蛇紋石粉體作為機械摩擦副磨損表面自修復添加劑的研究

張樹華，劉 巖，唐詩洋，李 健

（黑龍江省能源環境研究院，黑龍江 哈爾濱 150027）

當今世界上，磨損、腐蝕、斷裂已成為使機械零件失效的3大主要原因。據統計，全世界有三分之一的能源消耗在摩擦磨損上，造成巨大的經濟損失。我國每年大約有80%的機械零件失效是由于磨損造成的，直接損失2萬多億元。

人們廣泛采用潤滑的方式來克服摩擦磨損。近年來，越來越多的研究者們熱衷于潤滑添加劑的研究。目前，以蛇紋石粉體為主要原料的機械摩擦副磨損表面自修復添加劑受到了人們的廣泛關注，該添加劑能夠直接對運行中磨損的機械零件進行原位自修復，在表面形成保護膜，延長機械使用壽命，節約能源，降低經濟損失。它將對我國建設可持續發展的資源節約型和環境友好型社會發揮重要的作用。

1 機械摩擦副磨損表面自修復添加劑簡介

1.1 蛇紋石粉體

機械摩擦副磨損表面自修復添加劑的主要原料為蛇紋石，它是硅酸鹽礦物的總稱，分子式為（Mg6（Si4O10）（OH）8），主要含有羥基硅酸鎂化學成分，其結構為八面體層與六方網狀層按1∶1結合構成的單元層狀，其中[SiO4]四面體構成了六方網狀層，而八面體層結構來自蛇紋石中的氫氧鎂石[1]。通過研究發現，蛇紋石在球磨機中粉碎時，強力的機械力會使蛇紋石層狀結構中的八面體層與六方網狀層發生斷裂，存在于八面體層氫氧鎂石中的羥基會大量暴露出來[2]，O-Si-O、Si-O-Si、鎂鍵、羥基、氫鍵等不飽和鍵出現在斷裂面上。由于不飽和鍵存在極大的活性，使得蛇紋石粉體也具有很高的化學活性。機械摩擦副極易吸附這種富含活性的蛇紋石粉體，并在磨損表面上發生相互作用形成自修復保護膜，從而達到減少摩擦，延長機械壽命的目的。

1.2 機械摩擦副磨損表面自修復添加劑

機械摩擦副磨損表面自修復添加劑是以經球磨機球磨粉碎的蛇紋石超細粉體為主要基礎原料，添加少量分散劑與助劑，以潤滑油或潤滑脂為載體，在一定的工藝條件下復配出來。它作為一種亞微米級的非油溶性復合摩擦改進劑，在使用過程中不與油品產生化學反應，不改變油品的粘度和性質[3]。自修復添加劑可以在磨損表面形成具有較強抗剪切能力的自修復保護膜，避免了摩擦副表面的直接接觸，降低摩擦系數，減少摩擦損耗。

1.3 修復原理

機械摩擦副磨損表面自修復添加劑加入到正在運行的設備中，與摩擦副表面接觸，自修復材料被進一步研磨細化。在摩擦剪切力與高溫高壓的作用下，自修復添加劑的不飽和鍵重新活化，細化后的自修復添加劑對摩擦副表面有很強的附著滲透能力，使其容易被填充到摩擦副長期磨損形成的孔洞或凹面內。在摩擦力產生的高速研磨過程以及瞬間的高溫條件下，自修復添加劑在摩擦副表面發生微燒結、微冶金過程，這是超細亞微米粉體的典型特征。同時，摩擦副表面與自修復添加劑的相互摩擦過程中發生復雜的物理化學作用，使得自修復添加劑在磨損表面形成一層自修復保護膜。在磨損越嚴重的部位，這種微燒結、微冶金過程發生的幾率越多。較高表面光潔度與硬度的自修復膜可以使摩擦系數大大降低，摩擦損耗也隨之顯著減少。當形成的自修復膜厚度、摩擦副間隙以及摩擦表面的幾何構型與機械摩擦副的初始狀態相似時，摩擦熱會大量降低，自修復添加劑的微燒結、微冶金的機會隨之減少，磨損與自修復達到了動態平衡，得到了機械的最佳配合間隙，并相對長期保持，延長了機械零件的使用壽命。

