段宏瑜1,2 ，李如琰1 ，袁兆靜1

（1上海市軸承技術(shù)研究所，上海201801； 2上海大學機電工程與自動化學院，上海200072 ）

０引言

磨損是材料3種失效模式（磨損、腐蝕和斷裂）之一。根據(jù)報道，大部分設(shè)備的損壞及失效有80％是由于摩擦、磨損造成的。摩擦和磨損能夠嚴重地影響機械設(shè)備的可靠性、安全性及壽命。根據(jù)近20年美國、英國、日本、德國４個國家的調(diào)查分析指出，由于磨損失效而造成的經(jīng)濟損失是非常巨大的，是各國國民經(jīng)濟總產(chǎn)值的２％ 。目前，世界上解決構(gòu)件的磨損失效問題主要采用抗磨技術(shù)、減摩技術(shù)和修復技術(shù)3種途徑。3種傳統(tǒng)的解決摩擦磨損的技術(shù)途徑大多數(shù)是各自獨立的，而且其有效性、可靠性和通用性也受到限制。因此，世界各國都在競相竭力尋找能夠同時具備減摩、抗磨和修復功能的金屬磨損自修復材料和技術(shù)。金屬磨損自修復技術(shù)（ＡＲＴ）是集抗磨、減摩和動態(tài)自修復功能于一體的一種新的表面工程技術(shù)和產(chǎn)品。ＡＲＴ材料的主要成份是以Mg6Si4O10（OH）8 、 Al2O3 、 SiO2 、 Fe2O3 、CaO 、MgO等多種礦物成份粉粒、添加劑和催化劑等組成。實際上，Mg6Si4O10（OH）8（羥基硅酸鹽）是在大自然中由于超堿性巖層水合作用和上億年的硅酸巖化作用而生成的硅酸巖石層狀晶體，在其形成過程中發(fā)生了硅酸鹽類，如鎂原子置換鐵原子的反應。ＡＲＴ技術(shù)的核心是利用金屬摩擦表面的力化學反應條件，將特殊組分的微納米粉體材料轉(zhuǎn)移到金屬表面，并將其改性為類金屬陶瓷改性層（也稱保護層）。使金屬－金屬的摩擦，轉(zhuǎn)變?yōu)槟湍ケＷo層－耐磨保護層的摩擦，對已經(jīng)發(fā)生磨損的表面進行動態(tài)選擇性的修復。

１金屬磨損自修復技術(shù)的發(fā)展

1.1金屬磨損自修復的形成機理

金屬磨損自修復包括原位摩擦化學自修復、摩擦成膜自修復和摩擦自適應修復。其中，原位摩擦化學自修復技術(shù)的發(fā)展，最初是在研究硼型抗磨劑的作用機理時而逐步發(fā)展起來的。該技術(shù)的本質(zhì)是利用物理化學和機械物理作用使添加劑在摩擦副表面滲入新元素，滲入的厚度為微米級或納米級。通過采用這種方法可以改善金屬的組織，實現(xiàn)在線強化，提高金屬的強度和硬度。ＡＲＴ技術(shù)屬于原位摩擦化學自修復的一種。當設(shè)備正在運轉(zhuǎn)過程中，在摩擦副表面添加帶有ＡＲＴ粉體的潤滑油或潤滑脂。當在摩擦過程中發(fā)生磨損區(qū)域后，在摩擦切削力和微粒研磨剪切力的共同作用下，就會在磨損區(qū)域發(fā)生微局部高溫，此時在摩擦副表面就會發(fā)生力化學和熱化學置換反應，最終生成一種類金屬陶瓷層。在摩擦過程中產(chǎn)生的熱能可以使類金屬陶瓷層持續(xù)生長，直到恢復到最佳配合間隙為止。圖 １ 為ＡＲＴ形成機理示意圖。圖１ａ中紅色圓圈區(qū)域是自修復易發(fā)生區(qū)域，該區(qū)域界面凹凸不平，在摩擦的狀態(tài)下極易產(chǎn)生閃溫現(xiàn)象，促使ＡＲＴ保護層形成。圖１ｂ為形成ＡＲＴ保護層后的界面形貌示意圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，保護層在摩擦界面的凹坑處形成，填補摩擦副的缺陷，從而使摩擦副可以正常運行。

