納米金屬潤滑添加劑對發動機油性能影響的研究

邢香花，趙斌，王鵬，楊偉

（上海海聯潤滑材料科技有限公司，上海200235）

納米金屬潤滑添加劑對發動機油性能影響的研究

邢香花，趙斌，王鵬，楊偉

（上海海聯潤滑材料科技有限公司，上海200235）

采用四球磨損試驗機評價了納米銅-鎳粉體在15W/40機油中的極壓抗磨性能，用內燃機油曲軸箱模擬測定儀模擬了添加納米金屬粒子的發動機油在高溫下氧化形成漆膜和積炭情況，并通過內燃機油氧化安定性試驗考察了納米銅-鎳粉體對潤滑油氧化安定性的影響。研究結果表明，添加極少量的納米金屬粒子就可以提高發動機油的減摩抗磨性能；但是清凈性能有所降低；試樣試驗前后氧化安定性幾乎沒有變化，添加極少量的納米銅-鎳粒子對發動機油防銹、抗腐蝕性能沒有產生不利的影響。

發動機油極壓抗磨性能氧化安定性納米金屬

1 前言

為了減少摩擦、降低磨損，發展具有良好抗磨減摩性能、對磨損表面具有一定修復功能的添加劑一直是摩擦學領域的重要前沿課題。納米材料由于其結構的特殊性（粒徑小、比表面積大、界面效應等）具有特殊的物理和化學性質，日益受到人們的廣泛關注。除了在催化、發光材料、磁性材料以及半導體材料等領域得到了初步應用外，在摩擦學領域，人們針對納米微粒作為潤滑油添加劑開展了大量的研究[1~6]。結果表明，多種納米微粒作為潤滑油添加劑均能改善油品的減摩、抗磨、極壓性能。納米材料在潤滑領域展示了廣闊的應用前景。

目前，發動機油消耗量占潤滑油總量的相當比重，因而發動機油的研究和發展成了潤滑油行業的重點項目。隨著節能和排放控制要求的提高，對發動機的要求越來越高，對發動機油在抗磨減摩、節能減排等諸多性能方面的要求也在不斷提高。據報道，利用表面化學修飾和吸附修飾表面改性的超細二硫化鎢顆粒研制了一種二硫化鎢發動機油，與國內外品牌發動機油進行摩擦性能對比試驗，發現它具有更加優良的抗磨、減摩和極壓性能[7]。俄羅斯科學家將納米銅粉或納米銅合金粉加入發動機油中，潤滑性能提高10倍以上，顯著降低了部件磨損，提高了燃油效率。本文重點考察了核殼式納米銅-鎳粉對機油減少摩擦、降低磨損以及極壓性能的影響。此外通過模擬試驗研究了納米銅-鎳金屬粒子對機油氧化安定性、清凈性、防銹和抗腐蝕作用的影響。

2 試驗研究

2.1 試樣的準備

納米銅-鎳粉體的制備：采用在液相中直接還原Cu2+、Ni2+的方法制備了納米銅鎳粉。經激光粒度分析儀測試可知粒徑約在60 nm，粒徑分布較窄，且顆粒大小分布均勻，外觀呈黑色粉末狀。

由于納米金屬粒子是非油溶性的，通過物理方法包括機械攪拌、超聲波等手段以及復配一定量的添加劑，大大改善了它在潤滑油中的分散穩定性。經長時間觀察、測試，試樣外觀以及粘度、酸值等指標沒有明顯變化。

2.2 試驗方法和設備

按照SH/T 0300-1992“曲軸箱模擬試驗方法(QZX法)”標準中的規定，采用大連昆侖石油儀器有限公司生產的DBE-153內燃機油曲軸箱模擬測定儀，在板溫330℃和油溫150℃條件下，將約250 m L試油在模擬試驗機內運轉6 h后，通過測定鋁金屬板上的膠重和漆膜，考察油品高溫氧化生成膠質的情況。按照SH/T 0299-1992“內燃機油氧化安定性測定法”標準中的規定，采用大連昆侖石油儀器有限公司的DKL-129內燃機油氧化安定性測定儀，在氧氣流量200 m L/m in，油樣溫度160℃，氧化時間6 h的條件下，通過氧化前后浸沒在試油里的金屬催化劑銅片、鉛片質量變化以及試油粘度、酸值的變化，來考察加入納米粉體后機油對金屬銹蝕、油樣氧化程度的影響。試樣粘度和酸值分別按照GB/T 265-1988“石油產品運動粘度測定法和動力粘度計算法”和GB/T 264-1983“石油產品酸值測定法”測定。按照GB/T 3142-1982“潤滑劑承載能力測定法(四球法)”，利用濟南試驗機廠生產的MIS-10P四球磨損試驗機，測試潤滑油的極壓抗磨性能：最大無卡咬負荷PB和燒結負荷PD；在轉速1 200 r/m in和負荷294 N條件下，運行30 m in后，按照SH/T 0189-1992“潤滑油抗磨損性能測定法(四球機法)”，測定磨斑直徑D。

