金属磨损自修复技术在汽车发动机维修中的应用

1、金属磨损自修复技术在汽车发动机维修中的应用秦传江 徐中明 摘要：金属磨损自修复技术，是由一组天然矿石材料的超细粉体构成的，添加在润滑脂（或油）中，在金属摩擦表面磨损时产生的热能作用下发生化学置换反应后，在摩擦表面生成光洁度的铁基硅酸盐耐磨保护层（金属陶瓷层），对已磨损的部位实现自动修复，同时使机械零件的使用寿命获得大幅度增加，广泛应用于汽车发动机维修中。关键词：磨损 自修复 耐磨保护层 汽车维修一、 引 言 磨擦磨损是自然界普遍存在的现象，也是机械零件失效的主要形式之一。据统计，发动机中由于磨损产生的故障在各种故障中占有很大比重。造成发动机磨损加剧的主要原因是润滑不良、配对材料欠佳、制造和装配

2、质量差、使用条件恶化、灰尘和温度影响，以及交变负荷的作用等方面。发动机气缸、活塞、活塞环组是发动机的心脏部分，也是工作条件极为恶劣的部位。发动机的寿命取决于气缸、活塞、曲轴、轴承等机件的磨损程度。特别是气缸、活塞环的磨损率决定发动机的大修间隔期限，它在高温高压燃气环境里承受弯曲、冲击及过度磨损，均影响气缸体的密封性能，进而导致发动机性能恶化。通常缸套最大允许磨损量为内径的0.4%0.8%。气缸的表面质量、燃油的质量、润滑油的质量、冷却水温度和工作条件等因素都会对气缸的磨损产生很大的影响，导致气缸出现磨损、拉缸和穴蚀等损伤，从而引起发动机转速不稳、振动加剧、出现噪音、冒白烟或冒黑烟等状况的发生。

3、对发动机气缸、活塞、活塞环组的维修传统的修复工艺是需要解体发动机，加气缸套、更换活塞、活塞环组并对其进行适当的工艺加工, 以恢复其技术性能。这样的修复方式既不经济又延长维修时间。金属磨损自修复技术可以在不解体发动机，使发动机处于正常工作状态中自动修复磨损面，自动调整修复层厚度和同心度，提高发动机的精度、寿命，降低摩擦面的摩擦系数，避免停工损失，从而达到发动机在“使用中的修养合一”的理想效果。该项技术以全新的维修理念,为汽车发动机的磨损修复扩展了一个新的领域。二、金属磨损自修复技术金属磨损自修复技术是近几年发展起来的一项具有革命性的表面工程领域的新技术。它是采用“一种矿石粉体润滑组合物” （粒度

4、不大于10m，如图1）的修复材料，添加到油品和润滑脂中使用。修复材料的主要成分为蛇纹石及少量的添加剂和催化剂，常用组分包含（质量百分比）蛇纹石（化学通式为3MgO·2SiO2·2H2O，结晶构造式为Mg3(Si2O5(OH4）50-80% ，软玉10-40%, 次石墨110%。使用时，该修复材料以润滑油或润滑脂作为载体, 进入摩擦副的工作面，通过挤压，摩擦表面在摩擦磨损过程中，在铁基金属摩擦表面形成一层与金属基体有着极强的结合力、具有异乎寻常的力学和物理性能的金属陶瓷保护层。修复材料不与油品发生化学反应, 不改变油的粘度和性质, 使用中无毒副作用，对环境和人体无害。金属磨损

5、自修复技术的特点是在机械装备不解体的情况下, 可在机械装备运行过程中完成铁基金属磨损部位的自修复过程, 生成减磨性能优异的金属陶瓷保护层, 它所生成的保护层不仅能够补偿间隙，使摩擦表面硬度和光洁度提高, 摩擦系数大幅度降低, 并使已经磨损的部位恢复到原来尺寸,还可以优化配合间隙，有利于降低机械振动, 减少噪音, 节约能源，大幅度延长设备的使用寿命, 降低能耗。图1：超细粉体微粒铁谱照片（< 10m）三、金属磨损自修复技术的机理当金属磨损自修复材料中的微米级粒径颗粒材料以润滑脂作为载体进入相互摩擦的机械零件中时，这些微粒材料在机械零件的摩擦中对相互摩擦的机械零件产生超精研磨作用，

6、并通过一系列物理的和化学的变化，从而改变了摩擦表面的金属微观结构。修复材料在机械零件摩擦表面发生的物理变化是：机械零件在相互摩擦过程中，在摩擦力的作用下，超细微粒颗粒被进一步碾碎，此时微小颗粒对金属摩擦表面产生超精研磨作用，有足够硬度的微粒的超精研磨作用造成金属表面微凸体断裂，使得机械零件摩擦表面的光洁度进一步提高。修复材料在机械零件金属摩擦表面发生的化学变化是：在超精研磨中，微凸体断裂时产生的几百度的瞬间闪温，使微粒晶体中镁原子与摩擦表面的铁原子发生置换反应，促使抗磨修复材料在催化剂、活化剂作用下发生微烧结、微冶金过程，在铁基金属摩擦表面生成铁基硅酸盐保护层，亦称金属陶瓷层。这一铁基硅酸盐保

