CN102230063B - 在金属摩擦副摩擦表面形成纳米结构的方法及专用组合物 - Google Patents
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Abstract
一种在金属摩擦副表面形成纳米结构的方法及专用组合物。将本发明专用组合物按0.01％-2％的重量比添加到金属摩擦副所使用的润滑介质中，在金属摩擦副工作状态下，润滑介质将本发明使用的专用组合物微粒带入摩擦副的摩擦表面，组合物微粒在摩擦副摩擦表面产生的高接触压力和摩擦表面之间相对运动产生的挤压与滚压的复合作用力的反复作用下，重复使摩擦表面的粗晶组织产生强烈的微观塑性变形，金属摩擦副累计工作运转1-100小时，能分别在金属摩擦副各自的摩擦表面有效地在线实现纳米结构晶层，晶粒的尺寸为100纳米以下，纳米结构晶层厚度为2-10微米。具有处理极其简便、生产效率极高、处理成本低和无需消耗处理能耗等优点。非常适用于大范围工业化推广和实现规模化生产。这将对我国的机械装备制造业和机械零部件加工业产生深远的影响。
Description
技术领域：
本发明涉及金属表面纳米化处理领域，具体涉及一种在金属摩擦副摩擦表面形成纳米结构的方法及专用组合物。
背景技术：
金属表面纳米化即利用各种物理或化学方法将材料的表层晶粒细化至纳米量级，制备出具有一定深度的纳米结构的表层，但是基体仍然保持原有的粗晶状态，借以改善和提高金属材料的表面性能，如疲劳强度、抗应力腐蚀和耐磨性等。金属表面纳米结构表层的硬度显著提高，表面以下亚微晶层的硬度也显著增加。在提高金属材料表面整体性能的同时不明显降低金属材料的韧性，有效地提高机械零件的抗疲劳、耐磨、防腐等性能，从而保障机械装备安全稳定运行，延长其有效服役寿命，具有重要的经济和实用价值，应用前景十分广阔。
目前实现金属表面纳米化的技术有高能喷丸、超声机械振动、机械研磨、溅射、纳米喷涂、纳米刷度等。经过调研，由于现有技术在实现金属表面纳米化时受到需要专用的处理设备、复杂的处理工艺、生产成本高、零部件的形状和尺寸及处理后表面粗糙度过粗等因素限制，还很难广泛应用到实际当中，并未在工业中广泛推广和规模化生产，其原因在于上述金属表面纳米化技术存在如下不足：
1、机械装备中的金属摩擦零部件采用金属表面纳米化技术处理的意义与市场前景巨大，是重点应用领域。采用以上金属表面纳米化技术处理零部件需要专用的处理设备、复杂的处理工艺和专业操作技术人员在离线状态下来实现，对再用设备的金属摩擦部件进行处理时，被处理部件需从设备中拆卸下进行离线处理，存在处理难度大、不方便、耗费能量和处理成本高不利因素，严重阻碍其技术的工业化推广和规模化生产。
2、对处理工零件几何形状和尺寸有一定的限制，不能很好地或不能在其表面形成纳米结构晶层，例如：复杂曲面、小尺寸内孔表面等。严重影响此类技术的应用范围。
3、有些纳米化技术处理后的零部件表面粗糙度等级很低，会抵消纳米化的作用，失去了处理的意义。另外对金属表面的粗糙度等级有较高要求的，不能适用或不太适用。表面粗糙度与机械零件的配合性质、耐磨性、疲劳强度、接触刚度、振动和噪声等有密切关系，对机械产品的使用寿命和可靠性有重要影响。因此造成实用性较低。
发明内容：
本发明为了弥补上述技术的不足，提供了一种在金属摩擦副摩擦表面形成纳米结构的方法及专用组合物。它不依靠专用的设备、复杂的处理工艺而是将本发明专用材料添加在摩擦副使用的润滑介质中，利用金属摩擦副自身在工作状态下，运转1-100小时，分别在金属摩擦副各自的摩擦面有效地在线实现组织和性能均匀的纳米结构晶层，晶粒的尺寸为100纳米以下，纳米结构晶层厚度为2-10微米。进而提高金属摩擦副摩擦表面的综合性能。可以实现工业化推广和规模化生产。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：在金属摩擦副表面形成纳米结构的方法是按照以下步骤实现的：
