（载运工具运用工程专业论文）金属抗磨自修复剂在工程船舶柴油机上的应用研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 金属磨损自修复技术是一项金属表面强化与修复的新技术，应用这种新材 料新技术，可以在磨损表面形成金属修复层，使表面粗糙度和摩擦因素大幅度 降低。这种新材料是以羟基硅酸镁为主要成分的金属抗磨自修复剂，本文主要 以工程船舶柴油机为研究对象，通过改变工况试验研究和挖泥船上应用研究的 方式，探讨这种材料在挖泥船工况下的应用效果。 通过改变负载、转速、磨损时间、润滑介质和摩擦副材料等工况，判断各 种工况对修复效果的影响。其中，除了转速以外，其他工况对金属修复剂的应 用效果影响较大。载荷越大修复的效果越明显，载荷足够大时，生成的瞬时摩 擦热也越大，这有利于金属修复层的形成；随着磨损时问的增加金属修复层会 逐渐形成，且不会因为停止使用金属修复剂而从磨损表面剥落；另外，修复层 在水溶液以及摩擦材料为锡基合金时难以形成。同时也得出在一定的工况条件 下，金属抗磨自修复剂的主要成分会附着在磨损表面上进行自修复，形成修复 层，但是其自修复能力有限，仅对一些微洞以及微裂纹完全的修复，对较大的 磨痕或裂纹只能起到部分修复。 在挖泥船柴油机润滑系统中添加金属抗磨自修复剂，定期取油样进行光谱 分析，绘制油液中的f e 、c r 、m g 、a i 元素含量随运行时间的变化曲线，从而了 解金属抗磨自修复剂在挖泥船柴油机上的应用效果，根据各柴油机添加金属自 修复剂后的元素变化曲线不同，推论出在柴油机连续工作下，产生的修复效果 较为明显。比较其温度变化，当其变化较小时，抗磨自修复反应容易进行。另 外，润滑油的多少也能对修复层的形成产生影响，润滑油越多，添加剂的剂量 相对较少，而且润滑油油箱体积大，易于沉积，导致未能起到抗磨修复作用。 关键词：金属自修复技术；挖泥船；油液分析；不同工况 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t s e l f - r e p a i r i n gt e c h n o l o g yo f m e t a lw e a l i sa l li n n o v a t i o nt e c h n o l o g y i nt h ef i e l d o fs u r f a c ee n g i n e e r i n g s u c hn e wt e c h n o l o g ya n dn e wm a t e r i a lc a nf o r mt h em e t a l s e l f - r e p a i r i n gl a y e ro nt h ew e a rs u r f a c e t h es e l f - r e p a i r i n gl a y e ri su s e dt or e d u c e c o e f f i c i e n to ff r i c t i o na n dd e c r e a s ew e a ro fs u r f a c e ，w h i c hg r e a t l yp r o l o n g st h e m a c h i n el i v e s t h eb a s i cc o m p o n e n t so fs e l f - r e p a i rm a t e r i a la r eh y d r o x y lm a g n e s i u m ， a c t i v a t o ra n da d d i t i v e t h i sp a p e rm a i n l yt a k e st h e d i e s e lo nd r e d g e ra sr e s e a r c h o b j e c t ，a p p l i e dt h es e l f - r e p a i r i n gt e c h n o l o g y t ot h ed r e d g e r , a n ds t u d i e dt h e a p p l i c a t i o ne f f e c tt h r o u g ht h ew a yo fc o m b i n i n gd r e d g e re x p e r i m e n tw i t h l a b e x p e r i m e n t t h et h e s i st r yt of i n do u tt h ee f f e c t so ft h ea p p l i c a t i o no fm e t a ls e l f - r e p a i r i n g a d d i t i v e sb ys i m u l a t i n gd i f f e r e n tw e a rc o n d i t i o ns u c ha sc h a n g e dl o a d ，s p e e d ，t i m e ， m a t e r i a l sa n dl u b r i c a t o r m o r e o v