汽車發動機維修中的金屬磨損自修復技術的應用研究

摘 要：研究了以羥基硅酸鎂為主的超細粉狀組合物表面改性劑作為發動機潤滑油添加劑的摩擦物理性質，以提高該組合物在發動機零件磨損表面形成保護膜和金屬磨損自修復性能，延長零件壽命周期。利用同步熱分析儀（TG-DSC）分析羥基硅酸鎂的固相轉變，用不同性質的改性劑（油酸、司盤80、吐溫80）對羥基硅酸鎂粉體表面進行改性；用高溫高速摩擦磨損試驗機分析改性劑加量和加熱溫度對羥基硅酸鎂性能的影響。經試驗發現，羥基硅酸鎂在潤滑油中濃度為10%時，磨損自動修復性最顯著。經過200 ℃和400 ℃環境溫度的羥基硅酸鎂具有成膜性能和分散活動性。經試驗分析得知，改性劑油酸加快羥基硅酸鎂的分散性。200 ℃和400 ℃熱處理提高羥基硅酸鎂在潤滑油中成膜保護性和分散活動性能。

關鍵詞：發動機；磨損機理；羥基硅酸鎂；金屬磨損自修復；應用

中圖分類號：U491.6

近年來，研究人員對具有抗磨減磨自修復功能的潤滑油添加劑進行了大量研究。例如，國內隴東學院的研究人員敬謙[1]提出了金屬磨損自修復技術在汽車發動機維修中的應用；南京航空航天大學研究了利用空芯光纖自診斷、修復的智能結構[2]；西南交通大學的卓洪[3]在基礎油中加入納米添加劑，通過改變載荷、頻率、添加劑含量等試驗，研究金屬磨損自修復技術。國外美國學者研究了對低速沖擊具有自修復能力的樹脂復合材料[4]。然而，目前對羥基硅酸鎂在汽車發動機維修中的金屬磨損自修復機制尚不明確。因此，本研究針對應用金屬磨損自修復技術，對天然礦石材料進行優化改進，使用以羥基硅酸鎂為主的組合物作為機械設備金屬元件的潤滑材料。

1 汽車發動機金屬磨損故障的產生原因

1.1 材料質量不合格

汽車發動機各個零部件所使用的材料類型決定著發動機的整體質量及其在運行過程中展現出的性能水平，汽車運行期間發動機內部的各個零部件不可避免地會發生摩擦、碰撞，倘若在選擇發動機材料時沒有考慮到運行過程中的磨損問題，所選擇的發動機零部件材料的力學強度、延展性、耐磨性等不符合汽車運行需求，就會使發動機內部發生劇烈的金屬磨損并產生微小顆粒物，對發動機氣缸筒沿高度方向造成損壞。經實驗測量得知，發動機內部產生的金屬小顆粒物在潤滑油里面的含量越高，在氣缸筒上止點至15～25 mm處磨損越明顯。如圖1所示，潤滑油無含顆粒物氣缸壁磨損較小，含有14 mg/kg顆粒物時磨損較大，含有40 mg/kg顆粒物時磨損最大。

1.2 潤滑處理不到位

汽車發動機在運行期間其內部各零部件會發生摩擦、碰撞，倘若不同元件之間的摩擦系數過大，導致金屬磨損量超過正常范圍，就會對發動機運行安全造成較大影響。為降低發動機零部件之間的摩擦系數，通常會使用潤滑油對其接觸位點進行潤滑處理。倘若潤滑工作不夠到位，摩擦系數無法降低至規定水平，汽車發動機各零部件就會在汽車運行期間不斷產生摩擦，不僅會增大金屬磨損量，給發動機零部件造成結構性損傷，提高發動機零件失效與設備故障的發生概率，還會在劇烈磨損過程中釋放出大量熱能，導致發動機設備的運行溫度不斷升高，加快了發動機氣缸壁和活塞環的磨損，縮短了發動機的使用壽命[5]。

1.3 使用環境較惡劣

汽車運行環境對發動機金屬磨損問題有著重要影響。當汽車在相對平整的路面行駛時，發動機不會在顛簸中發生振動，內部零件的磨損率相對緩慢。倘若行駛道路過于崎嶇，起伏路段較多，且路面存在較多坑洼不平處，汽車就會在行駛過程發生顛簸，發動機也會隨之振動，其內部各個零件之間會發生大量的摩擦碰撞，加大了金屬磨損率，容易導致發動機零件受損，引發故障問題。另外，環境溫度也會對發動機的質量性能造成影響，當汽車長時間暴露于冬季低溫環境中，并多次反復起動時，發動機零部件的性能會受到損害，導致發動機故障的發生頻率提高[6]。如圖2所示，發動機冷起動時，氣缸壁溫度低，氣缸壁和活塞環磨損嚴重，隨著溫度的增加磨損量緩慢下降。經實驗結果得知，剛起動瞬間氣缸壁磨損嚴重，當溫度達到93.3 ℃時，磨損量最小，隨后溫度的升高而磨損量增加量較小。

