Zn/（Si、Al）型混合物復合粉體作為潤滑添加劑的摩擦學性能研究

陳 力，陳國需，趙立濤，程 鵬

（后勤工程學院軍事油料應用與管理工程系，重慶401311）

（Si、Al）型混合物是在冶煉鋼鐵時形成的超細硅體材料，平均粒徑為0.1～0.3μm，比表面積為15～25m2/g［1－2］。該粉體由于具有超細效應及火山灰效應，可以顯著提高抗壓、防腐及抗磨性能，目前已被廣泛應用在水泥、砂漿等材料中，而對其在潤滑油（脂）中的摩擦學性能方面的研究未見報道［3－4］。若采用該粉體作為潤滑脂添加劑能夠發揮比較顯著的抗磨作用，不僅可以降低成本，且可實現廢物利用、減少環境污染。

（Si、Al）型混合物的主要成分為SiO2，質量分數為85%～95%，其余成分由 Al2O3，Fe2O3，MgO，CaO，C，K2O，Na2O等組成。該粉體屬于硬質顆粒，低載荷下，在鋰基脂中添加（Si、Al）型混合物后，可能破壞油膜潤滑，形成磨粒磨損，而軟金屬具有低熔點及低剪切強度，能夠在較低的能量下填補在磨損表面，減小摩擦因數，而且不會形成磨粒磨損。硬質顆粒能夠顯著提高基礎脂在高載荷下的抗磨性能，軟金屬能夠發揮減摩作用，并在低載荷下減小磨損。基于這一思路，趙立濤、王鵬等人［5－6］分別對Cu/C及納米鉍/蛇紋石粉復合添加劑在潤滑油和潤滑脂中的摩擦學性能進行了研究，認為軟金屬與硬質材料按一定比例復配后，能夠起到較好的協同效應。本工作將Zn與（Si、Al）型混合物按照不同的復配比例加入鋰基脂中，研究其作為潤滑脂添加劑在不同載荷條件下的摩擦學特性，并與成品添加劑進行對比。

1 實 驗

1.1 實驗材料及儀器

預制皂為十二羥基硬脂酸鋰皂，500SN基礎油。添加劑樣品：（Si、Al）型混合物，由山東三美硅材料有限公司提供；Zn由蘭州黃河Zn品有限責任公司提供，平均粒徑0.8μm。試驗所用成品添加劑采用嘉坦牌潤滑油抗磨添加劑（重慶嘉誠納米材料應用研究所提供），其中含有金剛石顆粒，建議用量為每4L機油中加入250mL添加劑。由于添加劑在潤滑油與潤滑脂中最佳添加量的變化一般相差不大，制備的潤滑脂樣品中含該抗磨添加劑的質量分數分別為1%，3%，5%，7%。

MMW－1立式萬能摩擦磨損試驗機，MQ－800四球摩擦試驗機，濟南舜茂試驗儀器有限公司生產；四球機專用鋼球，材質GCr15，直徑12.7mm，由中國石化石油化工科學研究院提供。

1.2 摩擦磨損試驗

按照GB/T 12583（潤滑劑極壓性能測定法）測定樣品作為潤滑脂添加劑時的最大無卡咬負荷（PB）及燒結負荷（PD）。長磨試驗條件：載荷分別為196，392，588N，轉速為1 200r/min，長磨時間為60min。

2 結果與討論

2.1 復配添加劑對鋰基脂PB、PD值的影響

將Zn與（Si、Al）型化合物進行復配，復配方案見表1。

表1 復配方案 w，%

復配添加劑對鋰基脂PB、PD值的影響見表2。由表2可知：采用復配添加劑時，鋰基脂的PB值并沒有明顯的提高；而PD值在復配1和復配3時達到最大值（2 452N），比使用單劑時提高了25.04%，表現出一定的協同效應。

