夏新濤，張永振，陳士超，張 林

(河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003)

添加劑對(duì)潤(rùn)滑材料的摩擦磨損性能有重要影響[1-2]。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，納米微粒材料作為潤(rùn)滑介質(zhì)的添加劑問(wèn)題已經(jīng)引起很多關(guān)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(rùn)滑脂添加劑的研究尚處于起步階段，有關(guān)報(bào)道很少[1-2,7-8]。隨著鐵路提速，鐵路軸承的摩擦磨損已經(jīng)成為熱點(diǎn)問(wèn)題。IV型鋰基潤(rùn)滑脂是鐵路軸承專用潤(rùn)滑脂之一，目前，仍然缺乏對(duì)其摩擦學(xué)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(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，結(jié)果表明，摩擦系數(shù)減少30%以上，磨斑直徑減小37.2%～48.8%。

1 試驗(yàn)

摩擦磨損4球試驗(yàn)機(jī)是研究潤(rùn)滑劑摩擦學(xué)性能的通用工具，所測(cè)得的摩擦力矩和磨斑直徑可以作為評(píng)定潤(rùn)滑脂摩擦學(xué)性能的重要指標(biāo)。

試驗(yàn)使用MRS-10型4球試驗(yàn)機(jī)。將上試球裝在一個(gè)平衡稱重的頂球夾頭內(nèi)，圍繞垂直軸在其他3個(gè)固定的下試球上旋轉(zhuǎn)，4個(gè)球形成的4面體浸于試樣中，上試球以一定速度旋轉(zhuǎn)。通過(guò)調(diào)節(jié)壓力旋柄使3個(gè)下試球沿上試球旋轉(zhuǎn)中心軸上下移動(dòng)，并通過(guò)下試球?qū)ι显嚽蚣虞d。試驗(yàn)選用GCr15軸承鋼鋼球，直徑為12.7 mm[1-2]。現(xiàn)將試驗(yàn)步驟介紹如下。

1.1 試樣制取

試驗(yàn)分別選取Cu和ZrO2兩種納米微粒作為潤(rùn)滑脂添加劑，其粒度在30～80 nm；基礎(chǔ)脂選用當(dāng)前鐵路軸承所用IV型鋰基脂。利用電動(dòng)攪拌器和3輥研磨機(jī)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(rùn)滑脂黏度大、流動(dòng)性差，分散均勻后納米微粒不易團(tuán)聚，所以不必考慮分散穩(wěn)定性問(wèn)題[1-2]。

1.2 摩擦磨損試驗(yàn)

試驗(yàn)載荷P=392 N，轉(zhuǎn)速n=1 450 r/min，試驗(yàn)時(shí)間t=30 min。

試驗(yàn)機(jī)可以清楚顯示試驗(yàn)過(guò)程中每一時(shí)刻的載荷、轉(zhuǎn)速及摩擦力矩等數(shù)據(jù)。試驗(yàn)嚴(yán)格按照4球機(jī)的試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行。首先進(jìn)行基礎(chǔ)脂的試驗(yàn)，試驗(yàn)中每3 min記錄一次摩擦力矩值，試驗(yàn)結(jié)束后，取下油盒，放在光學(xué)顯微鏡下觀測(cè)磨斑直徑，每個(gè)試球取上下和左右兩個(gè)方向的直徑數(shù)值，把3個(gè)下試球的6個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值作為該試樣的磨斑直徑。測(cè)量結(jié)束后，用石油醚超聲清洗上、下試球和油盒。做完基礎(chǔ)脂后，用同樣的方法依次完成其余8種試樣的試驗(yàn)[1-2]。

2 結(jié)果與討論

表1為不同時(shí)刻的摩擦力矩值，表2是各個(gè)試樣實(shí)測(cè)的磨斑直徑值。

表1 摩擦力矩的試驗(yàn)數(shù)據(jù)(轉(zhuǎn)速：1 450 r/min，載荷：392 N)

表2 磨斑直徑的試驗(yàn)數(shù)據(jù)(轉(zhuǎn)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(rùn)滑脂比在基礎(chǔ)脂潤(rùn)滑下產(chǎn)生的摩擦力矩要大。這表明，Cu納米微粒作為潤(rùn)滑脂添加劑不但不能起到減摩作用，反而會(huì)增大摩擦力矩。而ZrO2納米微粒作為潤(rùn)滑脂添加劑在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%和0.5%時(shí)能顯著降低摩擦力矩，減少量達(dá)到30%以上。

因?yàn)槟Σ料禂?shù)μ=F/P×10(其中F為試驗(yàn)機(jī)上直接讀出的摩擦力或摩擦力矩，P為試驗(yàn)載荷)，所以摩擦系數(shù)和摩擦力成正比，摩擦力矩降低30%就表示摩擦系數(shù)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(dá)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(jī)理，用EDAX能譜儀對(duì)ZrO2納米微粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%的試樣和基礎(chǔ)脂試樣，在392 N載荷下摩擦60 min的鋼球磨斑表面進(jìn)行摩擦化學(xué)分析，以研究摩擦表面的成分組成。同時(shí)，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(zhì)，通過(guò)分析曲線上的波峰可以分析出磨斑表面的物質(zhì)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

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(fā)生反應(yīng)結(jié)合的O，還有潤(rùn)滑脂中含有的P和Na。而圖2a中可以看出有Zr出現(xiàn)。

圖1 基礎(chǔ)脂4球機(jī)試驗(yàn)下試球磨斑表面能譜分析

圖2 ω(ZrO2)=0.25%納米微粒的潤(rùn)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(rùn)滑脂添加劑可以起到很好的抗磨作用，這和前面測(cè)得的磨斑直徑結(jié)果是一致的。

圖3 基礎(chǔ)脂鋼球磨斑表面形貌SEM照片(100×)

圖4 ω(ZrO2)=0.25%納米微粒潤(rùn)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(chǔ)脂試樣磨斑劃痕較深，犁溝明顯，并且有大塊的黏著磨損導(dǎo)致金屬出現(xiàn)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(chǔ)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(jù)EDAX能譜分析結(jié)果和JSM5610LV掃描電鏡對(duì)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(rùn)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(yuǎn)大于常規(guī)材料。潤(rùn)滑脂中加入的ZrO2納米微粒能進(jìn)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(rùn)滑性能，起到減摩抗磨的作用。

(2) 在產(chǎn)生接觸疲勞的初期，納米微粒沉積在摩擦接觸區(qū)域，及時(shí)填補(bǔ)摩擦損傷部位，產(chǎn)生“自修復(fù)作用”。同時(shí)阻止裂紋的進(jìn)一步發(fā)展，使摩擦表面始終處于較為平滑的狀態(tài)，改善摩擦表面的潤(rùn)滑狀態(tài)和潤(rùn)滑性能。

(3) 納米微粒又有微粒鑲嵌作用，在摩擦接觸區(qū)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(rùn)滑脂的潤(rùn)滑性能。

(4) ZrO2納米微粒通過(guò)摩擦過(guò)程中的摩擦化學(xué)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(yīng)力引起的彈性變形和塑性變形局限于潤(rùn)滑膜區(qū)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(jié)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(huì)增大摩擦系數(shù)。

(2)納米微粒ZrO2作為IV型鋰基脂添加劑在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%和0.5%時(shí)能顯著降低摩擦系數(shù)，減少量可達(dá)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(shí)達(dá)到最佳效果，磨斑直徑分別可以減小37.2%，48.8%和46.5%。