金属磨损自修复技术对轴承寿命的影响

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装备制造业的发展对轴承综合技术水平提出更高的要求。轴承延寿技术仍然是目前研究的重点。　　表面强化方法已成为国内外实现轴承长寿命的有效途径。其工艺方法已由近代发展起来的激光、电子束、离子束等表面技术发展到开始探索将纳米多功能混合基团材料作用于轴承工作表面，达以防锈、防腐蚀、摩擦系数低，高硬度、耐高温、耐磨损、耐冲击等综合性能优异的表面工程技术。
　　金属磨损自修复技术（以下简称ART），可以同时达到综合性能优异的表面工程技术。是亚微米级的粉体、动态的纳米级的作用机制。这项具有革命性表面工程领域的智能自修复新技术。会给轴承寿命及可靠度值的提高带来新的契机，为提升装备制造业的综合实力作出贡献。
7 c9 l' W% P9 Q3 `　　1、ART技术简介
5 d( O3 P8 n9 d: M& v　　1-1 ：ART技术是具有自主知识产权的专利技术
$ m2 V/ K! p5 `% X* {　　ART技术是一种由羟基硅酸盐复杂组分构成的亚微米级矿石粉体组合物；我国工程技术人员经过几年的不懈努力，利用中国的矿产资源进行工艺创新和提高。
　　· 2002年获中国国防专利
; C  m$ |+ N+ m5 Y  i3 [　　· 2009年2月获中国国家专利
　　1-2 ：ART产品
　　ART技术集“减磨、抗磨和原位自修复”三项功能为一体的平台技术，已由“北京伟仕阿尔特新技术有限公司”根据不同的摩擦条件研发出“奥克摩”品牌的系列产品达19项之多。
　　其现代化的ART粉体制备设备及一流的试验检测中心不仅可以满足国内市场的需求，其质量也超过国外的同类产品。为验证产品在实际工况条件下的应用效果，2008年至今在包钢集团热轧带钢生产线做ART轧机轴承延寿试验。采用涂敷“奥克摩”于轧机轴承摩擦表面，一年的生产试验证明，轧机轴承使用寿命提高1倍以上。见图1，包钢热轧带钢生产线上的646290轴承经使用失效后的滚动体金相。
8 M1 l7 b- X, T) G; C　　采用MEF4A高级金相显微镜观察，滚动体摩擦表面存在ART类金属陶瓷保护层，厚度为0.006mm。
0 U9 S) L* e, J8 B# m* B　　说明ART材料在冲击和摩擦力的共同作用下，ART粉体质量优异，类金属陶瓷保护层分布均匀、稳定，完全达到了技术特点和技术指标。这区别于市场上名目繁多的油品添加剂。
　　使金属与金属的摩擦改变为金属陶瓷保护层与金属陶瓷保层的摩擦。无疑将大幅提高轴承使用寿命。
' V7 R4 s9 L) ^2 a' k6 \! M' b　　1-3 ：ART技术得到国家相关部委的支持
/ M' T- x8 c, j3 b! {3 s　　该项技术的研发与应用曾得到国家有关部委的关注和支持，2002年9月18日在原国家经贸委直接主持下会同国防科工委、科技部、铁道部、交通部、教育部和国家环保总局等单位，召开了“金属磨损自修复材料”产品国家级鉴定会。由徐斌士、钟群鹏、丁传贤、张福泽四位工程院士等共17位专家组成的鉴定委员会，一致同意该项目通过鉴定，其主要鉴定意见：
% B9 X8 V; J( {0 t6 U/ q2 f; X. D　　金属磨损自修复材料是一项具有自主知识产权的高科技产品，具有世界先进水平。开发成功的金属磨损自修复材料具有广阔的应用前景，能推动我国表面工程摩擦学领域应用基础的研究。
