本发明涉及一种在金属摩擦与磨损表面生成保护层的制剂及其制备方法。
背景技术：
在我国，磨损、腐蚀、疲劳是材料失效的三种主要形式。有资料指出：全世界能量产出的1/3到1/2被用于克服摩擦阻力。据我国冶金矿山、农机、煤炭、电力和建材五个部门的不完全统计，每年由于摩擦磨损造成的材料损失和能源浪费高达数十亿元。和工业发达国家相比，由于我国相同工业产值的能耗高，造成我国资源浪费很大，节能降耗一直是我国工业发展中努力追求的目标。
我国有关行业进口的机械设备，由于零件磨损，每年需补充购买的各类备件约数十亿美元。以汽车为例，出租车每个使用周期为5--8年，期间都有大修1-3次，每次配件维修费用为3000-5000元。包括磨合期的汽油消耗每台3000元，一般的二三线城市1万台车计算，近亿元的资源浪费，耗费了国家大力资金及能源。
我国生产的各型内燃机、汽轮机、减速齿轮箱等等，处于高速、高负荷运转下的部件，受钢材质量和加工工艺的影响，都存在着严重的摩擦磨损问题，造成其使用寿命低、故障率高、维修周期短的突出问题。
本司针对上述情况，研发出在金属摩擦与磨损表面生成保护层的制剂， 它是以利用润滑剂作载体，将含有特定修复作用的制剂配方送入零件表面的摩擦接触区，通过制剂与摩擦副表面以及产生的摩擦热量驱动参与修复与磨损微粒等第三体之间发生的力化学(摩擦化学)反应，使摩擦副表面获得原位合金化强化。
例如：我国每年进口大量石油，汽车、船舶、铁路内燃机车均以燃油作为能源。中国内燃机车每年消耗燃油500多万吨，使用本司的“金属磨损智能修复材料”后按机车在使用中的燃油耗下降4％计算，则每年可节省燃油20万吨；内燃机的中修修程由30万公里延长到50-60万公里，每年还可以节省大量零修、辅修、中修费用，提高机车在线利用率(检修率下降1％，相当于全国每天多投入150台内燃机车的运力)，若将适用范围进一步扩大到车厢轮轴、压缩机、道轨等易磨损系统，所产生的综合效益必定更为显著，数据将更加惊人。我国是润滑油消耗大国，仅次于美、俄。我国每年消耗润滑油340万吨，其中包括从国外进口50万吨。如果内燃机润滑油改用加添有本司的“金属磨损智能修复材料”超细粉体和抗氧化剂的基础油，则不仅能够使现有的内燃机实现“节能降耗”，而且轻松实现发动机的“终生免大修”，还可减少高档润滑油基础油的进口量。其效果按中国拥有的1800万辆汽车和数百万艘以内燃机为动力的船只，所降低的能源消耗、延长摩擦磨损部件的寿命、提高运营率的综合经济效益可达数百亿元。此外，中国纺织机械、石油化工机械、矿山机械、冶金机械等领域都存在着使用寿命短的“瓶颈”，使用本司制剂后将使这些彻底改变。
因而本司所设计的在金属摩擦与磨损表面生成保护层的制剂，将会提高中国工业产品的竞争能力，带动相关产业的发展，对国民经济发展有重大影响，对中国走出一条科技含量高、资源消耗低、经济效益好的新型工业化道 路，实现国民经济节约能源和环境保护这两项人类可持续发展的战略目标，具有重要意义。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种结构简单，设计合理、使用方便的在金属摩擦与磨损表面生成保护层的制剂及其制备方法，它采用以润滑剂作载体，将含有特定修复作用的制剂配方送入零件表面的摩擦接触区，通过制剂与摩擦副表面以及产生的摩擦热量驱动参与修复与磨损微粒等第三体之间发生的力化学(摩擦化学)反应，使摩擦副表面获得原位合金化强化，使其具备金属陶瓷的高硬度和优质合金钢特性。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明所述的在金属摩擦与磨损表面生成保护层的制剂及其制备方法，它采用如下的技术方案：
其配方按重量份组成如下：
层状羟基硅酸盐粉：80-99；
表面改性剂：45-50；
碳化石墨化催化剂：4-6；
其制备方法采用如下方法步骤：