步骤1)：制备在金属摩擦副摩擦表面形成纳米结构的方法中所使用的专用组合物，按重量份数比将6-11份的蛋白石粉末、11-21份的蛭石粉末、3-7份的费石粉末、3-5份的分散剂和30-50份的润滑油放入胶体磨中研磨10小时，最后制备出由蛋白石粉末、蛭石粉末、沸石粉末和润滑油组成的本发明专用组合物。
步骤2)：将本发明使用的专用组合物按0.01-2％的重量比添加到金属摩擦副所使用的润滑介质中，在金属摩擦副工作状态下，润滑介质将本发明使用的专用组合物微粒带入摩擦副的摩擦表面，组合物微粒在摩擦副摩擦表面之间产生的高接触压力和摩擦表面之间相对运动产生的挤压与滚压的复合作用力的反复作用下，重复使摩擦表面的粗晶组织产生强烈的微观塑性变形，金属摩擦副累计工作运转1-100小时，能分别在金属摩擦副各自的摩擦表面有效地在线实现纳米结构晶层，晶粒的尺寸为100纳米以下，纳米结构晶层厚度为2-10微米。
本发明具有以下有益效果：
1)具有在金属摩擦副工作状态中，同时在摩擦副各自的摩擦表面有效地在线实现组织和性能均匀的纳米结构晶层，晶粒的尺寸为100纳米以下，纳米结构厚度范围为2-10微米，足以保证金属摩擦副部件获得力求达到的特性，例如：希望的机械性能(耐疲劳、抗磨耐磨、抗应力下的腐蚀等性能)。纳米化不仅提高了金属摩擦副摩擦表面的性能，而且对金属摩擦副部件和装备整体也产生了积极作用。在摩擦副处于工作状态下在线实现的处理方式，非常适用于大范围的工业化推广和规模化生产。
2)本发明可以同时对存在一个润滑系统中的全部金属摩擦副的摩擦表面，进行纳米化处理并在其表面形成纳米结构晶层。处理及其简便、效率极高，极大地拓宽了应用领域。这将对我国的装备制造业和机械零部件的加工行业产生深远影响。例如，在大型复杂机械装备、风电设备、轴承、汽车、船舶、军事装备与武器装备等高端机械装备制造业应用。
3)金属摩擦副摩擦表面形成的纳米结构晶层，在金属摩擦副工作运转中发生磨损变薄或全部磨损消失后，无需拆卸即可重复在线处理。处理工艺十分简便易行、效率高。对我国机械装备的维修与养护产生促进作用。
4)本发明处理时受零部件形状和尺寸限制的因素非常少，零部件只要处于摩擦副运动结构形式，有润滑油或润滑脂润滑就可在摩擦表面实现纳米结构晶层。极大地拓宽了适用范围，实用性明显增强。
5)经本发明实现纳结构的金属摩擦副摩擦表面，表面粗糙度等级非常高，通常处于十二级以上，不会降低原摩擦表面的粗糙度等级，而且还可大幅度提高表面粗糙度等级。对摩擦表面粗糙度等级有较高要求的金属摩擦副零部件更为适用。表面粗糙度的等级提高，对摩擦部件的配合精度、震动、噪音都具有明显的优化作用。
6)本发明在实施处理金属摩擦副摩擦表面时，不需要专用的设备、复杂的处理工艺和专业操作技术人员，也无需消耗额外的处理能耗。具有处理成本低、生产效率高优点明显。
