納米金剛瓷自修復材料節能延壽效果試驗分析

張斌，蔣智杰，閻昌春，陳芳華

（1.浙江省機電設計研究院有限公司，杭州 310051；2.杭州人本電機軸承有限公司，杭州 310022）

隨著現代工業的發展，機械裝備不斷向高速、重載、高精度、長壽命等方向發展，其設計運行條件越來越苛刻，性能要求越來越高。機械裝備在使用過程中都存在大量的摩擦磨損失效技術難題，磨損失效已成為制約裝備安全可靠性和使用壽命的技術瓶頸之一［1－2］。據統計，我國每年因機械磨損所損耗的材料高達幾億元，全球超過1／3的一次性能源是因摩擦而損失的［3－6］。

為了減少機械裝備零部件的摩擦磨損，延長裝備的使用壽命，除了對摩擦副進行合理的摩擦學設計外，一般可行的途徑有：1）控制造成磨損的條件，如磨粒、腐蝕等，在潤滑油中添加各種功能的添加劑；2）通過表面改性、表面強化等手段提高摩擦副的耐磨性能；3）使用具有自修復功能的新材料，在磨損過程中通過新的補償來彌補磨損［7－8］。

基于減小機械磨損的途徑，金屬抗磨自修復技術作為一項革命性的表面工程領域的新技術，不僅具備抗磨功能，還具備一定的減摩功能，能使運轉中的機器磨損表面得到動態自修復，由此大幅延長裝備的使用壽命，同時降低裝備的使用能耗［6，9］。目前許多專家學者對銅、鋅、鎂等納米態金屬和硅酸鹽等復合物自修復材料進行了磨損自修復的試驗研究［5］，其中，天然礦石粉中提取的羥基硅酸鎂自修復材料，因其優異的修復效果成為研究的焦點［10］。文獻［9］將羥基硅酸鎂在鐵路大功率DF－11型內燃機車上進行應用試驗；文獻［11］研究了羥基硅酸鎂對球墨鑄鐵摩擦副耐磨性能的影響和自修復效果，研究表明，羥基硅酸鎂具有良好的抗磨減摩效果。

JM納米金剛瓷自修復材料（以下簡稱“金剛瓷”）為人工化學合成的混合自修復材料，主要成分為羥基硅酸鎂、催化劑和活化劑等，現有材料粒徑為微納米級，與礦石羥基硅酸鎂相比，最大特點為成本低。現通過金剛瓷摩擦磨損試驗和在球軸承中的高速強化壽命試驗，驗證金剛瓷的抗磨減摩和節能延壽效果。

1 金剛瓷抗磨減摩機理

金剛瓷的自修復機理不同于生物或智能材料，生物或智能材料一般是在無外界作用情況下進行自修復［12］，而金剛瓷的自修復機理類同于ART技術［2］，只有在摩擦副摩擦閃溫產生的情況下才能進行自修復。在摩擦副運動過程中，金剛瓷以潤滑劑（潤滑油或潤滑脂）為載體進入摩擦副表面，在摩擦副運行過程中，摩擦瞬間閃溫產生時，通過活化劑的作用，在摩擦副表面產生熔融、化學活化等反應，從而在摩擦副接觸面形成金屬陶瓷改性層。金屬陶瓷改性層具有硬度高和表面粗糙度低的特征，從而改善了摩擦副表面的潤滑狀態和抗磨減摩性能，最終表現為較粗糙或已磨損的摩擦副表面得到自適應修復，摩擦副的使用壽命延長，摩擦副的摩擦阻力和驅動功耗減小［13］。

2 金剛瓷摩擦磨損試驗

2.1 試驗設備及試樣

試驗設備為MM－10W 多功能摩擦磨損試驗機，摩擦副為球－平面接觸模式的摩擦副（圖1）。

圖1 球－平面摩擦副Fig.1 Ball－plane friction pair

球試樣與平面試樣材料均為GCr15，硬度均約為63.0 HRC，表面粗糙度Ra均約為0.1μm，球徑為1.5 mm，平面試樣尺寸為φ31.25 mm×10 mm。

2.2 潤滑介質配制

以長城汽油機潤滑油SJ10W－40為基礎潤滑油，其運動黏度（100℃）為14.3 mm2／s，開口閃點為211.4℃。在基礎潤滑油中加入質量分數為0.2%的金剛瓷，并經超聲分散處理配制成JM金剛瓷潤滑油。

2.3 試驗方法與條件

在相同的試驗設備、接觸應力、運動頻率和運行時間條件下，對比同種摩擦副在2種潤滑介質下的摩擦因數和磨損表面形貌，評估金剛瓷的抗磨減摩能力及自修復性能。

試驗總時間為4 h，步長為2 mm，運動頻率為1 Hz，載荷F為5 N。

2.4 結果與分析

金剛瓷摩擦磨損試驗結果見表1。由表可知，0 h時，2種潤滑介質下的摩擦因數幾乎相同。此后，在基礎潤滑油條件下，摩擦因數呈逐步上升趨勢，運行4 h時，摩擦因數達到0.170；在JM金剛瓷潤滑油條件下，試驗運行1 h內，摩擦因數未有明顯變化，運行2 h后，摩擦因數降低至0.10左右，且一直處于較穩定狀態，運行至試驗結束，其摩擦因數相對基礎潤滑油低40%左右。由此可見，金剛瓷對摩擦副表面具有明顯的自修復能力和減摩效果，但修復和減摩效果的體現需要一定的時間周期，并且修復后的摩擦副的摩擦因數比新摩擦副更低。