　　同时能带动我国传统产业的提升和改造，将对我国国民经济的发展有重大影响”，“应使这项高新技术产品迅速转化为生产力”；国家经贸委将ART项目纳入“2002年——2016年国家科技创新计划”。
国务委员吴仪曾亲自视察该项目鉴定会期间，专家在研讨该项目
1 H# K0 b3 U# }! K& S　　1-4 ：ART技术特点：
　　（1）、金属磨损自修复材料的主要特点是在金属摩擦表面生成耐磨陶瓷保护层。
0 {+ y) V8 z: k  _　　（2）、金属磨损自修复材料属超细粉体材料在机器正常服役条件下无需解体地对磨损部件进行修复。
6 n5 @& ~4 q. r　　（3）、自修复材料可以选择性补偿表面磨损，耐磨陶瓷保护层生长的厚度与超细粉体的数量和摩擦释放的能量成正比，是自动调节的。
) |' G( z& J5 Z* |( @2 g　　（4）、耐磨陶瓷保护层与原始金属表面没有明显的分界面。
　　（5）、耐磨陶瓷保护层使摩擦系数比油膜润滑降了一个数量级。
　　（6）、耐磨陶瓷保护层具有良好的抗磨损和抗腐蚀性能，只要充分保持保护层的形态就能延长机件的使用寿命，不必再更换零件。
　　（7）、耐磨陶瓷层不仅能够补偿间隙，使零件恢复原始形状，还可以优化配合间隙，这就有利于降低机械振动，减少噪音，节约能源。
  W( N8 _3 o) O- n3 M　　测试汽缸内壁生成的金属陶瓷保护层的厚度
　　对实施金属磨损自修复材料应用技术后运行15万公里的DF-11型机车063号柴油机第15缸的缸套表面形成的金属陶瓷保护层进行扫描电镜观测，结果表明：在取自缸套的金相样品横断面上，约10微米厚度的金属陶瓷保护层无论在光学显微镜下还是扫描电子显微镜下均清晰可见。
　　缸套表面保护层的扫描电子显微镜像（背散射电子像，金相制样法，腐蚀后）
　　1-5 ：ART技术指标：
1 g& q3 P: j8 Y& G- N" _　　耐磨陶瓷保护层具有异乎寻常的力学和物理性能：
　　（1）、摩擦系数：μ0.003～0.007   比油膜润滑低一个数量级
$ V3 c: S) \6 G$ N: e# p　　（2）、显微硬度：Hv690～1100  比原始表面硬度提高一至三倍
' w! |, [( D1 {% ]　　（3）、线胀系数；13.6～14.2         与钢相同
　　（4）、冲击强度：50kg/mm2
9 E& R4 S+ w( j" Y　　（5）、耐高温：1575～1600℃
% r+ w& R4 m/ {  n, T' E0 K* S: w　　（6）、耐腐蚀：在高湿度海洋环境和酸、碱介质中不腐蚀。
- C) M1 s# [0 T7 Z5 S# Q　　（7）、电绝缘：1-10μm的电绝缘层
　　ART保护层硬度检测在原子力显微镜下的三维图象
7 A! Y9 o6 q' ]/ ?　　洛克式显微硬度HV = 1145缸套表面保护层的原子力显微镜图像（三维）
9 C  H* i. J3 t　　洛克式显微硬度HV = 546缸套基体的原子力显微镜图像（三维）
　　1-6 ：ART的应用领域：
% g% h/ e0 ~5 E9 e$ E　　ART技术可应用于机械磨损的任何部位：矿山机械、冶金机械、石油化工机械、建筑机械、汽车火车舰船内燃机、链条、轴承等等。在轴承制造业中急需采用ART技术延长使用寿命的是轧机轴承、铁路轴承、电机轴承、风电轴承、低噪音轴承、精密轴承等。
　　2、ART预处理
) L- Y  }# m  ~- r5 z% N　　2-1 ：ART预处理工艺试验
