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(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)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(bào)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(yán)重地影響機(jī)械設(shè)備的可靠性、安全性及壽命。根據(jù)近20年美國(guó)、英國(guó)、日本、德國(guó)４個(gè)國(guó)家的調(diào)查分析指出，由于磨損失效而造成的經(jīng)濟(jì)損失是非常巨大的，是各國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值的２％ 。目前，世界上解決構(gòu)件的磨損失效問(wèn)題主要采用抗磨技術(shù)、減摩技術(shù)和修復(fù)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(dú)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(guó)都在競(jìng)相竭力尋找能夠同時(shí)具備減摩、抗磨和修復(fù)功能的金屬磨損自修復(fù)材料和技術(shù)。金屬磨損自修復(fù)技術(shù)（ＡＲＴ）是集抗磨、減摩和動(dòng)態(tài)自修復(fù)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(shí)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(guò)程中發(fā)生了硅酸鹽類(lèi)，如鎂原子置換鐵原子的反應(yīng)。ＡＲＴ技術(shù)的核心是利用金屬摩擦表面的力化學(xué)反應(yīng)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(lèi)金屬陶瓷改性層（也稱(chēng)保護(hù)層）。使金屬－金屬的摩擦，轉(zhuǎn)變?yōu)槟湍ケＷo(hù)層－耐磨保護(hù)層的摩擦，對(duì)已經(jīng)發(fā)生磨損的表面進(jìn)行動(dòng)態(tài)選擇性的修復(fù)。

１金屬磨損自修復(fù)技術(shù)的發(fā)展

1.1金屬磨損自修復(fù)的形成機(jī)理

金屬磨損自修復(fù)包括原位摩擦化學(xué)自修復(fù)、摩擦成膜自修復(fù)和摩擦自適應(yīng)修復(fù)。其中，原位摩擦化學(xué)自修復(fù)技術(shù)的發(fā)展，最初是在研究硼型抗磨劑的作用機(jī)理時(shí)而逐步發(fā)展起來(lái)的。該技術(shù)的本質(zhì)是利用物理化學(xué)和機(jī)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(jí)或納米級(jí)。通過(guò)采用這種方法可以改善金屬的組織，實(shí)現(xiàn)在線強(qiáng)化，提高金屬的強(qiáng)度和硬度。ＡＲＴ技術(shù)屬于原位摩擦化學(xué)自修復(fù)的一種。當(dāng)設(shè)備正在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，在摩擦副表面添加帶有ＡＲＴ粉體的潤(rùn)滑油或潤(rùn)滑脂。當(dāng)在摩擦過(guò)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(huì)在磨損區(qū)域發(fā)生微局部高溫，此時(shí)在摩擦副表面就會(huì)發(fā)生力化學(xué)和熱化學(xué)置換反應(yīng)，最終生成一種類(lèi)金屬陶瓷層。在摩擦過(guò)程中產(chǎn)生的熱能可以使類(lèi)金屬陶瓷層持續(xù)生長(zhǎng)，直到恢復(fù)到最佳配合間隙為止。圖 １ 為ＡＲＴ形成機(jī)理示意圖。圖１ａ中紅色圓圈區(qū)域是自修復(fù)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(hù)層形成。圖１ｂ為形成ＡＲＴ保護(hù)層后的界面形貌示意圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，保護(hù)層在摩擦界面的凹坑處形成，填補(bǔ)摩擦副的缺陷，從而使摩擦副可以正常運(yùn)行。

