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PDR-纳米抗磨剂对提高我国汽车轴承寿命的研究与应用
发布时间:2015-07-24 10  |  点击:498  |  作者:qinside

北京邮电大学化学防护研究所 彭道儒 教授

各种新型发动机和各种新型机械,特别是轴承,它们必须经常在宽的温度范围内(从-60℃到+300℃和更高温度),在高负荷和超高负荷下,在摩擦零件转速极大的条件下工作。这样对润滑材料有新的要求,即使是最好的石油润滑油都不能满足这些要求。所以,制造满足新要求润滑材料的任务,是非常复杂和艰难的。
近年来,美国、德国、俄罗斯等国家都积极进行研究,大量研究工作研究了矿物油组成中烃类的性质及其改进,而合成烃类及其他有机物和无机化合物就为选择合适的润滑材料开辟了道路。目前在大量研究过的合成材料中性能相对比较好的润滑油有:1)多元羧酸和多元醇酯;2)聚烯二醇;3)聚硅氧烷液体;4)氟碳和氟氯碳化合物。
但是,多元羧酸和多元醇酯在100℃时很容易氧化;聚烯二醇及其衍生物在高温时比较易于氧化,温度低于-40℃时,粘度较大;聚硅氧烷液体抗磨性较差且在缓和的氧化条件下有形成凝胶的倾向;氟碳和氟氯碳化合物的粘度性质不够理想,凝固点高,抗磨性也不够好。
以上材料除了自身的缺陷外,另外还有一个共同的缺点,它们和金属不能形成强有力的结合,结合力差,不能牢固地附着在金属表面,基本上都是以范德华力和金属相结合,形成物理吸附,不能长期附着在金属表面,起到润滑作用。还有一些国家的科研人员发明了在轴承上进行热处理、渗碳、渗氮、渗硫等方法以及在润滑油中加石墨、二硫化钼等种种措施,但始终满足不了工业发展的需要。由于以上技术都很难使轴承使用寿命提高3倍以上,而且价格偏高,企业难以承受。
在整个轴承领域中,瑞典和德国的轴承以质量好、寿命长的优势驰名世界,但价位也高。据统计中国轴承产量占世界总产量的30%,年产量约20亿套,但质量不高、寿命短,导致价格便宜,明显落后于国际水平。
PDR-纳米抗磨剂是一种有机大分子纳米新材料(分子长度为30~33埃即3.0~3.3nm,宽度约0.5nm左右),这项成果是彭道儒教授对固体物理学、物质结构、有机结构理论和分子电子学理论综合运用于新材料研究的重大突破。在上述理论中,《科技日报》曾刊登文章说:"分子电子学理论是21世纪高科技发展的重要源头"。PDR-抗磨剂这种新材料能显著提高轴承的润滑性和抗磨性。

一、PDR-纳米抗磨剂的结构原理
PDR-纳米抗磨剂是一种具有特殊结构的新物质,它是由特种润滑材料与金属缓蚀剂结合成的一个整体。即同一物质借助于它分子的端基所具有的静电场力或配位场力与金属原子产生结合力为30~150千卡/摩尔的化学键结合,这种结合力比分子间力(也称范德华力)(0.1~14千卡/摩尔)要大11~300倍。这种结合,通俗地讲,就像是无数个带尾巴的铆钉密集地铆接在金属表面,从而形成了一层牢固的既能防腐蚀又能起良好润滑作用的分子型固体薄膜。PDR-抗磨剂是一种极性很强的分子。这种分子由头和尾组成:极性分子头部为一个密集的电子云团,其中能量较大的电子能进入钢铁表面铁原子的d亚层空轨道与铁原子形成化学键(共价键或配位键)结合,所以具有很强的结合力,能牢固地附着在金属表面;而分子尾端具有很强的润滑性与耐磨性。如果金属表面浸涂了PDR-抗磨剂,金属表面就会形成一层完整致密的保护膜。这层保护膜由无数个强极性分子定向排列而成。当金属相互运动时,凹凸部分接触,必然会发生碰撞,产生阻力,形成干摩擦;涂PDR-抗磨剂后,金属表面相互间的运动,实际上是附着在金属表面上抗磨剂分子间的摩擦,此时摩擦介质与摩擦系数已发生了根本改变,由原来钢与钢之间摩擦系数μ=1.2~1.5下降到μ=0.05~0.07,摩擦系数减小了17~24倍,根据摩擦学理论F=μN,当正压力N一定时,摩擦力F与摩擦系数μ成正比。通常温度与正压力不变的情况下,金属的磨损随摩擦系数的降低大致有相应倍数的降低。因此从理论上足以证明在金属表面涂敷PDR-抗磨剂,必然会大大(10~20倍)提高金属的抗磨耐摩性能。