表1 摩擦磨損試驗結果Tab.1 Results of wear and friction test

試驗結束后，將平面試樣表面清洗干凈，干燥后用Quanta200掃描電子顯微鏡觀察基礎潤滑油和JM金剛瓷潤滑油下平面試樣的接觸表面形貌，如圖2所示。由圖可知，在基礎潤滑油下，平面試樣存在大量尺寸不一的表面缺陷，同時沿摩擦運動方向存在寬而深的犁溝（圖2a）；在JM金剛瓷潤滑油下，平面試樣表面光滑平整，幾乎未見較大尺寸的表面缺陷和較深的犁溝（圖2b）。由此可見，JM金剛瓷具有明顯的自修復和抗磨能力。

圖2 平面試樣接觸面形貌Fig.2 Contact surfacemorphology of plane samples

3 球軸承高速強化壽命試驗

3.1 試驗設備和試樣

試驗設備為BLT－M2型高速軸承強化壽命試驗機，在驅動電動機上加裝DTS601型三相四線電子式有功電能表，記錄壽命試驗過程驅動電動機的耗電量。

試樣軸承選取國內某廠生產的同一批次電動汽車驅動電動機用6209－2RS高速深溝球軸承16套，軸承外形尺寸為φ45 mm×φ85 mm×19 mm，額定動載荷Cr為25.6 kN，極限轉速nL為12 000 r／min。將軸承隨機分成2組，A組填裝JM金剛瓷潤滑脂，B組填裝基礎潤滑脂，填脂量均為4.4 g，在同一臺試驗機上進行強化壽命試驗。軸承安裝結構簡圖如圖3所示。

圖3 軸承安裝結構簡圖Fig.3 Structure diagram for installation of bearing

3.2 潤滑介質配置

以德國LUBCON252潤滑脂為基礎潤滑脂，在其中加入質量分數0.4%的金剛瓷，經勻脂處理配制成JM金剛瓷潤滑脂。

3.3 試驗方法與條件

在相同的試驗設備和試驗條件下，以球軸承摩擦副為試樣，對比滾滑摩擦副在強化運動（強化壽命試驗）過程中的能耗和強化壽命，進一步驗證金剛瓷對球軸承的節能延壽效果。

徑向載荷Fr＝5.591 kN（P／C＝0.218），試驗轉速n＝8 000 r／min，額定壽命L10h＝200 h。試驗方法為定時截尾試驗法，截尾時間T＝1 000 h，每次裝機4套軸承，試驗過程中每隔24 h記錄一次電能表數據。

3.4 結果與分析

球軸承高速強化壽命試驗結果見表2。由表可知，試驗運行1 000 h時，A組8套軸承均未發生失效；在截尾時間內，B1，B7軸承分別運行到415，507 h時發生潤滑失效。由此可見，填裝JM金剛瓷潤滑脂的軸承高速壽命試驗運行時間明顯長于填裝基礎潤滑脂的軸承，平均相對延壽比率達到117%以上。

表2 球軸承高速強化壽命試驗結果Tab.2 High－speed accelerated life test results of ball bearing

由于B組軸承最短失效時間為415 h，為了避免帶入軸承失去潤滑而未停機時期能耗增大的影響因素，取試樣軸承運行384 h（16 d）的能耗數據做對比，結果如圖4所示。由圖可知，填裝JM金剛瓷潤滑脂的軸承2次裝機，運行384 h的總能耗均明顯低于填裝基礎潤滑脂的軸承，平均相對節能比率達到6.95%左右。

圖4 軸承能耗曲線Fig.4 Energy consumption curve of bearing

試驗結果表明，金剛瓷在6209－2RS軸承高速強化壽命試驗中體現出明顯的節能延壽效果。由于B組軸承的失效模式均為失去潤滑而失效，并非疲勞剝落失效，故認為其延壽機理為：軸承試驗運行時不是一個純滾動的摩擦副，球在滾動的同時與溝道接觸處存在微小位移的滑動，該滑動產生使金剛瓷產生修復作用所需的瞬間閃溫，在金剛瓷活化劑作用下，金屬接觸表面形成了金屬陶瓷改性層，對粗糙表面產生修復作用，使溝道表面粗糙度得到進一步降低，改善了摩擦副的潤滑狀態，使軸承邊界潤滑的發生時間大幅延后，或使邊界潤滑壽命大幅延長，抑或兩者均有之。

由圖4還可知，在開始運行120 h內，4組軸承高速運行的驅動能耗隨時間的增長而增大，4條曲線的斜率基本一致；超過120 h后，A組軸承二次裝機的運行能耗斜率均明顯低于B組軸承，即A組軸承運行日均能耗明顯低于B組軸承。由此可見，金剛瓷對粗糙表面的修復需要一定的周期。

4 結論

1）JM金剛瓷能對表面粗糙度Ra達0.1μm級別的摩擦副表面進行進一步自修復，從而進一步降低摩擦副的摩擦因數和球軸承的驅動能耗，在高端軸承和高端裝備上具有應用潛力。

2）JM金剛瓷對6209－2RS高速球軸承的延壽效果主要源于潤滑狀態的改變，而非金剛瓷抗磨效果的體現，該效果應在低速重載條件下進行驗證。

3）JM金剛瓷自修復效果的體現需要一定的周期，其長短與摩擦副的接觸應力、表面粗糙度Ra量級和相對運行速度等有關。

4）JM 金剛瓷對6209－2RS軸承相對節能6.95%的試驗結果是在強化壽命試驗條件下得出的，對較小載荷的使用工況不一定完全適用。