圖１ＡＲT形成機(jī)理

摩擦成膜自修復(fù)包括鋪展成膜自修復(fù)、共晶成膜自修復(fù)、沉積成膜自修復(fù)和選擇性轉(zhuǎn)移。其形成原理是通過(guò)摩擦產(chǎn)生的各種形式的摩擦作用，使摩擦表面形成保護(hù)膜，用來(lái)補(bǔ)償摩擦副磨損，最終形成磨損自修復(fù)效應(yīng)。摩擦自適應(yīng)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(dāng)摩擦系數(shù)和磨損率很低時(shí)，表面自修復(fù)結(jié)構(gòu)就會(huì)呈現(xiàn)出一定條件、一定程度的自修復(fù)作用。從理論上講，金屬磨損自修復(fù)技術(shù)可適用于任何機(jī)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(duì)改善傳統(tǒng)工程機(jī)械和零部件的使用性能及延長(zhǎng)其使用壽命產(chǎn)生顯著效果。如機(jī)械制造、交通運(yùn)輸、冶金礦石、水泥建材和電力機(jī)械等所有工業(yè)部門(mén)中，經(jīng)受摩擦和磨損的機(jī)械和零部件均適用于金屬磨損自修復(fù)。此外，由于金屬磨損自修復(fù)技術(shù)的特殊性，對(duì)航空、航天和國(guó)防工業(yè)中一些特種機(jī)械設(shè)備，以及醫(yī)療機(jī)械、微型計(jì)算機(jī)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(fù)研究進(jìn)展

早期俄羅斯的伊戈?duì)栐阢@某種巖石時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)鉆頭不僅沒(méi)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(shí)際上并不是金屬間的摩擦，而是存在兩表面的化學(xué)膜之間的摩擦，如硫化膜、氧化膜，在一般壓力條件下化學(xué)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(lái)，自修復(fù)技術(shù)研究開(kāi)始逐步受到國(guó)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(guó)軍方都曾投資立項(xiàng)對(duì)該方面進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)以金屬修復(fù)劑一類(lèi)的添加劑的功能和效果最好，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)金屬的減摩、抗磨和修復(fù)。1997年，美國(guó)提出的展望 2010年新一代制造計(jì)劃中將自修復(fù)和自維護(hù)技術(shù)列為研究重點(diǎn)之一 。 2002年美國(guó)國(guó)家航空航天局提出開(kāi)發(fā)生物有機(jī)體損傷愈合原理的生物機(jī)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(fù)性能材料的研究是這次計(jì)劃的研究重點(diǎn)。國(guó)外的研究工作主要是圍繞自修復(fù)材料和自修復(fù)控制系統(tǒng)方面來(lái)進(jìn)行開(kāi)展。

如在研究智能自修復(fù)材料時(shí)發(fā)現(xiàn)，有一類(lèi)聚合物復(fù)合材料能夠感知環(huán)境和自身變化，對(duì)材料腐蝕、劣化有自修復(fù)特性。日本則將汽車(chē)的自修復(fù)材料列為本國(guó)未來(lái)十年的研究重點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)不同部位材料都具有自修復(fù)功能。我國(guó)研究者也根據(jù)生物體損傷愈合原理初步對(duì)自修復(fù)材料進(jìn)行研究，利用形狀記憶合金和液芯光纖對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的損傷進(jìn)行自診斷、自修復(fù)。

