金属磨损自修复:润滑技术的革命

王晓安

小学自然课本上有一篇科学作文《没有摩擦的世界》,这篇科普文章的趣味性让我们记忆深刻。事实上没有摩擦是不可能的。现实生活和生产中,恰恰因为摩擦太大而产生了各种问题,所有机械在运转过程中都会因齿轮、滚轴等部件的摩擦过大而影响工作效率,增加损耗。这种微小的摩擦给经济社会造成的损失远远超出人们的想象。

国际权威机构测算:世界一次性能源的30-50%消耗在摩擦损失上,机械设备损坏和失效约80%是摩擦磨损造成的,而且50%以上的机械装备的恶性事故都是起因于润滑失效造成的过度磨损。

中国工程院《摩擦学科学及工程应用现状与发展战略研究》报告指出:“2006年我国工业领域因摩擦磨损造成的损失约9,700亿元人民币,欧美发达国家因摩擦磨损造成的损失约占其国民生产总值的2%-7%。目前我国的经济发展模式还比较粗犷,资源浪费严重,该领域的损失远高于欧美发达国家。”

润滑油就是为了解决这一问题应运而生的。润滑油的作用机理是在零件表面形成润滑油膜,减小摩擦。问题的解决显然还有另一种思路:能不能从机械零件本身入手,比如让零件表面改性,使其更加光滑、更加坚硬来减小摩擦和损耗呢?

答案是肯定的。清华大学摩擦学国家重点实验室博士生导师、俄罗斯自然科学院外籍院士、白俄罗斯工程技术科学院外籍院士金元生教授提出的金属磨损自修复技术的科学概念和理论体系(Auto-Reconditioning Technology for Worn Metals,简称ART)就是从上述第二种思路出发的。根据这一理论体系形成的专利技术已被授予国家发明专利,专利号:ZL 200610075832.5。该项技术已经实现市场运用,相应产品——强效金属磨损自修复制剂已由北京金飒新材料科技有限公司投入生产。

摩擦的克星 — 金属磨损自修复技术

金属磨损自修复技术的机理是利用制剂与摩擦金属表面的相互作用,形成与基体冶金结合的保护层,没有明显的物理界面,不会脱落。保护层具有超滑、高硬、耐腐蚀的特性,磨损率极低,摩擦系数极低,从而克服摩擦带来的磨损和能耗。

显然,这种金属磨损自修复制剂的作用与润滑油有着本质的区别,它能使金属摩擦表面原位改性,是一种表面工程领域的创新性技术。其突出特点是在机器不解体的运行状态下,以润滑剂为载体将制剂带入摩擦副表面,通过力化学作用选择性地原位修复磨损表面,优化机械元件配合间隙,恢复原设计尺寸,达到最佳运行状态。

传统的机械摩擦副表面强化和修复技术有离线强化预处理和解体后离线修复的后处理两种途径。与此不同,金属磨损自修复技术实现的原位修复可以简化维修过程,降低成本,提高机器在线使用率。同时,由于形成的自修复保护层具有的优异性能,能达到节能、减排、延寿的目的。

在试验测试中,采用金飒金属磨损自修复制剂处理的机床,零部件的更换频率从两三年提高到十年,并且制造精度提高、噪音降低、能耗减小。在汽车应用方面,金飒公司先后在北京汽车能源检测中心、清华大学汽车研究所、云南玉溪进行了3次实车检验。一台已运行13万公里,缸压降至8.2左右的捷达轿车缸压恢复至12,综合节油率提升了3.1%-3.7%,CO2排放降低了24%,HC + NOx排放降低了23%。2008年2月28日～5月13日,清华大学汽车研究所503室汽车转鼓试验台上,一台接受试验的索纳塔轿车CO2排放降低20%,另一台帕萨特轿车的CO2瞬间排放浓度曲线平滑下降。2008年12月31日,在云南玉溪进行夏利、长安奥拓、切诺基、斯巴鲁等11台高中低档汽车的实车检验结果表明,所有实验车型汽油机平均排放降低率为HC 23.7%, CO2 32.6%,柴油机烟度平均降低率为11.45%,油耗均明显降低。

金飒金属磨损自修复制剂不仅能应用于机床、起重设备、燃油泵、空调装置、液压系统、齿轮及蜗杆传动、链传动等传动系统,也能应用于船舶、机车、汽车、搬运机械等动力机械。对于汽车消费者,它能够明显降低油耗和排放,可大大减少用车使用成本和保养维修成本;对于整个社会,它更是符合低碳、节能、减排、环保理念的新产品。

坎坷的诞生之路

面对此项重大发明,金元生教授向记者讲起了该技术的诞生之路。

大约上世纪七十年代末至八十年代初,前苏联的地质工作者在钻探作业时发现,某一地区钻具的寿命是其他地区的6倍,而且钻具表面异常光滑。该现象引起了前苏联科学家的注意,经过研究发现,导致钻具发生变化的决定性物质是蛇纹石,蛇纹石中的某些物质能让钻具表面更坚硬、更光滑,从而减小摩擦,延长钻具寿命。

前苏联科学家对此研究立项,以蛇纹石为基材提炼粉体用于机械润滑,果然取得了一定的效果,当时该技术只限于在军事领域运用,没有大规模推广。我国从2000年前后开始关注此项技术,并且在原国家经贸委和哈尔滨市经贸委的支持下在哈尔滨成立了中俄合资企业,进行技术引进工作。由于种种原因,引进最终没有完成。

“我觉得太可惜了”金教授不忍对国家、对社会、对人民都有巨大潜在价值的技术付之东流,于是带着学生自主研究,并在2007年成立北京金飒新材料科技有限公司,入驻中关村科技园,一肩扛起科学研究和产业化的两大任务。

金教授强调,金属磨损自修复现象并不是他最先发现的,俄罗斯人已经做出了实用产品,但并不清楚其中的机理,他一开始只是受国家有关部门的委托,作机理研究和使用效果验证,后来根据机理的研究结果发现并形成了独特的制剂制备方法,研发出新的产品,并且获得了国家发明专利。

“我接触这个技术以后发现它与传统的润滑油添加剂作用原理不同,传统添加剂都是油溶性的,是对油品进行二次加工以改善和提高油品的理化特性和成膜能力。”“而我们金飒的产品不与润滑剂发生任何化学反应,不溶于油和脂,只是被润滑剂带到摩擦表面,与表面发生反应形成保护层。从这个角度讲,它不是添加剂,这项技术也不属于润滑工程,而属于表面工程。”

可以预见,如果金属磨损自修复技术得到推广,将对整个国民经济在节能、减排、延寿、降低成本、提高效率等各方面发挥重大的作用。令我们担心的是,如此利国利民的新技术,如果不能辅以强大的推广力度,晚普及应用一天,都是全社会的损失。

幸运的是,金子总会发光,经过金飒公司全体同仁的不懈努力,该技术现已获得科技部中小企业创新基金的立项扶持,2010年被列入北京市政府采购名录,同时,有远见的企业家也发现了这一技术的潜在价值,2009年北京奇伦创业投资公司携专业化管理团队已融入金飒公司。

不久的将来,“没有摩擦的世界”也许会无限接近我们。