機(jī)械抗磨自修復(fù)技術(shù)在水泥企業(yè)中的應(yīng)用

  前言

  磨損一般起始于早期的表面微損傷，而后發(fā)展成為嚴(yán)重的表面損傷。機(jī)械抗磨自修復(fù)技術(shù)是近年發(fā)展的一種新型技術(shù)，與傳統(tǒng)的對(duì)失效部件進(jìn)行靜態(tài)修復(fù)模式有著本質(zhì)的區(qū)別。它是通過(guò)對(duì)磨損表面微損傷的不拆卸原位動(dòng)態(tài)自修復(fù)，達(dá)到預(yù)防或抑制傳動(dòng)部件失效的目的。具體地說(shuō)，機(jī)械抗磨自修復(fù)技術(shù)是將一種化學(xué)成分主要為羥基硅酸鎂的礦石粉體潤(rùn)滑混合物，添加到潤(rùn)滑油或潤(rùn)滑脂中，不與油或脂發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)，不改變油的黏度和性質(zhì)，使用中無(wú)毒副作用，對(duì)環(huán)境和人體無(wú)害，摩擦磨損條件下可以在機(jī)械零件表面生成自修復(fù)保護(hù)膜，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬磨損的原位動(dòng)態(tài)自修復(fù)[1]。

  20世紀(jì)90年代后期，以羥基硅酸鋁或羥基硅酸鎂為主要成分的機(jī)械抗磨自修復(fù)產(chǎn)品分別從烏克蘭和俄羅斯引入中國(guó)。在引入中國(guó)以前，該技術(shù)就在其國(guó)內(nèi)軍事、交通、電力等其它工業(yè)領(lǐng)域廣泛研究與應(yīng)用。

  在機(jī)械設(shè)備中，除各種合金鋼以外，球墨鑄鐵也是常用的摩擦副材料，如大型傳動(dòng)齒輪、發(fā)動(dòng)機(jī)缸體等。適合應(yīng)用機(jī)械抗磨自修復(fù)技術(shù)的設(shè)備包括各種滑動(dòng)及滾動(dòng)軸承、開(kāi)放式齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、金屬加工床具及設(shè)備、各種類(lèi)型的壓縮機(jī)、工業(yè)減速機(jī)、液壓系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)、水泵和其它設(shè)備。

  1 技術(shù)原理

  1.1原材料

  北京可視化節(jié)能科技股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)可視化公司）擁有的機(jī)械抗磨抗磨自修復(fù)技術(shù)的主要成分為人工合成的羥基硅酸鎂，其純度更高，性質(zhì)穩(wěn)定，成本較提取天然粉體更低。通過(guò)對(duì)可視化抗磨修復(fù)劑進(jìn)行XRD分析，該修復(fù)劑主要由羥基硅酸鎂Mg3[Si2O5](OH)4和硼B(yǎng)，稀土化合物及部分金屬及其氧化物（Cu、、Zn等）構(gòu)成。它的部分成分與俄羅斯的礦石粉相似，不同之處是含有大量硼和稀土化合物。因此，可視化抗磨修復(fù)劑是由多種物質(zhì)復(fù)合在一起形成的復(fù)合潤(rùn)滑材料。

  1.2 摩擦學(xué)性能測(cè)試

  采用MM-10W型多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)評(píng)價(jià)修復(fù)劑的抗磨修復(fù)性能，基礎(chǔ)油為坦克機(jī)油50CC。載荷200N，時(shí)間為120min。，修復(fù)劑的添加比例分別為2.5%、5%、10%、15%。實(shí)驗(yàn)前，將添加劑進(jìn)行超聲波分散，以保證納米級(jí)固體顆粒在潤(rùn)滑油中均勻穩(wěn)定的分散。

  圖1為摩擦系數(shù)隨修復(fù)劑含量變化的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，基礎(chǔ)油的摩擦系數(shù)較高，約為0.125，摩擦系數(shù)隨修復(fù)劑的含量的升高而不斷降低，并在添加量為10%時(shí)取得最小值，約為0.047左右。此時(shí)，摩擦系數(shù)同基礎(chǔ)油相比降低60%以上，此后，隨著添加量的升高，摩擦系數(shù)有所增加。

  圖1 摩擦系數(shù)與修復(fù)劑含量的變化關(guān)系

  通過(guò)分析坦克機(jī)油與抗磨修復(fù)劑潤(rùn)滑下磨損表面形貌的SEM照片，發(fā)現(xiàn)修復(fù)劑潤(rùn)滑下的磨損表面相對(duì)平整，劃痕較少，表明抗磨修復(fù)劑有良好的抗磨性能。通過(guò)對(duì)磨損表面進(jìn)行能譜分析，磨損表面除基體材料45#鋼中Fe、C等元素外，還含有大量的B、La元素及少量的Si、Mg等元素。表1列出了主要元素的相對(duì)含量。多種元素均勻分布在磨損面上，形成了一定的金屬陶瓷保護(hù)層，起到抗磨減摩作用。

