装备在运行过程中的修复技术研究.pdf

第六届奎目表面工程学砖冶议 兰州2 0 0 6 年8 月 装备在运行过程中的修复技术研究 王晓丽1 徐滨士于鹤龙许一史佩京 ( 装甲兵工程学院，再制造技术国防科技重点实验室，北京1 0 0 0 7 2 ) 掖要：以基础润滑油6 5 0 S N 、添加了一定量纳米铜添加剂的6 5 0 S N 、坦克润滑油5 0 C C 和添加了 一定量纳米铜添加剂的5 0 C C 为润滑介质，采用摩擦磨损试验机考察了4 5 # 钢摩擦表面在不同润滑 介质中的摩擦学性能，并对磨损表面进行了扫描电子显微镜、能谱及纳米压痕测试结果表明，润 滑油中加入纳米铜添加剂，在摩擦过程中可使磨损表面形成一层纳米化的铜修复膜，纳米化的铜修 复膜具有较高的弹性和较低的硬度，是一种低剪切强度的软膜，它不仅具有良好的减摩抗磨效果， 而且对磨痕表面具有较好的修复性能． 关键词：纳米添加剂；摩擦磨损性能；润滑；纳米化修复膜 装备在运行过程中的修复技术是一种通过摩擦化学作用实现的装备减摩、自强化、自愈合、自 修复的技术将含有纳米颗粒的复合添加剂加入到车辆等装备的润滑油中，运行过程中，在一定温 度、压力、摩擦力作用下，发生摩擦化学作用，添加剂中的纳米颗粒就会在摩擦表面沉积，并与表 面作用，填补表面微观沟谷，从而形成一层具有抗磨减摩作用的液态或固态修复膜【l - 2 】。

在国外，俄罗斯等一些国家将润滑油纳米添加剂的修复技术广泛地应用于舰船、坦克、装甲车 等动力装置上该技术的应用提高了发动机的动力性，降低了摩擦磨损，延长了装备的使用寿命口】 在国内装备再制造技术国防科技重点实验室等单位先后对该技术进行了研究和应用[ 4 - 0 3 装备再制 造技术国防科技重点实验室研制的含纳米C u 颗粒的复合型添加剂M 6 具有良好的减摩、抗磨性能， 且成本低，污染少，修复功能高等特点，被总装备部指定为军用车辆装备自修复的首选添加剂之一， 该添加剂在军事装备的修复应用中，取得了良好的效果，如某型主战坦克，常年满负荷训练使用， 由于零部件老化，气候恶劣，加之操作不当等人为因素，发动机经常发生故障，影响了正常的训练 任务添加该添加剂以后，主战坦克在训练过程中发动机的润滑状态有了明显的改善，不仅提高了 动力性，而且减少了机油消耗[ 7 - 9 ] 这充分说明润滑油纳米铜添加剂在装备运行过程中起到了良好 的修复作用，本文对纳米铜添加剂的这种修复技术进行研究 ‘ 1 实验部分 1 ．1 润滑材料 实验所用添加剂为自制的纳米铜添加剂，所选取的润滑油为基础润滑油6 5 0 S N 和坦克润滑油 5 0 C C 。

实验用润滑介质分别为6 5 0 S N 、添加了0 ．1 ％纳米铜添加剂的6 5 0 S N 、5 0 C C 和添加了0 ．1 ％ 纳米铜添加剂的5 0 C C 1 ．2 测试方法 采用M M - 2 0 0 型摩擦磨损试验机进行摩擦磨损实验，试验机的工作原理如图l ( a ) 所示环，块 试样为4 5 # f 1 再，其硬度为2 1 0 I - I B ，上试样的尺寸为3 0m m x l 0 脚n ) ( ①1 6 m m ；下试样的尺寸为4 0 m m x l 0 眦n ×①1 6 m m [ 图1 ( b ) 】实验自室温开始，实验条件为转速2 0 0r ／m i n 、载荷4 0 0N 、时间9 0 m i n 通过传感器将信号传递到计算机，记录摩擦系数与时间的关系曲线采用光学显微镜测量块 状试样的磨痕宽度采用带有x 射线能谱( E D S ) 的Q U A N T A ．2 0 0 型扫描电子显微镜( S E M ) 对 1 基金项目：国家自然科学基金N o ．5 0 2 3 5 0 3 0 联系人简介：王晓丽( 1 9 6 6 - 年出生) ，女，工程师，博士，从事纳米材料和应用化学研究。

