CN101412943B

CN101412943B - 修复金属摩擦副表面的组合物及其制备方法

Info

Publication number: CN101412943B
Application number: CN2008102095443A
Authority: CN
Inventors: 孙启龙
Original assignee: Heilongjiang Shenglong Auto-Restoration Materials Of Water Of Metals Co Ltd
Current assignee: Heilongjiang Shenglong Auto-Restoration Materials Of Water Of Metals Co Ltd
Priority date: 2008-11-27
Filing date: 2008-11-27
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2028-11-27
Also published as: CN101412943A

Abstract

修复金属摩擦副表面的组合物及其制备方法，它涉及一种修复金属摩擦副表面的组合物及其制备方法。它解决了现有的修复材料形成的修复膜厚度有限，达不到0.5毫米以上，不能对金属摩擦副之间的间隙进行有效控制的问题。所述组合物由氯化镍粉、铝粉、镍粉、三氧化二铁粉、二氧化硅粉、粉体悬浮剂、表面改性剂和矿物润滑油组成。其制备方法是将氯化镍粉、铝粉、镍粉、三氧化二铁粉、二氧化硅粉、粉体悬浮剂、表面改性剂和矿物润滑油放入高速均质机中均质30～40分钟。本发明所述的修复金属摩擦副表面的组合物及其制备方法实现了对金属摩擦副表面进行修复改性，修复层达到1.5毫米，对金属摩擦副之间的间隙进行了有效的控制。

Description

修复金属摩擦副表面的组合物及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种修复金属摩擦副表面的组合物及其制备方法。

背景技术

金属摩擦副在工作中，免不了要发生表面磨损，当磨损到一定程度时，金属摩擦副就会因表面磨损造成失效，必须进行更换或者修复才能使设备正常工作。目前采用喷焊、喷涂、电镀、电刷度修复金属摩擦副表面，可使修复层厚度达到0.5mm以上；气相沉积、表面淬火、化学热处理、离子注入等表面强化改性技术，可以强化改性金属表面，有些也可在金属表面沉积形成膜，但修复的厚度十分有限，通常不到1微米，不会起到对摩擦副的几何尺寸有明显的增长作用，这些技术都是离线处理，处理时机械设备需解体、拆卸、停机，而且对技术的掌握上有很高要求，处理工艺复杂，例如喷焊、喷涂技术修复后的涂层需机加工才能达到使用要求，具有高硬度的涂层机加工难度非常大，成本非常高等不利因素。

最近出现了一种微米级的摩擦修复添加剂和具有修复作用的纳米润滑抗磨材料，这些新技术的作用机理是利用摩擦时产生的温度和压力提供能量，促使修复材料与金属磨损表面发生反应，对磨损表面具有一定补偿的“修复现象”，随着摩擦能量的降低至足够低时，该过程宣告结束。摩擦修复型添加剂和具有自修复作用的纳米润滑材料的作用机理与常见的改善润滑油品性能的添加剂不同，是在摩擦条件下，在摩擦表面上沉积、结晶、铺展成膜，使磨损得到一定的补偿，提高表面的硬度和降低摩擦系数，具有一定抗磨减摩作用。机械设备不需解体、停机，属原位在线修复，该技术有如下不足：

1、具有修复功能的材料与金属表面在摩擦时，在摩擦微观表面产生共晶，填补表面的微观沟谷，从而形成一层抗磨减摩作用的修复膜，膜的厚度十分有限，通常在1～2微米，最大不超过10微米，不能起到对摩擦副磨损表面明显修复的作用，不能很好满足绝大部分金属摩擦副表面磨损程度的需要。

2、该技术的作用机理是利用摩擦产生的能量为条件来达到修复的目的，只是摩擦副摩擦时产生的能量降低到足够低时，修复过程才宣告结束。众所周知，摩擦能量与摩擦副的工作条件有很大关系，能量的大小受到很多因素影响，如摩擦副的相对运动速度、载荷、摩擦副的材质、表面的粗糙度、润滑条件等。根据其作用机理，其摩擦副产生的能量是随机的，随机性很大并不可控，因此就会造成对修复的程度不可控，也就是摩擦副的间隙不可控，不可预知修复效果，就会造成在应用上存在盲目性。在有些对摩擦副间隙有严格要求的情况下，会发生不能应用或出现负面效果，比如设计对摩擦副的间隙有严格要求，不能小到一定的值，但这时摩擦能量还足够大，修复的过程依旧继续，等摩擦能量小到不能修复时，此时的摩擦副间隙会小于设计标准，会造成严重不良后果。

