含超細鎳/鉍復合粉體磺酸鈣基潤滑脂的摩擦學性能研究

華 嬌，趙芳霞，王林燕，王志愿

(南京工業大學材料科學與工程學院，南京 210009)

含超細鎳/鉍復合粉體磺酸鈣基潤滑脂的摩擦學性能研究

華 嬌，趙芳霞，王林燕，王志愿

(南京工業大學材料科學與工程學院，南京 210009)

為了提高磺酸鈣基潤滑脂的摩擦性能，采用四球試驗機研究了含超細鎳粉、鎳/鉍復合粉體的磺酸鈣基潤滑脂在不同載荷下的摩擦磨損性能，并通過掃描電子顯微鏡(SEM)、能譜分析(EDS)、透射電子顯微鏡(TEM)等手段分析了磨斑形貌及其表面組成，初步探索其抗磨減摩機理。實驗結果表明：隨鎳粉添加量的增大，潤滑脂摩擦系數和磨斑直徑均先減小后增大，當鎳粉添加量(w)為2.0%時，潤滑脂摩擦性能最佳；隨鎳/鉍質量比的增大和鎳/鉍復合粉體總添加量的增大，潤滑脂的摩擦系數先減小后增大，而磨斑直徑變化不明顯；當鎳/鉍總添加量(w)為2.0%、鎳/鉍質量比為1∶2時，潤滑脂的摩擦系數和磨斑直徑最小，分別較基礎脂減小了34.2%和4.2%，減摩性能改善明顯，但其抗磨性能變化不大。

磺酸鈣基潤滑脂 超細鎳粉 超細鉍粉 摩擦系數 磨斑直徑

磺酸鈣基潤滑脂是在20世紀80年代發明的一種潤滑脂，由于具有優良的高低溫性能、熱穩定性、抗水性、剪切安定性、極壓抗磨性，被譽為新一代高效潤滑脂[1-3]，現已廣泛應用于鐵路、汽車、食品以及機械等行業[4]。但磺酸鈣基潤滑脂的制備成本較高，其抗磨減摩性能尚可進一步提高。納米材料作為納米級稠化劑和納米潤滑脂添加劑，可以明顯改善潤滑脂的摩擦學性能，且不受分散穩定性的限制[5]，即將其添加到潤滑脂中具有分散穩定、不易沉降的優點，具有較好的應用前景。目前在高溫潤滑脂中主要集中于石墨、二硫化鉬、二硫化鎢等添加劑的研究[6-8]，對于超細金屬粉體作為磺酸鈣基潤滑脂添加劑的研究則鮮有報道。目前使用較多的金屬添加劑主要是具有自修復作用的金屬鉍、鉛、錫、銀、鋁、 鎳、銅等，其中金屬鉍的熔點和硬度較低，容易在摩擦過程中形成液態，從而焊合到摩擦副表面。金屬鎳的晶格結構屬于面心立方，具有各向同性和較低的剪切強度，因此在摩擦時會在摩擦表面形成轉移膜，從而改善潤滑脂的摩擦性能。本課題主要研究含超細鎳、鉍粉體磺酸鈣基潤滑脂的抗磨減摩性能，并對其作用機理進行初步探討，為研發和推廣應用高性能的磺酸鈣基潤滑脂提供實驗依據。

1 實 驗

1.1 原 料

磺酸鈣基潤滑脂，道達爾公司生產，深棕色，工作溫度范圍為-20～150 ℃，錐入度為320～360，滴點大于250 ℃；超細鎳粉、鉍粉，自制，采用直流電弧等離子體法。實驗所用鋼球為GCr15軸承鋼球，直徑為12.7 mm，硬度為61～64 HRC，化學組成(w)為：Si 0.55%，Mn 0.51%，Cr 1.74%，Fe 97.20%。

1.2 儀 器

BS 224S型電子天平；WMM-1萬能摩擦磨損試驗機及配套磨斑測量系統；S型三輥碾磨機；帶能譜分析(EDS)的JSM-7600F熱場發射掃描電子顯微鏡(SEM)；日本電子株式會社生產的JEM-2100 UHR高分辨透射電子顯微鏡(TEM)。