e r , t h ew e a l r e s i s t a n c ec a p a c i t yo ft h es e l f - r e p a i r e d l a y e ri nb a dw o r k i n gc o n d i t i o n sw a sa n a l y z e d a n dt h el o a d ，t i m e ，m a t e r i a l sa n d l u b r i c a t o rh a v es i g n i f i c a n ti n f l u e n c ei nf o r mo ft h es e l f - r e p a i r e dl a y e re x c e p tt h e s p e e d t h eg r e a t e rl o a da n dt h em o r eo b v i o u so ft h ee f f e c to fs e l f - r e p a i r i n g ，w h e nt h e l o a di sl a r g ee n o u g h ，t h ei n s t a n t a n e o u sf r i c t i o nh e a ti sg r e a t ，w h i c hi sc o n d u c i v et o t h ef o r m a t i o no fl a y e r so f m e t a lr e p a i r t h es e l f - r e p a i r i n gl a y e rw i l lb eg r a d u a l l yf o r m e d w i t ht h ei n c r e a s e dw e a l t i m e ，a n dw i l ln o to f ft h es u r f a c eb ys t o p p i n gt h eu s eo ft h e m e t a lr e p a i r i na d d i t i o n ，i t sd i f f i c u l tt of o r mt h er e p a i rl a y e ri na q u e o u sm e d i u ma s s u c ha st h em a t e d a l si sk a i s e r z i n n i nc e r t a i nw o r k i n gc o n d i t i o n s ，t h em a j o r c o m p o n e n t so f t h em e t a ls e l f - r e p a i r i n ga d d i t i v e sw i l lb ea t t a c h e dt ot h es u r f a c eo ft h e w e a rw i t hs e l f - h e a l i n gt of o r mar e s t o r a t i o nl a y e r h o w e v e r , t h es e l f - r e p a i rc a p a c i t y i sl i m i t e d ，o n l ys o m em i c r o - h o l e s 鹤w e l la sm i c r o c r a c k sc a nc o m p l e t er e p a i r , t h e l a r g e rw e a ro rc r a c kj u s tc a nb er e p a i r e dap a r t a d d e dt h em e t a ls e l f - r e p a i r i n ga d d i t i v e st ot h ed i e s e le n g i n el u b r i c a t i o ns y s t e m o ft h ed r e d g e r , r e g u l a ro i ls a m p l e db ys p e c t r a la n a l y s i s ，t h e nt h ec u l v el i n e so ft h e c h a n g e so fe v e r ye l e m e n ti nt h eo i lw i t ht i m ew e r eo b t a i n e d f u r t h e r m o r e ，t h ew e a r c o n d i t i o no ft h ec y l i n d e rw a so b s e r v e dw h e nt h ed r e d g e rw a sn o to nw o r ki no r d e rt o l i 武汉理工大学硕士学位论文 f i n do u tt h ee f f e c t so ft h ea p p l i c a t i o no fm e t a ls e l f - r e p a i r i n ga d d i t i v e s t h ee f f