表2 復配添加劑對鋰基脂PB、PD值的影響

2.2 復配添加劑對鋰基脂抗磨減摩性能的影響

利用四球機長磨試驗考察不同復配添加劑對鋰基脂抗磨減摩性能的影響。表3為基礎脂及加入單劑和不同復配添加劑的潤滑脂樣品經長磨試驗之后的鋼球磨斑直徑及平均摩擦因數。

表3 復配添加劑對鋰基脂抗磨減摩性能的影響

由表3可知：與基礎脂相比，在196N載荷下，單獨加入0.5%（Si、Al）型混合物時，鋼球磨斑直徑增大，單獨加入1%Zn時，鋼球磨斑直徑明顯減小；而在392N、588N載荷下，含（Si、Al）型混合物具有更加顯著的抗磨能力，鋼球磨斑直徑比基礎脂的小。

經復配后的復合粉體具有更加顯著的綜合摩擦學性能，在196N、392N載荷下，復配1的抗磨效果最佳，與基礎脂相比，鋼球磨斑直徑分別降低了6.14%、26.2%；在588N載荷下，鋼球磨斑直徑顯著增大，復配2對鋰基脂抗磨作用的提高效果最為明顯，鋼球磨斑直徑從基礎脂作用下的1.511 mm降到0.680mm，降低了54.99%。

在392N、588N載荷下，加入添加劑后，摩擦因數有所降低，在各載荷最佳復配方案下，平均摩擦因數比基礎脂分別降低了14.02%、23.62%；而在196N載荷下，加入添加劑之后，摩擦因數比基礎脂反而有所增加。分析其原因，可能與潤滑機理及粉體在脂中的存在形式相關：在低載荷下，潤滑體系主要由潤滑油膜起到潤滑作用，在高載荷下，潤滑體系則靠皂分解產物或者添加劑反應產物起作用。（Si、Al）型混合物屬于硬質顆粒，在低載荷下形成磨粒磨損，破壞油膜，但在高載荷下，（Si、Al）型混合物顯示出抗磨性。而單質Zn則屬于軟金屬，不會形成磨粒磨損，并能夠在低載荷下修復磨損表面。所以，復配之后添加劑具有更顯著的綜合摩擦學性能。

2.3 成品添加劑對鋰基脂抗磨減摩性能的影響

圖1為加入成品添加劑后，鋰基脂PB、PD值的變化情況。

圖1 成品添加劑對鋰基脂PB、PD值的影響

由圖1可知，加入成品添加劑后，潤滑脂的PD值沒有提高，仍為1 569N，PB值在成品添加劑加入量（w）為5%時達到最大值（510N），比基礎脂提高了10.63%，之后，PB值并未隨著添加劑的進一步增加而升高。圖2為含成品添加劑的潤滑脂樣品作用下的長磨磨斑直徑及平均摩擦因數。由圖2可知：該成品添加劑的摩擦學性能在添加量（w）為3%時達到最佳值；在3種載荷下，該添加劑使基礎脂的抗磨性能均有一定程度的提高，與基礎脂相比，在196，392，588N載荷下鋼球磨斑直徑分別降低了9.85%，25.38%，41.84%；在載荷為196N時、添加劑質量分數為3%時，摩擦因數提高了9.28%，而在載荷為392N、588N時，摩擦因數分別降低了12.73%、17.05%。

圖2 成品添加劑對潤滑脂作用下的鋼球磨斑直徑與平均摩擦因數的影響

由表2、表3及圖1、圖2的試驗數據對比可得：Zn/（Si、Al）最佳復配方案在潤滑脂中的綜合摩擦學性能比成品添加劑更好。

2.4 復合粉體對摩擦因數（機械振動）的影響

摩擦磨損引起的機械振動對設備零部件的正常運行和壽命造成一定的影響，摩擦因數的平穩性成為考察添加劑減摩能力的重要標志。圖3為基礎脂及含復配2和3%成品添加劑的鋰基脂在載荷為588N、轉速為1 200r/min、長磨時間為60 min時，摩擦因數隨時間的變化。從圖3可以看出：在基礎脂的長磨時間為20min時，摩擦因數開始出現劇烈變動，并且隨著時間的增加，變化越來越劇烈，推測基礎脂潤滑油膜在高載荷下的承載能力、抗磨能力下降；成品添加劑具有一定的減摩效應，并且在前期一直保持平穩，但是當長磨試驗時間超過55min后，摩擦因數出現劇烈變動，顯著增大，而且其磨合期相對較長；相比基礎脂及含成品添加劑的鋰基脂，含復配2添加劑的鋰基脂能明顯降低摩擦因數的不穩定狀態，磨合期的摩擦因數變化不大，磨合時間縮短，說明復合粉體能夠有效降低摩擦因數的振幅，有利于減少機器的噪聲和增強機器運行的平穩性［7］。