  表1 抗磨修復(fù)劑潤(rùn)滑下的磨損表面元素相對(duì)含量

  1.3金屬陶瓷保護(hù)層的形成過(guò)程

  摩擦表面修復(fù)過(guò)程從那些磨損較大的區(qū)域開(kāi)始,因?yàn)樵谶@些區(qū)域具備了修復(fù)過(guò)程發(fā)生所必不可少的多余能量。這些能量就像磁鐵一樣，能直接捕獲用于建造金屬陶瓷層的材料，即抗磨修復(fù)劑，并將其牢牢固定在磨損部位。在負(fù)荷的作用下，活化劑能吸納多余的熱量并用于建造保護(hù)層。這樣，在原來(lái)的金屬基體上就形成了新的表面層。在修復(fù)過(guò)程開(kāi)始后，原先有劃痕的地方就會(huì)生成金屬陶瓷補(bǔ)丁，異?；钚詤^(qū)就會(huì)消失。當(dāng)上述能量過(guò)程穩(wěn)定后，保護(hù)層的生長(zhǎng)過(guò)程即自動(dòng)停止。與上述能量過(guò)程同時(shí)發(fā)生的還有金屬與金屬陶瓷元素的相互擴(kuò)散，使得新的表面層的形成過(guò)程更加完美。換句話(huà)說(shuō)，這將徹底消除表面本身及基體與表面層的結(jié)合缺陷。隨著時(shí)間的延續(xù),新的表面層的穩(wěn)定性會(huì)進(jìn)一步提高。

  修復(fù)過(guò)程的結(jié)果是在摩擦表面生成新的保護(hù)層, 零部件的體積和幾何尺寸都能得以恢復(fù)。所獲得的金屬陶瓷層具有卓越的性能:硬度高(HRC86,硬度接近金剛石)、良好的抗腐蝕能力、超滑(稀油環(huán)境中摩擦系數(shù)為0.047)。

  2 可視化抗磨修復(fù)劑在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用

  2.1機(jī)械抗磨抗磨自修復(fù)技術(shù)在出磨提升機(jī)上的應(yīng)用

  2015年6月，北京可視化公司在某水泥廠3#水泥磨的出磨提升機(jī)上應(yīng)用了機(jī)械抗磨抗磨自修復(fù)技術(shù)。該提升機(jī)配用電機(jī)功率為160KW，其減速機(jī)軸功率為125KW，采用稀有潤(rùn)滑，潤(rùn)滑油用量為155L。技術(shù)人員在減速機(jī)油箱中添加了0.7%的抗磨修復(fù)劑，同時(shí)對(duì)提升機(jī)的耗電量及軸承溫度進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。添加修復(fù)劑前后的數(shù)據(jù)對(duì)比如下表所示，節(jié)電比例為8%。

  表2 添加抗磨修復(fù)劑前后數(shù)據(jù)對(duì)比（19日添加修復(fù)劑）

  （注：測(cè)試前后須保證提升機(jī)的負(fù)載保持基本不變，以免影響節(jié)能效果的對(duì)比）

  機(jī)械抗磨抗磨自修復(fù)技術(shù)通過(guò)修復(fù)減速機(jī)齒輪摩擦副表面的磨損，優(yōu)化金屬表面狀況，可以有效降低摩擦損耗。電耗的降低可以間接證明，該技術(shù)能夠延長(zhǎng)傳動(dòng)部件的使用壽命以及改善設(shè)備運(yùn)行工況。經(jīng)過(guò)本次測(cè)試，該水泥廠決定在其它適用設(shè)備中推廣使用該技術(shù)。

  2.2機(jī)械抗磨抗磨自修復(fù)技術(shù)在其它傳動(dòng)設(shè)備上的應(yīng)用

  由于機(jī)械抗磨抗磨自修復(fù)技術(shù)適用于各工業(yè)企業(yè)，主要適用的設(shè)備為各種滑動(dòng)及滾動(dòng)軸承、開(kāi)放式齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、金屬加工床具及設(shè)備、各種類(lèi)型的壓縮機(jī)、工業(yè)減速機(jī)、液壓系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)、水泵等。只要設(shè)備具有軸承、軸瓦、齒輪等轉(zhuǎn)動(dòng)部件，并用潤(rùn)滑油或脂潤(rùn)滑，都可以應(yīng)用機(jī)械抗磨抗磨自修復(fù)技術(shù)。

  該技術(shù)在設(shè)備上的應(yīng)用效果主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：一是節(jié)能降耗，節(jié)能比例在5%以上；二是降溫降噪作用，降低軸承溫度2℃-10℃，降低設(shè)備噪音2-3db；三是延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命1.5倍以上。

  3 結(jié)論

  自上世紀(jì)90年代左右，該技術(shù)在烏克蘭、俄羅斯成功應(yīng)用以來(lái)，世界各國(guó)的科學(xué)家都開(kāi)始關(guān)注并研究該技術(shù)的主要成分，即微納米級(jí)的固體顆粒。典型的主要成分為羥基硅酸鎂，該材料是目前學(xué)術(shù)界認(rèn)為抗磨修復(fù)作用最好的材料。經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展，目前市面上出現(xiàn)了以氮化鈦（TiN）、銅等微納米級(jí)顆粒為主要成分的抗磨修復(fù)材料[3]，但在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用效果并不理想，推廣工作舉步維艱。北京可視化公司擁有的機(jī)械抗磨抗磨自修復(fù)技術(shù)，其主要成分為人工合成的羥基硅酸鎂，并在工業(yè)企業(yè)有大量的成功案例，為企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。