[實用新型]一種金屬表面磨損自修復鍍層制備裝置

無效

• 申請號: 200720012975.1
• 申請日: 2007-06-25
• 公開（公告）號: CN201046996Y
• 公開（公告）日: 2008-04-16
• 發明（設計）人: 嚴志軍;朱新河;高玉周;程東;劉一梅;徐久軍
• 申請（專利權）人: 大連海事大學
• 主分類號: C25D17/00
• 分類號: C25D17/00;C25D5/18
• 代理公司: 大連八方知識產權代理有限公司
• 代理人: 衛茂才

技術領域

本實用新型涉及到一種金屬表面磨損自修復鍍層制備和零件修復工藝，屬于材料表面工程技術領域。

背景技術

磨損是機械零件失效的主要原因之一，世界上每年由于磨損造成的損失十分巨大。在材料表面工程領域，國內外在提高摩擦副壽命的研究主要集中在兩方面：一是改善鋼制零件表面微觀結構或成分；二是通過添加潤滑劑或潤滑油，或是在摩擦副表面生成固體潤滑膜。實現機械零件摩擦磨損自修復是材料學和摩擦學設計的重要目標。

金屬磨損自修復技術是20世紀70年代由前蘇聯學者提出的，上世紀末該技術被引進我國并在工程實驗應用中取得了明顯效果，是一項全新的表面工程和綠色再制造技術。

所謂的金屬磨損自修復技術是指采用金屬或非金屬細小顆粒添加到油品和潤滑脂中使用，在摩擦磨損條件下可以在機械零件表面上生成自修復保護膜層。其中引起廣泛關注的自修復材料是主要成分為蛇紋石(羥基硅酸鎂)為主的多種復雜組分構成的潤滑油添加劑，因為自修復實際上是一種條件自修復，與摩擦副相對運動和潤滑材料密切相關。潤滑介質中的礦物顆粒和金屬表面是否發生具有自修復作用的置換反應取決于摩擦過程中多種過程和條件，因此出現其應用的實際效果不夠穩定的現象。另外該技術受摩擦副形狀和摩擦條件的限制，應用面是有限的。而利用含有自修復礦物成分的復合材料來改善鋼制零件表面成分，并實現磨損自修復的技術則未見報道。

發明內容

本實用新型的目的就是提供一種具備磨損自修復功能的金屬表面復合鍍層材料，使得金屬零件在運行中能夠實現磨損自修復，顯著延長零件的使用壽命，同時能夠顯著降低摩擦副之間的摩擦系數的金屬表面磨損自修復鍍層制備裝置。

本實用新型的技術構思是，將自修復礦物添加劑直接加入金屬基體，使得礦物顆粒在基體中以復合物形態存在，確保在摩擦磨損過程中，微凸體接觸時產生的閃溫，使顆粒相中的鎂原子與金屬基體中的鐵原子發生均勻的置換反應，最終在摩擦表面生成具有自修復作用的陶瓷層。

采用超高頻脈沖電鍍方法，在金屬零件表面獲得鐵及其合金與羥基硅酸鎂等微礦物顆粒構成的復合鍍層。該復合鍍層表面在摩擦過程中，礦物顆粒材料粉碎并與摩擦面上的鐵基金屬產生置換反應，能持續生成致密的鐵基硅酸鹽金屬陶瓷層并能部分或全部恢復磨損部位尺寸，在零件運行動態過程中完成磨損部位的自修復，顯著延長零件的使用壽命。表面鍍層磨損率較基體降低15％以上。同時，摩擦表面硬度和光潔度提高，摩擦系數大幅度降低。

本實用新型的技術原理是，蛇紋石，即羥基硅酸鎂，屬1∶1型三八面體層狀含水硅酸鹽，理想分子式為Mg₃(Si₂O₅)(OH)₄，結晶構造式為3MgO·2SiO₂·2H₂O，其中結構水主要以羥基的形式存在于晶體結構單元層的八面體片中。蛇紋石具有很高的活性，主要是蛇紋石存在許多活性基團，即O-Si-O鍵、Si-O-Si鍵、含鎂鍵類、羥基和氫鍵。特別是O-Si-O鍵，該鍵在高溫時易發生斷裂。氧與硅的共價鍵斷裂后，能夠產生出兩種氧：O^*-和O，^*表示有1個未偶電子，與金屬易形成共價鍵型的高氧化態氧化物陶瓷結構。

在材料摩擦過程中，以羥基硅酸鎂為主的復雜無機礦石組合物能夠從復合材料中釋放出來，在摩擦力作用下粉碎并均勻分布于鐵質基體表面，與基體鐵基金屬充分均勻接觸。同時，在摩擦磨損過程中，微凸體發生斷裂時產生的閃溫，使微粒晶體中的鎂原子與金屬表層的鐵原子發生置換反應，在摩擦表面生成鐵硅酸鹽新晶體。在摩擦能的作用下，新晶體在摩擦表面不斷增加，最終形成了與鐵基金屬成化學鍵結合的耐磨保護層。

這些硅酸鹽物質在高溫高壓下在金屬材料表面形成晶體，由于蛇紋石及其轉換產物都為層狀結構，在應力作用下層間易發生錯動，因此摩擦系數很小，大大降低了摩擦副之間的摩擦磨損。

表面層的厚度并不是線性增長，保護層的生成速度和厚度與摩擦釋放的能量及礦物顆粒釋放的數量成正比，而是自動調節的：當磨損發生時，摩擦能增高，礦物材料和摩擦副表面發生的一系列復雜的反應開始進行，保護膜層同時開始生長；而當磨痕獲得修復時，金屬間釋放的摩擦能降低，礦物材料和摩擦副表面的一系列反應就會停止，保護膜層也就不再增厚。因此，修復劑微粒發生化學反映生成保護層的部位是有選擇性的，它只在金屬磨損的部位上發生。