2 金屬磨損自修復技術及機理

金屬磨損自修復技術是在表面工程、材料科學以及摩擦學理論研究的基礎上發展而來的一項機械設備金屬材料修復技術。在應用金屬磨損自修復技術時，通常會選擇對天然礦石材料進行優化改進，使用以羥基硅酸鎂為主的組合物作為機械設備金屬元件的潤滑材料，羥基硅酸鎂在電子顯微鏡下形貌如圖3所示。

這類粉末材料的粒徑為微米級大小，具有極為穩定的理化性質，不會溶解在潤滑油中，不會與潤滑油發生反應，也不會對機械設備以及人體造成毒害損傷。將這類無機礦石組合物摻入至潤滑劑中，使之隨潤滑劑滲入到機械設備內部，并附著在機械設備零部件的摩擦位置表面。當機械設備運行過程中零部件之間發生摩擦時，附著在其表面的無機礦石組合物會與接觸面金屬在摩擦產生的熱量作用下發生一系列物理化學反應。一方面，在超精研磨作用下，摩擦面的微凸體會發生斷裂；另一方面，鐵基金屬零部件表面的鐵原子會與自修復材料中的鎂原子發生置換反應，形成鐵基硅酸鹽保護層，附著在金屬摩擦面上，讓凹凸不平的摩擦面實現平整度與光潔度的提升，有效修復摩擦部位的結構磨損，并降低零部件之間的摩擦系數，起到良好的預防機械設備零部件磨損的效果[7]。隨著接觸面光潔度的提升與摩擦系數的下降，摩擦產生的熱量越來越少，當摩擦熱無法為自修復材料與金屬零部件表面的置換反應提供能量時，修復過程將自動終止。

3 汽車發動機金屬磨損自修復技術應用策略

3.1 氣缸磨損不嚴重時的應用策略

對汽車發動機金屬零部件進行修復處理時，倘若氣缸與活塞環的磨損程度未超過一定范圍，磨損問題不嚴重時，維修技術人員在應用金屬磨損自修復技術時無須對發動機進行解體，可以直接將自修復材料注入至氣缸內部，并在注入過程中嚴格控制精準度，避免與活塞頂部接觸，影響汽車發動機的正常運行。在注入完成后，需要切斷供油系統，并以10 s以內的間隔時間多次啟動馬達，確保每次啟動后的持續時間在5 s以內。維修技術人員需要使用強制潤滑法將自修復材料轉移至汽車發動機零部件的摩擦位置表面，提高金屬磨損自修復的精準度。其次，維修技術人員需要根據潤滑油用量以及汽車發動機壓縮比來控制自修復材料在潤滑油中的濃度。用電子顯微鏡觀測不同濃度潤滑油形成的磨損表面，顯示不同濃度羥基硅酸鎂對磨損表面的影響不同，如圖4所示。潤滑油不添加羥基硅酸鎂成分磨損表面磨損比較嚴重，呈現犁溝模樣；羥基硅酸鎂成分濃度為10%時，磨損表面平整光滑，磨損較小；羥基硅酸鎂成分濃度為20%時，磨損表面平整光滑，但表面上呈現顆粒物，是濃度較大的羥基硅酸鎂以顆粒形式粘連在磨損表面上而導致的。應用高溫高速摩擦磨損試驗機，分析改性劑加量和加熱溫度對羥基硅酸鎂性能的影響。用不同性質的改性劑（油酸、司盤80、吐溫80等）對羥基硅酸鎂粉體表面進行改性。經過長時間的觀察發現含改性劑油酸的潤滑油沉降比最小，分散效果最好；其次司盤80，沉降比最差為吐溫80。經過200 ℃和400 ℃環境溫度的羥基硅酸鎂具有成膜性能和分散活動性。

在現實中首次加注完成后，需要在車輛行駛400～600 km后進行自修復材料的二次加注，以便有效緩解汽車發動機磨損問題，及時補充在修復過程中發生反應而消耗的自修復材料[8]。此外，維修技術人員還需要注意在應用金屬磨損自修復技術時要定期更換汽車發動機的油濾清器，維護汽車發動機的正常運行，延長其使用壽命。

3.2 氣缸與活塞環磨損嚴重時的應用策略

倘若汽車發動機中氣缸與活塞環的磨損程度過于嚴重，其使用時間已經超限，利用自修復材料對氣缸和活塞環進行修復處理已不具備可行性。在這種情況下，維修技術人員應當對汽車發動機進行拆卸處理，采購并裝配新的活塞與活塞環來替換發動機內部原有的活塞以及活塞環，更換發動機的研磨氣門、氣門油封等各個零部件，使發動機能夠在新零件的支持下延長其使用壽命。在替換發動機損壞零部件的過程中，維修技術人員還需要對活塞環內部的積炭進行清潔處理，為氣缸增設氣缸套，提升汽車發動機的運行效果[9]。在零部件替換完成之后，維修技術人員可在氣缸壁表面鋪設金屬磨損自修復材料，并保證其鋪設均勻性，再安裝好發動機汽缸蓋，并投入到汽車正常駕駛運行中，使自修復材料在氣缸壁的摩擦過程中發生一系列物理化學反應，提升摩擦面光潔度，降低摩擦系數，實現對磨損表面的有效修復。