本发明的原理是：在金属摩擦副工作状态下，以金属摩擦副所使用的润滑介质为载体，将本发明所使用的专用组合物微粒带入摩擦表面，组合物微粒在摩擦副摩擦表面之间产生的高接触压力与摩擦表面之间相对运动产生的挤压与滚压的复合作用力的反复作用下，重复使摩擦表面的粗晶组织产生强烈的微观塑性变形，晶粒不断碎化、细化。摩擦表面在摩擦产生的瞬间高温下发生局部再结晶，由于温度瞬间的骤升和骤降，再结晶的晶粒尺度大幅度降低，摩擦表面的粗晶逐渐细化。塑性变形由摩擦表面开始，并逐渐向深层延伸，塑性变形层的厚度逐渐增大至10微米时塑性变形强度开始逐渐减小，随着深层处的金属基体塑性变形强度减小晶粒尺寸又逐渐增大并恢复到原始的粗晶状态。在以上晶粒细化的机理下，最终在金属摩擦副摩擦表面形成晶粒尺寸为10-100纳米厚度在2-10微米的纳米结构晶层。例如，在空气压缩机缸套与活塞环配对金属摩擦副上，实现在汽缸套有效形行程内的铸钢表面上获得20纳米晶粒的结构晶层厚度约10微米，汽缸套铸钢表面原始晶粒尺寸在500纳米。在活塞环的铸铁表面上获得30纳米尺度的晶粒的结构晶层厚度为7微米。
由于本发明使用的专用组合物微粒是层状结构，在受到摩擦副产生的较大的剪切力作用时，剪切力大于层间的结合力时，层间出现滑移或材料微粒发生解离，不但不会对摩擦表面产生磨损而且还会起到固体滑润滑剂润滑作用。
由于专用组合物微粒在摩擦副摩擦表面之间产生的高接触压力和摩擦表面之间相对运动产生的挤压与滚压复合的作用力反复作用下，可以在表层形成具有一定厚度的残余压应力层。摩擦表面的残余压应力存在，抵消了摩擦表面受载时表面的一部分或全部拉应力，最大拉应力从摩擦表面移向内部，使疲劳裂纹在表面难以形成，而在硬化层以下拉应力区的某一薄弱晶粒内产生。此时，疲劳源在表面时，疲劳源放出的位错一端就可以自由移出表面，这样开动新的位错就需要更大的驱动力。也就是说萌生内部疲劳裂纹的临界抗力要高于在表面萌生的疲劳裂纹的临界抗力。这就说明残余压应力的存在会提高疲劳寿命。
由于摩擦表面的晶粒细化和本发明中使用的专用组合物微粒对摩擦表面产生加工硬化效应的共同作用下，摩擦表面形成的纳米结构晶层的硬度获得大幅度提高。
金属摩擦副摩擦表面形成纳米结构晶层后，其机械、物理和化学等方面性能明显优于普通金属材料。可以广泛应用在大型复杂集成度高的机械设备、内燃机、变速箱、轴承、液压设备、压缩机等工程、冶金、石油、建筑、交通、军事、武器等领域的机械装备中存在的金属摩擦副。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式所述的在金属摩擦副摩擦表面形成纳米结构的方法及专用组合物是按照以下步骤来实现的：
步骤1)：制备在金属摩擦副摩擦表面形成纳米结构的方法中所使用的专用组合物，按重量份数比将6-11份的蛋白石粉末、11-21份的蛭石粉末、3-7份的费石粉末、3-5份的分散剂和30-50份的润滑油放入胶体磨中研磨10小时，最后制备出由蛋白石粉末、蛭石粉末、沸石粉末和润滑油组成的本发明专用组合物。
步骤2)：将本发明使用的专用组合物按0.01-2％的重量比添加到金属摩擦副所使用的润滑介质中，在金属摩擦副工作状态下，润滑介质将本发明使用的专用组合物微粒带入摩擦副的摩擦表面，组合物微粒在摩擦副摩擦表面之间产生的高接触压力和摩擦表面之间相对运动产生的挤压与滚压的复合作用力的反复作用下，重复使摩擦表面的粗晶组织产生强烈的微观塑性变形，金属摩擦副累计工作运转1-100小时，能分别在金属摩擦副各自的摩擦表面有效地在线实现纳米结构晶层，晶粒的尺寸为100纳米以下，纳米结构晶层厚度为2-10微米。
具体实施方式二：本实施方式所述制备在金属摩擦副摩擦表面形成纳米结构的方法中所使用的专用组合物，按重量份数比将6份的蛋白石粉末、11份的蛭石粉末、3份的沸石粉末和30份的润滑油放入胶体磨中研磨10小时，最后制备出由蛋白石粉末、蛭石粉末、沸石粉末和润滑油组成的本发明专用组合物。采用此实施方式适用于处理由有色金属及其合金与中、低碳钢材料分别制成并配对的摩擦副。