圖3 不同樣品長磨過程中的瞬時摩擦因數變化

2.5 磨斑外貌比較

為了研究復配添加劑與成品添加劑在高載荷下的抗磨性能，利用光學顯微鏡分別對載荷為588 N、轉速為1 200r/min、長磨時間為60min，且添加劑在各自最佳添加量時潤滑脂樣品作用下的鋼球長磨磨斑的表面形貌進行分析。

圖4為含3%成品添加劑及復配2的潤滑脂樣品作用下的鋼球長磨磨斑的表面形貌。由圖4可知，相比于成品抗磨劑，Zn/（Si、Al）復配添加劑作用下的鋼球磨斑直徑更小，而且磨斑更加圓整，劃痕較輕，溝槽相對較淺，基體表面被較為平滑的膜層覆蓋。說明在高載荷、高苛刻條件下，Zn/（Si、Al）復配添加劑的抗磨性能更好。

圖4 不同添加劑作用下鋼球磨斑的表面形貌

2.6 磨斑表面的元素組成

利用EDX分析鋼球磨斑表面的元素組成。圖5及表4分別為588N載荷下基礎脂及加入復配2的鋰基脂作用下的鋼球磨斑表面能譜及元素含量。

圖5 不同樣品的磨斑表面能譜

表4 不同樣品的磨斑表面元素含量

由圖5及表4可知，含復配2的鋰基脂作用下的鋼球磨斑表面Si元素含量高于其在基礎脂作用下的磨斑表面Si含量，而且加入復配添加劑后磨斑表面含有一定量的Zn元素，但是未見Al及其它元素。兩種粉體復配后，（Si、Al）型混合物主要由SiO2發揮抗磨作用，可以推測：含復配添加劑的樣品在長磨過程中形成了由Zn與SiO2組成的潤滑膜層，從而起到抗磨減摩作用。

2.7 潤滑機理分析

根據以上結果，認為Zn熔點低且延展性好，在摩擦微凸體接觸區受壓應力作用沉積在摩擦副表面，并能夠在摩擦高溫下熔融鋪展，以這兩種方式在磨損表面形成致密的保護膜，減少摩擦界面的黏著磨損，并起到減摩作用。（Si、Al）型混合物為球狀顆粒，其活性成分SiO2等在高載荷作用下沉積在已經鋪展形成的Zn的潤滑膜層，起類似于滾動軸承作用，甚至在高溫、高載荷下，球形顆粒可能被壓平，形成一種滑動系，降低摩擦磨損。由于Zn在低載荷下抗磨效果更好，而（Si、Al）型混合物在高載荷下抗磨效果更加顯著，所以，二者復配之后摩擦學作用得到了互補，生成了摩擦學性能良好的潤滑膜層。

3 結 論

（1）Zn與（Si、Al）型混合物復配之后，抗磨減摩性能明顯提高，表現出了比較顯著的協同效應。在中低載荷下，復配1（1.0%Zn，0.5%（Si、Al））為最佳方案；在高載荷下，復配2（0.5%Zn，0.5%（Si、Al））為最佳方案。在588N載荷下，與基礎脂相比，含復配2的鋰基脂作用下的鋼球磨斑直徑及平均摩擦因數分別降低了54.99%、23.62%。

（2）成品潤滑油抗磨添加劑在潤滑脂中的添加質量分數為3%時，摩擦學性能達到最佳值，抗磨效果較好，但對基礎脂的摩擦因數改善并不顯著。Zn與（Si、Al）型混合物復配粉體與該成品添加劑相比，在鋰基脂中具有更加顯著的潤滑效果。

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