金屬磨損自修復:潤滑技術的革命

王曉安

小學自然課本上有一篇科學作文《沒有摩擦的世界》,這篇科普文章的趣味性讓我們記憶深刻。事實上沒有摩擦是不可能的。現實生活和生產中,恰恰因為摩擦太大而產生了各種問題,所有機械在運轉過程中都會因齒輪、滾軸等部件的摩擦過大而影響工作效率,增加損耗。這種微小的摩擦給經濟社會造成的損失遠遠超出人們的想象。

國際權威機構測算:世界一次性能源的30-50%消耗在摩擦損失上,機械設備損壞和失效約80%是摩擦磨損造成的,而且50%以上的機械裝備的惡性事故都是起因于潤滑失效造成的過度磨損。

中國工程院《摩擦學科學及工程應用現狀與發展戰略研究》報告指出:“2006年我國工業領域因摩擦磨損造成的損失約9,700億元人民幣,歐美發達國家因摩擦磨損造成的損失約占其國民生產總值的2%-7%。目前我國的經濟發展模式還比較粗獷,資源浪費嚴重,該領域的損失遠高于歐美發達國家。”

潤滑油就是為了解決這一問題應運而生的。潤滑油的作用機理是在零件表面形成潤滑油膜,減小摩擦。問題的解決顯然還有另一種思路:能不能從機械零件本身入手,比如讓零件表面改性,使其更加光滑、更加堅硬來減小摩擦和損耗呢?

答案是肯定的。清華大學摩擦學國家重點實驗室博士生導師、俄羅斯自然科學院外籍院士、白俄羅斯工程技術科學院外籍院士金元生教授提出的金屬磨損自修復技術的科學概念和理論體系(Auto-Reconditioning Technology for Worn Metals,簡稱ART)就是從上述第二種思路出發的。根據這一理論體系形成的專利技術已被授予國家發明專利,專利號:ZL 200610075832.5。該項技術已經實現市場運用,相應產品——強效金屬磨損自修復制劑已由北京金颯新材料科技有限公司投入生產。

摩擦的克星 — 金屬磨損自修復技術

金屬磨損自修復技術的機理是利用制劑與摩擦金屬表面的相互作用,形成與基體冶金結合的保護層,沒有明顯的物理界面,不會脫落。保護層具有超滑、高硬、耐腐蝕的特性,磨損率極低,摩擦系數極低,從而克服摩擦帶來的磨損和能耗。

顯然,這種金屬磨損自修復制劑的作用與潤滑油有著本質的區別,它能使金屬摩擦表面原位改性,是一種表面工程領域的創新性技術。其突出特點是在機器不解體的運行狀態下,以潤滑劑為載體將制劑帶入摩擦副表面,通過力化學作用選擇性地原位修復磨損表面,優化機械元件配合間隙,恢復原設計尺寸,達到最佳運行狀態。

傳統的機械摩擦副表面強化和修復技術有離線強化預處理和解體后離線修復的后處理兩種途徑。與此不同,金屬磨損自修復技術實現的原位修復可以簡化維修過程,降低成本,提高機器在線使用率。同時,由于形成的自修復保護層具有的優異性能,能達到節能、減排、延壽的目的。

在試驗測試中,采用金颯金屬磨損自修復制劑處理的機床,零部件的更換頻率從兩三年提高到十年,并且制造精度提高、噪音降低、能耗減小。在汽車應用方面,金颯公司先后在北京汽車能源檢測中心、清華大學汽車研究所、云南玉溪進行了3次實車檢驗。一臺已運行13萬公里,缸壓降至8.2左右的捷達轎車缸壓恢復至12,綜合節油率提升了3.1%-3.7%,CO2排放降低了24%,HC + NOx排放降低了23%。2008年2月28日～5月13日,清華大學汽車研究所503室汽車轉鼓試驗臺上,一臺接受試驗的索納塔轎車CO2排放降低20%,另一臺帕薩特轎車的CO2瞬間排放濃度曲線平滑下降。2008年12月31日,在云南玉溪進行夏利、長安奧拓、切諾基、斯巴魯等11臺高中低檔汽車的實車檢驗結果表明,所有實驗車型汽油機平均排放降低率為HC 23.7%, CO2 32.6%,柴油機煙度平均降低率為11.45%,油耗均明顯降低。

金颯金屬磨損自修復制劑不僅能應用于機床、起重設備、燃油泵、空調裝置、液壓系統、齒輪及蝸桿傳動、鏈傳動等傳動系統,也能應用于船舶、機車、汽車、搬運機械等動力機械。對于汽車消費者,它能夠明顯降低油耗和排放,可大大減少用車使用成本和保養維修成本;對于整個社會,它更是符合低碳、節能、減排、環保理念的新產品。

坎坷的誕生之路

面對此項重大發明,金元生教授向記者講起了該技術的誕生之路。

大約上世紀七十年代末至八十年代初,前蘇聯的地質工作者在鉆探作業時發現,某一地區鉆具的壽命是其他地區的6倍,而且鉆具表面異常光滑。該現象引起了前蘇聯科學家的注意,經過研究發現,導致鉆具發生變化的決定性物質是蛇紋石,蛇紋石中的某些物質能讓鉆具表面更堅硬、更光滑,從而減小摩擦,延長鉆具壽命。

前蘇聯科學家對此研究立項,以蛇紋石為基材提煉粉體用于機械潤滑,果然取得了一定的效果,當時該技術只限于在軍事領域運用,沒有大規模推廣。我國從2000年前后開始關注此項技術,并且在原國家經貿委和哈爾濱市經貿委的支持下在哈爾濱成立了中俄合資企業,進行技術引進工作。由于種種原因,引進最終沒有完成。

“我覺得太可惜了”金教授不忍對國家、對社會、對人民都有巨大潛在價值的技術付之東流,于是帶著學生自主研究,并在2007年成立北京金颯新材料科技有限公司,入駐中關村科技園,一肩扛起科學研究和產業化的兩大任務。

金教授強調,金屬磨損自修復現象并不是他最先發現的,俄羅斯人已經做出了實用產品,但并不清楚其中的機理,他一開始只是受國家有關部門的委托,作機理研究和使用效果驗證,后來根據機理的研究結果發現并形成了獨特的制劑制備方法,研發出新的產品,并且獲得了國家發明專利。

“我接觸這個技術以后發現它與傳統的潤滑油添加劑作用原理不同,傳統添加劑都是油溶性的,是對油品進行二次加工以改善和提高油品的理化特性和成膜能力。”“而我們金颯的產品不與潤滑劑發生任何化學反應,不溶于油和脂,只是被潤滑劑帶到摩擦表面,與表面發生反應形成保護層。從這個角度講,它不是添加劑,這項技術也不屬于潤滑工程,而屬于表面工程。”

可以預見,如果金屬磨損自修復技術得到推廣,將對整個國民經濟在節能、減排、延壽、降低成本、提高效率等各方面發揮重大的作用。令我們擔心的是,如此利國利民的新技術,如果不能輔以強大的推廣力度,晚普及應用一天,都是全社會的損失。

幸運的是,金子總會發光,經過金颯公司全體同仁的不懈努力,該技術現已獲得科技部中小企業創新基金的立項扶持,2010年被列入北京市政府采購名錄,同時,有遠見的企業家也發現了這一技術的潛在價值,2009年北京奇倫創業投資公司攜專業化管理團隊已融入金颯公司。

不久的將來,“沒有摩擦的世界”也許會無限接近我們。