内燃机车上的应用取得了明显的减摩效果，生成的金属陶瓷保护层性能稳定，使摩擦零件表面硬度提高，粗糙度下降，摩擦系数大幅度降低，进而实现了磨损部位的“自修复”；“该项技术的成功应用可以延长内燃机车的修程，带来可观的经济效益。”并建议进一步扩大该项技术的应用范围。2003年6月2日，北京

4、铁路局科学技术委员会通过了“金属磨损自修复材料应用试验”技术成果审查，明确提出进一步全面推广应用。从此我国具有自主知识产权、集金属抗磨、减磨及修复功能为一体的金属表面工程应用技术，既ART产品在中国的大地上诞生了。二、“金属磨损自修复材料”的作用原理和技术特点“金属磨损自修复材料”是一种由羟基硅酸盐的复杂组分构成的微米级粒径的组合物，其分子式为：Mg6(Si4O10)（OH）8 主要取之于天然矿石材料的这些组合物微粒，不溶解于润滑油，不和润滑油品发生化学反应，不改变油品的理化性质，无任何毒副作用，在常温下的化学性质十分稳定。以润滑油或润滑脂为载体，将这些微粒材料带入机械的摩擦界面中，在研磨作用

5、下微粒使金属摩擦表面发生了一系列的物理变化和化学变化，改变了磨损表面上的微观结构。1、微粒在金属摩擦表面所发生的物理变化是：使摩擦表面得到清理和超精研磨。修复剂微粒相对于金属摩擦表面的微凸体和凹坑来说仍然是大尺寸颗粒，被带入摩擦界面后，在机械零件的摩擦滑动中被研磨细化。此时微粒材料要穿透油膜，对摩擦表面上的所有污染物（润滑油的分解物、添加剂，磨粒附着物，积炭）进行清理，同时也将微凹坑中的污染物清理干净，如同用砂子清理粘有油污的手掌一样。有足够硬度的微粒的超精研磨作用也造成金属表面的微凸体发生断裂，使得摩擦表面的光洁度进一步提高。2、微粒在金属摩擦表面发生的化学变化是：在超精研磨中，微凸体发生断

6、裂时产生的闪温，使微粒晶体中的金属原子与铁原子发生置换反应，在铁基金属摩擦表面生成铁硅酸盐新晶体。摩擦释放的热能使这种化学反应持续进行，随着新晶体在摩擦表面的不断增加就形成了与铁基金属连为一体的金属陶瓷层（如图） 图1. 在铁基金属摩擦表面上生成的金属陶瓷层的形貌（左为金属陶瓷层，右为铸铁珠光体）图2. 局部放大显示（左为金属陶瓷层，右为铸铁珠光体）1、2）。金属陶瓷层的生成速度和厚度，与摩擦释放的能量以及修复剂颗粒的数量成正比。在修复剂微粒的数量充足时，摩擦释放的能量越多，金属陶瓷层的增长速度越快。图3 铁基金属表面生成金属陶瓷层的光学显微照片3、修复剂微粒发生化学反应生成金属陶瓷层的部位是

7、有选择性的，它只在金属磨损的部位上发生。在非磨损部位上，修复剂微粒不发生化学反应，仍然被油液携带着流动。随着金属陶瓷层的不断生成，磨损部位的磨损间隙得到补偿。当摩擦间隙恢复至最佳配合间隙时，摩擦释放的能量降低，置换反应随之停止，机械装置将保持这一状态运行。生成的金属陶瓷层具有优异的力学和物理性能：摩擦系数： 0.003-0.007 显微硬度： 提高1-2倍 表面粗糙度：达到14级 线胀系数： 13.6-14.2（与钢相同） 冲击强度： 50kg/mm 耐高温： 1575C-1600C 耐腐蚀： 优良综上所述， “金属磨损自修复材料”是通过Mg6(Si4 O10)（OH）8天然晶体颗粒在摩擦热的

8、作用下发生的化学置换反应，在发生摩擦磨损的铁基金属表面生成硅酸铁盐金属陶瓷层，使摩擦表面具有极好的耐磨特性和极高的光洁度，其显微硬度比原基体硬度提高一倍。其独特之处是对磨损部位有不需拆卸的自修复作用，它可使大批已磨损的机械恢复到原尺寸状态，节能降耗，增长使用寿命。因此，“金属磨损自修复材料”是一种效费比很高的、有很好的开发应用前景的减磨添加剂。 “金属磨损自修复材料”的减磨机理与市场上销售的其它抗磨添加剂有显著不同，它不是在金属摩擦表面上生成软金属保护膜（或聚四氟乙烯保护膜），也不是通过溶解于润滑油中的钼、硼有机化合物在摩擦表面生成含钼、硼的化学键构架，而是在产生磨损的金属表面生成减磨性能优异