1)按上述重量分比例，将天然羟基硅酸镁矿石粉体与表面改性剂研磨成纳米至微米量级的油溶性复合粉体；
3)在步骤1)中的油溶性复合粉体加入碳化石墨化催化剂继续研磨形成均匀组合物粉体；
3)将步骤2)中的均匀组合物粉体，按质量比0.1-5％的比例混入基础润 滑剂中，制成浓缩剂；
4)将步骤3)中制得的浓缩剂，直接按浓缩剂∶润滑剂＝1∶9的比例加入到润滑剂中使用。
进一步地，其配方按重量份组成如下：层状羟基硅酸盐粉：80-99；表面改性剂：15-20；碳化石墨化催化剂：1-3。
进一步地，其配方按重量份组成如下：层状羟基硅酸盐粉：80-99；表面改性剂：11-12；碳化石墨化催化剂：1.5-6。
进一步地，所述层状羟基硅酸盐粉为羟基硅酸镁矿石粉。
进一步地，所述羟基硅酸镁矿石粉是指蛇纹石、滑石、海泡石、阳起石矿石粉中的一种或几种的组合。
采用上述结构后，本发明有益效果为：本发明所述的在金属摩擦与磨损表面生成保护层的制剂及其制备方法，本发明它采用以润滑剂作载体，将含有特定修复作用的制剂配方送入零件表面的摩擦接触区，通过制剂与摩擦副表面以及产生的摩擦热量驱动参与修复与磨损微粒等第三体之间发生的力化学(摩擦化学)反应，使摩擦副表面获得原位合金化强化，使其具备金属陶瓷的高硬度和优质合金钢特性。
具体实施方式
下面对发明作进一步的说明。
本发明所述的在金属摩擦与磨损表面生成保护层的制剂及其制备方法，它采用如下的技术方案：
其配方按重量份组成如下：
层状羟基硅酸盐粉：80-99；
表面改性剂：45-50；
碳化石墨化催化剂：4-6；
其制备方法采用如下方法步骤：
1)按上述重量分比例，将天然羟基硅酸镁矿石粉体与表面改性剂研磨成纳米至微米量级的油溶性复合粉体；
4)在步骤1)中的油溶性复合粉体加入碳化石墨化催化剂继续研磨形成均匀组合物粉体；
3)将步骤2)中的均匀组合物粉体，按质量比0.1-5％的比例混入基础润滑剂中，制成浓缩剂；
4)将步骤3)中制得的浓缩剂，直接按浓缩剂∶润滑剂＝1∶9的比例加入到润滑剂中使用。
作为本发明的一种优选，其配方按重量份组成如下：层状羟基硅酸盐粉：80-99；表面改性剂：15-20；碳化石墨化催化剂：1-3。
作为本发明的一种优选，其配方按重量份组成如下：层状羟基硅酸盐粉：80-99；表面改性剂：11-12；碳化石墨化催化剂：1.5-6。
作为本发明的一种优选，所述层状羟基硅酸盐粉为羟基硅酸镁矿石粉。
作为本发明的一种优选，所述羟基硅酸镁矿石粉是指蛇纹石、滑石、海泡石、阳起石矿石粉中的一种或几种的组合。
具体实施例一：
1)其采用的配方按按重量份如下：
蛇纹石(Mg6Si4O10(OH)8)：50；
滑石(Mg3(Si4O10)(OH)2)：25；
NDZ-133单烷氧基脂肪酸钛酸酯偶联剂：7；
纳米PdO碳化石墨化催化剂：0.5；
Pt碳化石墨化催化剂：0.5；
2)将上述配比蛇纹石与滑石组合物颗粒和NDZ-133单烷氧基脂肪酸钛酸酯偶联剂加入高能球磨机中研磨，研磨时间10小时，转速800转/分钟，研磨后粉体粒度范围为10nm-1μm。
然后，再加入PdO和纳米Pt碳化石墨化催化剂粉体继续研磨30分钟，即为可加入润滑油中使用的具有自修复功能的制剂。
将制备好的上述制剂按1wt‰的比例加入到SD/CC级15W40汽油机/柴油机通用油中，在大型水平轴抽水泵的轴承摩擦副模拟试验机上进行的试验。
轴承模拟试验机中，其轴试样和轴承试样的材质分别为45#钢和巴氏合金，经27小时轴承模拟试验后在45#钢摩擦表面形成了约2μm厚的保护层，保护层沿着基材的珠光体结构骨架生长，与基材之间结合紧密，没有明显的物理界面。该保护层由Fe、C和O三种元素组成保护层表现出优良的抗磨粒磨损和抗粘着磨损性能。
