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1、ART缔造金属表面的神话-本站作者 - 2006-1-17金属磨损自修复材料技术的崛起本报记者 韦 周 “高新技术的特点之一是具有魔术功效。” 理查德费曼奇葩在东方绽放夏天，我们在草丛中，在墙壁上,常常可以看到壁虎穿梭而过。这个小小的动物有一种奇异的“自修复”功能：当它的长长的尾巴被折断时，很快它就会由体内新生组织自动修复，长出一条新的尾巴来。自修复，在电视广告中，我们也常常可以听到这个词，通常多是针对头发或者皮肤而说的，比如说，当头发因为烫发或者暴晒出现枯黄分叉、缺损时，利用护发产品就能使头发恢复到原来的样子云云。所谓自修复，是指当物体发生缺损时，由新生组织自动补充使它恢复到原来的形态。生物
2、可以自修复，那么，金属呢？金属间因为摩擦而产生的磨损也能够通过特殊材料获得自动修复吗？金属的磨损是巨大的，是惊人的！在机声隆隆的冶金、化工、机械、纺织工厂里，在铁路、公路风驰电掣般呼啸而去的火车、汽车上，在电视、电脑、洗衣机、电冰箱中，甚至在我们的自行车的转动中，随时随地都能看到金属间碰撞，听到金属间的摩擦，也许我们早已熟悉和习惯了这一切，可是可能我们都不在意，其实就在这种种的声响背后，金属在痛苦的呻吟！在痉挛地抽泣！无休止地运转、摩擦和振动，啃噬着它们的生命！磨损、腐蚀、疲劳使它们百孔千疮，疤痕累累：能源在这儿消耗！装备在这儿破损！事故在这儿发生！财富在这儿崩塌！千百年来，遗患无穷的金属磨损
3、成为人类的大敌，让人们伤透了脑筋。人们对这种金属表面的磨损已然束手无策，听之任之，甚至习以为常，认为本该如此。正如中国工程院院士钟群鹏所说：按照道理来看，磨损没什么，磨，磨，磨掉点，对吧，但是，它实际上是一个慢性的一个疾病的一个过程，我们叫做慢性的癌症。像腐蚀一样，腐蚀一点没关系，腐蚀多了，它就成毛病了。那么磨损带来的后来的问题就是断裂了、或者爆炸，那是屡见不鲜的。在二十世纪末-二十一世纪初，在远东，在中国，一项革命性表面工程领域的新材料技术“金属磨损自修复材料技术”问世了。从此，金属再也不怕磨损！这种新诞生的金属磨损自修复材料，能奇迹般地在金属表面形成一层坚硬而光洁的盔甲，金属不再痛苦的呻吟
4、！不再痉挛地抽泣！任其旋风般飞速地转动、摩擦，它却岿然不动，而且生命力越来越旺盛！金属的磨损已成为可悲的历史！“神话”初现 说起这种奇异的金属磨损自修复材料的由来，还有一段颇为曲折的故事，它在无意中被发现，于是引出了一个用“纳米技术”处理过的段子来。 那是1998年下半年，哈尔滨一家公司的老总在国外谈生意，在归途中，无意间发现所乘的车的发动机噪音很小，且声音柔和，爆发力极好。好奇心驱使，就问，回答说是用“纳米技术”处理过。碰巧，没过几天，朋友把懂纳米技术的专家给他领来了，并拿出一种超细粉末，灰灰的，没什么特别。可他眼见给汽车加进去一点点，能有吸一口烟弹下来的烟灰多吧，那车马上就发生了变化：原来
5、高低不平的6 个缸的缸压，20分钟就趋向了平均；原来尾气的缕缕蓝烟，也不见了；还喷出些许水来，发动机的声音也变得柔和了。这一切让这位老总惊奇不已。过了不到一个月，车主又告诉他，耗油减少了10%左右，功能却比原来好得多，像换了新车。因为是眼见，就得认可，就免不了刨根问底。原来，上个世纪80年代末，一个地质钻探队在钻探作业时无意中发现了一种不会让钻头磨损的岩石层。这种岩石引起了材料学家的极大兴趣，他们立了课题，组成了专门的研究机构，经过多年的分析研究，正待这项技术有了点眉目时，研究失去了经费支持。百般无奈，发明人找到一家企业继续实验，随后建起了一条生产这种新材料的小工厂，还申请了个人发明专利。 时
