自動修復機械摩擦副磨損表面的納米修復劑及其制備方法

專利名稱：：自動修復機械摩擦副磨損表面的納米修復劑及其制備方法
技術領域：
：本發明涉及一種以潤滑油為載體在設備運轉不解體的狀態下自動修復機械摩擦副磨損表面的納米修復劑，以及上述納米修復劑的制備方法。
背景技術：
：目前，納米材料廣泛應用于各個領域，如機械領域，利用納米材料優化金屬表面性能，提高金屬表面的抗磨性能，降低摩擦系數，提高機械使用性能，延長機械設備的使用壽命。國外專利以正負電子在摩擦副之間形成相互吸引的保護層以減少摩擦。其特點與機體的結合能力差，在機械設備運轉時才能形成保護層；以碳氫化合物的主要成分的產品是在機械運轉時產生的熱能，利用"熱激活"的方式在摩擦副之間形成的保護層，減少摩損。以上專利產品存在以下問題(1)在存油介質下，其摩擦系數都不小于0.003，且在干摩擦條件下大于0.003，甚至失去應有之功效；(2)耐高溫性差，很難突破90(TC極限；(3)無法滿足海洋環境及強酸堿介質中工作，尤其改性后在摩擦副表面形成明顯的界面層或油膜，使材料表面的粗造度難以超過14級；(4)對磨損創面的修復功能上，不能長時間的保持設計尺寸，僅對在幾納米以下深度的磨損面具有修復作用。中國專利200410099286X"潤滑油添加劑及其制備方法"的發明專利，公開了一種主要添加Si02的潤滑油。由于單純加入納米Si02能形成有效的納米膜，僅能修復局部磨損表面。中國專利200510131184.6"無機復合納米智能修復劑及其制備方法"公開了MgO、Si02AL203復合而成納米無機材料，由于其中的MgO在配方中的比重過大，影響修復后的摩擦副的表面硬度。
發明內容本發明為了克服上述技術的不足，提供了一種穩定性能好、不發生團聚、在設備運轉不解體的狀態下，可自動修復機械摩擦副磨損表面的納米修復劑。本發明的另一目的在于提供上述納米修復劑的制備方法。本發明的自動修復機械摩擦副磨損表面的納米修復劑，其特別之處在于含有Wt0.15e/。的納米粉體，基質為潤滑油，所述的納米粉體為粒徑20~200nm的片狀高嶺石，所述的高嶺石含有wt45.247.2%Si02、wt37.639.2的AL203、以及wtl5.215.6。/。的Fe203和Ti02。上述本發明的納米修復劑，優選的，含有wtl4。/。的納米粉體，納米粉體的粒徑為50100nm。上述本發明的納米修復劑的制備方法，采用以下步驟稱取納米粉體，用普通機械機粉碎成5-50微米的細粉；將細粉加入到潤滑油中，混合均勻，加入帶有超聲波的超聲波粉碎機中，進行超聲粉碎，制成本發明的納米修復劑。上述本發明的制備方法，優選的，所述的超聲波粉碎機中帶有水冷卻裝置，所述的超聲波的頻率為20KHz50KHz。本發明的自動修復機械摩擦副磨損表面的納米修復劑，具備納米特有的界面與表面效應和小尺寸效應的特性。高嶺石的粒度越細，分散程度越大，比表面積也大；片狀結構的高嶺石易結合和滑動，比其他結構形狀的具有更大的可塑性;因此納米高嶺石在機械運動中摩擦力作用下容易形成納米膜；高嶺石主要特征之一是耐高溫，其表征是材料抵抗高溫作用而不軟化的性質，與AL203/Si02有關。摩擦副在運動產生的微區高溫使納米高嶺石燒結在摩擦副表面，形成含有微孔的納米陶瓷膜，增加摩擦副表面的含油量。納米高嶺石以潤滑油為載體作用于機械裝備摩擦副表面。隨潤滑油分散于各個摩擦副接觸層，在一定溫度、壓力、摩擦力作用下，摩擦副表面產生劇烈摩擦和塑形變形，納米顆粒就會在摩擦表面沉積成膜，并與摩擦表面作用、當摩擦表面溫度高到一定值時，納米顆粒強度下降，增強潤滑與表面摩擦的微觀顆粒產生共晶、滲透、"焊接"、填補表面微觀溝谷，修復摩擦副表面。在摩擦副表面形成具有超強硬度、極高光潔度和超耐磨的自修復膜，并達到最佳的間隙配合公差。此時摩擦力的作用減少、摩擦系數降低，納米修復過程完成。而潤滑油中的納米顆粒，在不斷的尋找新的摩擦缺陷，并且在超光滑的摩擦表面，實現滾動摩擦，更加減少摩擦力的作用，降低摩擦系數，從而形成一層具有減摩抗磨作用的液態或固態自修復膜。