e c to f m e t a ls e l f - a d 【d i t i v e sh a sm o r eo b v i o u sw h e nt h ed i e s e le n g i n ei sn o n - s t o pr u n n i n g , a n dt h es e l f - r e p a i r e dr e a c t i o ni se a s yg o i n ga st h et e m p e r a t u r eh a sl e s sc h a n g e f u r t h e r m o r e ，t h el u b r i c a t i o nv o l u m ea l s oi n f l u e n c et h ee f f e c to fm e t a ls e l f - a d d i t i v e s ， t h el a r g e rl u b r i c a t i o nv o l u m e ，t h eh a r d e rs e l f - a d d i t i v e st or e a c ht h ew e a rp o s i t i o na n d r e s u l t e di ni t sc a n n o ts u f f i c i e n tr e p a i r e dt h es u r f a c eo fw e a rp o s i t i o n k e y w o r d s ：s e l f - r e p a i r i n gt e c h n o l o g y ；d r e d g e r ；s p e c t r aa n a l y s i s ；d i f f e r e n tw e a l c o n d i t i o n s n i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学和其它教育机构的学位和证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了感谢。 签名：三益一日期：碑乒 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留交向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生c 签孙王磊导师c 签孙陆矽日期节秒 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 磨损是指摩擦副的对偶表面相对运动时其磨损表面物质不断损失或产生残余 变形的一种复杂现象。摩擦与磨损往往同时存在，造成巨大的材料和能源损失。 目前，能源危机已经成为全球共同关注的问题之一，如果不做出重大努力去利用 和开发各种能源，那么在不久的未来将会面临资源短缺的严重问题。如何提高资 源利用率，降低能源损耗成了全世界科研人员共同关注的焦点【l 】，磨损造成的经 济损失十分巨大，摩擦磨损消耗了世界上一次性能源的5 0 以上。据西方发达国 家近两年的调查表明，因磨损造成的经济损失约占各国国民经济总产值的2 t 2 1 ， 在我国，每年因摩擦磨损导致各类机械设备寿命短，能耗高的经济损失就高达数 千亿元。机械工业每年所用掉的钢材，约有一半是消耗在备件和设备更新的生产 上，全世界能量产出的1 3 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 源浪费高达数百亿元。综合其他各部门的统计，我国每年因摩擦磨损造成的损失 达上千亿元，伴随着今天科学技术的迅猛发展，现代机械设备向高功率、高热负 荷、高压、使用寿命长的方向发展，磨损问题则更加严峻，如何解决这些磨损问 题也成为目前的热点与难趔3 】。 我国生产的各型内燃机、运动机械、减速齿轮，以及处于高速、高负荷运转 下的部件，受钢材质量和加工工艺以及使用环境的影响，都存在着严重的摩擦磨 损问题，造成使用寿命低、故障率高、维修周期短等突出问题。据统计，大约有 8 0 的机械设备损坏是由于各种形式的磨损造成的【4 1 。磨损失效不仅造成大量材 料、部件乃至整机的报废，而且可能直接酿成灾难性的事故。与其他一些工业发 达国家相比，由于我国相同工业产值的能耗高，设备寿命短，造成我国资源浪费 很大，所以节能降耗一直是我国工业化发展中努力追求的目标。随着能源的日趋 缺乏和可持续发展的要求，提高现有设备零件摩擦副的使用寿命或对已磨损零件 进行修复从而达到节省材料、降低能耗和提高经济效益显得尤为紧迫和重要。从 摩擦学基础上看，不同摩擦副的磨损强度都取决于零件的材料特性、表面制备工 艺，以及工作条件、载荷、温度、润滑等等【5 1 。 武汉理工大学硕士学位论文 从上面几个影响因素中，润滑技术是减少摩擦磨损的最有效、最适用的途径 之一。实践证明，采用先进的润滑技术，可使机械设备在苛刻的条件下稳定的工 作，提高机械效率和能源利用率，减少设备的维护费用和停工损耗，从而降低产 品成本，提高经济效益，所以合理选择润滑材料及润滑方式，可以提高机械设备 的使用寿命、可靠性和效率，对国民经济的发展有十分重要的作用。