金属磨损自修复技术在汽车发动机维修中的应用

2021-04-03敬谦

中国设备工程 2021年10期

敬谦

（陇东学院，甘肃庆阳 745000）

磨损是造成材料失效的原因之一，磨损和摩擦是降低机械设备可靠性、寿命、安全性的主要原因。美国、日本等国家研究指出，由于磨损失效造成的机器零件故障直接导致的经济损失占国民经济总产值的比例大约在2%，由此可知，采取相应的技术措施降低磨损失效发生率尤为重要。现阶段应用的降低构建磨损失效发生率的技术主要有3种，一是，修复技术；二是，减摩技术；三是，抗磨技术。ART即金属磨损自修复技术是一种新的表面工程技术，这种技术结合了动态自修复功能、减摩功能、抗磨功能，ART材料主要成分为添加剂、催化剂及矿物成份粉粒，包括Mg6Si4O10（OH）8、Al2O3、SiO2、Fe2O3、CaO、MgO等。ART技术的核心是特殊成分的微纳米粉体材料在金属表面形成类金属陶瓷改性层，在产生摩擦时，类金属陶瓷改性层将摩擦转变成为耐磨保护层，如果构件发生磨损则在金属表面进行选择性的动态修复。

改革开放以来，我国的经济发展水平快速提升，汽车的数量逐年增加，当前汽车已经成为了生活的刚需品，同时汽车维修的市场也也越来越大。发动机是汽车的核心部件，一旦发动机出现故障，只能在4S店进行维修。但是，汽车发动机的维修成本较高，花费金额大，因此，十分有必要加强汽车发动机维修技术的研究。而金属磨损自修复技术成本低，并且应用效果好。

1 金属磨损自修复技术的机理

当前国内外的专家都十分重视该技术的研究，我国的研究者如徐滨士等人第一次提出金属磨损摩擦自修复原理。杨鹤等人通过试验的方法，验证了主要组分为Mg6Si4O10（OH）8的金属磨损自修复剂的应用效果，研究结果表明，该修复剂的应用提高了金属表面硬度。王磊等人以羟基硅酸镁为自修复剂，试样盘表面形成了保护层。近年来，金属磨损自修复技术应用在了汽车发动机和轴承的维系中。李华伟将金属磨损自修复技术应用在6310滚动轴承上，该技术的应用可以显著提高轴承的寿命。金属磨损自修复技术在汽车发动机表面应用时，可以延长整个发动机及相关零部件的使用寿命。

金属磨损自修复技术（ART）属于原位摩擦化学自修复的一种，在设备运转过程中，设备摩擦副表面添加了带有ART粉体的润滑脂或润滑油，在设备的磨损区域，由于微粒研磨剪切力、摩擦切削力的共同作用使磨损区域局部出现微高温，此时，摩擦副表面的ART粉体发生热化学置换反应、力化学反应生成类金属陶瓷层，类金属陶瓷层在热能的作用下持续生长填补摩擦副的缺陷，直至恢复到最佳的配合间隙，最终实现磨损自修复，这种修复过程是不可逆的。从理论角度来讲，金属磨损自修复技术可以应用在任何机械设备的摩擦副及磨损零部件。

2 汽车发动机出现的主要故障成因及分析

汽车发动机故障是汽车故障中的常见类型，并且发生率较高，造成汽车发动机故障的原因主要有气缸磨损因素、拉缸因素等。

2.1 气缸磨损因素造成的发动机故障

汽车发动机在工作时，气缸内的活塞运动速度较快，活塞的这种往复运动导致气缸不可避免的发生磨损。发动机是否需要进行大修的依据之一为气缸的磨损程度。气缸发生的磨损主要包括机械磨损、腐蚀磨损、磨料磨损三个方面。机械磨损主要是气缸和活塞之间存在相互摩擦力，如果气缸和活塞配合时存在较大的间隙，则活塞边缘或者活塞环由于运动中的刮蹭作用会增大摩擦力导致气缸的磨损，如果活塞表面比较粗糙或者运动时产生的爆发力较大则会加速气缸的磨损。腐蚀磨损主要时燃烧混合气时产生酸性氧化物和有机酸，从而对气缸表面产生腐蚀作用。磨料磨损主要是由于机油滤清器和空气滤清器的工作效果不佳，导致杂质如空气杂质、润滑油杂质等进入气缸，造成气缸内壁磨料磨损。