9、的金属陶瓷层，使正在使用中的机械设备不解体地修复已发生的磨损，使之恢复到最佳配合间隙，达到节能降耗、增长设备使用寿命的目的。“金属磨损自修复材料”的投入使用，使我国减磨技术研究由对金属材料摩擦表面的改性处理，步入对磨损部位的自动修复阶段。三、“金属磨损自修复材料”应用技术的实验室验证为了获得“金属磨损自修复材料”应用技术的国内最有权威性的实验室验证检测数据，国家经贸委分别委托清华大学磨擦学国家重点实验室、国家轴承质量监督检验中心、国防科工委第一计量测试研究中心、中国石油润滑油研究开发中心等权威实验检测机构，对“金属磨损自修复材料”进行有关实验室试验，对在机械设备上的使用特性进行验证性检测。主要

10、检测内容和检测结果如下。1. 清华大学摩擦学国家重点实验室的检测情况清华大学摩擦学国家重点实验室承担在摩擦磨损试验机上进行生成金属陶瓷层的试验，测试了在DF-11型内燃机柴油发动机行驶15万公里时气缸内壁生成的金属陶瓷层的厚度、表面硬度、磨擦系数、表面光洁度。结论如下：验证在试样摩擦表面生成金属陶瓷层的过程及其形貌特征在摩擦磨损试验机上，对45#钢面接触摩擦副试样实施“金属磨损自修复材料”应用技术，试验机累计运行150小时后摩擦副表面的平均显微硬度值从原始表面的Hv=230，提高到Hv=680；在下试样金相样品横断面上可用光学显微镜和扫描电子显微镜观测到8微米左右的金属陶瓷保护层。45# 钢基

11、体组织保护层2mm 图4 Falex下试样光学显微像（低倍） 图5 Falex下试样光学显微像（高倍）测试汽缸内壁生成的金属陶瓷层的厚度对实施金属磨损自修复材料应用技术后运行15万公里的DF-11型机车063号柴油机第15缸的缸套表面形成的金属陶瓷保护层进行扫描电镜观测，结果表明：在取自缸套的金相样品横断面上，约10微米厚度的金属陶瓷保护层无论在光学显微镜下还是扫描电子显微镜下均清晰可见。测试生成的金属陶瓷保护层表面的摩擦系数在SRV摩擦磨损试验机上，利用已形成金属陶瓷保护层的内燃机柴油机缸套切取的下试样，用对磨的原配镀铬活塞环制备上试样，在无油润滑（干摩擦）的条件下测得的摩擦系数稳定地保持在

12、0.005。检测气缸内壁生成的金属陶瓷保护层的显微硬度气缸内壁基体的纳米硬度测量值为524，生成金属陶瓷层后的测量值为1110。检测气缸内壁生成的金属陶瓷保护层表面的粗糙度用表面形貌仪测得金属陶瓷保护层的表面粗糙度为 Ra=0.0694m，其表面的微观特性属极光表面类中的亮光泽面。2. 国家轴承质量监督检验中心的检测情况国家轴承质量监督检验中心对哈尔滨天烨轴承有限公司生产的、经“金属磨损自修复材料”对轴承套圈滚道及滚动体进行表面处理的6205-2RSIXI微型汽车张紧轮轴承进行寿命试验。该轴承的常规试验寿命为L10=126h，现进行倍寿命试验。试验结论为： 轴承的旋转精度：仍保持试验前的精度。

13、试至3倍寿命时，精度有所下降，试至5倍寿命时，精度恢复到原始值。 轴承的径向游隙：仍保持试验前的游隙。 轴承振动（速度）型：低频数值减少，中高频数值增大。轴承振动（加速度）型：数值增大。 轴承试至5倍寿命时，轴承套圈滚道，滚动体表面基本没有磨损。根据国家经贸委的要求，轴承试至18倍寿命。3. 国防科工委第一计量测试研究中心的检测情况国防科工委第一计量测试研究中心研究员等数人，与北京内燃机务段计量人员组成测试小组，对使用“金属磨损自修复材料”运行至30万公里的DF-11型063号内燃机车的柴油发动机进行了分解测试，测试其活塞环、活塞、气缸套的磨损情况（铁道部规定：DF-11型内燃机车柴油发动机运