而研究表明， 如果将现代摩擦知识，即摩擦磨损和润滑科学理论合理恰到好处地应用于润滑过 程的话，则可节省能源高达国内生产总值的0 4 。 随着现代工业的快速发展及人类对自生环境的要求和健康意识的不断提高， 对润滑油的要求也越来越苛刻，以前的一些单活性元素型润滑剂已经越来越难满 足苛刻工况及时代发展对它们的要求：如氯类润滑剂由于其毒性问题已被有的国 家如美国和西欧禁用；硼类抗磨剂也存在对分散稳定性的影响和对水较为敏感等 问题，环烷酸铅也因生态和毒性问题逐渐被淘汰；硫类、磷类抗磨剂因其含有的p 和s 会使尾气转化器中的三效催化剂中毒、影响氧气传感器测量准确性及对生态环 境的毒性，已被国际规定限量使用【6 】；这些使用上的劣势使传统的润滑油添加剂面 临着严峻的考验，而同时也给新的抗磨润滑剂的研究提供了新的活力。在传统的 单活性元素型抗磨剂难以满足现在润滑要求的情形下，润滑油抗磨剂的研究正呈 现出活性元素复合化、分子结构杂环化、金属稀土化、无灰化、多元化和一体化 研究的趋势。特别是在国际上规定对硫、磷类传统单元素型抗磨剂限量使用和工 况要求日益苛刻的情形下，传统抗磨剂的多元化和一体化可以说是一个必然的发 展趋势7 1 。 目前的金属磨损自修复材料技术是一项金属表面强化与修复的新技术。应用 这种新材料新技术，理论上不仅能预防机件磨损，还能在动态中修复机械磨损面， 它能使表面粗糙度和摩擦因素大幅度降低，并使已经磨损的部位大致恢复到原来 的尺寸，从而大幅度延长装备和机械的使用寿命和降低能耗。这种磨损自修复技 术对于机械修复的应用主要是以添加羟基硅酸镁 m 9 6 s h 0 1 0 ( o h ) 3 】为主的复杂 无机矿石组合物作为润滑材料，另有氧化物催化剂与其他添加剂，将其添加于载 体润滑剂中1 8 j ，利用摩擦产生的机械摩擦作用、摩擦化学作用和摩擦电化学作用 等一些复杂的反应，使摩擦副与润滑材料产生能量交换和物质交换，从而在摩擦 表面上形成金属保护膜、金属氧化物保护膜、物理或化学吸附膜等，以补偿摩擦 副的磨损与腐蚀，形成磨损自修复反应。 国内外学者根据理论和实际应用提出了这种修复层是一种陶瓷金属层的观 2 武汉理工大学硕士学位论文 点，硬度较高，耐磨性优良【9 】，虽然对这种修复层形成的机理还时有争论，但是 这种修复层的物理抗磨性质和硬度已经得到了公认。 由于在理论研究中，各种影响参数对这种修复层的形成的研究还没有形成定 论，所以，通过研究载荷、转速、磨损时间，不同的润滑介质和摩擦副对添加金 属修复剂产生的修复效果影响进行讨论，可以为金属修复剂在实际应用中提供理 论上的数据。此外，目前金属抗磨修复剂在国内的研究主要是在铁路机车和汽车 以及工业机械【l 们，而对船舶上的研究，特别是挖泥船这种工况恶劣的条件下的研 究较少，但目前由于挖泥船的摩擦磨损导致的损失极其严重，因此将金属自修复 添加剂应用于工程船舶的柴油机系统中使之产生抗磨自修复作用，在降低磨损， 减少故障，提高挖泥船的工作效率方面具有重要意义。 1 2 金属磨损自修复技术的研究进展 润滑油的性能在很大程度上取决于润滑添加剂的性能。润滑油性能的好坏关 键是看润滑油中添加剂的含量及性能，所以提高润滑油的性能，主要是提高添加 剂的性能和质量，找到最佳的添加物与添加量。传统润滑油添加剂包括减摩剂、 抗磨剂和极压刹j ，它们通过在摩擦表面上形成物理或化学吸附层和摩擦化学反 应层，阻止表面凸起之间的粘着和交联，降低摩擦与磨损。 现代润滑油添加剂的发展是多元化添加剂，其中就有金属自修复添加剂，它 能在磨损区域原位生成补偿性化学反应层，又称金属修复层，能恢复磨损表面的 几何尺寸和力学性能【i2 1 ，摩擦磨损的自适应、自修复是材料学和摩擦学设计的最 终目标，这既是对提高性能的要求，又是仿生化和环境友好的要求。乔玉林、张 续辉、陈国烈乃j 等人，在不同条件、不同接触形式下分别考察了软金属铜和锌对 自修复添加剂的摩擦学性能，提出了摩擦表面微损伤的原位动态自修复，把金属 抗磨自修复剂材料引入到了自修复中。岳文【1 4 】等提出了硬修复、软修复等，即金 属抗磨自修复剂微粒在摩擦条件下还原为微晶单质，与磨损的微粒在磨损表面形 成合金、硬修复层，起到自修复作用。刘谦，许一等人，提出摩擦系统自修复， 包括摩擦条件优化自修复和在线强化自修复 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 1 金属自修复技术的理论研究 在理论研究方面，杨鹤，金元型1 6 】等人采用模拟轴承试验机，考察在设计的试 验条件下在4 5 样钢锡基合金摩擦副间生成金属磨损自修复层的条件及其摩擦学性 能。试验中使用含适量 m 9 6 s i 4 0 1 0 ( o h ) 8 】修复剂添加到汽油机柴油机通用油。 摩擦试验结束后，采用表面形貌仪、扫描电镜和显微硬度计分析摩擦表面。结果 表明，在4 5 撑钢表面形成了约2l a m 厚的自修复层，2 个摩擦副表面的表面形貌均有 明显改善；显微硬度均有一定的提高，金属磨损自修复层表现出优良的抗磨粒磨 损和抗粘着磨损的性能。 陈文刚，高玉周，张会臣【1 7 】等人采用摩擦磨损试验机研究了金属自修复剂对 4 5 4 钢- - 4 5 “钢摩擦副的摩擦学行为，同时借助扫描电镜和能谱仪测试分析了自修复 膜层的表面形貌及表面成分组成。