发明内容

本发明为了解决现有的修复材料形成的修复膜厚度有限，达不到0.5毫米以上，不能对金属摩擦副之间的间隙进行有效控制的问题，进而提供了一种修复金属摩擦副表面的组合物及其制备方法。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

修复金属摩擦副表面的组合物按重量份数比由5～10份氯化镍粉(NiCl₂·6H₂O)、5～10份铝粉(Al)、20～30份镍粉(Ni)、15～20份三氧化二铁粉(Fe₂O₃)、5～10份二氧化硅粉(SiO₂)、2～5份粉体悬浮剂、0.5～1份表面改性剂和14.5～47份矿物润滑油组成；所述氯化镍粉(NiCl₂·6H₂O)的粒度为0.5～2微米，所述铝粉(Al)的粒度为20～100纳米，所述镍粉(Ni)的粒度为100～200纳米，所述三氧化二铁粉(Fe₂O₃)的粒度为50～200纳米，所述二氧化硅粉(SiO₂)的粒度为100微米～200纳米。

修复金属摩擦副表面的组合物的制备方法，按重量份数比将5～10份氯化镍粉(NiCl₂·6H₂O)、5～10份铝粉(Al)、20～30份镍粉(Ni)、15～20份三氧化二铁粉(Fe₂O₃)、5～10份二氧化硅粉(SiO₂)、2～5份粉体悬浮剂、0.5～1份表面改性剂和14.5～47份矿物润滑油放入高速均质机中均质30～40分钟即可。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的修复金属摩擦副表面的组合物及其制备方法实现了可在机械设备不拆卸、不解体，不停机的正常工作状态下，对金属摩擦副表面进行修复改性，从而达到了节约修复成本、降低了修复技术难度和维修劳动强度。所述组合物广泛适用于机械设备中存在的金属摩擦副。本发明的具体优点体现在以下几个方面：

1、本发明所述的修复金属摩擦副表面的组合物可使磨损的金属摩擦副表面形成较厚的修复改性层，最大厚度可达到1.5毫米，以满足绝大部分金属摩擦副磨损量的实际需要。

2、本发明所述的修复金属摩擦副表面的组合物在摩擦副间隙有严格要求时，可以对其修复的厚度进行较精确的控制，达到间隙要求。

3、本发明所述的修复金属摩擦副表面的组合物在金属摩擦副表面形成复相的金属陶瓷修复改性层，该层具有高硬度、低摩擦系数、较强的抗疲劳强度和耐高温氧化的能力和较宽的线膨胀系数的金属与陶瓷的优点。是单一金属或陶瓷所不能达到的。使金属的摩擦副的震动和噪音减少，大大提高延长摩擦副的寿命。

4、本发明所述的修复金属摩擦副表面的组合物的制备方法只需要高速均质机就可以制备修复金属摩擦副表面的组合物，操作简单。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式所述的修复金属摩擦副表面的组合物按重量份数比由5～10份氯化镍粉(NiCl₂·6H₂O)、5～10份铝粉(Al)、20～30份镍粉(Ni)、15～20份三氧化二铁粉(Fe₂O₃)、5～10份二氧化硅粉(SiO₂)、2～5份粉体悬浮剂、0.5～1份表面改性剂和14.5～47份矿物润滑油组成；所述氯化镍粉(NiCl₂·6H₂O)的粒度为0.5～2微米，所述铝粉(Al)的粒度为20～100纳米，所述镍粉(Ni)的粒度为100～200纳米，所述三氧化二铁粉(Fe₂O₃)的粒度为50～200纳米，所述二氧化硅粉(SiO₂)的粒度为100微米～200纳米。