14、行至30万公里时应进行中修，更换活塞环等易磨损机件）。检测结论为：DF-11型063号内燃机车编号为159的柴油发动机经过30万公里的实际运行后，其活塞、活塞环、气缸内径的实际尺寸仍符合新品尺寸要求。4. 中国石油润滑油研究开发中心的检测情况中国石油润滑油研究开发中心采用基础油和在基础油中添加占其重量1.0%的金属磨损自修复材料的对比油，进行极压、抗磨性对比试验。试验结论为：从四球机试验结果可以看出，金属磨损自修复剂以1%的剂量加入80W/90基础油中，对代表试验油膜强度的四球Pb值、代表试验油极限工作能力的Pb值基本不产生影响，但对四球综合磨损值ZMZ具有一定的提高作用（ZMZ提高10.16

15、%），主要表现在Pb值以后（即油膜破裂后），随试验负荷的增加磨斑直径增大的较为缓慢，表明金属磨损自修复剂的加入对抑制磨斑增大具有较好的作用。从模拟L-37试验结果可以看出，金属磨损自修复剂以1%的剂量加入80W/90GL-5车辆轮油中，对磨斑的表面形貌具有一定的改善作用，表现为磨斑表面较为平滑，磨损产生的犁沟消失，模拟L-37综合评分值降低。凸轮挺柱是发动机运行工况中条件较为苛刻和磨损较为严重的部件。为考察金属磨损自修复材料在内燃机油中的表现，选用凸挺实验机采用MRT型凸轮挺柱磨损试验机评定法进行了试验。从列出的试验结果可以看出，以1%加剂量把金属磨损自修复材料添加剂到10W/30 SF（中2

16、）和10W/30 SF/CD内燃机油中，与10W/30 SF（中2）和10W/30 SF/CD油试验结果相比较，凸挺失重明显降低，尤其是使用旧试件其效果更为明显，表现出较好的修复作用。四、ART产品应用领域及主要功效从理论上说，金属磨损自修复材料（ART）适用于任何机械设备摩擦付和承受表面磨损、腐蚀的机械和零部件，包括机械制造、交通运输、冶金矿山和电力机械等所有机械部门中经受摩擦和磨损的机械和零部件。另外，由于金属磨损自修复材料（ART）的特殊功能，它将对航空、航天和国防工业中一些特种机械设备起到良好的作用。但是，任何一项新技术的产生和发展都有一个被认识和逐渐完善的过程，只有经过大量深入细致的

17、研究和不断在应用的实践过程中总结经验和发现新的问题，才能真正掌握其内在的规律。近年来，金属磨损自修复材料（ART）已在铁路机车、船舶、采油机械、矿山设备、大型工程设备、汽车等行业已获得较广泛应用。在汽车、内燃发动机等领域有极好的应用前景；在工程机械、轴承等方面的应用正在取得进展；在石油化工、水电工程机械、建筑工程机械等方面也将有很好的应用前景。金属磨损自修复材料（ART）主要功效：1节能效果：一般可使动力机械，如电动机、内燃机节省电能和燃油-%（个例节电达%，节油达%以上）。2环保效果：使内燃机排放尾气中的有害物质大大减少（一氧化碳和碳氢化合物减少40-50%，氮氧化物下降16-18%，柴油机

18、排放的烟雾浓度减少40-50%）。减振降噪效果显著，达4-7个单位，最高可降90%，有利于节能环保和延长机件使用寿命。3延寿效果：由于摩擦系数的大幅下降和抗腐蚀（含电化学腐蚀），及不发生氢致裂纹性能的提高，再加上表面显微硬度的改善，诸多综合因素，使机械设备几乎达到零磨损状态，使用寿命大大延长。4加力效果：一般都能使工作效率提高5-10%，许多实验达到增加功率25-35%的良好效果。5降低机油消耗效果：可使机油使用寿命延长1-5倍，不仅经济效益可观，同时也大大减少了对环境的污染。6冷启动和在无机油状态下安全行驶性能：可以在无机油状态下无机械损伤行驶200公里以上。7能自选修复部位，可以免去修复前

19、通常都要进行的繁琐检查、划线定位做标记等探伤手续。如磁力探伤、超声波、X光探伤、探伤等。哪里有磨损，表面有微裂纹、氢致网状裂纹，自修复材料就修复哪里，不仅限于表面，还可达一定深度（30m）。8能自补磨损缺陷。由于自修复材料能激活金属表面使其改性，自我生长故可以做到缺多少补多少，直至恢复原来几何形状和达到最佳间隙为止。渗碳或金属填充，无尺寸变化，而生长不仅有尺寸变化，最多可增长达1.1mm，而且与基体有“血缘”关系，是陶瓷和金属的“混血儿”，不是异类，因此绝无脱落弊端。9能自动完成修复和强化过程。可以不停机、免拆卸，不影响正常运行、无停工损失。五、使用“金属磨损自修复材料”时应注意的几个问题在汽