3 試驗結果分析

3.1 納米金屬微粒對機油極壓抗磨性能的影響

以15W/40國Ⅲ機油為基礎機油，在其中分別添加了含量為0.015%的納米銅-鎳粉或者納米銅-鎳粉復合劑（納米銅-鎳粉與其它極壓抗磨劑復配使用），并與15W/40國Ⅲ基礎機油進行極壓抗磨性能對比，參見表1。從表1可以看出，加入0.015%納米銅-鎳粉或納米銅-鎳粉復合劑的15W/40國Ⅲ發動機油，燒結負荷PD均比基礎油樣好，均增加了約26%。這表明添加納米粒子后，提高了機油的極限工作能力。此外，最大無卡咬負荷PB數值也比基礎油樣增加了14%。盡管基礎油樣的磨斑直徑已經很小，為0.37 mm，但當加入極低量的納米銅-鎳粉體后，磨斑直徑仍然會有一定程度的降低，這表明納米粒子增加了機油抗磨損性能。另外，研究發現，當納米銅-鎳粉與某些極壓抗磨劑（例如二烷基二硫代磷酸鉬）復配添加（C試樣）時，可以進一步增加潤滑油膜的強度，最大無卡咬負荷PB數值比單獨添加納米銅-鎳粉（B試樣）時提高了約6%。

表1 納米粒子對最大無卡咬負荷、燒結負荷以及磨斑直徑的影響

納米金屬微粒具有較好的潤滑效果，這是由于納米顆粒粒徑很小，在100 nm以下，可以認為近似球形，在摩擦表面起一種類似“球軸承”的作用，提高了潤滑性能。在摩擦剛剛開始時，這些均勻分散在潤滑油中的納米金屬粒子由于具有較高的表面能，容易吸附、沉積在摩擦金屬表面上，形成了一層物理吸附膜，降低了摩擦、磨損。另外，微小的納米金屬粒子可以填充在摩擦表面的微坑和損傷部位，起到修復作用。

納米銅-鎳粉體可以改善發動機油潤滑性能，減少摩擦，降低部件磨損和噪音，從而減輕發動機震動，延長發動機壽命，可望作為納米潤滑油添加劑在工業潤滑油中得到應用。

3.2 曲軸箱模擬試驗

發動機在工作時，潤滑油在高溫下氧化形成膠狀物，若不及時清洗沉積在曲軸箱等發動機部件上的膠質，就會使部件磨損加劇。此試驗方法是使含添加劑的內燃機油飛濺到高溫金屬表面形成膠質和漆膜，以此模擬潤滑油在活塞工作時的高溫氧化生成膠質的情況。

表2 15W/40(國Ⅲ)機油成膠板試驗結果

選用品質較好的15W/40國Ⅲ發動機油進行應用模擬試驗。表2給出的數據是在發動機油中添加納米銅-鎳粉的成膠板的試驗結果。空白15W/40國Ⅲ發動機油試驗后膠重僅為4.2 mg，漆膜僅為4.5級。而添加納米金屬微粒的發動機油在高溫下膠重迅速增加，至少增加到50.0m g；漆膜級別明顯變差，為8.5~9級。這表明添加納米金屬粒子后潤滑油清凈分散性降低。推斷原因可能是由于粘附在金屬板上的納米金屬粒子與發動機油中的清凈分散劑發生了物理或者化學作用，誘使了膠質和積炭的形成，從而降低了清凈分散性。

在試樣C中添加納米銅-鎳粉復合劑（與清凈劑復配使用），增加了發動機油的清凈分散性，從表2的數據來看，試樣C比試樣B膠重減少，漆膜級別降低。因此，納米金屬粒子會導致發動機油在高溫下更易生成膠質，但是通過使用合適的清凈分散劑可以在一定程度上抑制沉積物生成。

3.3 內燃機油氧化安定性試驗

影響發動機發生腐蝕的因素之一是潤滑油氧化產物。內燃機油在發動機潤滑過程中，由于溫度、空氣、金屬等的影響，自身會氧化生成具有腐蝕作用的酸性物質。通過氧化安定性試驗考察了在非強化試驗條件下（160℃）發動機油物理性質的變化，以及潤滑油氧化產物對金屬部件的腐蝕情況，評價了添加納米金屬粒子后對發動機油氧化安定性、防銹和抗腐蝕性能的影響。