1.3 實驗過程

將超細鎳粉或鎳/鉍復合粉體，按照不同質量配比添加到磺酸鈣基潤滑脂中，攪拌均勻后，在三輥研磨機上研磨0.5 h，使其均勻。采用四球摩擦磨損試驗機在固定時間為60 min、轉速為1 200 r/min的條件下考察潤滑脂的摩擦學性能，用顯微鏡觀測磨斑后，利用配套軟件分析求得平均磨斑直徑，并采用SEM、EDS等測試手段對磨斑表面形貌和成分進行分析。

2 結果與討論

2.1 實驗用鎳粉、鉍粉

圖1分別為超細鎳粉和鉍粉的TEM照片。由圖1可見，鎳粉和鉍粉的形狀均為球形。通過Simple-PCI分析軟件計算得到鎳粉的平均粒徑約為60 nm、鉍粉的平均粒徑約為200 nm。

圖1 超細鎳粉和鉍粉的TEM照片

2.2 含超細鎳粉體磺酸鈣基潤滑脂的摩擦學性能

預實驗結果表明，由于鉍粉粒徑較大，單獨加入到磺酸鈣潤滑脂中會降低磺酸鈣潤滑脂的抗磨減摩性能，因此在此不作討論。

圖2為在392 N的載荷下，添加不同含量超細鎳粉的磺酸鈣基潤滑脂長磨后的摩擦系數和磨斑直徑變化曲線。由圖2可見，隨鎳粉添加量的增加，潤滑脂試驗時摩擦系數和磨斑直徑均先減小后增加，當鎳粉添加量(w)為2.0%時，摩擦系數和磨斑直徑達到最小，與未添加鎳粉的潤滑脂相比，摩擦系數和磨斑直徑分別下降了13.0%和6.3%。

圖2 超細鎳粉添加量對潤滑脂摩擦系數和磨斑直徑的影響

2.3 含超細鎳/鉍復合粉體磺酸鈣基潤滑脂的摩擦學性能

圖3和圖4分別為固定鎳/鉍復合粉體總添加量(w)為2.0%，在392 N載荷下，鎳/鉍比對磺酸鈣基潤滑脂摩擦系數和磨斑直徑的影響。由圖3和圖4可見，隨著鎳粉在復合粉體中比例的降低，試驗的摩擦系數總體呈先減小后增加的變化趨勢，在鎳/鉍質量比為1∶2時，摩擦系數達到最低值，磨斑直徑變化不明顯。說明超細鎳/鉍復合粉體在鎳/鉍質量比為1∶2時，能夠較大程度上改善磺酸鈣基潤滑脂的減摩性，但對其抗磨性的改善作用不明顯。

圖3 鎳/鉍比對潤滑脂試驗摩擦系數的影響

圖4 鎳/鉍比對潤滑脂試驗磨斑直徑的影響

圖5為固定鎳/鉍質量比為1∶2，鎳/鉍復合粉體總添加量對磺酸鈣基潤滑脂摩擦學性能的影響。由圖5可見：隨著粉體總添加量的增加，摩擦系數和磨斑直徑均先減小后增大；在總添加量(w)為2.0%時，摩擦系數和磨斑直徑同時達到最小值，分別為0.053 mm和0.46 mm，較基礎脂試驗時分別減小了34.2%和4.2%。因此，在磺酸鈣基潤滑脂中，當鎳/鉍質量比為1∶2、總添加量(w)為2.0%時能有效改善潤滑脂的摩擦磨損性能。

圖5 鎳/鉍復合粉體總添加量對潤滑脂摩擦學性能的影響

圖6為基礎磺酸鈣基潤滑脂、含2.0%鎳粉和含2.0%復合金屬粉體的潤滑脂在392 N載荷下，摩擦系數隨時間的變化。由圖6可見：超細鎳/鉍粉體作為潤滑脂添加劑能減小磺酸鈣基潤滑脂摩擦試驗的摩擦系數，含2.0%鎳/鉍復合粉體磺酸鈣潤滑脂摩擦試驗的摩擦系數明顯低于基礎脂和只添加2.0%鎳粉的潤滑脂；且在摩擦時間達到50 min前，含鎳/鉍復合粉體潤滑脂摩擦試驗的摩擦系數逐漸下降。說明含鎳/鉍復合粉體磺酸鈣基潤滑脂具有較好的減摩性能。