6、间到了1999年，当那位中国老总获悉这一信息后，立即邀请了原专利持有人一起在我国开展了应用实验。实验先后在铁路、轴承、切削工具、空压机、汽车等上面进行了验证，取得了出乎意料的节能减磨效果。但摆在人们面前的难题是，中国有没有这种奇异的矿石？于是，中国的地质工作者和原专利持有人便一起寻找起这种特殊的矿石，老天不负有心人，在我国地矿带上也找到了同类矿石资源，将这一矿石采掘后拿到国外相关检测部门测试，矿石的品位居然高于外方，令人欣喜不已。 2001年7月，中外合资哈尔滨圣龙新材料有限公司成立。我国的科技工作者再接再厉，调整了组合配方，改进了关键组合的制备方法，完成了新标准的制订，经外方专利持有人的认可
7、，向中国专利局申请了发明专利，2002年5月，获得批准。接着，围绕这一产品，又向中国专利局申请了6项专利，成为拥有自主知识产权的一项颇具潜力的技术成果。2003年年初，国内首家可以生产出高品质“金属磨损自修复高级润滑油”的全自动化生产线在大连问世，产品推向市场后，效果神奇，好评如潮！实证如山有人说上帝创造了人类，魔鬼创造了表面。金属表面的处理是一个非常复杂的过程，如今高科技的发展对金属表面的要求越来越高，特别在高温、高速、高压下怎样提高其耐磨性是一个极其复杂的问题。那么，我国研制的金属磨损自修复材料能够解决这个问题吗？ 在北京铁路分局内燃机务段沸腾的车间里，一项开拓性实验正在进行。金属磨损自修
8、复材料在内燃机车的初试工作喜获丰收，一个个应用工艺方法，一组组试验数据，为机械、交通和能源等其它领域的推广应用金属磨损自修复材料提供了重要的依据。一辆用自修复材料装备的内燃机车跑了28万公里后，发现原来要更换的部件都无需更换，不仅如此，油耗还下降了近10。初试的成功，令人鼓舞。于是，北京铁路局将其推广到北京、天津、石家庄、太原4个铁路分局100多台机车上，结果，他们惊异地发现：在达到30万公里中修的几十台机车中，最易磨损的活塞、缸套等均为“零磨损”，竟然可照用不误。副段长邓恩书抑制不住内心的喜悦，指着三台内燃机车高兴地说：这三台机车在使用金属磨损自修复材料后，运行30万公里进入中修，不但被检测
9、的所有汽缸套、活塞、活塞环接近“零磨耗”，而且原先已经磨损的机件也获得修复，达到或接近刚出厂时的新品尺寸。检测结果让所有在场参与测试的人感到惊异和难以置信。在中国的最高学府-清华大学的摩擦学国家重点实验室里，专家们受国家经贸委及哈尔滨市政府的委托，对金属磨损自修复材料在机械动力等设备上的应用特性进行了验证性检测。在经历了现场取样以及细致缜密的科学分析，翻阅了大量的国内外文献资料后，专家们认为金属磨损自修复材料在基体运动过程中形成的乌黑发亮的这个特殊的保护层应该是金属陶瓷保护层，它属于富氧高碳含硅含镁的铁基硅酸盐，是修复剂和摩擦副表面发生一系列复杂的氧化还原反应的产物。在实验室里，专家指着一张图
10、解释说：这是金属陶瓷保护层的光学显微镜照片。可以清楚地看出：这个金属陶瓷保护层是沿着基体的渗碳体晶格生长的，根据它的生成机理分析，形成的是化学键结合，与基体并没有非常明显的分界面，结合得非常牢固。“金属磨损自修复材料”还被应用在北京、上海、哈尔滨、广州、大连等十几个城市的各类汽车上应用，在燃料单耗、动力性能、震动降低、故障减少方面均获得显著效果。此外，在一种系列深沟轴承上也采用了这一技术，使轴承的额定寿命得到大幅度提高。 在金属切削用的钻头上使用，这一材料使普通钻头寿命提高了5倍；而在铣刀上使用，寿命也提高了一倍。富有魔力的盔甲ART的“魔术”功效已经经过了实践的检验，但是任何新产品、新材料的