表3是15W/40國Ⅲ機油添加納米銅-鎳粉前后的對比試驗數據。對試驗油樣測試了酸值、40℃和100℃時的運動粘度。一般情況下，如果潤滑油發生氧化，粘度和酸值就會增加。從數據來看，試驗后各試驗油樣粘度幾乎沒有增加，而酸值則均有一定程度的下降。據此可以推斷，試驗油樣氧化程度輕微。15W/40國Ⅲ機油添加這2種納米添加劑的試樣以及未加納米粒子試樣的氧化穩定性相當。這表明添加極少量的納米銅-鎳粉體不會影響發動機油的氧化穩定性。

金屬片增失重數值大小反映了潤滑油在高溫時生成的氧化產物對金屬部件的腐蝕程度：失重越多，金屬部件腐蝕越嚴重。對比表4中數據可以發現，所有試樣中的2個銅片和2個鉛片僅有非常輕微的失重現象，添加納米金屬粒子的2個試樣和未添加的試樣相比，金屬片失重增加很少。這表明添加納米金屬粒子的試樣和為潤滑油中添加的抗氧、抗腐劑產生作用，不會降低潤滑油的抗氧、抗腐蝕性能。

表3 試驗前后試樣粘度、酸值的變化

因此，添加極少量的納米銅-鎳粒子沒有給發動機油對銅、鉛等金屬部件的防銹、抗腐蝕性能帶來不利的影響。

4 結論

（1）在15W/40發動機油中添加極低量的納米銅-鎳粉或者納米銅-鎳粉與其它添加劑復配使用，均能明顯改善潤滑油的潤滑效果，提高了極壓抗磨性能：與基礎油樣相比，燒結負荷PD增加了約26%，最大無卡咬負荷PB可提高14.0%左右，同時磨斑直徑略有減小。

（2）添加納米金屬粒子會降低發動機油清凈性能，潤滑油高溫氧化生成的膠質更易沉積在曲軸箱內的部件上，可以選用合適的清凈分散劑降低這種不利的影響，增加清凈分散性能。因此在油品中添加納米潤滑材料要考慮添加的組分對清凈分散性能的影響。

（3）添加少量納米銅-鎳粒子后對發動機油的氧化安定性影響較小，試驗前后試油的粘度、酸值沒有明顯變化；同時，試油中的金屬片腐蝕程度沒有明顯加劇，表明添加納米銅-鎳粒子沒有對潤滑油防銹、抗腐蝕性能產生不利的影響。

1王久，陳波水，黃偉九.納米粒子添加劑在潤滑劑

中的應用與開發[J].江蘇化工，2001，29(3)：13-17. 2夏延秋，丁津原，馬先貴等.納米級金屬粉改善潤滑油的摩擦磨損性能試驗研究[J].潤滑油，1998，13（6）：37-40

3景恒，陳立功，王建華等.納米銅粒子與二聚酸抗磨劑復配體系的摩擦磨損性能研究[J].潤滑油. 2006，21（3）：38-41.

4劉菲菲，劉利，何國成等.添加劑對工業齒輪油性能影響的研究[J].潤滑油.2006，21（4）：39-42.

5董凌，陳國需，李華峰等.Si02/CuO復合納米粒子添加劑的摩擦學和自修復性能研究[J].潤滑油. 2005，20(5)：50-54.

6萬軼，張暉，王恒志等.納米級混合潤滑添加劑的研究[J].功能材料，2004，增刊(35)：2241-2243.

7石琛，毛大恒，俸顥等.二硫化鎢發動機油的摩擦學性能研究[J].潤滑與密封.2007，32(3)：83-88.

Application of Metal Nanoparticles Lubrication Additive in Engine Oil

Xing Xianghua,Zhao Bin,Wang Peng,Yang Wei
(ShanghaiHiri Lubricants Material Technology Co.,Ltd.,Shanghai200235,China)

The effect of nanom eter Cu-Ni com posite pow der on 15W/40 engine oil＇s extreme pressure and antiw ear property w as studied on a four-ballmachine.Varnish film and deposits w ere tested at high temperature by lubricant crankcase simulated experiment.Effect of nanom eter Cu-Ni composite pow der or oil-soluble Cu nanoparticle as additive on the lubricant oxidation stability property w as exam ined.Results show that the term inological property of the lubricating oil is improved through adding very low w eight fraction m etal nanoparticle.But detergent property of the lubricating oil drop.There is no bad influence on oxidation stability property and corrosion resistance property of the lubricant.

engine oil,oxidation stability,abrasion resistance,extreme pressure,metal nanoparticle

表4 試驗前后金屬片增失重變化

來稿日期：2009-02-24

邢香花（1976－），女，碩士，主要研究方向為納米潤滑材料的研究及應用。