7、护层是在金属表面微凸体发生断裂出现闪温时产生的，在非磨损部位上不产生摩擦热，不发生化学置换反应。因而这种铁基硅酸盐保护层的生成有选择性，它只会在相互摩擦的机械零件金属摩擦表面生成一层耐磨的保护层。在机械零件间不断发生磨损，摩擦面磨损严重时表面凸凹更明显，运动时较多机会产生更高的闪温，磨损产生的微凸体断裂和释放的热能使这种化学置换反应继续进行，抗磨修复材料发生微烧结、微冶金的机会也越多；当其表面生成一层金属瓷保护层后，磨损部位的修复，使其表面光洁度提高、摩擦系数降低，磨擦产生的热能下降，不能提供形成修复层所需要的高温，化学置换反应也就停止，修复层厚度不再增加。但是当这一耐磨保护层受到破坏时，金属

8、表面的摩擦热急剧增加，新的置换反应又将开始，使耐磨保护层得到恢复。四、金属磨损自修复技术在汽车发动机维修中的应用（一） 汽车发动机中活塞环和气缸的磨损分析 由于气缸与活塞环相互运动摩擦，气缸会出现中间大两头小的腰鼓形磨损。造成这样磨损的原因是：活塞环的刮油作用阻止润滑油进入气缸上部，即使极少量润滑油通过活塞环的泵油作用被送到上部，也会在压缩、做功冲程产生的高温高压下燃烧殆尽，加之活塞不均匀的冲击载荷、润滑不良、散热不利等因素，沿高度方向、气缸径向都有大小不同的磨损，在上止点附近形成比其它部位更严重的磨损，活塞环不接触的上口几乎没有磨损而形成台阶。在风沙大、灰尘多或滤清器保养不良的条件下，这样气

9、缸就出现了中间大两头小的腰鼓形磨损。（二）运用金属磨损自修复技术对汽车发动机中活塞环和气缸的修理方法1、气缸处于极限磨损范围内、活塞环磨损不够严重还可正常使用，此时，可不解体发动机，采用金属磨损自修复技术进行修理。其修理方法为：1）先将修复材料由气缸顶部的火花塞孔、喷油器(柴油发动机孔注入气缸内。尽量避免将修复材料加到活塞的顶部。再切断供油系统，启动马达34次，每次持续5秒钟，每次间隔10秒钟，使机油通过飞溅式、强制式润滑将修复材料粒子送到摩擦表面，利用活塞工作受力不均匀，变载运动对气缸套修复。 2）按一定比例分若干次在机油中加入修复材料，直到发动机性能恢复。3）修复材料处理期内机油应无泄漏，

10、如有泄漏按原比例补充修复材料。 2、如果活塞环、气缸同时严重磨损，不能使用的维修方法为：1）更换活塞环，研磨气门，更换气门油封，加装气缸套，清理活塞积碳。 2）装配活塞、活塞环至气缸内。3）将活塞至下至点，用修复材料在各气缸壁表面均匀涂抹。 4）装配气缸盖总成 5）按方法1中1）、2）操作方法完成。 3、 因发动机水箱缺水行驶、发动机过热造成拉缸故障的维修方法为：1）更换活塞环，研磨气门，更换气门油封，清理活塞积碳。 2）用细砂纸修理气缸内壁粘着物并清洁其表面。3）将活塞至下死点，用修复材料在各气缸壁表面均匀涂抹。 4）装配气缸盖总成 5）按方法1中1）、2）操作方法完成。五、金属磨损自修复技

11、术对汽车发动机维修后的试验结果1、性能试验汽车发动机在使用中因气缸、活塞等的摩擦阻力加大和配合间隙加大, 造成其动力性能有不同程度的下降, 通过金属磨损自修复技术在其气缸、活塞环等摩擦表面上生成超硬、超滑的金属陶瓷层, 并自动修复其磨损部位后,经发动机台架试验，性能会发生如下变化：气缸压缩比提高10-15% 热机怠速油压增加98-147kp 1.0-1.5 kg/cm2发动机动力提高5-25% 发动机油耗下降5-15%、有害气体CO、HC排放降低10-50% 、NO下降16-18%。降低机械振动、减少噪音。2、气缸理化试验对通过金属磨损自修复技术在发动机气缸表面上生成的金属陶瓷保护层

12、作金相观测，如图2、3所示。图2. 发动机气缸金属陶瓷保护层的光学显微镜像图3 局部放大显示（左为金属陶瓷层，右为铸铁珠光体）经实物目测，通过金属磨损自修复技术在发动机气缸表面生成的金属陶瓷保护层乌黑发亮，有淡兰色金属光泽。对其进行力学和物理性能检测，其检测结果如下：摩擦系数：0.003-0.007（比油膜润滑低一个数量级）显微硬度Hv：提高1倍表面粗糙度：Ra=0.0694mm 达14级(属极光滑表面类膨胀系数：13.6-14.2（与钢相同）耐高温：1575-1600耐腐蚀：优良冲击强度： 50kg/mm2试验结果证明：这种耐磨的保护层有优良的力学和物理性能。六、结论：金属磨损自修复技术是通过Mg3(Si2O5(OH4天然晶体颗粒在摩擦热的作用下发生的化学置换反应，在发生摩擦磨损的铁基金属表面生成硅酸铁盐金属陶瓷层，使摩擦表面具有极好的耐磨特性和极高的光洁度，其显微硬度比原基体硬度提高一倍。其独特之处是对磨损部位有不需拆卸的自修复作用，它可使已磨损的机械零件恢复到原尺寸状态，使用寿命可得到大幅度延长，可靠性水平也得到相应提高。并且由于机械零件间的摩擦系数降低，可节省大量动力能源消耗。因此，可以广泛地应用于汽车维修领域中。参考文献：1、史佩京，徐滨士，刘世参表面工程技术在发动机零部件修复与强化中的应用 2、金属磨损自修复材料功效的实验室