徐濱士等人第一次提出金屬磨損摩擦自修復(fù)原理，即摩擦自適應(yīng)修復(fù)，摩擦成膜自修復(fù)，原位摩擦化學(xué)自修復(fù)。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(fù)添加劑的摩擦學(xué)性能。90年代初，夏延秋等人在進(jìn)行抗磨減摩性能試驗(yàn)時(shí)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(jí)或微米級(jí)氫氧化物及氧化物對(duì)摩擦學(xué)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(dòng)態(tài)自修復(fù)，并把納米材料引入到了自修復(fù)中。2004年，張津等人提出可以采用２種方法來(lái)提高摩擦副的使用壽命，一是通過(guò)表面強(qiáng)化來(lái)提高金屬摩擦副表面強(qiáng)度、增加耐磨性；二是添加潤(rùn)滑油或通過(guò)潤(rùn)滑油改性等方式降低摩擦系數(shù)來(lái)提高使用壽命。董凌等人提出硬修復(fù)和軟修復(fù)，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(fù)層起到自修復(fù)作用。劉謙等人提出了摩擦系統(tǒng)自修復(fù)，包括摩擦條件優(yōu)化自修復(fù)和在線強(qiáng)化自修復(fù)（原位摩擦化學(xué)自修復(fù)），并指出表面成膜自修復(fù)是真正意義上的自修復(fù)。 2005年，楊鶴等人通過(guò)試驗(yàn)的方法，驗(yàn)證了主要組分為Mg6Si4O10（OH）8 的金屬磨損自修復(fù)劑在４５＃鋼摩擦副表面有形成修復(fù)保護(hù)層的能力。研究表明，Mg6Si4O10（OH）8 在潤(rùn)滑過(guò)程中具有準(zhǔn)周期性衰減振蕩函數(shù)的特點(diǎn)，且反應(yīng)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(fù)劑，在不同工況條件下對(duì)金屬磨損自修復(fù)層的形成進(jìn)行分析，在摩擦條件適當(dāng)時(shí)，試樣盤(pán)表面會(huì)形成一層平整光滑的保護(hù)層，且修復(fù)層不會(huì)隨磨損時(shí)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(fù)劑難以形成保護(hù)層。陳國(guó)需等人以鋅超細(xì)粉體作為修復(fù)劑，利用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)已磨損的金屬表面進(jìn)行在線自修復(fù)試驗(yàn)。研究表明，所制備的修復(fù)劑對(duì)磨損表面具有明顯的修復(fù)作用，形成了修復(fù)層，并指出金屬摩擦副的材質(zhì)和工作條件的不同，對(duì)修復(fù)劑以及在線修復(fù)工藝等有著不同的要求。近年來(lái)，金屬磨損自修復(fù)技術(shù)在軸承和汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的維修中得到廣泛的應(yīng)用。李華偉將金屬磨損自修復(fù)技術(shù)應(yīng)用在滾動(dòng)軸承上，以６３１０軸承樣本進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)金屬磨損自修復(fù)技術(shù)能夠修復(fù)軸承滾道的磨損，提高軸承的壽命。此外，金屬磨損自修復(fù)技術(shù)在對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)磨損問(wèn)題進(jìn)行處理時(shí)，不需要拆卸發(fā)動(dòng)機(jī)，能夠在短時(shí)間內(nèi)使汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)磨損部位的機(jī)械零件恢復(fù)到正常尺寸狀態(tài)，對(duì)延長(zhǎng)相關(guān)零部件乃至整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命，提高其可靠性水平意義重大。

２金屬磨損自修復(fù)在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用及存在的問(wèn)題

2.1金屬磨損自修復(fù)在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用

近年來(lái)，金屬磨損自修復(fù)技術(shù)在鐵路內(nèi)燃機(jī)車(chē)、載重電動(dòng)輪車(chē)、汽車(chē)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)、汽車(chē)機(jī)械變速箱、汽車(chē)后橋、齒輪箱減速器、滾動(dòng)軸承和壓縮機(jī)等方面均得到了廣泛的應(yīng)用，并且在交通運(yùn)輸和冶金礦山等部門(mén)和行業(yè)的使用中也獲得顯著效果。此外，金屬自修復(fù)在紡織配件、刀具、工具和機(jī)械零配件等也有一些應(yīng)用。

2.1.1軸承自修復(fù)

以軸承行業(yè)為例，我國(guó)生產(chǎn)的軸承精度雖然已達(dá)到國(guó)際同類(lèi)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(guó)軸承使用壽命等性能指標(biāo)仍滿足不了使用要求，每年都需要大量從國(guó)外進(jìn)口。根據(jù)報(bào)道 ，對(duì)６２０５－２ＲＳＬＸＩ軸承采用自修復(fù)技術(shù)后，當(dāng)試驗(yàn)周期達(dá)其２１倍壽命時(shí)對(duì)軸承進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，該軸承的精度幾乎沒(méi)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(dòng)體表面發(fā)現(xiàn)，在摩擦表面基本沒(méi)有磨損。結(jié)果表明，軸承經(jīng)過(guò)金屬磨損自修復(fù)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(jī)維修時(shí)間，提高裝備利用率。這一技術(shù)的實(shí)施，不僅可以使我國(guó)使用的進(jìn)口軸承數(shù)量大幅度減少，還可以使我國(guó)成為軸承出口大國(guó)。