结果表明：润滑油中添加金属自修复添加剂， 在摩擦磨损初期，试样的磨损量随磨损时间增加而增加；在试验时间为2 0h 时， 试样磨损量达到最大值，随后试样的磨损量反而减小。金属的磨损表面形成了自 修复保护膜，弥补了试样的部分失重；自修复膜层表面比较平整光滑，无明显的 磨损划痕和犁沟，自修复膜层阻碍了金属摩擦表面的直接接触，有效地降低了金 属摩擦副的磨损，自修复膜层与金属基体结合紧密，无明显的界面。 田斌，马向东【1 8 】等人在含陶瓷添加剂润滑油润滑下，研究了添加剂分别对渗 氮和镀铬两种缸套的作用效果，采用纳米压痕仪、显微硬度计、原子力显微镜和 扫描电镜对缸套进行了测试分析。结果表明，陶瓷添加剂明显的改善了两种缸套 表面粗糙度，使渗氮处理的缸套表面硬度有明显提高，但镀铬处理的缸套表面硬 度有些降低。光学显微照片和扫描电镜照片结果表明，陶瓷添加剂发生自修复作 用后，镀铬缸套表面形成了一层极薄的分布不很均匀的透明物质，改善了摩擦表 面的性能。 1 2 2 金属自修复技术的研究应用 目前在实际的应用中，主要是添加含有羟基硅酸镁成分，另有氧化物催化剂 的润滑油到实际的工况中。目前主要的工况是铁路机车、汽车、机床等发动机和 轴承上的摩擦副。 在铁路内燃机车大功率柴油机上的试用情况【1 9 1 ：1 9 9 9 年1 1 月在北京型内燃机 车2 0 0 8 号机车上首次进行了“金属磨损自修复材料应用试验。至2 0 0 1 年1 月，该 4 武汉理工大学硕士学位论文 车运行2 8 万k m ，中修时发现其第1 、7 j t i i 燃烧室的气缸套内径、活塞环、活塞、曲 轴、凸轮轴、轴瓦等机件的尺寸均在新品规定的尺寸之内；在此期间的油耗下降 了9 6 。至2 0 0 2 年1 1 月底，该机车已运行5 0 多万千米。2 0 0 1 年4 月5 日，北京内燃 机机务段又对更大功率的内燃机机车进行了加注“金属磨损自修复材料的同样 试验。至2 0 0 2 年1 月1 8 日，机车行驶3 0 万k m 进行中修时分解柴油发动机，经测试 研究中心检测，证实该机车发动机的气缸套、活塞、活塞环均在新品尺寸规定范 围之内。 在直柄麻花钻、m 4 2 锥形球头铣刀上的试用情况：实施“金属磨损自修复材 料应用技术的麻花钻切削刃部能保持持久锋利，使用寿命提高5 倍以上。m 4 2 锥体球头铣刀进行“金属磨损自修复材料应用技术处理，与同型号未经处理的 铣刀相比，其对高温合金材料加工的使用寿命提高了一倍以上【2 0 j 。 在汽车上的试用情况：“金属磨损自修复材料已经在北京、大连、哈尔滨 等十几个城市的各类汽车( 包括公共汽车、出租汽车、单位和家庭用汽车等) 上 应用，均获得明显效果。其尾气( h c 、c o ) 排放值减少1 2 ，长途行驶的节油率 为1 9 【2 1 1 。 工业领域中的应用效果：金属磨损自修复技术先后在铁路内燃机车、轴承、 压缩机、汽车发动机、变速箱等机械设备中进行了试验，并首先在交通运输和冶 金矿山等部门和行业试用中取得了明显的效果四】。 1 ) 轴承 国家轴承质量监督检验中心对用金属磨损自修复技术处理过的6 2 0 5 轴承寿命 试验结果表明；经2 1 倍额定寿命试验的轴承基本保持试验前的旋转精度。其径向 游隙与试验前比较仅有少量变化，轴承套圈滚道和钢球表面乌亮，基本没有磨损。 几种新轴承( 高速电机主轴轴承、数控机床主轴轴承、油田抽油泵轴承、轧钢机 轧辊轴承和钢材轧辊导轮轴承) 进行处理后也都取得了明显的修复效果【2 3 】。 2 ) 汽车发动机 金属磨损自修复技术已经在各类汽车发动机上进行应用，均获得明显效果。 以北京公交运输公司为例，试验的1 7 台公交车运行4 个月后，所有试验车的气缸压 力平均上升了2 0 ，基本恢复到标准值，尾气平均值下降了3 0 ，节油率为7 以 卜【2 4 】 lo 上述是国内的一些研究人员在实验和应用中所做的一些努力。他们在研究的 基础上也得出了相应的结论：陈文刚【2 5 】等认为，摩擦自修复膜是主要由羟基硅酸 盐形成的陶瓷金属修复层，主要是物理化学反应；金元生，杨鹤等认为，修复层 5 武汉理工大学硕士学位论文 中含较高的c 和o ，主要分别由润滑油和润滑油添加剂分解生成的，羟基硅酸盐修 复剂则没有参与摩擦自修复膜的形成，只是起促进作用，类似于催化作用，而顾 艳红，田斌【2 6 】等认为修复的机理是在磨损过程中，磨粒在物理吸附的作用下重返磨 损表面，该金属陶瓷修复层的形成机制不是简单的物质表面沉积，而是通过复杂的 摩擦化学反应，使磨损产物返回摩擦表面，并在摩擦表面形成了一种很薄的不均匀 分布的新物质结构；董伟达等人认为修复剂微粒在金属摩擦表面发生的化学反应 是：在超精研磨中，微凸体发生断裂时产生的闪温，使微粒晶体中的镁原子与金 属表层的铁原子发生置换反应，在摩擦表面生成铁硅酸盐新晶体。在摩擦能的作 用下，新晶体在摩擦表面不断增加，最终形成了与铁基金属成化学键结合的耐磨 保护层。 1 3 课题来源 本课题是与长江航道局的合作项目，长江航道局拥有众多的疏浚船舶，随着 国际原油价格的持续上扬，国内柴油价格也连连攀升，使得疏浚成本大幅攀升， 因此对长江航道局来说，深入持久地开展节能降耗工作，以效益为中心、设备为 依托、技术为保障、管理为手段，积极探索节能降耗的新途径和新举措，努力寻 求节能降耗的新思路和新方法，对降低疏浚船舶的成本，节能降耗方面具有十分 重要的意义。 