機械抗磨自修復技術(shù)在水泥企業(yè)中的應用

  前言

  磨損一般起始于早期的表面微損傷，而后發(fā)展成為嚴重的表面損傷。機械抗磨自修復技術(shù)是近年發(fā)展的一種新型技術(shù)，與傳統(tǒng)的對失效部件進行靜態(tài)修復模式有著本質(zhì)的區(qū)別。它是通過對磨損表面微損傷的不拆卸原位動態(tài)自修復，達到預防或抑制傳動部件失效的目的。具體地說，機械抗磨自修復技術(shù)是將一種化學成分主要為羥基硅酸鎂的礦石粉體潤滑混合物，添加到潤滑油或潤滑脂中，不與油或脂發(fā)生任何化學反應，不改變油的黏度和性質(zhì)，使用中無毒副作用，對環(huán)境和人體無害，摩擦磨損條件下可以在機械零件表面生成自修復保護膜，實現(xiàn)對金屬磨損的原位動態(tài)自修復[1]。

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

  在機械設備中，除各種合金鋼以外，球墨鑄鐵也是常用的摩擦副材料，如大型傳動齒輪、發(fā)動機缸體等。適合應用機械抗磨自修復技術(shù)的設備包括各種滑動及滾動軸承、開放式齒輪傳動機構(gòu)、金屬加工床具及設備、各種類型的壓縮機、工業(yè)減速機、液壓系統(tǒng)、風機、水泵和其它設備。

  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（以下簡稱可視化公司）擁有的機械抗磨抗磨自修復技術(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。通過對可視化抗磨修復劑進行XRD分析，該修復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，可視化抗磨修復劑是由多種物質(zhì)復合在一起形成的復合潤滑材料。

  1.2 摩擦學性能測試

  采用MM-10W型多功能摩擦磨損試驗機評價修復劑的抗磨修復性能，基礎油為坦克機油50CC。載荷200N，時間為120min。，修復劑的添加比例分別為2.5%、5%、10%、15%。實驗前，將添加劑進行超聲波分散，以保證納米級固體顆粒在潤滑油中均勻穩(wěn)定的分散。

  圖1為摩擦系數(shù)隨修復劑含量變化的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，基礎油的摩擦系數(shù)較高，約為0.125，摩擦系數(shù)隨修復劑的含量的升高而不斷降低，并在添加量為10%時取得最小值，約為0.047左右。此時，摩擦系數(shù)同基礎油相比降低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)與修復劑含量的變化關(guān)系

  通過分析坦克機油與抗磨修復劑潤滑下磨損表面形貌的SEM照片，發(fā)現(xiàn)修復劑潤滑下的磨損表面相對平整，劃痕較少，表明抗磨修復劑有良好的抗磨性能。通過對磨損表面進行能譜分析，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層，起到抗磨減摩作用。

  表1 抗磨修復劑潤滑下的磨損表面元素相對含量

  1.3金屬陶瓷保護層的形成過程

  摩擦表面修復過程從那些磨損較大的區(qū)域開始,因為在這些區(qū)域具備了修復過程發(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，即抗磨修復劑，并將其牢牢固定在磨損部位。在負荷的作用下，活化劑能吸納多余的熱量并用于建造保護層。這樣，在原來的金屬基體上就形成了新的表面層。在修復過程開始后，原先有劃痕的地方就會生成金屬陶瓷補丁，異?；钚詤^(qū)就會消失。當上述能量過程穩(wěn)定后，保護層的生長過程即自動停止。與上述能量過程同時發(fā)生的還有金屬與金屬陶瓷元素的相互擴散，使得新的表面層的形成過程更加完美。換句話說，這將徹底消除表面本身及基體與表面層的結(jié)合缺陷。隨著時間的延續(xù),新的表面層的穩(wěn)定性會進一步提高。

  修復過程的結(jié)果是在摩擦表面生成新的保護層, 零部件的體積和幾何尺寸都能得以恢復。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 可視化抗磨修復劑在工業(yè)領域中的應用

  2.1機械抗磨抗磨自修復技術(shù)在出磨提升機上的應用

  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上應用了機械抗磨抗磨自修復技術(shù)。該提升機配用電機功率為160KW，其減速機軸功率為125KW，采用稀有潤滑，潤滑油用量為155L。技術(shù)人員在減速機油箱中添加了0.7%的抗磨修復劑，同時對提升機的耗電量及軸承溫度進行了長期監(jiān)測。添加修復劑前后的數(shù)據(jù)對比如下表所示，節(jié)電比例為8%。

  表2 添加抗磨修復劑前后數(shù)據(jù)對比（19日添加修復劑）

  （注：測試前后須保證提升機的負載保持基本不變，以免影響節(jié)能效果的對比）

  機械抗磨抗磨自修復技術(shù)通過修復減速機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)能夠延長傳動部件的使用壽命以及改善設備運行工況。經(jīng)過本次測試，該水泥廠決定在其它適用設備中推廣使用該技術(shù)。

  2.2機械抗磨抗磨自修復技術(shù)在其它傳動設備上的應用

  由于機械抗磨抗磨自修復技術(shù)適用于各工業(yè)企業(yè)，主要適用的設備為各種滑動及滾動軸承、開放式齒輪傳動機構(gòu)、金屬加工床具及設備、各種類型的壓縮機、工業(yè)減速機、液壓系統(tǒng)、風機、水泵等。只要設備具有軸承、軸瓦、齒輪等轉(zhuǎn)動部件，并用潤滑油或脂潤滑，都可以應用機械抗磨抗磨自修復技術(shù)。

  該技術(shù)在設備上的應用效果主要表現(xiàn)在以下三個方面：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℃，降低設備噪音2-3db；三是延長設備使用壽命1.5倍以上。

  3 結(jié)論

  自上世紀90年代左右，該技術(shù)在烏克蘭、俄羅斯成功應用以來，世界各國的科學家都開始關(guān)注并研究該技術(shù)的主要成分，即微納米級的固體顆粒。典型的主要成分為羥基硅酸鎂，該材料是目前學術(shù)界認為抗磨修復作用最好的材料。經(jīng)過二十多年的發(fā)展，目前市面上出現(xiàn)了以氮化鈦（TiN）、銅等微納米級顆粒為主要成分的抗磨修復材料[3]，但在工業(yè)領域的應用效果并不理想，推廣工作舉步維艱。北京可視化公司擁有的機械抗磨抗磨自修復技術(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)濟效益。