圖１ＡＲT形成機理

摩擦成膜自修復包括鋪展成膜自修復、共晶成膜自修復、沉積成膜自修復和選擇性轉(zhuǎn)移。其形成原理是通過摩擦產(chǎn)生的各種形式的摩擦作用，使摩擦表面形成保護膜，用來補償摩擦副磨損，最終形成磨損自修復效應。摩擦自適應的形成是自發(fā)的，不可逆的。在工況變化的條件下，摩擦也跟著調(diào)整。當摩擦系數(shù)和磨損率很低時，表面自修復結(jié)構(gòu)就會呈現(xiàn)出一定條件、一定程度的自修復作用。從理論上講，金屬磨損自修復技術(shù)可適用于任何機械設(shè)備的摩擦副和承受表面磨損、腐蝕的零部件。該技術(shù)對改善傳統(tǒng)工程機械和零部件的使用性能及延長其使用壽命產(chǎn)生顯著效果。如機械制造、交通運輸、冶金礦石、水泥建材和電力機械等所有工業(yè)部門中，經(jīng)受摩擦和磨損的機械和零部件均適用于金屬磨損自修復。此外，由于金屬磨損自修復技術(shù)的特殊性，對航空、航天和國防工業(yè)中一些特種機械設(shè)備，以及醫(yī)療機械、微型計算機等技術(shù)裝備的高精度性能特殊需求起到良好的作用。

1.2金屬磨損自修復研究進展

早期俄羅斯的伊戈爾在鉆某種巖石時，偶然發(fā)現(xiàn)鉆頭不僅沒有磨損，反而在其表面生成一層陶瓷涂層使表面硬度提高。在1907年，Ａｒｃｈｂａｔｔ等人就指出金屬表面的摩擦實際上并不是金屬間的摩擦，而是存在兩表面的化學膜之間的摩擦，如硫化膜、氧化膜，在一般壓力條件下化學膜能夠防止金屬與金屬的粘著，從而降低摩擦與磨損。近20年來，自修復技術(shù)研究開始逐步受到國際上的高度重視和關(guān)注。其中ＧＥ公司、 ＮＡＳＡ 、麥道航空公司以及美國軍方都曾投資立項對該方面進行研究，發(fā)現(xiàn)以金屬修復劑一類的添加劑的功能和效果最好，同時可以實現(xiàn)金屬的減摩、抗磨和修復。1997年，美國提出的展望 2010年新一代制造計劃中將自修復和自維護技術(shù)列為研究重點之一 。 2002年美國國家航空航天局提出開發(fā)生物有機體損傷愈合原理的生物機敏材料，以此革新和發(fā)展新一代航空，空間材料，而具有自修復性能材料的研究是這次計劃的研究重點。國外的研究工作主要是圍繞自修復材料和自修復控制系統(tǒng)方面來進行開展。

如在研究智能自修復材料時發(fā)現(xiàn)，有一類聚合物復合材料能夠感知環(huán)境和自身變化，對材料腐蝕、劣化有自修復特性。日本則將汽車的自修復材料列為本國未來十年的研究重點，實現(xiàn)汽車不同部位材料都具有自修復功能。我國研究者也根據(jù)生物體損傷愈合原理初步對自修復材料進行研究，利用形狀記憶合金和液芯光纖對復合材料結(jié)構(gòu)中的損傷進行自診斷、自修復。