第六届佥目表面工彝学g ai t兰，I I2 0 0 6 年8 月 磨损表面进行形貌和能谱分析采用纳米压痕仪对含纳米铜添加剂润滑油润滑# } f l ：- F 的磨损表面进 行硬度测试 ( a ) O p e r a t i n gp r i n c i p l e( b ) F r i c t i o ns a m p l e F i g ．1T h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo ff r i c t i o nw e a l “ t e s t i n gm a c h i n ea n df r i c t i o ns a m p l e 图1 摩擦磨损试验机工作原理及摩擦试件 2 结果与讨论 2 ．1 摩擦磨损性能 图1 示出了四种不同介质润滑条件下摩擦系数与时间的关系曲线可见，不同的润滑油其表现 出的摩擦系数也不同，坦克润滑油5 0 C C 的摩擦系数比基础润滑油6 5 0 S N 的低，这与它们的组成成 分、物理性质等有关加入纳米铜添加剂，其摩擦系数均明显低于相应润滑油的摩擦系数，对于基 础润滑油6 5 0 S N ，加入纳米铜添加剂后其摩擦系数降低了4 8 ％；对于坦克润滑油5 0 C C ，添加纳米 铜添加剂后，摩擦系数降低了4 0 ％。

说明纳米铜添加剂能够显著改善润滑油的减摩性能 一 l g d 田 罟 U g ’暑 量 ’Time／s F i g h ．2R e l a t i o n s h i pC l L r V eb e t w e e nf r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n dt i m e 图2 摩擦系数与时间的关系曲线 图2 示出了不同润滑介质润滑条件下试块磨痕宽度的对比关系可以看出，润滑油5 0 C C 的抗 磨性能比6 5 0 S N 好在6 5 0 S N 和5 0 C C 中加入纳米铜添加剂，试块的磨痕宽度都明显地降低了， 对于6 5 0 S N ，磨痕宽度降低了2 0 ．5 ％；对于5 0 C C ，磨痕宽度降低了3 3 ％表明润滑油中加入纳米 铜添加剂，可显著改善不同润滑油的抗磨性能 2 ．2 磨损表面分析 F i g ．3R e l a t i o n s h i pi m a g eo fw e a re x t e n t 图3 磨损量对比关系图 第六届全目表面工程学术会议 兰州 2 0 0 6 年8 月 图4 示出了不同润滑介质润滑条件下磨损表面形貌的S E M 照片。

可见，6 5 0 S N 和5 0 C C 润滑 条件下试块的磨痕表面有严重的磨损现象，存在着较多的划痕，尤其是在6 5 0 S N 的润滑条件下， 有严重的擦伤现象，其磨损形式主要为粘着磨损和磨粒磨损【图4 ( a ) 、( c ) o 在6 5 0 S N 和5 0 C C 中加入纳米铜添加剂，试样磨痕表面好象覆盖了一层修复膜，使磨痕表面光滑、平整，未见较深的 划痕【图4 ( b ) 、( d ) 】修复膜具有较好的抗磨减摩性能【图2 、图3 】，使摩擦表面在运行中得到了 修复，这对于延长装备的使用寿命，甚至在紧急情况下，无油行使提供了良好的技术 ( a ) 6 5 0 s N( b ) 6 5 0 S Na n dn - C ua d d i t i v e 【c ) 5 0 C C( d ) 5 0 C Ca n dr l ‘C ua d d i t i v e F i g ．4S E Mm o r p h o l o g i e so f w e a rs u r f a c e 图4 磨损表面形貌的S E M 照片 图5 示出了图4 ( c ) 、( d ) 磨损表面某微区的能谱分析结果。