本发明它不是在金属摩擦表面上生成软金属保护膜(或聚四氟乙烯保护膜)，也不是通过溶解于润滑油中的铜、钼、硼有机化合物在摩擦表面生成含铜、钼、硼的化学键构架，而是在产生磨损的金属表面生成减磨性能优异的金属类陶瓷层，使正在使用中的机械设备不解体地修复已发生的磨损，使之恢复到最佳配合间隙，达到节能原态恢复与降耗、增长设备一个周期使用寿命的目的。金驰的投入使用。使我国减磨抗磨技术研究由对金属材料摩擦表面的改性处理，步入对磨损部位的智能型修复阶段，通过在清华大学磨擦学重点实验室、国家轴承质量监督检验检测中心、国防科工委第一计量精密测试研究中心、中国石油润滑油研究测试开发中心等权威实验检测机构，对本 明进行有关实验室检测，在机械设备上的产品特性进行验证性评测。其检测结果如下：
(1)清华大学摩擦学国家重点实验室的检测情况：
清华大学摩擦学国家重点实验室承担在摩擦磨损试验机上进行生成金属类陶瓷智能修复层的试验，测试了在东风DF-11型高负荷内燃机柴油发动机累计行驶15万公里时气缸内壁生成的金属类陶瓷层的厚度、表面硬度、磨擦系数、表面光洁度测评。
结论如下：
①验证在试样摩擦表面生成金属类陶瓷智能层的过程及其形貌特征：
在摩擦磨损试验机上，对45#钢面接触摩擦副试样实施“金属磨损智能修复材料(本发明)”应用技术，试验机累计运行150小时后摩擦副表面的平均显微硬度值从原始表面的Hv＝230升高到680，(提高到Hv＝680)在金相样品横断面上用扫描电子显微镜观测到8微米左右的金属类陶瓷保护智能修复层。
②测试汽缸内壁生成的金属陶瓷层的厚度：
对使用金属磨损智能修复材料应用技术后运行15万公里的东风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微米厚度的金属类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可见。
③测试生成的金属陶瓷保护层表面的摩擦系数：
在SRV摩擦磨损试验机上，利用已形成金属类陶瓷保护层的内燃机柴油机缸套切取的下试样，用对磨的原配镀铬活塞环制备上试样，在无油润滑(干摩擦)的条件下测得的摩擦系数稳定地保持在0.005。
④检测气缸内壁生成的金属类陶瓷保护层的显微硬度：
气缸内壁基体的纳米硬度测量值为524，生成金属陶瓷层后的测量值为1110。
⑤检测气缸内壁生成的金属类陶瓷保护层表面的粗糙度。
(2)国家轴承质量监督检验中心的检测情况：
国家轴承质量监督检验中心对哈尔滨天烨轴承有限公司生产的、经“金属磨损自修复材料(本发明)”对轴承套圈滚道及滚动体进行表面处理的6205-2RSIXI微型汽车张紧轮轴承进行寿命试验。该轴承的常规试验寿命为L10＝126h，现进行5倍寿命试验。试验结论为：
①轴承的旋转精度：仍保持试验前的精度。试至3倍寿命时，精度有所下降，试至5倍寿命时，精度恢复到原始值。
②轴承的径向游隙：仍保持试验前的游隙。
③轴承振动(速度)型：低频数值减少，中高频数值增大。
轴承振动(加速度)型：数值增大。
④轴承试至5倍寿命时，轴承套圈滚道，滚动体表面基本没有磨损。
根据国家经贸委的要求，轴承试至18倍寿命。
(3)国防科工委第一计量测试研究中心的检测情况：
国防科工委第一计量测试研究中心研究员等数人，与北京内燃机务段计量人员组成测试小组，对使用本发明的金属磨损智能修复材料运行至30万公里的东风DF-11型063号内燃机车的柴油发动机进行了分解测试，测试其活塞环、活塞、气缸套的磨损情况(铁道部规定：DF-11型内燃机车柴油发动机运行至30万公里时应进行中修，更换活塞环等易磨损机件)。
检测结论为：东风DF-11型063号内燃机车编号为159的柴油发动机经过30万公里的实际运行后，其活塞、活塞环、气缸内径的实际尺寸仍保持在 符合新品尺寸要求。
(4)中国石油润滑油研究开发中心的检测情况：
中国石油润滑油研究开发中心采用基础油和在基础油中添加占其重量1.0％的本发明的金属磨损智能修复材料的对比油，进行极压、抗磨性对比试验。试验结论为：