　　2-1-1 ：大连隆正伟仕金属磨损自修复技术开发有限公司——从事ART应用技术研发与应用的专业公司。本着“组织决定性能”的金属材料学研究理念，先后多次进行ART台架试验：
1 i- N8 u+ ]  }6 F# Z7 r0 {　　◆2003年8月通过国家链条质量监督检验中心台架试验，提高石油滚子链使用寿命3.3倍。
) y* d9 \  Q5 B% ~( Z/ H( z* `) M　　◆2007年，在浙江天马轴承股份有限公司做“ART6308轴承台架试验”：
* r5 h8 A/ {* B4 u　　1000小时连续台架试验，测得的游隙与试验前游隙减小2-6微米，说明ART技术可以自动优化摩擦间隙，达到最佳配合状态。
　　◆ 2008年，通过国家轴承质量监督检验中心台架对比试验进一步全面证明：ART技术可以明显延长轴承使用寿命及可靠度值。
+ Z: c" ?, A% h3 C　　2-1-2 ：ART预处理方法 ：
0 A6 a: ?* H7 U; z/ a/ U+ E8 f　　此方法是把加工后的轴承零件置于含有ART材料的中介物中，在振动的光饰机作用下，轴承零件表面形成弥散分布的ART孕育层，合套之后在含ART的润滑油或润滑脂的润滑条件下工作，进一步使ART孕育层转变成类金属陶瓷保护层，获得最佳摩擦系数及配合间隙。
- C: d8 D1 u( N% Y& h1 O　　2-1-3 ：ART预处理设备
- |( |5 D: s0 ^　　为了推广ART预处理这一成熟的应用工艺，“大连隆正光饰机制造有限公司”研发制造出强力LZD系列和XL系列修复剂循环预处理光饰机； WZD卧式大型ART预处理机可以满足直径1.1米轧机轴承的ART预处理，并同时提供稳定、成熟的预处理工艺、质量控制方法及检测标准。
　　可以满足直径1.1米轧机轴承的ART预处理
　　2-2 ：ART预处理原理
/ w' y/ e5 X+ k; {　　2-2-1 ：ART孕育层形成过程
　　在金相显微镜下的金属表面，存在着纵横交错的“沟壑”微凸体和凹坑以及各种缺陷。在光饰机振动预处理时，在激振力的作用下，摩擦，撞击、挤压的过程中，ART粉体的颗粒相对于大部分基体摩擦表面的微凸体和凹坑来说，仍然是大尺寸颗粒，在被带入摩擦界面后，被进一步研磨细化的同时也清理了摩擦表面的凹坑及缺陷处，为孕育层着床做好准备。
2 |4 @+ r! H" c; S! P/ s/ V; H) N　　微凸体在振动摩擦、挤压撞击过程中，撕开、断裂而引发的瞬间闪点温度，使高温的磨削微粒被ART包裹，并在势能较低的凹处或缺陷处着床，形成孕育层。而撕开或断裂的凸体位置也在摩擦力的作用下形成ART保护层得以修复。ART预处理的全过程使金属基体的凹处、“沟壑”、微裂纹、空隙等缺陷处均生成ART孕育层。
　　ART孕育层的生长速度和厚度与摩擦释放的能量，光饰机中ART粉体的含量及光饰的时间成正比。
0 H, p8 ^, }$ _" e$ M这是GCr15材质的轴承滚动体，淬回火硬度HRc62度，在MEF4A高级金相显微镜观察下的ART光饰预处理后的金相。
6 Y) @: z: X" T5 v　　2-2-2 ：ART孕育层在工况条件下的作用
　　在工况服役条件下，尤其是轧机轴承，承受冲击和瞬间超极限载荷的作用下，弥散分布的孕育层起到了支撑座的作用。轴承受载运行的全过程中，ART保护层的界面不断变化，自动选择补偿部位，形成的厚度也是自动调节，当摩擦释放的能量因摩擦系数的降低，而降到一定的程度时，陶瓷保护层停止生长，自修复过程完成。金属陶瓷层不仅能够补偿磨损间隙，使金属基体表面粗糙度值下降，恢复原始状态尺寸，还可以使摩擦阻力趋于均匀分布，降低振动，节约能源，实现对基体金属工作表面几何形状的修复和配合间隙的优化。
