銅和二氧化鋯納米微粒添加劑對鋰基脂摩擦學性能的影響

夏新濤，張永振，陳士超，張 林

(河南科技大學 機電工程學院，河南 洛陽 471003)

添加劑對潤滑材料的摩擦磨損性能有重要影響[1-2]。隨著納米技術的發展，納米微粒材料作為潤滑介質的添加劑問題已經引起很多關注，且相繼研制出一系列表面修飾的納米微粒添加劑，如硫化物、氧化物、稀土化物和軟金屬等[1-6]。

但是將納米微粒作為潤滑脂添加劑的研究尚處于起步階段，有關報道很少[1-2,7-8]。隨著鐵路提速，鐵路軸承的摩擦磨損已經成為熱點問題。IV型鋰基潤滑脂是鐵路軸承專用潤滑脂之一，目前，仍然缺乏對其摩擦學性能的深入研究。將納米微粒Cu和ZrO2作為添加劑加入到IV型鋰基脂中，進行摩擦磨損試驗，結果表明，摩擦系數減少30%以上，磨斑直徑減小37.2%～48.8%。

1 試驗

摩擦磨損4球試驗機是研究潤滑劑摩擦學性能的通用工具，所測得的摩擦力矩和磨斑直徑可以作為評定潤滑脂摩擦學性能的重要指標。

試驗使用MRS-10型4球試驗機。將上試球裝在一個平衡稱重的頂球夾頭內，圍繞垂直軸在其他3個固定的下試球上旋轉，4個球形成的4面體浸于試樣中，上試球以一定速度旋轉。通過調節壓力旋柄使3個下試球沿上試球旋轉中心軸上下移動，并通過下試球對上試球加載。試驗選用GCr15軸承鋼鋼球，直徑為12.7 mm[1-2]。現將試驗步驟介紹如下。

1.1 試樣制取

試驗分別選取Cu和ZrO2兩種納米微粒作為潤滑脂添加劑，其粒度在30～80 nm；基礎脂選用當前鐵路軸承所用IV型鋰基脂。利用電動攪拌器和3輥研磨機把納米微粒按0.25%,0.50%,1.00%和1.50%等4種不同比例均勻分散到IV型鋰基脂中，最終做成含不同比例納米微粒添加劑的8種試樣。潤滑脂黏度大、流動性差，分散均勻后納米微粒不易團聚，所以不必考慮分散穩定性問題[1-2]。

1.2 摩擦磨損試驗

試驗載荷P=392 N，轉速n=1 450 r/min，試驗時間t=30 min。

試驗機可以清楚顯示試驗過程中每一時刻的載荷、轉速及摩擦力矩等數據。試驗嚴格按照4球機的試驗規程進行。首先進行基礎脂的試驗，試驗中每3 min記錄一次摩擦力矩值，試驗結束后，取下油盒，放在光學顯微鏡下觀測磨斑直徑，每個試球取上下和左右兩個方向的直徑數值，把3個下試球的6個數據的算術平均值作為該試樣的磨斑直徑。測量結束后，用石油醚超聲清洗上、下試球和油盒。做完基礎脂后，用同樣的方法依次完成其余8種試樣的試驗[1-2]。

2 結果與討論

表1為不同時刻的摩擦力矩值，表2是各個試樣實測的磨斑直徑值。

表1 摩擦力矩的試驗數據(轉速：1 450 r/min，載荷：392 N)

表2 磨斑直徑的試驗數據(轉速：1 450 r/min，載荷：392 N)

由表1可知，摩擦副在加入了Cu納米微粒的潤滑脂比在基礎脂潤滑下產生的摩擦力矩要大。這表明，Cu納米微粒作為潤滑脂添加劑不但不能起到減摩作用，反而會增大摩擦力矩。而ZrO2納米微粒作為潤滑脂添加劑在質量分數為0.25%和0.5%時能顯著降低摩擦力矩，減少量達到30%以上。

因為摩擦系數μ=F/P×10(其中F為試驗機上直接讀出的摩擦力或摩擦力矩，P為試驗載荷)，所以摩擦系數和摩擦力成正比，摩擦力矩降低30%就表示摩擦系數降低了30%。