具体实施方式二：本实施方式所述的修复金属摩擦副表面的组合物按重量份数比由5.5～9.5份氯化镍粉、5.5～9.5份铝粉、21～29份镍粉、16～19份三氧化二铁粉、5.5～9.5份二氧化硅粉、2.5～4.5份粉体悬浮剂、0.55～0.95份表面改性剂和16～45份矿物润滑油组成。其它步骤与具体实施方式一相同。此实施方式的组合物适用于机械设备中的金属摩擦副，该组合物可以根据金属摩擦副之间的间隙确定修复改性层的厚度。

具体实施方式三：本实施方式所述的氯化镍粉的粒度为0.6～1.9微米，所述铝粉的粒度为30～90纳米，所述镍粉的粒度为110～190纳米，所述三氧化二铁粉的粒度为60～190纳米，所述二氧化硅粉的粒度为300纳米～90微米。其它步骤与具体实施方式一相同。此实施方式的组合物适用于机械设备中的金属摩擦副，该组合物可以根据金属摩擦副之间的间隙确定修复改性层的厚度。

具体实施方式四：：本实施方式所述的修复金属摩擦副表面的组合物按重量份数比由6～9份氯化镍粉、6～9份铝粉、22～28份镍粉、16.5～18.5份三氧化二铁粉、6～9份二氧化硅粉、3～4份粉体悬浮剂、0.6～0.9份表面改性剂和18～42份矿物润滑油组成。其它步骤与具体实施方式一相同。此实施方式的组合物适用于机械设备中的金属摩擦副，该组合物可以根据金属摩擦副之间的间隙确定修复改性层的厚度。

具体实施方式五：本实施方式所述的氯化镍粉的粒度为0.7～1.8微米，所述铝粉的粒度为40～85纳米，所述镍粉的粒度为120～180纳米，所述三氧化二铁粉的粒度为80～180纳米，所述二氧化硅粉的粒度为5～85微米。其它步骤与具体实施方式一相同。此实施方式的组合物适用于机械设备中的金属摩擦副，该组合物可以根据金属摩擦副之间的间隙确定修复改性层的厚度。

具体实施方式六：本实施方式所述的修复金属摩擦副表面的组合物按重量份数比由7份氯化镍粉、8份铝粉、25份镍粉、18份三氧化二铁粉、7份二氧化硅粉、3.5份粉体悬浮剂、0.7份表面改性剂和32.5份矿物润滑油组成。其它步骤与具体实施方式一相同。此实施方式的组合物适用于机械设备中的金属摩擦副，该组合物可以根据金属摩擦副之间的间隙确定修复改性层的厚度。

具体实施方式七：本实施方式所述的氯化镍粉的粒度为1.7微米，所述铝粉的粒度为70纳米，所述镍粉的粒度为150纳米，所述三氧化二铁粉的粒度为150纳米，所述二氧化硅粉的粒度为10微米。其它步骤与具体实施方式一相同。此实施方式的组合物适用于机械设备中的金属摩擦副，该组合物可以根据金属摩擦副之间的间隙确定修复改性层的厚度。

具体实施方式八：本实施方式所述的表面改性剂为十二烷基苯磺酸钠CH₃(CH₂)₁₁C₄H₆SO₄Na。此实施方式中的表面改性剂起到可使本发明组合物中的粉体不发生团聚。

具体实施方式九：本实施方式所述的粉体悬浮剂是一种脂肪酸，分子式为C₁₈H₃₄O₂。此实施方式中的粉体悬浮剂提高了本发明组合物中的粉体的亲油能力，能够在润滑油中能很好地悬浮防止沉淀和在润滑脂中能够均匀的分散。

具体实施方式十：本实施方式所述的矿物基础油的型号是200SN。此实施方式中的矿物基础油起到稳定润滑油和润滑脂的性能。

具体实施方式十一：本实施方式所述的修复金属摩擦副表面的组合物的制备方法是按重量份数比将5～10份氯化镍粉(NiCl₂·6H₂O)、5～10份铝粉(Al)、20～30份镍粉(Ni)、15～20份三氧化二铁粉(Fe₂O₃)、5～10份二氧化硅粉(SiO₂)、2～5份粉体悬浮剂、0.5～1份表面改性剂和14.5～47份矿物润滑油放入高速均质机中均质30～40分钟即可。

