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磨損修復潤滑技術的新概念
2007-01-04
特種功能潤滑劑的迅速發展，導致了磨損修復潤滑技術的產生，促進了機械設備的有效潤滑維護。根據磨損修復功能潤滑劑的作用實質，磨損修復潤滑技術的幾種作用形式如下：(1)聚合物高溫鋪展成膜作用。包括了懸浮PTFE、活性高分子等類型的潤滑劑及其在摩擦效應下的結構重組和對磨損表面的融合填補；(2)超微金屬滲透聚合成膜作用。包括微細分散的軟金屬懸浮液、復合金屬分散液等潤滑劑，及其對摩擦表面的滲入填充、聚合成膜的修復功能；(3)共晶滾球填充成膜作用。它涉及到極性潤滑分子對微球形磨屑的吸附，及其在摩擦表面堆積形成的滾動性修復膜。 磨損修復功能潤滑劑的近期發展，應用了新的科學技術原理和手段，獲得了獨特的新型功能潤滑劑和良好作用效果，提出了新穎的潤滑理論，進一步豐富了磨損修復潤滑技術的內容。在此，對具有代表性的磨損修復潤滑技術的理論概念和作用實質進行分析和討論，以便為它的深入研究及應用提供借鑒。 一、微流變(MFT—Microflux Trans)塑性整平技術 潤滑介質在摩擦界面的微流變現象是基于摩擦表面不平整度所發生的一種潤滑狀態，結合了高分子潤滑劑的流變特性之后，而形成了微流變(MFT)金屬表面塑性整平技術。因為潤滑劑為適應機械設備高速重載的發展，使用了大量的高分子添加劑成分或合成油品介質，造成了潤滑劑分子特征及其與金屬表面作用特征的不可忽視性。一般來說，特種功能潤滑劑由小分子量的溶劑，較大分子量的添加劑以及高分子聚合物組成。當它添加于潤滑油品介質時，就形成了包括較小分子量的基礎油在內的多分子形態的聚集體。潤滑流體特別是摩擦表面的潤滑膜，由于金屬表面原子的極性效應，特別是微凸體接觸導致的新生磨損表面的電場電勢效應的作用，表現出明顯非牛頓性。 參照流體的孔穴模型，潤滑流體的孔穴大小與潤滑劑的分子尺度相當，分子由熱運動無規則躍遷與孔穴位置發生不斷交換，產生了分子擴散運動，在剪切應力作用下分子從優越遷，形成潤滑劑的宏觀流動。對于潤滑流體中的大分子，特別是特種功能潤滑劑油品介質中的高分子，其分子尺度明顯大于潤滑流體的孔穴尺度，它的熱運動躍遷受到限制，僅表現為高分子鏈段的旋轉和擺動，使流體體系形成似網狀纏結狀態，只有在剪切應力較大時高分子的纏結才會減弱。 我們知道，摩擦表面上潤滑劑的極性基因與金屬表面的作用能量平均可達幾萬焦耳，這促使了強化的邊界膜的形成。同時，由于高載荷條件下的高接觸應力，摩擦表面的流體動壓潤滑油膜也塑性化，導致潤滑油在彈流接觸區內的流變特性。因此，由于摩擦副表面的微觀不平度，特別是在粘著、疲勞磨損等形式下產生的凹坑及麻點，造成了摩擦表面潤滑油膜區域的不連續性或分散性。在這樣的情況下，由于凹坑式微區的作用，該微區內流體受到的剪切應力大大下降，分子受到的表面引力的影響大大加強，微區內特種潤滑流體的活性高分子的聚集，導致微區內流體流變特性發生變化：微區內高分子鏈段互相纏繞，流體的粘塑特性加劇，并在高接觸應力的作用下，Z后形成交織的粘塑性固結層，起到整平摩擦磨損表面的作用。 微流變(MFT)金屬表面塑性整平技術，利用了這種金屬摩擦副表面微區的特性以及微區內潤滑液體的流變特性，結合冶金和化學原理，使粗糙的摩擦副表面或摩擦受損金屬表面得到修補及平整，使得摩擦副表面的實際接觸面積幾乎達到幾何接觸面積的80%，并且以塑性化的潤滑劑高分子膜為主要接觸形式，實現了摩擦及磨損的大大降低和機器設備壽命的延長。 