! A# k2 X5 G7 w* {) g  L　　2-2-3 ：ART孕育层在工况条件下的进一步转变
       轴承合套后在使用过程中，摩擦力的作用下，依靠摩擦热能作为驱动力，使ART孕育层与金属基体表面发生置换反应，形成与铁基金属，以化学键相结合的微晶陶瓷层，这种微晶陶瓷层能动态的不断修复和补偿基体金属摩擦表面的磨损，达到延长轴承使用寿命的目的。
　　3、ART技术对轴承寿命及可靠度值的影响
　　3-1 ：试验来源及目的
1 m2 O1 V! f! [0 b! J　　受大连隆正伟仕金属磨损自修复技术开发有限公司的委托，国家轴承质量监督检验中心对该公司提供的几组深沟球轴承6307，进行对比检验。以检验金属磨损自修复技术及ART光饰预处理对提高滚动轴承使用寿命及可靠性的影响。
+ [$ i, \8 |/ h$ N4 ]% \　　3-2 ： 试验方案
　　3-3 ：试样来源
　　从同一厂家、同一批次的轴承中随机取出20套样品，不进行任何处理保持原始状态，编为A组，再取出40套样品，运用光饰机和ART材料对轴承内外滚道、滚动体及保持架进行ART预处理，使轴承表面弥散分布微晶陶瓷孕育层。之后合套，分为C组、D组，采用相同的取样方式随机取出30套样品，不进行任何处理，保持原始状态，各15套分为E组、F组，再取15套样品，运用光饰机和ART材料对轴承内外滚道、滚动体表面及保持架进行预处理，使轴承零件表面形成弥散分布微晶陶瓷孕育层，编为G组，按表中的试验条件进行试验。
　　3-4 ：试验结论
　　通过本次试验可以看出，单一运用金属磨损自修复材料作为润滑油或润滑脂的添加剂，或单一运用光饰预处理技术，对轴承内外滚道、滚动体、表面及保持架进行ART预处理使用寿命提高并不明显。但这两项技术结合使用，可明显延长轴承使用寿命，油润滑试验、轴承寿命比提高到3倍多。可靠度值由97.9%提高到99.7%；脂润滑轴承、轴承基本额定寿命的试验值提高到5倍多，使用寿命可靠度值由77.44%提高到99.98%。
　　4、试验结论的分析
　　4-1 ：国家轴承质量监督检验中心对ART技术预处理轴承的台架对比试验证明： 经ART预处理的轴承在ART润滑油或脂的润滑条件下可明显延长轴承使用寿命。
　　4-2 ：ART预处理后的轴承零件合套后的使用条件的不同，由ART孕育层转变成类金属陶瓷层的周期亦不同。这符合ART保护层形成的原则，这些不同的使用条件包括：轴承的转速、载荷大小、润滑条件、温度、ART粉体粒径大小及在油或脂中的含量，金属摩擦副的材质及表面的质量、硬度等等。
　　4-3 ：根据《滚动轴承寿命及可靠性试验规程》JB/T50013-2000制定的试验条件，所取得的结论是公正、客观的。具有广泛意义上的指导价值；对于市场上繁繁种种的实际应用条件而言，它是疲劳试验机在特定的条件下得出的对比试验结论，尚不能概括各种轴承在实际应用条件下的繁繁种种。已有案例证明：单一的ART处理或单一采用ART润滑油或脂也可明显延长摩擦副的使用寿命。
　　结束语
　　经国家轴承质量监督检验中心对比试验分析后的结论，金属磨损自修复技术处理后的轴承其使用寿命可大幅提高，ART轴承替代进口成为可能，从而可提升中国装备制造业的综合水平，将产生巨大的经济和社会效益。本着新技术的推广应用，也要用性价比进行考量的原则，我们将与轴承制造业企业家、专家携手合作，用最简捷的方法、最低的成本、最好的效益、最快的速度，共同打造“长寿命轴承”制造商。