①从四球机试验结果可以看出，金属磨损自修复剂以1％的剂量加入80W/90基础油中，对代表试验油膜强度的四球Pb值、代表试验油极限工作能力的Pb值基本不产生影响，但对四球综合磨损值ZMZ具有一定的提高作用(ZMZ提高10.16％)，主要表现在Pb值以后(即油膜破裂后)，随试验负荷的增加磨斑直径增大的较为缓慢，表明JC金属磨损智能修复剂的加入对抑制磨斑增大具有较好的作用。
②从模拟L-37试验结果可以看出，nitti金属磨损智能修复剂以1％的剂量加入80W/90GL-5车辆轮油中，对磨斑的表面形貌具有一定的改善作用，表现为磨斑表面较为平滑，磨损产生的犁沟消失。
③凸轮挺柱是发动机运行工况中条件较为苛刻和磨损较为严重的部件。为考察金属磨损修智能复材料在内燃机油中的表现，选用凸挺实验机采用《MRT型凸轮-挺柱磨损试验机评定法》进行了试验。从列出的试验结果可以看出，以1％加剂量把金属磨损自修复材料添加剂到10W/30 SF(中2)和10W/30SF/CD内燃机油中，与10W/30 SF(中2)和10W/30 SF/CD油试验结果相比较，凸挺失重磨损犁沟明显降低，尤其是使用旧试件其效果更为明显，表现出较好的修复作用。
本发明应用的作用如下：
(1)节能效果：一般可使动力机械，汽车燃油节油达10---20％以上)。
(2)环保效果：使内燃机排放尾气中的有害物质大大减少(一氧化碳和碳氢化合物减少40-50％，氮氧化物下降16-18％，柴油机排放的烟雾浓度减少40-50％)。减振降噪效果显著，达4-7个单位，最高可降90％，有利于节能环保和延长机件使用寿命。
(3)延寿效果：由于摩擦系数的大幅下降和抗腐蚀(含电化学腐蚀)，及不发生氢致裂纹性能的提高，再加上表面显微硬度的改善，诸多综合因素，使机械设备几乎达到零磨损状态，使用寿命大大延长。
(4)加力效果：一般都能使工作效率提高5-10％，许多实验达到增加功率25-35％的良好效果。
(5)降低机油消耗效果：可使机油使用寿命延长1-5倍，不仅经济效益可观，延长了机油的衰减时间，延长了配件的使用周期，对制造业、电力、煤炭的消耗起到了绝对的作用，在一个拥有1万台出租车的城市，每台免去大修磨合的程序，直接可以高速行驶，磨合需要消耗3000元的汽油款，节约了汽油近3000万元，如果这些汽油燃烧要多长时间，要排放多少污染，经济效益、社会效益相当可观。
(6)冷启动和在无机油状态下安全行驶性能：可以在无机油状态下无机械损伤行驶200公里以上。(注意保证温度对油封寿命影响的因素除外)
(7)能智能修复损伤部位，可以免去修复前发动机配件数据及的繁琐检查，部件哪里有磨损，表面有微损伤，智能修复材料就修复哪里，不仅限于表面，还可达一定深度(30μm)。
(8)能智能补磨损缺陷。由于智能修复材料能激活金属表面产生置换反应而使其改性，自我生长故可以做到缺多少补多少，直至恢复原来几何形状和达到最佳间隙为止。渗碳或金属填充，无尺寸变化，而生长不仅有尺寸变 化，最多可增长达1.1mm，而且与基体有“化学反应产生血缘”关系，是类陶瓷和表面金属的“混血儿”，不会脱离与剥落。
(9)能智能完成修复和强化过程。无需停机、免除拆卸，不影响设备正常运行、无停工损失。
本发明实现的技术功效：在金属摩擦与磨损表面原位生成减摩耐磨的纳米晶保护层，同时具备金属陶瓷的高硬度和优质合金钢的弹性模量。用于汽车发动机使用中的摩擦副零件可以原位修复磨损，优化间隙，恢复零件尺寸，延长发动机2个生命使用周期，降低维修成本
本发明所述的在金属摩擦与磨损表面生成保护层的制剂及其制备方法，本发明它采用以润滑剂作载体，将含有特定修复作用的制剂配方送入零件表面的摩擦接触区，通过制剂与摩擦副表面以及产生的摩擦热量驱动参与修复与磨损微粒等第三体之间发生的力化学(摩擦化学)反应，使摩擦副表面获得原位合金化强化，使其具备金属陶瓷的高硬度和优质合金钢特性。
以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。