羟基硅酸镁粉体添加剂含量对金属表面自修复膜生成的影响及机制

　　磨损表面在线自修复是近年来摩擦学与表面工程技术领域的一个研究热点。其目的是在摩擦副工作过程中,将修复材料(修复剂)加入润滑剂中,在润滑条件下对磨损表面实现在线自修复,及时控制、修复零部件早期出现的磨损,使机械设备保持良好的工作状态。此研究对减少能耗,延长机械的使用寿命和维修周期具有重要意义[1]。

　　金属磨损自修复技术采用粒度不大于10μm的矿石粉体润滑组合物,添加到润滑油或润滑脂中使用,不与油品发生化学反应,不改变油的粘度和性质,对环境和人体无害。在铁路内燃机车柴油机上开展的应用试验表明,用金属磨损自修复技术处理机械零件可以在其摩擦表面上生成减摩性能优异的耐磨保护层,在机械装备不解体的情况下,动态中完成金属磨损部位的自修复[2-6]。目前,由于自修复膜生成条件和形成机制尚未完全为人们所认识,限制了该技术的推广和应用[1,7]。

　　本文作者采用经表面修饰的羟基硅酸镁粉体作为润滑油添加剂,在MMU-5G屏显式材料端面高温摩擦磨损试验机上,研究不同添加剂含量对摩擦副表面自修复膜生成的影响及其机制。

　　1　实验步骤

　　1·1　试件设计

　　实验中所用试件设计成如图1所示的形式。将上试件底部与下试件接触的地方设计成“小爪”的形式,使润滑油更好进入上下试件的接触面,增强润滑效果。加载及相对运动方式如图2所示。

　　上、下试件的材料均为45#钢,热处理为:淬火860℃,回火450℃,保温4 h,硬度为HRC 43~45,表面粗糙度Ra0·8μm。

　　1·2　添加剂的制备及表面形貌

　　1·2·1　添加剂的制备过程

　　实验所用添加剂为羟基硅酸镁(蛇纹石),所用设备为GN-2型高能球磨机。首先将蛇纹石矿石用锤子等工具粉碎成细小颗粒,粒度小于1 mm。然后向球磨罐中按照一定比例(质量比约7·5∶1)加入钢球(钢球材料为轴承钢GCr15,采用不同直径磨球混合的方式)和蛇纹石颗粒,球磨机转速为400 r/min,球磨时间为24 h。

　　1·2·2　添加剂的微观表面形貌及X衍射图谱

　　图3为添加剂的TEM图像。从图3中可以看出,球磨后添加剂尺寸在200 nm左右。X衍射分析可知,蛇纹石主要含有Mg21Si12O28(OH)34·H2O、Mg4Si6O15(OH)2·6H2O、Mg3Si3O5(OH)4等无机物,还含有少量CaO、Al2O3等。球磨24 h与未球磨蛇纹石的X射线衍射图谱对比如图4所示,发现球磨24 h后,峰趋于平滑。

　　1.3实验过程

　　实验是在MMU-5G屏显式材料端面高温摩擦磨损试验机进行,室温,实验时间为30 h,转速314r/min (滑动速度0·416 m/s),载荷200 N,采用油池润滑。所有试样在摩擦磨损实验前、后均在丙酮溶液中超声波清洗15min,并在空气中干燥。用0·1mg感量的电子天平测量试样磨损失重。实验分别对5种油样进行研究,包括:无添加剂的46#机械油, 46#机械油中添加有添加剂的混合油样,添加剂质量分数分别为1%、2%、3%和5%,超声波分散20 min。采用KYKY-2800型扫描电子显微镜(SEM)观察磨损表面形貌,表面成分采用EDS进行测试。