3.3 拉缸故障時的應用策略

當汽車在運行過程中其發動機水箱缺水狀態的維持時間過長，導致散熱能力持續下降，無法有效帶走發動機在運行期間產生的大量熱量，發動機就會長時間在溫度超出正常范圍的狀態下運行，使得發動機發生拉缸故障的頻率大幅度提升。當發動機發生拉缸故障時，首先，維修技術人員需要對汽車發動機進行拆卸，取出已經損壞的活塞環和氣門油封，將新購置的、符合汽車發動機運行標準的活塞環和氣門油封安裝在汽車發動機內部，在安裝完成后，維修技術人員還需要對氣缸活塞和活塞環上附著的積炭進行清潔處理，避免積炭過多對汽車發動機后續運行造成不利影響；其次，維修技術人員需要對氣缸內層表面進行清潔處理，使用細砂紙打磨氣缸內層表面的頑固附著物，使其表面保持平整、干凈、無雜質的狀態。在清理完成后，維修技術人員即可將金屬磨損自修復材料鋪設在氣缸壁內層表面位置，確保鋪設均勻性，使之能夠有效解決汽車發動機零部件的磨損問題[10]；最后，維修技術人員可以安裝配置好氣缸蓋，將發動機各零部件以及運行參數設置好，并使發動機投入到汽車運行駕駛過程中，讓氣缸壁上的磨損部位在摩擦過程中產生熱量，為自修復材料的修復反應提供能量，使之有效修復發動機金屬零部件的摩擦部位，解決汽車發動機磨損問題，延長汽車發動機的使用壽命，提升汽車駕駛運行效果。

3.4 提升自修復技術應用效果的策略

為確保金屬磨損自修復技術能夠發揮其實際效用，切實解決汽車發動機零部件磨損問題，相關技術人員需要對使用金屬磨損自修復技術的車輛進行追蹤調研，與車輛駕駛人員進行充分溝通交流，掌握應用自修復技術之后的車輛運行效果與駕駛體驗，了解其中可能存在的故障問題及其所產生的后果，對金屬磨損自修復技術的修復時間數據進行全面采集與科學分析，判斷自修復技術的實際效果與應用可行性，并針對其中存在的問題進行全面優化改進，以便提升金屬磨損自修復技術的應用效果。

4 結語

汽車發動機內部零件常常會在運行過程中發生機械磨損，加快發動機零件的老化速度，縮短發動機的使用壽命。根據實驗數據得知，發動機工作時氣缸筒上止點至15～25 mm處磨損越明顯，潤滑油中不含金屬屑顆粒物時氣缸壁磨損最小，含有14 mg/kg顆粒物時磨損較大，含有40 mg/kg顆粒物時磨損最大。發動機冷起動瞬間氣缸壁磨損嚴重，當溫度達到93.3 ℃時，磨損量最小，隨后溫度的升高而磨損量增加量較小。而金屬磨損自修復技術，即羥基硅酸鎂成分在潤滑油里濃度為10%，在200 ℃和400 ℃環境溫度下的羥基硅酸鎂具有成膜性能和分散活動性，不僅能夠快速修復發動機內部零件的磨損部位，還能夠有效降低磨損部位的摩擦系數，減少發動機金屬磨損現象的發生頻次。此結論，對維修工作人員根據汽車發動機的不同運行狀態與故障類型選擇合適的自修復處理方法，提供重要依據。

參考文獻：

[1]" 敬謙.金屬磨損自修復技術在汽車發動機維修中的應用[J].中國設備工程，2021（10）：21-22.

[2]" 楊紅，梁大開，陶寶祺，等. 空心光纖用于機敏結構自診斷、自修復的研究[J]. 材料導報，2000（11）：25-27.

[3]" 卓洪. 金屬磨損自修復技術的研究[D]. 成都：西南交通大學，2007.

[4]" Motuku M，Vaidya U K，Janowski G M. Parametric studies on self-repairing approaches for resin infused composites subjected to low velocity impact[J]. Smart Material and Structures，1999，8（8）：623-638.

[5]" 王中海. 汽車發動機維修中金屬磨損自修復技術的應用[J]. 時代汽車，2020（11）：167-168.

[6]" 莊曉偉. 金屬磨損自修復技術在汽車發動機維修中的應用[J]. 內燃機與配件，2020（1）：155-156.

[7]" 陶崇瑾. 汽車發動機維修中金屬磨損自修復技術的應用分析[J]. 內燃機與配件，2019（24）：122-123.

[8]" 李雙標. 金屬磨損自修復技術在汽車發動機維修中的應用[J]. 現代制造技術與裝備，2018（10）：175+179.

[9]" 孫建. 金屬磨損自修復技術在汽車發動機維修中的應用探析[J]. 汽車實用技術，2018（14）：222-224.

[10] 金健. 汽車發動機維修中金屬磨損自修復技術的應用效果[J]. 汽車與駕駛維修（維修版），2018（5）：112.

*基金項目：渤海船舶職業學院2022年度橫向科研課題“金屬磨損自修復技術在汽車發動機維修中的應用”（2022102108）。