2 添加劑的應用

2.1 實驗室應用研究

裝甲兵工程學院的郭延寶等[4]將機械摩擦副磨損表面自修復添加劑在室溫下添加到載荷為150N、轉速為180r·min-1的MM-200型摩擦磨損試驗機中。他們研究發現，隨著時間的延長，摩擦副的摩擦系數逐漸降低并最終保持平穩。由磨損表面的掃描電鏡照片以及元素組成EDXA分析可以得出，磨損表面形成了一層存在元素Si和Al的抗磨保護層，自修復添加劑具有減摩抗磨作用。大連海事大學的陳文剛[5]等也利用MM-200型摩擦磨損試驗機研究自修復添加劑在摩擦方面的應用。該課題組驗證了添加自修復添加劑可以減少摩擦副的磨損量，起到良好的抗磨損作用。于鶴龍等[6]把自修復添加劑應用到UMT-2型磨損試驗機上進行研究，他們最終發現，摩擦副表面形成了一層含有Si、O、Al等元素的高硬度抗磨保護層，而這些元素是自修復添加劑主要原料蛇紋石的特征元素。由此可以得出，自修復添加劑在摩擦副磨損表面具有優異的摩擦學性能。南京工業大學的曹娟等[7]利用載荷為392N的WMM-1萬能摩擦磨損試驗機進行自修復添加劑的應用研究，他們研究發現，當自修復添加劑的添加量為0.3%時，摩擦表面的摩擦因數達到最小值，自修復添加劑對磨損表面起到了修補的作用。隨著添加量的增加，摩擦因數反而增大。因此他們得出結論，要添加合適量的自修復添加劑才能對摩擦副磨損表面進行修復、保護。

2.2 工業應用

采用機械摩擦副磨損表面自修復添加劑在鐵路機車上進行應用試驗。機車添加自修復添加劑走行30萬km后進行檢測，檢測結果為：

（1）機車在使用自修復添加劑之前和使用之后同里程相比，燃油單耗節約9.6%，證明使用自修復添加劑的確對內燃發動機有明顯的節油效果。

（2）通過對氣缸的表面檢測發現，摩擦表面光滑，且硬度增強，具有抗磨效果。證明自修復添加劑在磨損表面形成了一層自修復保護膜。

（3）在機車中修時，機車的有關技術指標都保持最佳狀態，曲軸、摩擦副的各部件都保持良好，同時內燃機汽缸套、活塞、活塞環均幾乎沒有發生磨損，提高了機車的利用率，降低了機車的檢修率，大大節省了檢修費用。

利用小型轎車來研究自修復添加劑對中小型發動機的應用效果。在車輛行駛5000km后，檢測發現，汽車的平均氣缸壓力提高21.3%，節油率15.2%，汽車在使用自修復添加劑之前和使用之后同里程相比，CO排放量降低1.22%，HC排放量降低0.57%，NOx排放量降低2.62%，各零部件均保持良好狀態，摩擦表面光滑。使用自修復添加劑達到了延長使用壽命、節約燃油、減少尾氣排放的功效。

3 展望

綜上所述，以蛇紋石為主要原料的機械摩擦副磨損表面自修復添加劑具有減摩抗磨、修復磨損表面的功效，可以達到延長發動機使用壽命，節約燃油，保護環境的目的，是一種高效節能環保型添加劑。目前，越來越多的研究者致力于自修復添加劑的研究并積累了一定的經驗。在未來，對機械摩擦副磨損表面自修復添加劑的研究應該以以下幾個方面為主：

（1）提高蛇紋石粉體的研磨粉碎工藝，使其粒徑更小，接近納米級，顆粒尺寸更均勻。

（2）對蛇紋石粉體表面進行修飾，使其在溶劑中具有穩定的分散性。

（3）擴展自修復添加劑的應用領域，如船舶用的大型發動機、飛機發動機、工業機械等。獲得廣闊的發展前景，并創造巨大的社會效益、經濟效益和環境效益。

［1］楊其明，白志民.超細蛇紋石粉體的材料特性、摩擦學介入行為及其工業應用［J］.潤滑與密封，2010，35（9）：98-101.

［2］李桂金，白志民，黃衛俊，等.蛇紋石粉體表面改性研究［J］.硅酸鹽通報，2008，27（6）：1091-1095.

［3］高玉周，張會臣，許曉磊，等.硅酸鹽粉體作為潤滑油添加劑在金屬磨損表面成膜機制［J］.潤滑與密封，2006，（10）：39-42.

［4］郭延寶，徐濱士，馬世寧，等.羥基硅酸鹽潤滑油添加劑對45#鋼/球墨鑄鐵摩擦副摩擦磨損性能的影響［J］.摩擦學學報，2004，24（6）：512-515.

［5］陳文剛，高玉周，張會臣.蛇紋石粉體作為自修復添加劑的抗磨損機理［J］.摩擦學學報，2008，28（5）：463-468.

［6］于鶴龍，王紅美，趙可可，等.蛇紋石潤滑油添加劑摩擦反應膜的力學特征和摩擦學性能［J］.摩擦學基礎理論，2011，47-52.

［7］曹娟，張振忠，趙芳霞.超細蛇紋石粉體改善潤滑油摩擦磨損性能的研究［J］.潤滑與密封，2007，32（12）：53-55.