如何将疏浚船舶中的节能降耗潜力发挥到最大，是长江航道局在“十一五 期间应该重点开展的工作之一，而要达到这一目标，首先必须要对目前疏浚船舶 中的节能、节材和减摩、降耗的现状有一个完整的了解，找出目前疏浚船舶中节 能、节材和减摩、降耗中存在的问题，在此基础上提出相应的解决的措施。 本文的研究主要是依托于与长江航道局拟定“金属抗磨自修复剂在船舶上的 应用研究”、“疏浚船舶的节能、节材与减摩、降耗调研与对策研究 项目并开展 工作，该项目工作的展开，有利于节能和节材、降低消耗和节约生产成本；有利 于推动建设具有较强市场竞争力的创新型企业；有利于促进企业的可持续发展， 带动经济、社会与环境效益的全面提高。 1 4 课题研究的主要内容 本文主要通过工况模拟试验研究和在挖泥船上的实际应用研究两个方面进行 6 武汉理工大学硕士学位论文 金属抗磨自修复剂在工程船舶柴油机上的应用效果分析，其主要内容如下： 1 4 1 不同工况对金属抗磨修复剂效果的影响分析 利用销一盘磨损试验对金属抗磨自修复剂的效果进行分析试验，通过对比添 加修复剂和不添加修复剂的磨损表面及重量变化，分析金属修复层是否能在金属 磨损表面形成，以及各种工况对修复层形成的影响，从而了解金属抗磨修复剂在 缸套材料上的修复效果。 试验中，主要通过改变各种工况来对金属抗磨修复剂的使用效果进行分析， 具体为负载变化、转速变化、磨损时间变化、摩擦副材料变化、润滑介质变化等， 以此判断各种工况是否影响修复层的形成，同时对修复层在恶劣工况下的抗磨能 力和应用效果进行分析与评价。 1 4 2 金属抗磨修复剂在挖泥船上的应用研究 为了了解金属抗磨自修复剂能否在疏浚船舶柴油机上起到自修复效果，从而 达到节能降耗，减少成本的作用，将金属抗磨自修复剂添加到挖泥船的润滑系统 中进行实际的应用。 主要是对左、右主机，2 、3 ”发电机以及泥泵机进行添加与不添加金属抗磨自 修复剂进行对比，在试验之前对所有的柴油机系统都清洗并更换了新油，然后加 注金属抗磨自修复剂，具体为左主机，2 捍发电机以及泥泵机添加金属修复剂，而 其他柴油机则不添加，之后将所取油液进行光谱分析，继而通过光谱数据中f e 、 c r 、m g 、a 1 的元素含量的变化趋势，研究金属抗磨修复剂在挖泥船的运作工况 下是否产生了修复作用，试验分为两个阶段进行： 第一阶段主要了解添加和未添加金属修复剂对各柴油机的效果影响。 第二阶段主要是分析金属修复剂作用所形成的修复层是否会因修复剂的停用 而失去作用。 此外，在该船的维修期间，吊缸观察主机缸套表面，从而了解其磨损情况。 1 5 本章小结 叙述了国内外金属抗磨自修复技术的理论研究和实际应用情况，这种金属自 修复技术在节能环保上有着独特的优势，并在国内外的一些常用机械上得到了很 7 武汉理工大学硕士学位论文 好的应用，但在船舶上的应用还比较少， 用到疏浚船舶上，将有利于节能和节材、 本文提出了将这种金属自修复技术能应 降低消耗和节约生产成本。 同时，以模拟工况试验和在工程船舶柴油机上的应用研究结合的方式对抗磨 自修复剂在船舶上的应用效果进行分析，其主要内容包括：不同工况对金属抗磨 自修复剂的效果影响以及这种金属抗磨修复剂在工程船舶柴油机上的应用研究。 武汉理人学硕t 学位论文 第2 章金属自修复添加剂主要成分的结构、性质 金属抗磨自修复添加剂主要是以羟基硅酸镁的复杂矿石粉体为主要成分、和 少量催化剂和添加剂，添加于机械设各的润滑系统中对机械磨损表面进行自修复 作用，其特点是在机械装置运行过程中完成对铁基金属磨损部位的自修复，通过 生成具有抗磨减摩性能会属修复层，从而使摩擦表面硬度和表面粗糙度得到提高， 摩擦因素降低【2 7 3 0 i ，从而延长设备的使用寿命。本章主要内容是结合相关文献概 括金属自修复添加剂的主要成分的结构和性质，主要包括物理，化学，热学性质。 21 金属自修复添加剂主要成分及其结构 金属自修复添加剂主要是由羟基硅酸镁为主的复杂矿石粉体，这种复杂的矿 石粉体在地质学上称为蛇纹石，蛇纹石是一种富含镁的硅酸盐的矿石( 图2 - 1 ) ， 出超基性岩受高温作用变质而成。这种矿石主要组成矿物为叶蛇纹石、纤蛇纹石、 利蛇纹石等，其次有磁铁矿、铬铁矿、水镁石、镁铁碳酸盐，有时含有少量透闪 石、金云母、滑石等”“，矿物学中把蛇纹石作为蛇纹石族矿物的总称，这族矿物 岩石包括：利蛇纹石和纤维蛇纹石以及叶蛇纹石等。 图2 - 1 蛇纹石矿体 蛇纹石的化学分子式为m g s s i 4 0 1 0 ( o h ) 8 ，其理想的结构单元层都幽“氯氧 镁石”片与“硅氧四面体”片组成( 见图2 - 2 和图2 - 3 ) ，呈八面体层状 3 2 1 ，即其 结构单元层由硅氧四面体的六方朋层与氢氧镁石的八面体层按i ：1 结合而成，单 个硅氧四面体呈三棱锥形状；层状硅酸盐矿物主要出硅氧四面体共三个角顶连接 成沿两个方向展平的网层【3 3 】。 武汉理r 人学硕士学位论文 。罢嘉惑? 