具体实施方式十二：应用在汽缸已经严重磨损的12V190大型大马力柴油机上，汽缸压缩压力已经明显下降，排气总管冒黑烟，为了解决上述问题，所述组合物按重量份数比由10份氯化镍粉(NiCl₂·6H₂O)、10份铝粉(Al)、20份镍粉(Ni)、20份三氧化二铁粉(Fe₂O₃)、5份二氧化硅粉(SiO₂)、2份粉体悬浮剂、0.5份表面改性剂和32.5份矿物润滑油组成；所述氯化镍粉(NiCl₂·6H₂O)的粒度为1.8～2微米，所述铝粉(Al)的粒度为40～60纳米，所述镍粉(Ni)的粒度为100～150纳米，所述三氧化二铁粉(Fe₂O₃)的粒度为180～200纳米，所述二氧化硅粉(SiO₂)的粒度为5～7微米，将制备好的组合物与润滑油按重量比5∶1000的比例混合均质，将均质好的组合物加入柴油机中，结论是连续运转5小时后，汽缸压缩压力平均增长0.5兆帕，恢复到标准压力，12个缸压力基本平均。汽缸靠近上止点返25毫米圆周方向平均直径缩小3毫米，修复缸套磨损表面平均1.5毫米，表面白亮超光滑，修复层清晰可见。目测排气总管黑烟消失，偶见轻微蓝烟，恢复到正常排放水平(应用前解体测量每个气缸套上止点往下反25毫米的部位，测量圆周方向直径平均值，然后装配好在标准状态下测量各缸汽缸压缩压力)。

应用组合物前后汽缸压缩压力数据表：

应用组合物前后汽缸直径数据表：(缸径基准为190mm)

具体实施方式十三：应用在摩擦副磨损造成打桩效率明显下降的筒式打桩机上，打击能量下降到12600Nm、燃爆压力下降到410KN。为了解决上述问题，所述组合物按重量份数比由5份氯化镍粉(NiCl₂·6H₂O)、5份铝粉(Al)、25份镍粉(Ni)、25份三氧化二铁粉(Fe₂O₃)、5份二氧化硅粉(SiO₂)、2份粉体悬浮剂、0.5份表面改性剂和32.5份矿物润滑油组成；所述氯化镍粉(NiCl₂·6H₂O)的粒度为1.7～2微米，所述铝粉(Al)的粒度为70～100纳米，所述镍粉(Ni)的粒度为160～200纳米，所述三氧化二铁粉(Fe₂O₃)的粒度为180～200纳米，所述二氧化硅粉(SiO₂)的粒度为70～100微米。将制备好的组合物与润滑油按重量比1∶100进行均质，将均质好的组合物加入到打桩机润滑油箱中，连续工作8小时后，打击能量恢复到21600Nm，燃爆压力恢复到507KN，打桩机的效率恢复到新机的95％。

具体实施方式十四：应用在1260毫米长的柱塞液压泵上，该泵已经出现摩擦副间隙过大，造成漏油及压力下降，上部单侧间隙为0.027毫米，下部单侧为0.025毫米，该泵体较长，对柱塞和液压缸间隙由严格要求，单侧间隙在0.008～0.01毫米之间(由于该泵使用的液压油数量多，把该泵放在柱塞泵试验台上进行处理，以节约组合物的用量和便于测量)。所述组合物按重量份数比由5份氯化镍粉(NiCl₂·6H₂O)、15份铝粉(Al)、20份镍粉(Ni)、20份三氧化二铁粉(Fe₂O₃)、5份二氧化硅粉(SiO₂)、2份粉体悬浮剂、0.5份表面改性剂和32.5份矿物润滑油组成；所述氯化镍粉(NiCl₂·6H₂O)的粒度为1.7～2微米，所述铝粉(Al)的粒度为60～80纳米，所述镍粉(Ni)的粒度为120～150纳米，所述三氧化二铁粉(Fe₂O₃)的粒度为180～200纳米，所述二氧化硅粉(SiO₂)的粒度为8～10微米。将制备好的组合物与液压油按重量比1∶1000进行均质，将均质好的组合物加入试验台油箱中，累计工作16小时后，上部单侧间隙恢复到0.01毫米，下部单侧间隙恢复到0.009毫米，保证了摩擦间隙的设计规定。