二.PDR-纳米抗磨剂的实验与应用
1.北京铁道科学研究院将PDR-纳米抗磨剂涂敷在轨样对磨副上,按国标GB/T1244.1-1990金属磨损试验方法,以加载65公斤,磨耗次数2000转,200转/分的条件下进行试验。
试验结果如下:
未涂PDR-纳米抗磨剂:平均磨损量为50.41mg
涂敷PDR-纳米抗磨剂:平均磨损量为4.545mg
结论:涂敷PDR-抗磨剂后抗磨性提高了11倍多。

2.江门联合发动机股份有限公司1999年将PDR-纳迷抗磨剂涂敷在摩托车发动机的凸轮、齿轮、汽缸活塞上,进行200小时的干摩擦试验,结果所有部件均毫无磨损。而未涂PDR-抗磨剂的另一组部件经过60小时的干摩擦试验后,磨损率达到13丝(130μm),部件已告报废。

3.采用辽宁兴烽集团生产的汽车轮毂轴承7815E四套,涂敷"PDR-纳米抗磨剂"委托洛阳轴承集团技术中心轴承测试部于2002年8月27日至2003年3月5日进行经涂敷PDR-纳米抗磨剂轴承的疲劳寿命考核,作完全部试验,即滚子、内圈或外圈表面发生破损或脱皮为止。

结果如下表 :

样品编号 试验通过时间(h) 疲劳破坏情况 备注
2002-01 300 滚子脱皮
2002-02 1125 内外滚道及滚子脱皮
2002-03 1609 内圈滚道脱皮
2002-04 783 外圈滚道及滚子脱皮

结论:
本批7815E轴承4套,经台架寿命试验,全部达到和超过2倍计算寿命。其中寿命较短的2002-01试件、滚子材料夹杂,也达到2倍计算寿命,寿命最高的试件达到10倍计算寿命。
根据CSBTS TC98.77-2001滚动轴承产品质量分等中轴承成品试验寿命及判定标准,该批试验轴承L10t/L10≥2,达到一等品寿命考核标准。
以往文献中有关轴承用润滑材料作了种类繁多的论述,但迄今为止众多的润滑材料,都难以突破性地提高轴承的耐磨性能。从根本上来讲,存在一个关键的理论性问题:液体润滑油大多数是以矿物油或硅油酯类或氟碳化合物与其他添加剂所制成。从结构分析,这些物质均属于非极性分子或极性弱的分子,这类分子之间以及分子与金属之间的结合力很小,易自由滑动。尤其易受温度影响,当温度升高时,液体分子的热运动加剧,随之分子表面张力下降,故当液体分子受到摩擦或挤压时便容易离开金属表面,聚集于工作面两旁,甚至完全流失,使金属的工作面失去润滑性,形成凹凸表面的齿合和摩擦,导致金属磨损厉害。而PDR-抗磨剂能完美地解决这一难题,因为它能和金属形成化学键(共价键或配位键)结合,能牢固地附着在金属上,通俗地说就像是在金属上生了根,且抗磨剂分子本身的耐磨性能优于钢铁自身的耐磨性,还有优于当今许多种新型润滑材料的润滑性能。特别是与铁原子形成化学键以后,产生分子热运动时比各类非极性分子和弱极性分子要消耗更大、更多的能量,根据差热分析结果:PDR-纳米抗磨剂在-60~240℃能保持稳定可靠的抗磨与润滑性能,故应用PDR-抗磨剂的轴承能提高5~10倍的使用寿命。PDR - 纳米抗磨剂还具有很好的耐温性与热稳定性,由于它是强极性分子类型。

综上所述,PDR-纳米抗磨剂是一种新型奇特的润滑材料,能显著提高轴承的润滑抗磨性能,大大延长轴承等机械部件的使用寿命。有海内著名学者预测,这一成果在全国推广应用后,将给我国国民经济带来百亿元以上的年社会经济效益。PDR-纳米抗磨剂的诞生是提高轴承寿命发展史上的一个重大突破,同时也是在提高轴承寿命方面真正有了中国自己知识产权的高科技。不久的将来,我们必将创立中国自己的品牌和世界品牌,与广大轴承企业一道,在世界轴承行业,乃至世界高科技领域占有一席之地。

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