具体实施方式三：：本实施方式所述制备在金属摩擦副摩擦表面形成纳米结构的方法中所使用的专用组合物，按重量份数比将11份的蛋白石粉末、21份的蛭石粉末、7份的沸石粉末和50份的润滑油放入胶体磨中研磨10小时，最后制备出由蛋白石粉末、蛭石粉末、沸石粉末和润滑油组成的本发明专用组合物。采用此实施方式适用于处理由轴承钢与轴承钢材料分别制成并配对的摩擦副。
具体实施方式四：本实施方式所述制备在金属摩擦副摩擦表面形成纳米结构的方法中所使用的专用组合物，按重量份数比将8份的蛋白石粉末、15份的蛭石粉末、5份的沸石粉末和40份的润滑油放入胶体磨中研磨10小时，最后制备出由蛋白石粉末、蛭石粉末、沸石粉末和润滑油组成的本发明专用组合物。采用此实施方式适用于处理由不锈钢与铸铁料分别制成并配对的摩擦副。
具体实施方式五：本实施方式所述制备在金属摩擦副摩擦表面形成纳米结构的方法中所使用的专用组合物，按重量份数比将8.5份的蛋白石粉末、16份的蛭石粉末、5份的沸石粉末和40份的润滑油放入胶体磨中研磨10小时，最后制备出由蛋白石粉末、蛭石粉末、沸石粉末和润滑油组成的本发明专用组合物。采用此实施方式适用于处理由多种不同金属与多种不同金属材料制成并任意配对的摩擦副。
具体实施方式六：本实施方式在步骤2)中，将本发明使用的专用组合物按0.03％的重量比添加到金属摩擦副所使用的润滑介质中，其它步骤与具体实施方式一)相同。采用此实施方式适用于添加按具体实施方式二中所制备出的本发明专用组合物。
具体实施方式七：本实施方式在步骤2)中，将本发明使用的专用组合物按0.03％的重量比添加到金属摩擦副所使用的润滑介质中，其它步骤与具体实施方式一)相同。采用此实施方式适用于添加按具体实施方式三中所制备出的本发明专用组合物。
具体实施方式八：本实施方式在步骤2)中，将本发明使用的专用组合物按0.03％的重量比添加到金属摩擦副所使用的润滑介质中，其它步骤与具体实施方式一)相同。采用此实施方式适用于添加按具体实施方式四中所制备出的本发明专用组合物。
具体实施方式九：本实施方式在步骤2)中，将本发明使用的专用组合物按1.005％的重量比添加到金属摩擦副所使用的润滑介质中，其它步骤与具体实施方式一)相同。采用此实施方式适用于添加按具体实施方式五中所制备出的本发明专用组合物。
实施例一：应用在功率为100KW往复活塞式空气压缩机上，该空气压缩机汽缸套的材质为铸钢，活塞环的材质为中碳钢，润滑形式为飞溅稀油润滑，润滑油的重量为30公斤。采用具体实施方式四制成的本发明专用组合物按具体实施方式八所述2％的重量比添加到空气压缩机润滑油中，然后启动空气压缩机，累计工作10小时后，将空气压缩机解体，将汽缸套和活塞环制备成试样，又将未进行表面纳米化处理的该压缩机汽缸套和活塞环备件制备成试样，经JEOL-200CXTEM断面、表面检测分析，在铸钢汽缸套试样表面形成8微米厚晶粒尺寸在15-35纳米范围的纳米结构晶层，在活塞环摩擦工作表面形成6微米厚晶粒尺寸在12-25纳米范围的结构纳米结构晶层。按上述方法将未经过本发明处理的汽缸套和活塞环试验按同样的方法检测，铸钢汽缸套表面的晶粒尺寸在500-700纳米之间，活塞环工作表面的晶粒尺寸在320-370纳米之间，空气压缩机汽缸套与活塞环经本发明的方法处理10小时后，分别在汽缸套和活塞环表面形成质量优异的纳米结构晶层。
