幾種潤滑添加劑的自修復性能研究

張 哲，陳國需，程 鵬，劉 巖

（1.后勤工程學院油料應用與管理工程系，重慶401311；2.河南省軍區戰勤處）

在線自修復技術是近年來發展的一種新型技術，是指在摩擦條件下由于潤滑介質及環境的摩擦物理化學作用對磨損表面的微損傷進行不拆卸原位動態修復，在磨損表面形成具有一定厚度、與金屬基體具有一定結合強度和良好力學性能的修復層，從而達到預防或抑制部件失效、延長機械設備使用壽命的目的［1－3］。而修復型的添加劑是實現這種作用的關鍵，一旦金屬表面由于摩擦產生輕微的劃痕、裂紋、犁溝等，添加劑就會滲鍍到磨損表面的微損傷處，對金屬基體進行修復。文獻［4］報道了一種新型的層狀硅酸鹽材料——層狀二硅酸鈉，它是二氧化硅與氧化鈉的摩爾比接近于2的硅酸鈉，其網格由單層的硅氧四面體組成，金屬離子處于層間的柱撐物，單個片層的厚度約為1nm，橫向尺寸在30nm到幾微米之間。本研究選用層狀二硅酸鈉與傳統添加劑復配，利用四球摩擦磨損試驗機考察它們在潤滑脂中的自修復性能，借助光學顯微鏡（OM）、能量色散譜儀（EDX）、電子天平等對自修復效果進行評價。

1 實 驗

1.1 試驗原料及儀器

層狀二硅酸鈉（A），太原精細化工研究所提供；二硫化鉬粉體（B），河南開拓者鉬業有限公司生產；石墨（C），上海晶純實業有限公司生產；油酸，化學純；石油醚，沸程90～120℃，分析純；500SN基礎油，蘭州煉油廠提供。

采用島津Lab XRD－6100型X射線衍射儀對粉體的晶態進行表征，Cu靶輻射，按定時階梯掃描方式收集衍射峰，掃描電壓40kV，電流30mA，階寬0.2°，步速5（°）/min；采用中國科學院東方集成Microtrac公司生產的S3500激光粒度儀測試粉體的粒徑分布；采用日立S－3700掃描電子顯微鏡自帶的AMETEK能譜儀檢測摩擦副的表面元素，燈絲電壓25kV，發射電流70μA，采用Apple－Ⅱ分析軟件采集數據；利用德國FRITSCH6球磨機對粉體進行細化和改性處理；摩擦學性能試驗采用MMW－1P立式萬能摩擦磨損試驗機測定，采用FA2004電子天平評價自修復效果。

1.2 潤滑脂的制備

首先將2/3的500SN基礎油加入到煉制釜內攪拌升溫，同時加入十二羥基硬脂酸鋰皂，繼續攪拌升溫，直至預制皂和基礎油完全熔化，此時溫度約為200℃，高溫膨化5～10min。待釜內物料呈真溶液狀態時，加入剩余的500SN冷油，使其與皂混合物形成稠化劑晶核，保持溫度在170℃，繼續攪拌5min，得到鋰基潤滑脂作為基礎脂。將基礎脂迅速分為6份，在溫度降至120℃時，加入計量的添加劑，制備出基礎脂及不同組合的功能型潤滑脂備用。

1.3 層狀二硅酸鈉的改性

自修復效果評價試驗在點接觸方式下進行，通過前期試驗［5］得到5種添加劑配方：①基礎脂＋0.5%A；②基礎脂＋1.0%B；③基礎脂＋1.0%C；④基礎脂 ＋1.25%A＋3.0%C；⑤基礎脂 ＋2.5%B＋2.75%C。其中改性的層狀二硅酸鈉具有優異的摩擦學性能，而改性的石墨和二硫化鉬的摩擦學性能反而劣于未改性的粉體。因此，使用前先對層狀二硅酸鈉粉體進行改性。改性方法［6］：將一定量層狀二硅酸鈉超聲分散于石油醚中，同時將一定量的油酸也加入石油醚中分散均勻，再將其倒入球磨機中，球磨30min后抽濾，用石油醚洗滌3遍，經真空干燥箱在80℃下干燥24h后，研磨得到淡黃色的粉末，即為改性的層狀二硅酸鈉粉體。

2 結果與討論

2.1 X射線衍射分析

層狀二硅酸鈉、二硫化鉬、石墨粉體的X射線衍射圖譜見圖1。從圖1可以看出：石墨和二硫化鉬的衍射峰清晰明顯，且雜峰較少，說明這兩種粉體的晶體較純凈；而層狀二硅酸鈉的衍射峰較復雜，除幾條清晰的主峰外，還存在一些雜峰，說明層狀二硅酸鈉在儲存過程中有少量的變質，但質量非常少。所有的衍射峰在改性前后均相互一一對應，說明改性并沒有對晶體結構產生影響。

圖1 3種粉體的XRD圖譜

2.2 粒徑分布

改性層狀二硅酸鈉、二硫化鉬、石墨粉體的粒徑分布見圖2。其中曲線代表粒徑的累積分布，直方圖代表各個粒徑所占的比例。從圖2可以看出，石墨和改性層狀二硅酸鈉的粒徑分布類似，呈現“兩邊低，中間高”的分布狀況，且粒徑分布具有一定的范圍，在1～10μm之間，統計其中位直徑（指顆粒的粒度分布中累積質量分數達到50%時所對應的粒徑，用D50表示），石墨的D50為3.87 μm，層狀二硅酸鈉的D50為3.74μm；二硫化鉬的粒徑分布范圍窄，粒度單一均勻，所有粉體的粒徑均在4μm以下，D50為1.48μm。據文獻［7］所述，磨粒磨損作用不應成為限制微米顆粒作為潤滑添加劑的理由，粒徑大于0.5μm的粉體同樣可以作為潤滑添加劑使用。根據測試結果，本實驗所用的3種粉體粒徑均屬微米級，符合相應的粒徑要求。