枣鼋 剿萎 22 蛇纹石的性质 2 21 蛇纹石的物理性质 oo o hm i a $ 十i单十氢氧 图2 3巾体构造图 蛇纹石在标本上常呈现致密状或网状，一般呈绿色，深浅不等，也有呈白色、 浅黄色、灰色、蓝绿色或褐黑色者，透明至半透明，油脂状或蜡状光泽，纤维状 或鳞片状者呈丝绢光泽，抚摸有滑感d ”。 蛇纹石主要变种有纤维蛇纹石和叶蛇纹石。与蛇纹石共生和伴生的矿物有白 五石、方解石、硼镁石、会云、绿泥石和磁铁等，折光率为1 5 5 5 15 7 3 ，双折射率 00 0 4 0 叭6 ，密度24 4 - 2 8 c m 3 。 2 22 蛇纹石的化学性质 蛇纹石矿物是具有层状结构的含水镁硅睃盐，化学成分中，a 1 、f e 、m n 、 c r 、n i 等可替代m g 而形成不同成分的变种。蛇纹石中的微量元素，丰要有a s 、 t j 、b i 、n i 、m o 、v 、s b 、c r 、c u 、p 、b 等，其中存在有害元素如a s ，不过其 放射性活度极低，不会存在使用危害。从蛇纹石的分予结构中可以了解到蛇纹石 具有很高的活性，主要是因为蛇纹柯存在许多的活性基切，即0 一s i o 键，s l o s i 的键，羟基和氢键。特别是0 一s l o 键，易于发生断裂，氧与硅的共 价键断裂后，可产q ：出两种氧：o 和o + 。( + 表示有一个未偶电子) ，活性较强， 几乎都可以与周围的物质发生氧化还原反应，与金属容易形成其价键形的商氧化 状氧化物【”j 。蛇纹石结构中明面体层内主要是共价键的作用，八面体层内主要是 离了键作用；四面体层与八【卣体层之间的连结为离子键力，它比八面体层内的离 子键力要弱，也就是说s i o s i 基本上是共价性的，活性氧的s i o m g 有共 岔 武汉理工大学硕士学位论文 价键和离子键双重特性，即与八面体中的阳离子m g 结合的键基本上是离子性的， 键弱，而与四面体中阳离子s i 结合的键具共价性，键强。 2 2 3 蛇纹石的热学性质 蛇纹石在7 8 0 锻烧时，其结构水发生脱失，生成了新的物相：镁橄榄石和 顽火辉石，在更高的温度条件下非晶质的顽火辉石转变为晶质的顽火辉石( 顽火 辉石是斜方辉石族中的一个亚种。分子式m 9 2 s i 2 0 6 】f e 2 s i 2 0 6 ，顽火辉石成分以 m g o 和s i 0 2 为主，次要成分为a l 、c a 、t i 0 2 和m n o ，含f e 量少于5 ) ，以及 非晶质的镁橄榄石转变成晶质的镁橄榄石，其主要化学成分及物理指标【3 7 1 ( 质量 分数) ：m g o - 4 5 , - 一4 9 ；s i 0 2 ：3 9 4 2 ；f e 2 0 3 ：8 0 1 8 9 ；c a o ：0 2 , - - , 0 8 9 ； a l 2 0 3 ：0 3 - - , 0 4 9 ；密度：2 3 c m 3 ；耐火度：l6 5 0 一17 1 0 。 蛇纹石在高温高压条件的物理化学变化和常温下不同，在高温高压下，其晶 体结构发生转变所需温度降低，反应更为快速；其次，蛇纹石反应产物也不同， 可分为两步： ( 1 ) 蛇纹石脱水斗橄榄石+ 滑石+ 水。 ( 2 ) 橄榄石+ 滑石- 顽火辉石+ 水。 ( 滑石是一种具层状构造的含水镁质硅酸盐矿物，化学式m 9 3 s i 4 0 l o 】( o h ) 2 ， 以氧化物表示3 m g o 4 s i 0 2 h 2o ) 。实际上后一步的反应又可以分解为两个反 应【3 8 】： ( 1 ) 滑石叶顽火辉石+ 二氧化硅+ 水。 ( 2 ) 橄榄石+ 二氧化硅_ 顽火辉石。 2 3 本章小结 概括了金属自修复添加剂的主要成分的结构和性质，其主要成分以羟基硅酸 镁为主的复杂矿石粉体、以及少量催化剂和添加剂，这种复杂的矿石粉体在地质 学上称为蛇纹石，并概述了蛇纹石的物理、化学及热学性质。 武汉理，t 大学硕士学位论文 第3 章金属磨损自修复原理 目前对该金属修复剂的理论研究和实际应用都处于研究的阶段，国内外对该 修复剂的修复机理众说纷纭，但最多的都是认定为物理化学作用，即这种修复材 料在一定的条件下能和铁基金属发生复杂的物理化学反应，生成金属修复层。当 然，虽然修复机理尚在研究之中，但这种修复作用的实验和应用已经得到了一致 的认同。本章主要结合相关的文献，对这种金属磨损自修复技术进行了简要的介 绍。 3 1 金属自修复技术的来源 金属修复技术最早始于苏联乌克兰某地质钻探部门在开采作业时意外地发 现，有一处的岩石层对钻头不产生磨损，而且钻头越来越锋利。经相关科研机构 对该岩石层的研究、分析与试验，确认其有效成分是一组以羟基硅酸镁为主的复 杂矿石组合物，地质学上称为蛇纹石，其在一定的摩擦热作用下，可与铁基金属 发生物理化学反应，并在铁基金属摩擦表面生成一种具有良好减磨作用的金属保 护层【3 2 1 。于是，这项技术被应用在苏联军工生产中，后来经乌克兰某集团的推 广发展，在各行各业得到了广泛应用，该项技术发展到如今，已在乌克兰、俄罗 斯、德国、美国等发达国家大量使用。由于这种复杂的矿石组合物形成的多功能 抗磨剂润滑材料可以降低零件摩擦副的磨损程度，也越来越受到润滑剂公司的青 睐，目前各个国家都在研究和应用这种金属自修复技术【4 3 斟】。 金属抗磨自修复剂属第三代修复剂，它由乌克兰某金属研究所研制成功，可 用其来修复和保护内燃发动机的零部件。