2.2 拉缸因素造成的汽车发动机故障

气缸故障总称为拉缸，也就是在气缸的内壁产生比较深的沟纹，这种沟纹将会降低气缸壁与活塞之间的密封性，造成动力性的损失，这是是发送机产生的一种重大故障，造成发动机拉缸的因素很多。一是，机油质量因素造成汽车发动机拉缸。首先，如果机油质量不过关，机油较稀，粘度过低，产生的润滑效果不佳，因此，为了避免出现这个现象，通常购买的为粘稠度过高的机油，但是，如果机油的粘稠度过高则可能会造成汽缸壁润滑油失效，造成拉缸故障。机油杂质含量高、机油的润滑性能不足也会造成汽车发动机拉缸故障。二是，修复的气缸表面过于粗糙或者不平，没有达到相关的要求则会显著降低气缸的摩擦副与活塞环之间的密封性，从而造成气缸出现腰鼓形磨损（中间大两头小）或是纵向机械划痕。出现活塞配缸间隙过大或过小的情况，如果间隙过大则活塞运动时产生的冲击载荷不均匀不肯定，对润滑油膜产生破坏作用；如果间隙过小则活塞受热之后体积变大，变大的活塞对气缸产生一个挤压力，对润滑油的作用产生影响，抑制润滑油膜的形成。三是，油门超大负荷工作或者减载限速操作不当也会造成汽车发动机的拉缸故障。

除了上述的两方面因素，发动机的不恰当改装及发动机本身应用的材料也是造成汽车发动机故障的因素。

3 基于金属磨损自修复技术的汽车发动机维修方法

3.1 基于金属磨损自修复技术的气缸磨损的维修

如果汽车发动机的气缸的磨损较小，处于早期磨损的范围内，则可以直接利用金属磨损自修复技术进行气缸维修，维修的操作步骤如下：

（1）在汽车发动机的气缸中注入金属磨损自修复材料，在发动机不供油的情况下，反复启动发动机，将修复材料传输到发动机内部的气缸摩擦表面，活塞运动时产生热能从而实现气缸磨损表面的金属磨损自修复。

（2）在机油中直接放入金属磨损自修复材料，第一次添加金属磨损自修复材料时应该以润滑油的定量与压缩比值作为依据，制作润滑油与修复材料的混合液放在发动机的油壳底。如果实际压缩比为90%×标准值，则混合液的加注量为40～50mL/L；如果实际压缩比为80%×标准值，则混合液的加注量为48～70mL/L；如果实际压缩比为70%×标准值，则混合液的加注量为64～90mL/L。第二次加注修复材料时，当汽车发动机气缸第一次添加金属磨损自修复材料后运行距离处于400～600km时，则进行第二次添加金属磨损自修复材料。添加金属磨损自修复材料之后需要注意2个问题，一是，定期对油滤清器进行更换，防止油中的杂质进入气缸降低气缸修复效果；二是，确保添加的机油量足够，一旦机油泄露及时根据原比例完成补充。

如果汽车发动机的气缸或活塞环的磨损严重，则进行金属磨损自修复时，需要更换相应的部件如油封、研磨气门，同时彻底的清洁活塞及活塞环，在气缸的内壁表面直接涂抹金属磨损自修复材料，在发动机工作过程中，材料填补摩擦副的缺陷，完成修复。

3.2 基于金属磨损自修复技术的拉缸故障的维修

汽车拉缸故障的主要表现为发动机不能正常工作熄火、发动机噪声异常、排气管冒烟严重、润滑油上窜到气缸内引起烧机油。汽车发动机出现拉缸故障时，主要因素时由于发动机在长时间行驶过程中，由于水量不足造成发动机过热，修复时，第一步，先更换活塞环；第二步，采用细砂纸彻底清理气缸表面，保持气缸表面干净；第三步，活塞调至下止点之后，在气缸表面涂抹金属自修复材料，之后根据实际的需求气缸中多次添加修复材料，重复启动发动机。如果汽车发动机属于新机或者经过大修之后的机器，则一定要使用质量满足规范要求的润滑油，根按照规程进行磨合操作，磨合操作完成之后才能正式投入负荷运转。