徐濱士等人第一次提出金屬磨損摩擦自修復原理，即摩擦自適應修復，摩擦成膜自修復，原位摩擦化學自修復。分別研究不同條件、不同接觸形式下軟金屬納米銅和納米鋅自修復添加劑的摩擦學性能。90年代初，夏延秋等人在進行抗磨減摩性能試驗時發(fā)現(xiàn)，將微量銅粉、鎳粉和鉍粉添加到石蠟基基礎(chǔ)油中，具有優(yōu)異的抗磨性能。劉維民和王立光等人研究發(fā)現(xiàn)，沉積在摩擦副上的納米級或微米級氫氧化物及氧化物對摩擦學性能起優(yōu)異的作用。2002年，喬玉林等人提出摩擦表面微損傷的原位動態(tài)自修復，并把納米材料引入到了自修復中。2004年，張津等人提出可以采用２種方法來提高摩擦副的使用壽命，一是通過表面強化來提高金屬摩擦副表面強度、增加耐磨性；二是添加潤滑油或通過潤滑油改性等方式降低摩擦系數(shù)來提高使用壽命。董凌等人提出硬修復和軟修復，即納米微粒在摩擦條件下被還原為微晶單質(zhì)，與磨損的微粒在磨損表面形成合金，硬修復層起到自修復作用。劉謙等人提出了摩擦系統(tǒng)自修復，包括摩擦條件優(yōu)化自修復和在線強化自修復（原位摩擦化學自修復），并指出表面成膜自修復是真正意義上的自修復。 2005年，楊鶴等人通過試驗的方法，驗證了主要組分為Mg6Si4O10（OH）8 的金屬磨損自修復劑在４５＃鋼摩擦副表面有形成修復保護層的能力。研究表明，Mg6Si4O10（OH）8 在潤滑過程中具有準周期性衰減振蕩函數(shù)的特點，且反應層的顯微硬度與４５＃鋼相比提高1倍。同樣，王磊等人以羥基硅酸鎂為自修復劑，在不同工況條件下對金屬磨損自修復層的形成進行分析，在摩擦條件適當時，試樣盤表面會形成一層平整光滑的保護層，且修復層不會隨磨損時間的增加而脫落或造成磨損加劇，并指出在水介質(zhì)中金屬磨損自修復劑難以形成保護層。陳國需等人以鋅超細粉體作為修復劑，利用摩擦磨損試驗機對已磨損的金屬表面進行在線自修復試驗。研究表明，所制備的修復劑對磨損表面具有明顯的修復作用，形成了修復層，并指出金屬摩擦副的材質(zhì)和工作條件的不同，對修復劑以及在線修復工藝等有著不同的要求。近年來，金屬磨損自修復技術(shù)在軸承和汽車發(fā)動機的維修中得到廣泛的應用。李華偉將金屬磨損自修復技術(shù)應用在滾動軸承上，以６３１０軸承樣本進行對比試驗，發(fā)現(xiàn)金屬磨損自修復技術(shù)能夠修復軸承滾道的磨損，提高軸承的壽命。此外，金屬磨損自修復技術(shù)在對汽車發(fā)動機磨損問題進行處理時，不需要拆卸發(fā)動機，能夠在短時間內(nèi)使汽車發(fā)動機磨損部位的機械零件恢復到正常尺寸狀態(tài)，對延長相關(guān)零部件乃至整個發(fā)動機使用壽命，提高其可靠性水平意義重大。

２金屬磨損自修復在工業(yè)領(lǐng)域中的應用及存在的問題

2.1金屬磨損自修復在工業(yè)領(lǐng)域中的應用

近年來，金屬磨損自修復技術(shù)在鐵路內(nèi)燃機車、載重電動輪車、汽車內(nèi)燃發(fā)動機、汽車機械變速箱、汽車后橋、齒輪箱減速器、滾動軸承和壓縮機等方面均得到了廣泛的應用，并且在交通運輸和冶金礦山等部門和行業(yè)的使用中也獲得顯著效果。此外，金屬自修復在紡織配件、刀具、工具和機械零配件等也有一些應用。