20、车内燃机上使用时应注意：1、其粒径的硬度为2.55，因而对摩擦表面有极好的研磨作用。在新车润滑油中加添，可缩短磨合周期，保持发动机性能。2、对行驶10万km左右的发动机有良好的提升功率和节油效果。3、对磨损严重的发动机修复效果不明显。4、对已使用超美、特耐磨、安耐驰抗磨添加剂的发动机，再使用金属磨损自修复材料时其减磨、修复磨损的效果不明显，甚至有被研磨清除下的积炭和有机包裹物堵塞油滤的危险。5、添加以后要连续运行3小时以上，中间不宜使发动机熄火久停。否则，颗粒比机油重，会逐渐沉淀在机油箱底壳内而不再参与作用。6、对添加前已经工作很久的发动机，除下的积炭颗粒会对滑油的黏度增加，使节油效果不明显，

21、此时使用低黏度润滑油会产生很好的节油、增功率效果。7、拆下电嘴，向缸内注射少量“金属磨损自修复材料”油液，效果更明显。8、添加前、后应测缸压变化。9、发动机在添加后的20分钟左右，从尾气喷口处滴水是正常现象，也是使用该抗磨添加剂时的特有现象。捡查喷射水滴现象的方法是：怠速工作510分钟后，用轰油门的方法来检查。10、对不同工况的发动机，其添加的量也应有所不同，应合理掌握。在其他工程机械上使用时应注意：Mg6(Si4 O10)（OH）8发生化学置换反应是在一定温度、压力条件下进行的，在常温下其化学反应难以发生。因此，使用时应考虑这一外界条件。六、ART产品市场发展前景磨损、腐蚀、疲劳是材料失效的

22、三种主要形式。有资料指出：全世界能量产出的1/3到1/2被用于克服摩擦阻力。据我国冶金矿山、农机、煤炭、电力和建材五个部门的不完全统计，每年由于摩擦磨损造成的材料损失和能源浪费高达数十亿元。和工业发达国家相比，由于我国相同工业产值的能耗高，造成我国资源浪费很大，节能降耗一直是我国工业发展中努力追求的目标。我国有关行业进口的机械设备，由于零件磨损，每年需补充购买的各类备件约数十亿美元。以轴承行业为例：我国生产的轴承的精度已能达到国际同类产品水平，但在寿命上却远远落后于国外，每年需大量从国外进口：1999年进口轴承约6.4亿套，3.46亿美元；2000年进口轴承约9.2亿套，4.45亿美元；200

23、1年进口轴承约7.25亿套，4.89亿美元（轴承工业动态统计数据）。我国生产的各型内燃机、汽轮机、减速齿轮箱等等，处于高速、高负荷运转下的部件，受钢材质量和加工工艺的影响，都存在着严重的摩擦磨损问题，造成其使用寿命低、故障率高、维修周期短的突出问题。我国是石油进口大国，汽车、船舶、铁路内燃机车均以燃油作为能源。中国内燃机车每年消耗燃油500多万吨，使用“金属磨损自修复材料”后按机车在使用中的燃油耗下降4计算，则每年可节省燃油20万吨；内燃机的中修修程由30万公里延长到5060万公里，每年还可以节省大量零修、辅修、中修费用，提高机车在线利用率（检修率下降1，相当于全国每天多投入150台内燃机车的

24、运力），若将适用范围进一步扩大到车厢轮轴、压缩机、道轨等易磨损系统，所产生的综合效益必定更为显著。我国是润滑油消耗大国，仅次于美、俄，占世界第三位。我国每年消耗润滑油340万吨，其中包括从国外进口50万吨。如果内燃机润滑油改用加添有“金属磨损自修复材料”超细粉体和抗氧化剂的基础油，则不仅能够使现有的内燃机实现“节能降耗”，而且有望实现内燃机的“终生免大修”，还可减少高档润滑油的进口量。仅中国拥有的1800万辆汽车和数百万艘以内燃机为动力的船只，应用“金属磨损自修复材料”所降低的能源消耗、延长摩擦磨损部件的寿命、提高运营率的综合经济效益可达数百亿元。此外，中国纺织机械、石油化工机械、矿山机械、冶金机械等领域都存在着使用寿命短的“瓶颈”，中国家电中的电冰箱、洗衣机、空调机、微波炉、电风扇，以及自行车、缝纫机等的寿命都取决于其轴承的耐磨性和静音性能。使用“金属磨损自修复材料”后有望解决上述问题。“金属磨损自修复材料”的广泛应用，将会提高中国工业产品的竞争能力，带动相关产业的发展，对国民经济发展有重大影响。同时，也会推动中国摩擦学领域内的减摩机理研究和减摩产品的研制开发工作，对中国走出一条科技含量高、资源消耗低、经济效益好的新型工业化道路，实现节约能源和环境保护这两项人类可持续发展的战略目标，具有重要意义。