由表2可以看出，Cu和ZrO2納米微粒作為添加劑均能不同程度地起到抗磨的作用，其中ω(Cu)=0.5%，ω(ZrO2)=0.25%和0.5%達到最佳效果，磨斑直徑分別減小37.2%，48.8%和46.5%。

為了更好地研究ZrO2納米微粒的減摩抗磨和提高承載能力的機理，用EDAX能譜儀對ZrO2納米微粒質量分數為0.25%的試樣和基礎脂試樣，在392 N載荷下摩擦60 min的鋼球磨斑表面進行摩擦化學分析，以研究摩擦表面的成分組成。同時，用JSM5610LV掃描電鏡觀察磨斑的表面形貌。

圖1和圖2是能譜曲線圖，包括磨斑表面本體和各類附著在表面的物質，通過分析曲線上的波峰可以分析出磨斑表面的物質和質量分數。

從圖1a可以看出，在磨斑表面有作為基體的元素Fe，Cr，有因與氧氣發生反應結合的O，還有潤滑脂中含有的P和Na。而圖2a中可以看出有Zr出現。

圖1 基礎脂4球機試驗下試球磨斑表面能譜分析

圖2 ω(ZrO2)=0.25%納米微粒的潤滑脂磨斑能譜分析

從圖3和圖4可以看出，ZrO2納米微粒作為潤滑脂添加劑可以起到很好的抗磨作用，這和前面測得的磨斑直徑結果是一致的。

圖3 基礎脂鋼球磨斑表面形貌SEM照片(100×)

圖4 ω(ZrO2)=0.25%納米微粒潤滑脂鋼球球磨斑表面形貌SEM照片(100×)

從圖5和圖6可以看出基礎脂試樣磨斑劃痕較深，犁溝明顯，并且有大塊的黏著磨損導致金屬出現剝落坑，而加入ZrO2納米微粒后磨斑表面較為平滑，磨損明顯降低。

圖5 基礎脂鋼球球磨斑表面形貌SEM照片(1 000×)

圖6 ω(ZrO2)=0.25%納米微粒鋼球磨斑表面形貌SEM照片(1 000×)

根據EDAX能譜分析結果和JSM5610LV掃描電鏡對磨斑表面形貌的觀察照片和分析可以得出：ZrO2納米微粒作為潤滑脂添加劑其減摩抗磨能力的提高有如下原因：

(1) ZrO2納米微粒近似為球形，而且其硬度遠大于常規材料。潤滑脂中加入的ZrO2納米微粒能進入摩擦副表面，起到類似微型“球軸承”的作用，從而提高了摩擦副表面的潤滑性能，起到減摩抗磨的作用。

(2) 在產生接觸疲勞的初期，納米微粒沉積在摩擦接觸區域，及時填補摩擦損傷部位，產生“自修復作用”。同時阻止裂紋的進一步發展，使摩擦表面始終處于較為平滑的狀態，改善摩擦表面的潤滑狀態和潤滑性能。

(3) 納米微粒又有微粒鑲嵌作用，在摩擦接觸區域，由于壓力、摩擦力等作用，ZrO2納米微粒鑲嵌在摩擦接觸表面，在表面上形成部分薄膜，阻止摩擦副直接接觸，并具有減摩抗磨的作用，提高了潤滑脂的潤滑性能。

(4) ZrO2納米微粒通過摩擦過程中的摩擦化學作用在磨斑表面上形成了沉積膜，阻止了摩擦表面之間的直接接觸，使得由剪切應力引起的彈性變形和塑性變形局限于潤滑膜區域，因而有效地抑制了摩擦表面的黏著磨損和接觸疲勞。

3 結論

(1)納米微粒Cu作為IV型鋰基脂添加劑不但不能起到減摩作用，反而會增大摩擦系數。

(2)納米微粒ZrO2作為IV型鋰基脂添加劑在質量分數為0.25%和0.5%時能顯著降低摩擦系數，減少量可達30%以上。

(3)納米微粒Cu和ZrO2作為IV型鋰基脂的添加劑都能不同程度地起到抗磨作用，其中ω(Cu)=0.5%，ω(ZrO2)=0.25%和0.5%時達到最佳效果，磨斑直徑分別可以減小37.2%，48.8%和46.5%。