機械抗磨自修復技術在水泥企業(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是近年發(fā)展的一種新型技術，與傳統(tǒng)的對失效部件進行靜態(tài)修復模式有著本質的區(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，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，該技術就在其國內軍事、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的設備包括各種滑動及滾動軸承、開放式齒輪傳動機構、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的主要成分為人工合成的羥基硅酸鎂，其純度更高，性質穩(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為摩擦系數隨修復劑含量變化的關系曲線。從圖中可以看出，基礎油的摩擦系數較高，約為0.125，摩擦系數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，摩擦系數有所增加。

  圖1 摩擦系數與修復劑含量的變化關系

  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。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據對比如下表所示，節(jié)電比例為8%。

  表2 添加抗磨修復劑前后數據對比（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，該技術能夠延長傳動部件的使用壽命以及改善設備運行工況。經過本次測試，該水泥廠決定在其它適用設備中推廣使用該技術。

  2.2機械抗磨抗磨自修復技術在其它傳動設備上的應用

  由于機械抗磨抗磨自修復技術適用于各工業(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、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。

  該技術在設備上的應用效果主要表現在以下三個方面：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 結論

  自上世紀90年代左右，該技術在烏克蘭、俄羅斯成功應用以來，世界各國的科學家都開始關注并研究該技術的主要成分，即微納米級的固體顆粒。典型的主要成分為羥基硅酸鎂，該材料是目前學術界認為抗磨修復作用最好的材料。經過二十多年的發(fā)展，目前市面上出現了以氮化鈦（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，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)造了良好的經濟效益。