该修复剂由铜、锡、银合金的超小微粒 以及羟基硅酸镁矿物组成，呈碱性或中性。尺寸为1n m 的超小微粒在摩擦面上 含量达到9 0 ( 质量分数) ，这种比率几乎适合于所有原子表面【4 孓4 7 1 ，因此提高 了该剂的活性，因而使该添加剂能较快而全部与零件磨损的摩擦面接触。在金属 修复剂与金属磨损表面相互作用时，其摩擦的过程就是形成新耐磨层的过程。 某型摩擦剂( 摩擦表面调整剂) 是由俄罗斯某有限公司研制成功f 4 s 。该摩擦 剂能在零件表面上形成一层厚度为4 51 1 1 1 1 的含氟活性物的聚合物保护涂层。在 微观起伏凸起处的边缘产生相互摩擦的工况条件下就会使得这些凸起部分受热， 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 形成闪温，从而发生一系列物理化学反应【4 9 1 。在实际的应用中，测试出发动机零 件上覆盖了一层修复层，零件在直接接触处的摩擦因数得到降低，因而磨损也就 相应地减少，而且因为这种修复层具有自行恢复的能力，所以摩擦不可能将修复 层消除，因此金属磨损自修复技术是目前世界研究减摩的热点技术。 3 2 金属自修复技术的原理 金属自修复技术主要是在摩擦过程中利用摩擦产生的机械摩擦作用、摩擦化 学作用和摩擦电化学作用等一系列复杂的变化，使摩擦副与润滑材料产生能量交 换和物质交换，从而在摩擦表面形成金属保护层膜、物理或化学吸附膜等，以补 偿摩擦副的磨损与腐蚀，完成磨损自修复效应过程。金属磨损自修复作用从微观 过程上分为三个阶段：表面接触与清理、修复剂微粒表面凹坑处修复反应、形成 修复层【矧。 3 2 1 第一阶段：表面接触与清理 由于两个相互接触的摩擦表面之间粗糙度不同，微观上看，是凸凹相间的表 面，因此摩擦副接触面之间的接触实际是微凸体的局部接触。在往复的摩擦磨损 运动开始阶段，当加入金属修复添加剂之后，润滑油中添加的一些分散剂使得修 复颗粒悬浮在基础油中，微凸体之间就存在修复添；b g 齐u 颗粒，这些修复剂颗粒就 随着润滑油一起在润滑系统中流动，到达各个磨损部位。 伴随着磨损运动的持续，表面凹坑处逐渐被金属修复剂微粒填满，金属修复 剂微粒和磨损产生的微小磨粒一起在表面凹坑处进行摩擦碰撞，就会刺穿油膜， 这就类似于用锯木屑或细沙清洗手掌的作用，随着油膜在摩擦中破裂，铁质基体 与金属修复剂成分进行接触。摩擦表面的微凸体将修复剂微粒推挤到摩擦副磨损 表面的凹坑和孔洞内，使微坑表面受到清理，如图3 1 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 、 图3 - i一常规油膜一润滑油及添加剂分解产物- 金属磨粒一修复剂微粒 3 2 2 第二阶段：修复剂微粒表面凹坑处修复反应 第二个阶段，修复剂微粒表面凹坑处进行修复反应。由于微凸体之间的实际 接触，微凸体在局部大载荷下产生的接触应力较高，致使微凸体断裂，微凸体发 生断裂会产生瞬时的高温，形成瞬间点状高温热源，同时在摩擦产生的机械摩擦 作用、摩擦化学作用和摩擦电化学作用下，金属自修复颗粒与基体发生反应，如 图3 2 所示。 图3 - 2常规油膜一润滑油及添加剂分解产物一金属磨粒一修复荆微粒 3 23 第三阶段：形成修复层 第三阶段为修复层的动态形成。以上三个过程细化了的修复剂微粒与表面层 金属完全接触，摩擦接触释放的能量使得上述反应得以发生；在局部高温下，在 表面微凸体上和凹坑内均发生了自修复反应，并逐步构成了耐磨保护层【5 1 矧。当 然，性能再好的材料也不可避免发生磨损，当金属修复层被磨损掉之后，新的铁 武汉理上人学硕士学位论文 基会属裸露出来，和金属修复剂成分进行自修复反应，形成新的修复层，这是 个动态的过程，但是针对宏观来说，磨损表面被逐步的修复，如图3 3 所示。 图3 - 3 盈常规油膜m 金届磨粒_ 修复层 33 金属修复层的物理特性 由于以上的机理作用，金属磨损自修复材料颗粒在摩擦热的作用下发生的一 系列复杂的物理化学变化，在发生摩擦磨损的铁基金属表面生成硅酸铁盐会属修 复层( 见罔3 - 4 ) ，使摩携表面具有较高的耐磨性，摩擦因数也因此降低【5 7 】。 阿3 - 4 铁基会届表面牛成金属修复层的光学罹微照片 会属修复层的形成与摩擦所释放的能量和修复剂成分的数量有关：释放的能 龟越人及修复剂成分越多，自修复反应加速进行，会属修复层的增长速度就越快； 反之，摩擦释放的能量较低，修复层增长的速度就慢，当摩擦能小到一定程度时， 自修复反应停止；囡此，修复荆微粒发生物理化学反应生成修复层的部位是有选 择性的，它只在金属磨损的部位j ：发生。在已形成金属修复层的部位上，修复剂 微粒不发，扛物理化学反应，仍然被油液携带着流动。随着修复层的不断形成，磨 武汉理工大学硕士学位论文 损部位的磨损间隙得到补偿，表面粗糙度降低，导致摩擦释放的能量降低，自修 复反应停止。 从理论上说，金属磨损自修复材料应该可以适用于大多数机械设备的摩擦副、 和机械的零部件。金属磨损自修复能在磨损中自动完成修复和强化过程，形成金 属修复层，提高表面的耐磨性，使机械设备在苛刻的条件下稳定的工作，提高机 械效率和能源利用率，减少设备维护费用和停工损耗，能降低产品成本，提高经 济效益。 3 4 本章小结 叙述了金属抗磨自修复剂的来源，主要是