2.3 添加劑對潤滑脂理化指標的影響

將5組添加劑加入到基礎脂中，測定潤滑脂的滴點和錐入度，結果見表1。從表1可以看出，添加劑加入到基礎脂中，并沒有大幅改變潤滑脂的滴點和錐入度，但（基礎脂＋2.5%B＋2.75%C）配方潤滑脂的滴點小于基礎脂的滴點，可能是由于添加劑被吸附到皂纖維的極性基團間，擴大了極性基團之間的空間，所以比基礎脂更加容易分油，因此滴點較低。

2.4 添加劑的自修復性能

圖2 3種粉體的粒徑分布

表1 幾種潤滑脂的理化性能

2.4.1 產生磨損的條件選擇 自修復發生在磨損的金屬表面，為了考察粉體的自修復性能，首先創造輕微磨損。摩擦在較為溫和的條件下進行，以500SN基礎油為介質，選擇載荷分別為98，196，294N，在600，800，1 000r/min的轉速下各運行10min，制造初始磨斑，磨斑直徑見表2。從表2可以看出，在不同的試驗條件下，得到的初始磨斑大小不一，為了達到自修復的效果，磨斑不能太小，否則質量變化不明顯。因此，選擇形成磨斑的條件為載荷294N、轉速1 000r/min，在室溫條件下進行。

表2 初始條件下的磨斑直徑

2.4.2 自修復試驗［8－10］采用均勻設計法考察各因素對試驗結果的影響，從4個方面考慮，分別是載荷、轉速、溫度、時間，每個因素考慮7個水平，按照均勻設計表（74）安排試驗，如表3所示。

在選定的條件下，首先在500SN基礎油潤滑的情況下進行10min摩擦試驗，重復進行3次，對所得的磨斑直徑和質量損失求平均值，作為后期試驗的固定參數。其中磨斑直徑為0.39mm，質量損失為1.4mg。然后按照試驗順序，首先在基礎脂環境下摩擦10min，在不拆卸鋼球的情況下，將加有添加劑的潤滑脂填入油盒，按照表3所述方案進行試驗，并記錄試驗后磨斑直徑變化和質量損失，以此評價自修復效果。

表3 均勻設計試驗方案

各添加劑作用下鋼球的質量損失和磨斑直徑變化見表4和表5。從表4和表5可以看出：在不同的水平下，各組潤滑脂性能存在差異；在水平1和水平7兩種情況下，各組潤滑脂的整體摩擦學性能均優于基礎脂，說明這兩種水平所對應的條件有利于降低摩擦磨損，特別是在水平1的摩擦試驗條件下，（基礎脂＋1.25%A＋3.0%C）和（基礎脂＋2.5%B＋2.75%C）作用下的鋼球磨斑直徑前后差值及質量損失都最小，其中（基礎脂＋1.25%A＋3.0%C）在水平1時的磨斑在經歷了80min長磨后沒有增加，鋼球質量沒有減小，反而增加了0.1mg，說明該配方在保證抗磨性的基礎上具有一定的自修復性能，而最佳的自修復條件為水平1對應的條件，即載荷100N、轉速800r/min、溫度60℃、長磨時間80min。從表4和表5還可以看出，復配組合劑的自修復性能要優于單劑，以質量損失為評價指標，復配組合劑只有在水平3條件下的自修復效果不如部分單劑，在其它水平下的自修復效果均優于單劑和基礎脂，說明復配組合劑中的物質發揮了協同作用，相互促進了彼此的自修復性能。

表4 各組潤滑脂在不同水平下的鋼球質量損失

表5 各組潤滑脂在不同水平下的鋼球磨斑直徑變化

2.4.3 自修復原理及表征 圖3和表6分別為（基礎脂＋1.25%A＋3.0%C）配方潤滑脂在水平1條件下長磨后鋼球表面的EDX元素譜圖和元素含量，檢測范圍取自鋼球磨斑表面部分區域。從圖4可以看出，鋼球表面存在添加劑的特征元素Si和Na，說明添加劑與鋼球表面發生了相互作用。結合試驗結果，推測是由于層狀二硅酸鈉和石墨的復合粉體在摩擦產生的高溫、高應力及剪切力作用下發生了分解，生成了反應活性很高的氧負離子、二氧化硅等，這些物質在摩擦的能量作用下與金屬表面發生反應，生成了一層類似金屬的陶瓷保護層，這種保護層的生長度與摩擦能成正比，磨損得到補償后能量降低，保護層生長速率逐漸減緩直至停止生長，形成了自修復層［11］。

圖3 鋼球磨斑表面的EDX圖譜

表6 鋼球磨斑表面的元素含量

3 結 論

（1）自修復前期，產生磨斑的最佳條件為載荷294N、轉速1 000r/min、時間10min。此時產生的磨斑大小合適，磨損較輕，適合作為自修復考察的前體。

（2）采用四球機考察添加劑自修復性能，摩擦需在較為溫和的條件下進行。試驗得到的最佳自修復條件為載荷100N、轉速800r/min、溫度60℃、長磨時間80min。選用（基礎脂＋1.25%層狀二硅酸鈉＋3%石墨）配方潤滑脂時，能夠取得較好的自修復效果，鋼球的磨斑直徑沒有發生變化，鋼球質量沒有減小，反而增加了0.1mg，說明添加劑與鋼球發生了作用，在鋼球表面生成了沉積層，修復了磨損較輕的區域。

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