2.1.1軸承自修復

以軸承行業(yè)為例，我國生產(chǎn)的軸承精度雖然已達到國際同類產(chǎn)品水平，但是由于受到鋼材本身的質(zhì)量和熱處理工藝等因素的影響，我國軸承使用壽命等性能指標仍滿足不了使用要求，每年都需要大量從國外進口。根據(jù)報道 ，對６２０５－２ＲＳＬＸＩ軸承采用自修復技術(shù)后，當試驗周期達其２１倍壽命時對軸承進行檢測發(fā)現(xiàn)，該軸承的精度幾乎沒有變化，仍能保持初始的旋轉(zhuǎn)精度和試前的游隙，觀察其套圈滾道和滾動體表面發(fā)現(xiàn)，在摩擦表面基本沒有磨損。結(jié)果表明，軸承經(jīng)過金屬磨損自修復后，軸承的使用壽命有大幅度提高，且能夠減少因軸承失效而引起的事故和損失，這也大大減少了設(shè)備的停機維修時間，提高裝備利用率。這一技術(shù)的實施，不僅可以使我國使用的進口軸承數(shù)量大幅度減少，還可以使我國成為軸承出口大國。

2.1.2 鐵路內(nèi)燃機車自修復

將金屬磨損自修復材料應用到內(nèi)燃機車活塞發(fā)動機上，發(fā)現(xiàn)金屬磨損自修復使 ＢＪ型2008和 ＤＦ１１－063機車性能得到顯著提高。同時提高了機車的在線利用率，減低機車檢修率。我國內(nèi)燃機車每年消耗燃油500多萬噸，由于金屬磨損自修復材料的引入，使得機車燃油消耗率下降４％ ，這樣每年可節(jié)省大量中修費用。此外，在內(nèi)燃機車柴油機上采用金屬磨損自修材料，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有顯著的減磨效果，并且能夠改善柴油機的技術(shù)性能和降低使用故障率。

2.1.3 發(fā)動機自修復

在海港漁船柴油機上采用金屬磨損自修復技術(shù)發(fā)現(xiàn)，柴油機比以前工作狀態(tài)相對穩(wěn)定了，啟動快，加速猛，有勁，缸壓提高，引擎聲音柔和，噪音降低，燃燒充分，尾氣排放正常，耗油減少，發(fā)動機溫度較處理前明顯降低，總體機械性能都得到了提高。因此，金屬磨損自修復技術(shù)對修復已磨損的漁船柴油機磨損件是有效的，可恢復老、舊柴油機的性能，降低出海航行的停航率，延長柴油發(fā)動機的使用壽命。

2.2金屬磨損自修復研究存在的問題

金屬磨損自修復對改善傳統(tǒng)工程機械和零部件的使用性能及延長其使用壽命產(chǎn)生顯著效果。當然，任何一項新技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展都需要經(jīng)過大量深入細致的研究和不斷的改進、完善，這就需要在應用的實踐過程中總結(jié)經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)新問題，揭示新規(guī)律。就軸承自修復而言，由于該技術(shù)在應用過程中的動力學、熱力學和化學機理等基礎(chǔ)科學問題認識不夠深入，因此在應用試驗中具有盲目性，使其應用的實際效果不夠穩(wěn)定，這就需要對不同條件下自修復表層的生成機理和規(guī)律進行研究；由于自修復成本偏高，很難大規(guī)模推廣應用，需要研究成本較低的自修復材料，這樣有利于自修復的推廣及應用；要想進一步實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和操作工藝的規(guī)范化就需要用戶反復摸索；該技術(shù)受摩擦副形狀和摩擦條件的限制，因此應用具有局限性，那么研究不同載荷條件下金屬磨損自修復材料生成保護層的效果，就顯得尤為重要。

３結(jié)束語

近年來，隨著金屬磨損自修復技術(shù)的發(fā)展，表面改性技術(shù)也相應取得了進展。金屬磨損自修復是關(guān)于摩擦學、化學和力學等多種學科交叉的技術(shù)，同時涉及多專業(yè)、多部門的系統(tǒng)工程，是多種高端技術(shù)與現(xiàn)代設(shè)備高度融合的體現(xiàn)。盡管自修復技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展仍存在局限性，但依然前景光明。因此，加強自修復技術(shù)的研究和開發(fā)，對提高設(shè)備的性能、延長使用壽命、預防設(shè)備故障、減免設(shè)備維修、提高設(shè)備技術(shù)保障水平具有重要意義。

參考文獻 ：（略）