含納米鉍粉鋰基潤滑脂抗磨減摩性能研究

趙芳霞，湯玉飛，王鵬，張振忠，楊江海

(南京工業大學 材料科學與工程學院，南京 210009)

納米鉍粉體由于具有小尺寸效應、表面界面效應、低熔點以及良好的懸浮穩定性等特性，在納米潤滑添加劑的開發和應用中日益擴大。研究表明，在油潤滑條件下，與納米銅、鎳等相比，納米鉍粉具有熔點低，在較低的能量下就能填充、焊合在摩擦副表面，同時也可能形成液體鉍膜，因此含納米鉍粉的潤滑油減摩性能較好[1-2]，是一種性能優良的軟金屬潤滑油添加劑[1,3-4]。納米鉍粉的研究目前主要集中在油潤滑添加劑上，針對脂潤滑添加劑的研究和應用還相對較少。本案主要研究含納米鉍粉鋰基潤滑脂的抗磨減摩性能，為含納米鉍粉潤滑脂的進一步研究和實際應用提供參考。

1 試驗方法

1.1 材料與儀器

采用等離子體蒸發法制備不同粒徑的鉍粉，其中平均粒徑為45 nm的納米鉍粉透射電鏡照片(TEM)如圖1所示。選500SN基礎油和12-羥基硬脂酸鋰皂稠化劑，采用直接皂化法制備鋰基潤滑脂，其過程主要包括皂化、脫水、膨化、冷卻和均化5個階段。

圖1 平均粒徑為45 nm鉍粉(TEM)

試驗主要使用儀器為：BS 224S型電子天平、S型三輥研磨機和WMM-1萬能摩擦磨損試驗機。

1.2 潤滑脂摩擦磨損性能測試

采用MMW-1型四球式摩擦磨損試驗機，按照國家標準要求的試驗步驟分別測定潤滑脂摩擦系數μ和磨斑直徑WSD等參數。試驗使用GCr15鋼球，直徑為12.7 mm，硬度為61～64 HRC。

2 結果與討論

2.1 鉍粉粒徑對鋰基潤滑脂抗磨減摩性能的影響

加入量固定為2%(質量分數，下同)時，鉍粉粒徑對鋰基潤滑脂摩擦系數和磨斑直徑的影響規律如圖2所示。圖3為鋼球表面的磨斑形貌，試驗測得不添加任何添加劑的鋰基潤滑脂的摩擦系數和磨斑直徑分別為0.084 3和0.67 mm?？梢?，添加鉍粉的潤滑脂摩擦系數和磨斑直徑均比基礎脂的小，說明添加鉍粉可提高鋰基潤滑脂的抗磨減摩性能。而且隨著鉍粉平均粒徑的減小，潤滑脂的摩擦系數和磨斑直徑均減小，即其抗磨減摩性能有所提高。

圖2 鉍粉粒徑對鋰基潤滑脂摩擦系數和磨斑直徑的影響

由圖3可以看出，鉍粉平均粒徑為180 nm試樣的磨斑表面(圖3f)存在大而深的犁溝，隨著平均粒徑的減小，磨痕表面的犁溝逐漸變細(圖3b～f)。當平均粒徑為45 nm時，磨斑表面的犁溝最細，此時潤滑脂的抗磨能力最強。分析認為，隨著鉍粉粒徑的減小，粉體表面的懸空鍵越多，表面活性越大，越易于沉積在摩擦副表面，在較低的載荷下就能形成金屬潤滑膜，隔開微凸體間的接觸，有效減小摩擦副的磨損。另外，由于納米鉍粉體粒徑越小，特別是當其粒徑小于20 nm時產量很低，生產成本會大大增加，因此確定合適的鉍粉平均粒徑為45 nm。

圖3 鉍粉粒徑對鋼球磨斑形貌的影響

2.2 鉍粉加入方式和加入量對鋰基潤滑脂摩擦學性能的影響

納米粉體比表面積大，表面能高，粉體間存在各種吸附力，極易產生團聚，生成粒徑較大的二次顆粒，從而失去超細粉體本身具有的優異性能。當潤滑脂中的納米粉體處于團聚狀態時，粒徑過大的團聚體可能引起磨粒磨損，反而加速摩擦表面的磨損[5-6]。為更好地發揮納米鉍粉的性能，研究了兩種粉體加入方式對潤滑脂摩擦學性能的影響。一種方法是將鉍粉直接加入到鋰基潤滑脂中(簡稱直接加入)，其方法是先手工攪拌，再用三輥輾磨機擠壓攪拌30 min；另一種方法是先用分散效果優秀的油酸將鉍粉分散[7]，在鋰基潤滑脂制備過程中將分散后的鉍粉加入(簡稱分散加入)，然后均化。