2.1.2 鐵路內(nèi)燃機(jī)車(chē)自修復(fù)

將金屬磨損自修復(fù)材料應(yīng)用到內(nèi)燃機(jī)車(chē)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)上，發(fā)現(xiàn)金屬磨損自修復(fù)使 ＢＪ型2008和 ＤＦ１１－063機(jī)車(chē)性能得到顯著提高。同時(shí)提高了機(jī)車(chē)的在線利用率，減低機(jī)車(chē)檢修率。我國(guó)內(nèi)燃機(jī)車(chē)每年消耗燃油500多萬(wàn)噸，由于金屬磨損自修復(fù)材料的引入，使得機(jī)車(chē)燃油消耗率下降４％ ，這樣每年可節(jié)省大量中修費(fèi)用。此外，在內(nèi)燃機(jī)車(chē)柴油機(jī)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(jī)的技術(shù)性能和降低使用故障率。

2.1.3 發(fā)動(dòng)機(jī)自修復(fù)

在海港漁船柴油機(jī)上采用金屬磨損自修復(fù)技術(shù)發(fā)現(xiàn)，柴油機(jī)比以前工作狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定了，啟動(dòng)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(dòng)機(jī)溫度較處理前明顯降低，總體機(jī)械性能都得到了提高。因此，金屬磨損自修復(fù)技術(shù)對(duì)修復(fù)已磨損的漁船柴油機(jī)磨損件是有效的，可恢復(fù)老、舊柴油機(jī)的性能，降低出海航行的停航率，延長(zhǎng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。

2.2金屬磨損自修復(fù)研究存在的問(wèn)題

金屬磨損自修復(fù)對(duì)改善傳統(tǒng)工程機(jī)械和零部件的使用性能及延長(zhǎng)其使用壽命產(chǎn)生顯著效果。當(dāng)然，任何一項(xiàng)新技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展都需要經(jīng)過(guò)大量深入細(xì)致的研究和不斷的改進(jìn)、完善，這就需要在應(yīng)用的實(shí)踐過(guò)程中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)新問(wèn)題，揭示新規(guī)律。就軸承自修復(fù)而言，由于該技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)和化學(xué)機(jī)理等基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題認(rèn)識(shí)不夠深入，因此在應(yīng)用試驗(yàn)中具有盲目性，使其應(yīng)用的實(shí)際效果不夠穩(wěn)定，這就需要對(duì)不同條件下自修復(fù)表層的生成機(jī)理和規(guī)律進(jìn)行研究；由于自修復(fù)成本偏高，很難大規(guī)模推廣應(yīng)用，需要研究成本較低的自修復(fù)材料，這樣有利于自修復(fù)的推廣及應(yīng)用；要想進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和操作工藝的規(guī)范化就需要用戶反復(fù)摸索；該技術(shù)受摩擦副形狀和摩擦條件的限制，因此應(yīng)用具有局限性，那么研究不同載荷條件下金屬磨損自修復(fù)材料生成保護(hù)層的效果，就顯得尤為重要。

３結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，隨著金屬磨損自修復(fù)技術(shù)的發(fā)展，表面改性技術(shù)也相應(yīng)取得了進(jìn)展。金屬磨損自修復(fù)是關(guān)于摩擦學(xué)、化學(xué)和力學(xué)等多種學(xué)科交叉的技術(shù)，同時(shí)涉及多專(zhuān)業(yè)、多部門(mén)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(fù)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(qiáng)自修復(fù)技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)，對(duì)提高設(shè)備的性能、延長(zhǎng)使用壽命、預(yù)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(xiàn) ：（略）