工作机理：

本发明的工作机理是利用摩擦副摩擦瞬间产生的一个较低能量，以二氧化硅颗粒作为摩擦副之间压力传递的介质，在一定的摩擦瞬间温度下(不小于350℃)，压力传递介质将压力作用在组合物中的纳米铝粉上，使纳米级的铝粉与氧发生氧化反应放出大量的热，通过颗粒作用在局部接触表面产生超高压强和材料反应放热的综合能量下，来达到修复金属摩擦副表面的目的。通过改变压力传递介质颗粒的粒径来控制摩擦副的间隙，从而实现对摩擦副表面修复厚度的自动控制。

本发明的组合物沉积在摩擦微观表面的凸凹处，氯化镍在摩擦时对金属摩擦副表面产生活化作用，金属摩擦表面处在一个及不稳定的活性状态，造成组合物会吸附在摩擦副表面的凸凹处，在摩擦产生一定的温度下，压力传递介质将高压作用在摩擦表面吸附的组合物上，纳米铝粉首先与三氧化二铁反应，释放出大量的反应热，在摩擦瞬间产生高温的基础上增加了热能与在二氧化硅颗粒传递的高压力双重作用下，修复组合物与金属摩擦副表面、修复改性层表面进行快速反应，铁与镍形成铁镍合金，铁镍合金和被氯化镍活化的金属摩擦副表面、修复改性层表面发生反应，在纳米铝粉与三氧化二铁的反应中，铝粉被强烈氧化，释放出大量的反应热，铁被还原。经过大量的试验，对铝粉进行差热分析，粒径20微米的铝粉在630摄氏度时，会放出一个氧化反应放热峰值，10微米的铝粉在580摄氏度时，会放出一个放热峰值，纳米铝粉在350摄氏度时，会放出一个放热峰值，在温度加上二氧化硅将高压力作用在铝粉上的条件下，铝粉的放热峰值的温度在350摄氏度以下，摩擦瞬间能够充分满足这个温度条件。铝粉在氧化还原铁的同时形成了金属氧化物陶瓷三氧化二铝，与镍铁化合形成镍铁合金基金属氧化物金属陶瓷层，二氧化硅作为摩擦副压力传递的介质，由于一小部分会在传递压力的同时会破碎，破碎的二氧化硅又与镍铁合金形成了镍铁合金基非金属氧化物金属陶瓷层，最终形成以镍铁合金基金属氧化物、非金属氧化物的复相金属陶瓷修复改性层。修复改性层与金属摩擦副表面是原子和分子间的健合，在二氧化硅颗粒作为压力传递介质的条件下(若干个二氧化硅颗粒传递着整个摩擦副的载荷，接触局部压强高达几百兆帕至及G帕)，有些反应是一个非平衡过程，元素的浓度不受平衡相图控制，可以得到超出平衡相图所规定的新结构。具有一定弹性变形能力的二氧化硅类球形颗粒在作为压力传递介质中，将颗粒变形、破碎发生的机率降低在10％以下，这些都是因为二氧化硅在添加到本发明组合物中经过一些特殊处理，使具有较高硬度和脆性的二氧化硅颗粒具有一定的弹性变形能力和具有类球形颗粒优化处理的结果。

在这种综合能量和活化、极高接触压力的条件下，保持修复改型层的增长，使摩擦副几何尺寸回复或接近新品尺寸，例如摩擦副新品的间隙是5微米，当修复到摩擦副间隙接近5微米时，传递压力介质的二氧化硅颗粒的粒径是5～10微米左右，颗粒被载体带不到摩擦表面上，其作用无法发挥(在这里二氧化硅颗粒粒径5～10微米只是举例说明，如果选用1～0.5微米粒径的二氧化硅颗粒，可以使摩擦副修复到1～0.5微米的间隙，根据实际需要，有些摩擦副对间隙有特殊要求时，粒径范围是一个有正差很小的固定值)，所以就停止了对摩擦表面的修复。根据其作用机理，调整二氧化硅颗粒粒径可以实现对金属摩擦副修复改性厚度较精确的控制。比如将二氧化硅颗粒粒径调整到已知的摩擦副设计间隙的尺度要求，就会很好的将摩擦副的几何尺寸恢复到原型尺寸或达到设计标准范围，就会实现对修复厚度的较准确的控制。