作用機理(1)沉積膜作用機理摩擦過程中油相中的納米粒子受兩種因素作用會向摩擦副表面遷移，一是因摩擦產生的微區高溫會引起強度高于體相的分子漲落，增強的分子漲落有利于不定向遷移，不定向遷移增加了納米粒子向摩擦副表面遷移的機會；二是因摩擦副產生外逸電子等使摩擦副表面的界面電磁場強化，強化的界面電場會產生強化的磁場，表面微弱電磁場的存在，對表面吸附有強極性小分子的納米粒子，無疑會增加其在摩擦副表面富集的機會；三是處于摩擦副近表面的納米粒子使表面含納米粒子的潤滑油膜黏度增大，從而大大減少了它與體相介質發生物質交換的可能性。在這種情況下潤滑油膜中的納米粒子在反復摩擦下，錨固于其表面的超分散穩定劑和少量極性小分子會產生脫附，從而使納米粒子表面的空間位阻層的致密程度和厚度減小，這無疑增加了粒子發生集聚，并進而沉積在摩擦副表面的機會。(2)修復作用機理如果表面微坑大小和納米粒子一樣也在納米級，那么沉積或吸附在微坑的納米粒子，或在摩擦過程中被帶入納米級微坑的納米粒子就有可能在承載條件下被嵌入在微坑中，從而實現納米級微坑的修復。對表面粗糙的摩擦副而言，納米粒子的修復對摩擦學性能改善作用較小，因為摩擦副在承載時接觸面只占整個摩擦副表面很小的一部分，因而對摩擦學性能有貢獻的僅僅只有接觸面的修復，其修復機理示意圖如圖1-1所示。以上分析表明①摩擦副表面越光滑平整，承載時接觸面越大，納米粒子的修復對改善摩擦學性能貢獻越大；②在保證納米粒子分散性和分散穩定性的前提下，具有一定粒徑分布的納米粒子，有利于填充大小不同的納米級微坑，實現更大程度的條件修復。(3)光滑或超光滑表面滾動摩擦作用機理在沉積膜作用機理、潤滑油膜增強機理、修復作用機理、表面優化作用機理完成后，特別是R,Z納米粒子粒徑時，潤滑油中高度彌散的球形納米粒子在一定載荷范圍內實現摩擦副表面的滾動摩擦，其作用模型如1-2圖所示。在制備納米粒子時，控制納米粒徑才能實現光滑或超光滑表面滾動摩擦。對大粒徑粒子而言，在未實現滾動摩擦之前，會因大粒徑粒子承受的壓應力過大，被壓入摩擦副表面；而粒徑太小的那一部分粒子因無法同時接觸摩擦對偶，也不可能參與滾動潤滑。本發明的納米修復劑，穩定性能好、不發生團聚，對機械摩擦副磨損表面具有較強的修復功能，提高摩擦副的表面硬度，降低摩擦系數。采用本發明的制備方法，粉碎效果好，不發生團聚，穩定性好。圖1本發明的納米修復劑修復摩擦副微孔的二維模型圖2本發明的納米修復劑超光滑表面的滾動摩擦作用模型具體實施方式下面結合具體實施方式對本發明作具體的說明。實施例1:稱取5kg的片狀高嶺石，所述的高嶺石含有wt46.5%Si02、wt38%的AL203、以及wtl5.5n/。的Fe203和Ti02，用普通機械機粉碎成20微米的細粉；將上述細粉加入到500kg潤滑油中，混合均勻，加入帶有超聲波的超聲波粉碎機中，進行超聲粉碎，制成本發明的納米智能修復劑。上述的超聲波粉碎機采用專利號為200310105421中實施例1中的超聲波粉碎機。共計19個超聲波發射器，振動頻率35KHz，總功率為1500W。經濟南大學材料學院材料分析實驗室測量，數據如表l。表1粒度測量結果表<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>實施例2:稱取10kg的片狀高嶺石，所述的高嶺石含有wt46.5%Si02、wt38。/。的AL203、以及wtl5.5。/。的Fe203和Ti02，用普通機械機粉碎成IO微米的細粉；將上述細粉加入到500kg潤滑油中，混合均勻，加入帶有超聲波的超聲波粉碎機中，進行超聲粉碎，制成本發明的納米智能修復劑。上述的超聲波粉碎機采用專利號為200310105421中實施例1中的超聲波粉碎機。共計19個超聲波發射器，振動頻率45KHz，總功率為1500W。經濟南大學材料學院材料分析實驗室測量，數據如表2。表2粒度測量結果表<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>實施例3:稱取20kg的片狀高嶺石，所述的高嶺石含有wt46.5。