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XADO技术机理 / 01…04
磨损修复 · 工作原理

零件摩擦表面的修复

01正常运行

分步机理

两个金属零件及其间摩擦区的三维剖面.

  1. 正常运行

    表面在油膜上滑动。磨损修复剂以100~500 nm团聚体的形式存在于润滑油中,团聚体由处于粘结相中的硬质纳米颗粒构成;在油膜将表面隔开期间,润滑油只是携带它们。

    1. “石榴”状团聚体

      100~500 nm的磨损修复剂颗粒:2~20 nm的坚硬“籽粒”纳米颗粒,由较软的粘结相彼此分隔。颗粒由润滑油携带。

  2. 油膜破裂

    负荷超出正常值:油膜破裂,表面相互接触。团聚体被夹在微凸体之间,压力和温度破坏粘结相,纳米颗粒对金属施加点状压力。

    1. 接触斑点:压力与温度

      油膜被冲破,颗粒被夹在微凸体顶端之间。接触斑点处的高压与高温破坏粘结相。

    2. 破碎为“籽粒”

      团聚体分解为越来越小的颗粒,直至单个纳米颗粒。尺寸与表面粗糙度相适应:初始颗粒D大于表面凹凸h,破碎后d ≈ h。

    3. 作为压力集中点的“籽粒”

      颗粒尺寸与表面缺陷(晶粒度和微观粗糙度)相当,其“籽粒”对金属施加点状压力:压力与尺寸的平方成反比。金属的纳米体积内产生特殊的压力和温度。

  3. 涂层形成

    改性层生长:接触斑点处温度和压力升高,碳向金属中扩散,发生碳化物形成和强化;磨损颗粒被捕获并烧结附着在表面上。

    1. 层的纳米结构化

      金属在纳米体积内发生塑性变形:晶粒剧烈破碎,晶界密度增大,表面层转变为活性纳米结构状态。

    2. 碳扩散

      碳沿众多新形成的晶界向表面深处(垂直方向)和晶粒内部(水平方向)迁移。

    3. 低温碳化物形成

      碳在铁中的固溶体易于形成碳化物。金属陶瓷涂层不断生长:越靠近表面,碳越多,铁越少。

    4. 强化与光整

      颗粒起到无磨料“纳米弹丸”的作用:表面凹凸通过塑性变形被光整,层内沿整个深度产生同号压应力。

    5. 磨损产物进入涂层

      磨损修复剂颗粒如同“纳米磨机”,将磨损颗粒研磨至纳米尺寸。它们在接触斑点处熔附并进入涂层,润滑油中的金属随之减少。

  4. 稳定化

    结果:修复后的表面,表面粗糙度处于平衡状态,颗粒尺寸与之相称,滑动被滚动取代。

    1. 最终阶段:以滚动代替滑动

      表面粗糙度达到平衡值,颗粒尺寸也变得与之相称。颗粒在光整后的表面之间滚动:滑动摩擦转变为滚动摩擦。

立体剖面
显微硬度,HV
430HV
表面粗糙度Ra,µm
1.20µm
摩擦,μ
0.020
强化深度,µm¹
0µm

过程模型 · 01 / 04

正常运行

表面在油膜上滑动。磨损修复剂以100~500 nm团聚体的形式存在于润滑油中,团聚体由处于粘结相中的硬质纳米颗粒构成;在油膜将表面隔开期间,润滑油只是携带团聚体。

场景生成中
0 %
显微硬度,HV
表面粗糙度Ra,µm
摩擦,μ
强化深度,µm¹

来源与局限

  • 模型与比例 3D场景用于说明所提出的机理。比例按测得的较高硬度深度(20~30 µm)选定:显示的是≈0.7 × 0.27 mm的摩擦副片段,每个零件高≈0.1 mm;场景中的比例尺在旋转和放大时重新计算。磨损修复剂颗粒(100~500 nm)、表面不平度和改性层(2~10 µm)均经放大显示。负荷、温度和过程速度为示意性设定(1×速度下情景持续54 s);场景不计算实际部件的性能。
  • 显微硬度与层 场景中的数值取自测得结果最好的案例:经使用后的柴油机灰铸铁气缸套(2002年),基体金属430 HV,摩擦表面平均1.185 HV;较高硬度保持至20~30 µm¹深度,横截面金相磨片上的改性层为2~10 µm¹。在摩擦磨损试验机上进行的有对照实验室试验(1998年)中,对照未经磨损修复剂处理,增量较小:40Kh钢提高12%(≈583 → 655 HV),铸铁提高至1.7~2.4倍(≈310 → 520~740 HV)。结果取决于材料配对、部件和工况。
  • 摩擦与表面粗糙度 场景中的数值取自摩擦磨损试验机试验(2002年):Ra对应测得范围的中值;接触前的初始μ = 0.020为示意性假设。
  • 尺寸 齿厚见上文测量部分。测得的改性层(数微米)无法解释零点几毫米的增量;这些测量中未研究尺寸变化的机理。
  • ¹ 厚度与扩散深度 涂层厚度和梯度扩散深度取决于具体部件的结构及其工作条件、摩擦副材料(钢、铸铁、铝合金等)、原有磨损程度、处理期间及处理后的运行条件、磨损修复剂的用量以及重复处理次数。

试验报告和研究报告可根据申请提供。