Claims

1.一种修复金属摩擦副表面的组合物，其特征在于：所述组合物按重量份数比由5～10份氯化镍粉、5～10份铝粉、20～30份镍粉、15～20份三氧化二铁粉、5～10份二氧化硅粉、2～5份粉体悬浮剂、0.5～1份表面改性剂和14.5～47份矿物润滑油组成；所述氯化镍粉的粒度为0.5～2微米，所述铝粉的粒度为20～100纳米，所述镍粉的粒度为100～200纳米，所述三氧化二铁粉的粒度为50～200纳米，所述二氧化硅粉的粒度为200纳米～100微米。

2.根据权利要求1所述的修复金属摩擦副表面的组合物，其特征在于：所述组合物按重量份数比由5.5～9.5份氯化镍粉、5.5～9.5份铝粉、21～29份镍粉、16～19份三氧化二铁粉、5.5～9.5份二氧化硅粉、2.5～4.5份粉体悬浮剂、0.55～0.95份表面改性剂和16～45份矿物润滑油组成。

3.根据权利要求1所述的修复金属摩擦副表面的组合物，其特征在于：所述氯化镍粉的粒度为0.6～1.9微米，所述铝粉的粒度为30～90纳米，所述镍粉的粒度为110～190纳米，所述三氧化二铁粉的粒度为60～190纳米，所述二氧化硅粉的粒度为300纳米～90微米。

4.根据权利要求1所述的修复金属摩擦副表面的组合物，其特征在于：所述组合物按重量份数比由6～9份氯化镍粉、6～9份铝粉、22～28份镍粉、16.5～18.5份三氧化二铁粉、6～9份二氧化硅粉、3～4份粉体悬浮剂、0.6～0.9份表面改性剂和18～42份矿物润滑油组成。

5.根据权利要求1所述的修复金属摩擦副表面的组合物，其特征在于：所述氯化镍粉的粒度为0.7～1.8微米，所述铝粉的粒度为40～85纳米，所述镍粉的粒度为120～180纳米，所述三氧化二铁粉的粒度为80～180纳米，所述二氧化硅粉的粒度为5～85微米。

6.根据权利要求1所述的修复金属摩擦副表面的组合物，其特征在于：所述组合物按重量份数比由7份氯化镍粉、8份铝粉、25份镍粉、18份三氧化二铁粉、7份二氧化硅粉、3.5份粉体悬浮剂、0.7份表面改性剂和32.5份矿物润滑油组成；所述氯化镍粉的粒度为1.7微米，所述铝粉的粒度为70纳米，所述镍粉的粒度为150纳米，所述三氧化二铁粉的粒度为150纳米，所述二氧化硅粉的粒度为10微米。

7.根据权利要求1、2、4或6所述的修复金属摩擦副表面的组合物，其特征在于：所述表面改性剂为十二烷基苯磺酸钠CH₃(CH₂)₁₁C₄H₆SO₄Na。

8.根据权利要求1、2、4或6所述的修复金属摩擦副表面的组合物，其特征在于：所述粉体悬浮剂是一种脂肪酸，分子式为C₁₈H₃₄O₂。

9.根据权利要求1、2、4或6所述的修复金属摩擦副表面的组合物，其特征在于：所述矿物基础油的型号是200SN。

10.权利要求1所述的修复金属摩擦副表面的组合物的制备方法，其特征在于：按重量份数比将5～10份氯化镍粉、5～10份铝粉、20～30份镍粉、15～20份三氧化二铁粉、5～10份二氧化硅粉、2～5份粉体悬浮剂、0.5～1份表面改性剂和14.5～47份矿物润滑油放入高速均质机中均质30～40分钟即可。