二、場效應滲鍍整平技術 金屬摩擦副的自生電勢是已被許多研究證明了的事實。因此，許多研究提出：進一步采用外加電勢的方法，改變金屬摩擦副表面的自生電勢的大小和極性，控制摩擦表面的摩擦磨損。利用潤滑油液的載體功能，把含有平衡或激發摩擦表面電勢的物質分子、原子或離子輸送到運動的摩擦副界面，實現摩擦表面電勢的控制，進一步完成摩擦表面的整平和減摩抗磨，則是摩擦表面自生電勢的化學調制方法。這里所指的潤滑油液的載體功能，就是潤滑油中特殊添加劑對調節物質(一般指金屬的原子簇、離子)的攜帶作用，有兩種作用形式值得注意： 1.表面電勢的調節物質在潤滑油液中與有機添加劑形成離子型化合物或絡合物，在摩擦效應下，它從該化合物或絡合物中離解，與摩擦表面作用：吸附滲透、調節表面電勢，甚至產生電鍍效應的磨損表面損傷修補膜。 2.表面電勢的調節物質在潤滑油液中由分子篩型添加劑所攜帶，形成內配合物。在摩擦界面，它受激后從分子篩孔中逸出，被摩擦表面特別是新生的磨損表面所捕獲，調節摩擦表面電荷，填補磨損表面凹陷。 一種干式潤滑的新概念，在于改變或強化摩擦副的材料物質，就是利用潤滑油液作為載體，把稱之為“ER”的特種添加劑輸送到摩擦界面，在摩擦作用下，ER中的鐵離子被激活，隨油液滲入金屬表面并至數微米的深度，填平凹空、形成硬度高、韌性大又具有潤滑效應的表面層。一種金屬表面磁化劑(MPC)的潤滑方法新概念，就是調節摩擦表面的電勢，實現減摩與抗磨維護。被潤滑油液所載運的“調節物質”，進入摩擦界面并受摩擦效應的作用，開始滲入金屬表面凹凸不平的微孔里，在摩擦副的金屬表面電磁效應作用下，形成正電離子保護層和填充層，導致摩擦副表面正電相斥，不但撫平了摩擦表面凹痕，還把表面的摩擦磨損降至Z低。這就是稱之為“磁性油精”的潤滑技術，它的負載磨損指數高達246.4，點接觸實驗負荷高達800kg。這種利用摩擦表面的電場或磁場效應原理，獲取摩擦表面特殊潤滑劑的潤滑技術，與獲取流體介質的電流變和磁流變效應多有相同。因為絡(配)合物的電子功能，為我們提供了合成或制造具有電性或磁性的有機化合物的方法和途徑，促使了具有電流變或磁流變效應的有機化合物作為潤滑劑的特種添加劑——表面電勢的調節物質——磁性金屬的原子和離子。 三、結語 從所提及的兩種潤滑新概念新技術來說，微流變(MFT)金屬表面塑性整平技術是利用了潤滑流體的流變學特性，借助于摩擦副表面的微觀粗造和吸附濃集特性，在接觸應力作用下所導致的微觀流體粘塑性能的變化，實現磨損表面擦傷凹陷的填補整平。它屬于流體物理學的概念范疇和技術方法；而場效應金屬表面滲鍍整平技術，是利用金屬原子或離子受金屬表面的微觀電、磁效應的作用，在金屬表面吸附、滲入，調節金屬表面極化電勢和形成金屬表面保護膜，實現摩擦副的減摩抗磨，它屬于表面物理學的概念范疇和技術方法。一項新的潤滑技術的形成，包羅與涉及了許多相關學科的知識和方法，這就要求我們在探索和應用這些新的潤滑(劑)技術時，運用多學科的理論和方法，以求獲得良好有效的結果。 作者通聯：周強（中國農業大學機械工程學院 北京海淀區清華東路 100083）
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