圖4為兩種加入方式下納米鉍粉加入量對潤滑脂摩擦系數和磨斑直徑的影響曲線，圖5為不同含量鉍粉直接加入和分散加入時摩擦系數隨時間的變化；圖6為圖4中各試驗鋼球磨斑表面形貌。由圖可見：(1)采用直接加入方式，隨著鉍粉含量的增加，鋰基脂的摩擦系數先減小后增大，當其含量為3%時，摩擦系數最低為0.065 7，比鋰基脂降低了近22%，減摩性能有了很大的提高。隨著粉體含量的增加，磨斑直徑呈現先減小后增大再減小的變化規律，當加入量為2%時磨斑表面溝槽淺而窄，且直徑最小為0.58 mm，比基礎脂減小了13.4%。(2)采用分散加入，隨著鉍粉含量的增加，鋰基脂的摩擦系數先減小后增大，當其含量為2%時，摩擦系數最低為0.070 7，比鋰基脂降低了近16.1%，減摩性能有了較大提高。隨著粉體含量的增加，磨斑直徑變化不大。其最佳濃度為2%，此時磨斑直徑為0.58 mm，比基礎脂減小了13.4%。根據對含鉍粉潤滑脂摩擦磨損試驗鋼球磨斑表面的掃描電鏡、能譜及其表面元素的分析可知：納米鉍粉在磨斑表面起填充和焊合作用，鉍粉含量太少難以填滿溝槽，也難以發揮焊合作用，磨斑直徑較大；鉍粉含量增加到2 %時，磨斑表面的溝槽被填滿，也有足夠的鉍粉發揮焊合作用；而超過2%時，磨斑表面的溝槽被填滿，多余的鉍粉不再起填充和焊合作用，因此磨斑直徑變化不大[8]?？傊?，對于兩種加入方式，當納米鉍粉加入量為2%時潤滑脂的抗磨減摩性能較好。

進一步分析圖4、圖5和圖6可以看出，在加入量相同的條件下，直接加入鉍粉的潤滑脂的摩擦系數和磨斑直徑均小于分散加入的潤滑脂。由圖5可知，隨著時間的延長，直接加入鉍粉的潤滑脂具有更低的摩擦系數，減摩抗磨效果更好。而分散后的粉體反而摩擦學性能變差，出現這種現象的原因可能是未經分散的粉體，因表面活性高，更易于在摩擦機械能的作用下物理焊合在摩擦表面上(鉍的熔點為271.3 ℃)，形成有效的液體金屬膜，阻止摩擦表面微凸體的接觸；而經分散劑分散的粉體因表面包覆有分散劑，降低了鉍粉的表面活性[3,9]，反而使其不易于沉積在摩擦表面上，因此，其減摩效果比直接加入鉍粉的潤滑脂差。

圖4 兩種加入方式下納米鉍粉加入量對潤滑脂摩擦系數和磨斑直徑的影響

圖5 鉍粉加入量及加入方式對潤滑脂摩擦系數曲線的影響

圖6 鉍粉加入量及加入方式對鋰基潤滑脂磨斑形貌的影響

綜上所述，納米鉍粉采用直接加入的方式，且加入量為2%時，潤滑脂具有較低的摩擦系數和較小的磨斑直徑，具有良好的抗磨減摩性能。

2.3 載荷的影響

為了探討含納米鉍粉鋰基潤滑脂在不同載荷下的摩擦學性能，并且考慮到與通用鋰基潤滑脂相似的應用場合，僅研究載荷為196，294，392和490 N時對鋰基潤滑脂和含2%納米鉍粉鋰基潤滑脂的摩擦系數和磨斑直徑的影響規律，其結果如圖7所示。圖8為鋼球表面的磨斑形貌圖。

圖7 載荷對鋰基潤滑脂和含納米鉍粉潤滑脂摩擦系數和磨斑直徑的影響

圖8 不同載荷下鋰基潤滑脂和含納米鉍粉潤滑脂的磨斑形貌

由圖可見，鋰基潤滑脂的摩擦系數在載荷為196，294和392 N時相近，在490 N時增大。含納米鉍粉的潤滑脂，其摩擦系數隨載荷的增大呈下降趨勢，并在392 N時達到最小值，比同載荷下基礎脂的摩擦系數減小了19.2%；當載荷為490 N時摩擦系數略有增大，但仍比同載荷下基礎脂的摩擦系數降低了21.5%，說明隨著載荷的增加含鉍粉的潤滑脂減摩能力在增加。對于磨斑直徑，鋰基潤滑脂隨載荷的增大而增大，且犁溝變粗變深，在196 N時為0.54 mm，在490 N時為0.72 mm，增幅為33.3%。而含納米鉍粉潤滑脂的磨斑直徑隨載荷的增大開始變化不大，在載荷392和490 N時有減小的趨勢，尤其在490 N時的磨斑直徑遠遠小于基礎脂在294 N時的磨斑直徑，且其犁溝隨載荷的增大變細、變淺，這說明納米鉍粉在較高載荷下具有很好的抗磨性能。這與文獻[8]研究的納米錫粉相類似，其原因是：在低載荷時，鉍納米顆?？赡艽蟛糠忠晕⒘Ｐ问酱嬖谟谀Σ翆ε济妫谳^高載荷(490 N)時，鉍納米微粒有可能發生熔化，形成液態金屬膜。由于液態金屬膜具有很好的彈性，所以在摩擦表面滑動摩擦時對摩擦副表面造成的磨損遠遠小于固體微粒所引起的磨損，表現出在392 N和490 N較高載荷下時的抗磨性能好于196和294 N較低載荷下的性能。

3 結論

(1) 納米鉍粉粒徑大小對鋰基潤滑脂的摩擦學性能有影響，合適的納米鉍粉平均粒徑為45 nm。

(2) 納米鉍粉的加入方式和加入量對鋰基潤滑脂的摩擦學性能均有影響，鉍粉采用直接加入且加入量為2%時，潤滑脂具有良好的抗磨減摩性能。

(3) 在392 N和490 N載荷時含納米鉍粉鋰基潤滑脂比基礎鋰基脂具有更好的抗磨減摩性能。