可见，润滑油中加入纳米铜添加 剂后，在磨损表面除了摩擦试件F e 元素以外，还存在一定量铜元素在摩擦过程中，铜元素在磨 损表面形成了一层纳米化的修复膜，纳米化的铜修复膜起到了良好的减摩抗磨效果，改善了磨痕表 面的平整度，从而在装备运行摩擦过程中起到了良好的修复作用 2 ．3 修复膜的特性 F a l e r g y ／I Z e V ( a ) 6 5 0 S N E n e r g y ／K c V ( b ) 6 5 0 S Na n dn - C ua d d i t i v e F i g ．5E D Sa n a l y s i so fw e a rs u r f a c e 图5 磨损表面能谱分析 1 0 1 5 第六届全田表面工程学术甜l兰州2 0 0 6 年8 月 图6 示出了纳米压痕仪对纳米化铜磨损表面不同区域测试的表面图像，可以看出，在磨损表面 纳米化的铜修复膜无论连续与否，都能够使磨损表面变得平整光滑在载荷大小基本一致的情况下， 在连续膜区域压痕深度较深，压痕面积较大，在不能形成连续膜的区域压痕深度和面积都相应地小 连续膜区域与不连续膜的区域相比，具有较高的弹性和较低的硬度。

纳米压痕试验说明所形成的纳 米化铜修复膜是一种低剪切强度的软膜，该膜防止了磨损表面微凸体的直接接触，降低了磨损表面 间的摩擦系数，减少了磨损量，起到了抗磨减摩作用，提高了基础油的承载能力同时纳米化的铜 修复膜的低剪切强度减少了高载时的粘着和颗粒磨损，使纳米铜添加剂在润滑油中表现出良好的抗 磨减摩和修复性能 H g ．6M i c r o s c o p i cs u 蛳a c ei I l l a g @ o f n a n om d c m t a d o n 图6 纳米压痕表面微观形貌图 3 结论 ( 1 ) 对四种不同润滑介质润滑条件下摩擦试样的摩擦磨损性能进行了测试，结果表明，在润 滑油中加入纳米铜添加剂可有效地提高润滑油的抗磨减摩性能对于基础润滑油6 5 0 S N ，加入纳米 铜添加剂后其摩擦系数降低了4 8 ％，磨痕宽度降低了2 0 ．5 ％对于坦克润滑油5 0 C C ，添加纳米铜 添加剂后，摩擦系数降低了4 0 ％，磨痕宽度降低了3 3 ％ ( 2 ) 对不同润滑条件下的磨痕表面进行了S E M 和E D S 分析，结果表明，润滑油中加入纳米 铜添加剂，在摩擦过程中可使摩擦表面形成一层纳米化的铜修复膜，纳米化的铜修复膜不仅具有良 好的减摩抗磨效果，而且还能对磨痕表面进行有效地修复。

( 3 ) 通过纳米压痕实验表明，纳米化的铜修复膜具有较高的弹性和较低的硬度，是一种低剪 切强度的软膜 参考文靛： 【1 】徐滨士．纳米表面工程【M 】．北京：化学工业出版社，2 0 0 4 ． X UB i n - s h i ．N a n o s u r f a c eE n g i n e e r i n g 咖．B e i j i n g ：C h e m i c a lI n d u s t r yP r e s s ，2 0 0 4 ． 【2 】徐滨士，乔玉林．变化无穷的摩擦化学转移膜技术【J 】．中国表面工程，2 0 0 1 ，5 0 ( 1 ) ：4 6 - 4 8 ． X UB i n - s h i ，唧Y u —l i n ．T h et e c h n o l o g yo fi n f i n i t yc h a n g ef r i c t i o nc h e m i s t r yb r a n c hm m [ J ] ．C h i n a S u r f a c eE n g i n e e r i n g ，2 0 0 1 ，5 0 ( 1 ) ：4 6 - 4 8 【3 】徐滨士．再制造工程与纳米表面工程【C 】．北京：中俄工程科技研讨会，2 0 0 5 年5 月：2 0 5 - 2 1 7 。

X UB i n - s h i ．R e m a n u f a c t u r ee n g i n e e r i n ga n dn a n o - s u r f a c ee n g i n e e r i n g [ C 】．B e i j i n g ：C h i。