11、最终定性与推广都离不开专家学者的评定，那么对这种奇特的新材料，这些著名的专家学者又是如何论证的呢？ 在哈尔滨，国内许多知名的材料学、摩擦学、表面工程学等领域的专家荟聚一堂。这里进行的是由国家经贸委会同国防科工委、铁道部、交通部、教育部和国家环保局等有关部门举办的金属磨损自修复材料产品鉴定会。鉴定委员会由包括四位院士在内的17名专家组成，其规格之高可以说非常少见。鉴定会气氛热烈，掩饰不住兴奋的中国工程院士和专家们在深思熟虑后，纷纷发言：中国工程院院士徐滨士：金属磨损自修复技术，这是一项叫做综合集成的技术，它是将现有的新材料，又在动态磨损的状态下，用摩擦化学，用力学、热力学原理，使它综合到一块，集
12、成到一起来形成一个膜，这样的话，使我们的技术交叉综合提高，形成了一个新的领域。它的特点就是在机械的原位动态的、在运行当中来处理零件的表面，而且它的摩擦系数非常小，大概在0.003-0.005，而这就是比普通的表面的摩擦系数少一个数量级，这必然减少能源的消耗，而且提高效益。中国工程院院士钟群鹏：这个材料，它可以自动生成，自动地动态地生成这么一层东西。这个特殊的保护层就象我们手上长出的茧一样，它和基体也像是皮肉相连。它超硬，超滑，抗腐蚀，耐热，表面光洁度极高，有着优异的力学和物理性能。数据显示，在干摩擦条件下，测得的最低摩擦系数始终稳定保持在0.005，这比流体油膜润滑低一个数量级；通过纳米硬度计
13、实验结果对比发现，保护层的硬度比基体硬度提高了一至三倍。当然现在我们现在还弄不清楚这一层东西是什么，具体是通过什么样的作用，机理形成了这么一层东西，但是可以看出来，确确实实存在着这么一层东西，这是确信无疑的。这层东西对摩擦性能是致关重要的。首先，它的摩擦系数很低；第二个，它的硬度很高；第三个，它的自动修复的性能很好。作为一个失效的主要形式的磨损来看，它是具有创新意义的一个技术。天津理工学院教授季文源：它通过引进、吸收、消化和调整达到了整体的创新，而且现在实现了产业化。这应该是一个重大突破。北京二七机车厂副厂长、高级工程师张建中：青藏铁路应该说是一个举世瞩目的铁路，也是绝无仅有的。这个铁路吧，它
14、具有一个很特殊的自然环境，就是风沙大、温差大，而且雷电多、坡道大，还有高海拔、低气压，那么这个铁路上的牵引动力应该说是一个很复杂的一个设备，那么很核心的一个问题，那么我想这个材料如果现在一百台内燃机车上适用的效果确确实实是很有效的话，将在青藏铁路上使用应该说是很有价值的。它可以对青藏铁路上的机车的燃烧状态，会起到一个很积极的作用。 会上大家发言踊跃，经过既定的程序，专家们一致通过了对该产品的鉴定，认为此产品是一项具有我国自主知识产权的重大的创新性科技成果。经过专家学者论证，会议认为：金属磨损自修复材料技术(Auto-Restoration Technology of Wear of Metal
15、s简称ART)，是一项具有革命性的表面工程领域的新技术，应用这项技术不仅能预防机件磨损，还能修复处于长期运转中的机器磨损表面，由此而大幅度地延长装备的使用寿命和降低能耗，这是采用现行的表面处理和表面保护方法及市场上销售的各种类型的油料添加剂无法做到的。“金属磨损自修复材料”是一种由羟基硅酸镁等多种复杂组分构成的超细微粒材料。在设备运转状态下，由润滑油（或润滑脂）作为载体将超细微粒输送到设备的摩擦工作面上。对于正在发生磨损的部位，在摩擦切削力和微粒研磨剪切力产生的微局部高温（闪温）作用下，微粒材料与摩擦面上的铁基金属发生热化学和力化学置换反应，生成一种光洁度极高的铁基硅酸盐金属陶瓷层。摩擦产生的热能使金属陶瓷层持续生长，直至恢复到最佳配合间隙。此时该部位的摩擦振动和磨削产生的热能大幅度降低，化学反应即告停止，微粒材料对磨损部位的修复过程也即完成。金属磨损自修复材料能在金属表面生成耐磨陶瓷保护层；能在机器正常服役下，无需解体地对磨损部件进行修复；能选择性地补偿表面磨损，而且耐磨陶瓷保护层生长的厚度与超细粉末的数量和摩擦释放的能量成正比，是自动调节的；耐磨陶瓷保护层与原始金属表面没有明显的分界面；耐磨陶瓷保护层使摩擦系数比油膜润滑降低了一个数量级；耐磨陶瓷保