/。Si02、wt38%的AL203、以及wtl5.5。/。的Fe203和Ti02，用普通機械機粉碎成30微米的細粉；將上述細粉加入到500kg潤滑油中，混合均勻，加入帶有超聲波的超聲波粉碎機中，進行超聲粉碎，制成本發明的納米智能修復劑。上述的超聲波粉碎機采用專利號為200310105421中實施例1中的超聲波粉碎機。共計19個超聲波發射器，振動頻率50KHz，總功率為1500W。經濟南大學材料學院材料分析實驗室測量，數據如表3。表3粒度測量結果表<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>送驗項目摩托車缸體經本發明實施例的納米修復劑處理后，進行納米保護層Hv硬度測試摩托車缸體的硬度測試經山東大學材料科學與工程學院材料學實驗室測試。測試儀器島津顯微硬度測試儀測試工況Hv50g時間10秒鐘測試結果HvHRC實施例l:85966.8實施例2:98574.2實施例3:104376未經納米修復劑處理的解體試樣測試結果HvHRC34532.5測試例2:送驗品本發明實施例2的納米修復劑。送驗項目磨損試驗。試驗機型號MM200型磨損試驗機，最大載荷200kg。試驗工況采用滑動磨損，標準磨輪轉速為400轉/分，滴油為10滴/分。試驗過程及結果如下結果如下正常供油狀態下，根據載荷的變化，普通潤滑油的磨擦系數為0.010.04，本發明的磨擦系數為0.0020.003。停止供油1/4小時后，根據載荷的變化，普通潤滑油的磨擦系數為O.O卜O.l，本發明的磨擦系數為0.0020.01。測試例3:以本發明實施例1的納米修復劑為例，進行汽車動力實驗。l汽車動力性實驗對解放CA1020樣車，在60km/h時，驅動輪輸出功率，普通潤滑油時為15.8kw，使用本發明的納米修復劑后為19.9kw。2.等速燃料消耗實驗對解放CA1020樣車，在50km/h時，普通潤滑油時為12.52L/100km，使用本發明的納米修復劑后為8.87L/100km。3.汽車煙度排放實驗對解放CA1020樣車，普通潤滑劑時煙度吸收系數為2.81m—、使用本發明納米修復劑后為2.01m—、結論根據檢測結果，對于解放CA1020樣車，本發明的納米修復劑可以提高汽車動力性，降低燃料消耗量，降低汽車煙度排放量。權利要求1、一種自動修復機械摩擦副磨損表面的納米修復劑，其特征在于含有wt0.1～5％的納米粉體，基質為潤滑油，所述的納米粉體為粒徑20～200nm的片狀高嶺石，所述的高嶺石含有wt45.2～47.2％SiO2、wt37.6～39.2的AL2O3、以及wt15.2～15.6％的Fe2O3和TiO2。2、根據權利要求1所述的納米修復劑，其特征在于含有wtl4%的納米粉體，所述的納米粉體的粒徑為50100nm。3、一種權利要求1所述的納米修復劑的制備方法，其特征在于采用以下步驟稱取納米粉體，用普通機械機粉碎成5-50微米的細粉；將細粉加入到潤滑油中，混合均勻，加入帶有超聲波的超聲波粉碎機中，進行超聲粉碎，制成本發明的納米修復劑。4、根據權利要求3所述的制備方法，其特征在于所述的超聲波粉碎機中帶有水冷卻裝置，所述的超聲波的頻率為20KHz50KHz。全文摘要本發明涉及一種以潤滑油為載體在設備運轉不解體的狀態下自動修復機械摩擦副磨損表面的納米修復劑，以及上述納米修復劑的制備方法。本發明的自動修復機械摩擦副磨損表面的納米修復劑，含有wt0.1～5％的納米粉體，基質為潤滑油，所述的納米粉體為粒徑20～200nm的片狀高嶺石，所述的高嶺石含有wt45.2～47.2％SiO₂、wt37.6～39.2的AL₂O₃、以及wt15.2～15.6％的Fe₂O₃和TiO₂。本發明的納米修復劑，穩定性能好、不發生團聚，對機械摩擦副磨損表面具有較強的修復功能，提高摩擦副的表面硬度，降低摩擦系數。文檔編號C10M125/00GK101235332SQ200810014579公開日2008年8月6日申請日期2008年2月20日優先權日2008年2月20日發明者一邢申請人:一邢