实施例二：应用在6V190柴油机上，因为该柴油机运行接近15年，已超过报废期限，所以选用这台柴油机作为受试对象十分理想，因此可以对摩擦部件进行有损检测，验证本发明效果。采用具体实施方式五制成的本发明专用组合物按具体实施方式九所述1.005％的重量比添加到柴油内燃机的润滑油中，让其工作运行100小时。运转11小时后将柴油机解体，选取曲轴刚背铝基轴瓦的下瓦和对磨的曲轴做成检测试样，经过JEOL-200CX TEM断面、表面进行检测，检测分析结果表明下轴瓦的铝合金表面形成晶粒大小为10-12纳米厚度为2微米的纳米结构晶层，曲轴试样表面形成晶粒大小为20-40纳米厚度为7微米的纳米结构晶层。
又选取内燃机主轴轴承的内、外圈及滚动体制备检测试样，经JEOL-200CX TEM断面、表面分析检测分别在轴承的内、外圈和滚动体钢球表面形成晶粒大小为10-12纳米厚度为9微米的纳米结构晶层。
又选取柴油内燃机铸钢材质连杆轴销与铜质销轴套制备试样，经JEOL-200CX TEM断面、表面分析检测，在轴销试样的表面形成晶粒大小为10-16纳米厚度为7微米的纳米结构晶层，在铜制的轴套试样的表面上形成晶粒大小为18-23纳米厚度为15微米的纳米结构晶层。
将本发明的专用组合物一次性添加在柴油机的润滑油中，经过100小时的运行，同时在柴油机润滑系统中存在的多个金属摩擦副的摩擦表面上形成纳米结构晶层。
实施列三：应用在大型轴流风机上7330向心轴承上，该轴承的转速为每分钟3000转，精度为P5。润滑形式为开放式润滑脂润滑，轴承的内外圈与滚动体钢球都是GCr15轴承钢材料制成，轴承的内外圈工作摩擦表面与滚动体钢球的表面硬度为HRC580-61。该风机上一共有4套该型号轴承，选取2套新品作为实验对象，一套采用本发明处理另一套保持原样。采用具体实施方式三制成的本发明专用组合物按具体实施方式七所述0.03％的重量比添加到轴承使用的润滑脂中，添加时需本发明组合物与轴承用润滑脂需均质，让其与另一套轴承工作运行4小时，然后将两套轴承的内、外圈和滚动体做好检测试样，经JEOL-200CX TEM检测分析经本发明处理的轴承内、外圈摩擦工作表面形成晶粒为18-25纳米厚度为2微米的纳米结构晶层，在滚动体钢球表面形成晶粒为11-13纳米厚度为3微米的纳米结构晶层。为经本发明处理的轴承内外圈摩擦工作表面的晶粒尺寸均为260-280纳米，滚动体钢球表面晶粒尺寸为300纳米。经本发明处理后的轴承的内、外圈和滚动体表面的晶粒尺寸大幅度减小，在轴承工作运转状态下同时在各摩擦表面形成纳米结构晶层。
Claims (2)
1.在金属摩擦副摩擦表面形成纳米结构的方法，其特征在于：所述方法是按照以下步骤实现的：步骤1)：制备在金属摩擦副摩擦表面形成纳米结构的方法中所使用的专用组合物，按重量份数比将6-11份的蛋白石粉末、11-21份的蛭石粉末、3-7份的沸石粉末、3-5份的分散剂和30-50份的润滑油放入胶体磨中研磨10小时，最后制备出由蛋白石粉末、蛭石粉末、沸石粉末、分散剂和润滑油组成的专用组合物；步骤2)：将专用组合物按0.01-2％的重量比添加到金属摩擦副所使用的润滑介质中，在金属摩擦副工作状态下，润滑介质将专用组合物微粒带入摩擦副的摩擦表面，组合物微粒在摩擦副摩擦表面之间产生的高接触压力和摩擦表面之间相对运动产生的挤压与滚压的复合作用力的反复作用下，重复使摩擦表面的粗晶组织产生强烈的微观塑性变形，金属摩擦副累计工作运转1-100小时，能分别在金属摩擦副各自的摩擦表面有效地在线实现纳米结构晶层，晶粒的尺寸为100纳米以下，纳米结构晶层厚度为2-10微米。
2.根据权利要求1所述在金属摩擦副摩擦表面形成纳米结构的方法，其特征在于，所述方法中金属摩擦副所使用的润滑介质，是机械设备领域中使用的润滑油和润滑脂。
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