圖6 不同潤滑脂試驗摩擦系數隨時間的變化 —基礎脂; —基礎脂+2.0% Ni; —基礎脂+2.0% Ni/Bi

圖7為鎳/鉍質量比為1∶2、鎳/鉍復合粉體總添加量(w)為2.0%的磺酸鈣基潤滑脂在392 N載荷下長磨60 min后鋼球表面磨斑形貌放大圖及在A點的EDS能譜。由圖7可見，鋼球表面的磨痕很淺，在表面凹處有鎳元素和少量的鉍元素存在。GCr15軸承鋼球的成分主要有鐵、碳、鉻、硅等，不包含鎳、鉍元素，但含鎳/鉍復合金屬粉體的潤滑脂長磨后，磨痕的凹槽和表面均含有少量的鎳、鉍元素，說明金屬粉體在潤滑脂長磨過程中能填平犁溝，修復磨痕表面，起到自修復的作用[9]。

圖7 含2.0%鎳/鉍粉體磺酸鈣基潤滑脂試驗后鋼球表面磨斑SEM形貌及EDS能譜

2.4 載荷對基礎脂和含鎳、鉍添加劑潤滑脂摩擦性能的影響

圖8為在不同載荷下，含2.0%鎳粉和2.0%鎳/鉍復合粉體的潤滑脂及基礎潤滑脂的摩擦系數和磨斑直徑變化。由圖8可見：隨著載荷的增加，基礎脂及含2.0%鎳/鉍復合粉體潤滑脂的摩擦系數均先減小后增加，含2.0%鎳粉潤滑脂的摩擦系數變化不大，且含鎳/鉍復合粉體潤滑脂的摩擦系數明顯低于基礎脂；隨載荷的增加，3種潤滑脂試驗后的磨斑直徑均變大，在相同載荷下，3種潤滑脂試驗后的磨斑直徑變化不明顯。說明含鎳/鉍復合粉體的磺酸鈣基潤滑脂具有良好的減摩性能，但其抗磨性能變化不大。這是因為超細鎳粉為面心立方結構，具有多對滑移面，且粒徑較小，摩擦過程中產生移動并填充到磨痕的溝壑中；而鉍粉熔點和硬度低，容易形成液態金屬，焊合到摩擦副的表面，形成一層保護膜。兩種金屬共同作用，可大大提高潤滑脂的抗磨減摩性能。

圖8 載荷對潤滑脂試驗摩擦系數和磨斑直徑的影響■—基礎脂； ●—基礎脂+2.0% Ni； ▲—基礎脂+2.0% Ni/Bi

3 結 論

(1) 隨鎳粉添加量的增加，磺酸鈣基潤滑脂摩擦試驗的摩擦系數和磨斑直徑均先減小后增大。當鎳粉添加量(w)為2.0%時，摩擦系數和磨斑直徑達到最小值，分別較基礎脂減小了13.0%和6.3%。

(2) 當鎳/鉍復合粉體總添加量一定時，隨鎳粉在復合粉體中比例的降低，含鎳/鉍復合粉體的潤滑脂摩擦試驗的摩擦系數先減小后增加，而磨斑直徑變化不明顯。在鎳/鉍質量比一定時，隨粉體總添加量的增加，潤滑脂摩擦試驗的摩擦系數和磨斑直徑均先減少后增加。當粉體總添加量(w)為2.0%，鎳/鉍質量比為1∶2時，潤滑脂摩擦試驗的摩擦系數和磨斑直徑最小，分別較基礎脂減小了34.2%和4.2%。

(3) 載荷對基礎脂和含鎳、鎳/鉍粉體潤滑脂摩擦性能的影響結果表明，含鎳/鉍復合粉體的磺酸鈣基潤滑脂具有良好的摩擦學性能。

[1] 王海燕.復合磺酸鈣基潤滑脂的制備與性能[D].濟南：山東大學，2007

[2] 劉依農.合成潤滑脂用高堿值磺酸鈣的研制[J].石油煉制與化工，2012，43(4)：46-50

[3] 曾海，廖順知，曾臘梅.復合磺酸鈣基潤滑脂表面硬化因素探討[J].潤滑油，2008，23(4)：28-32

[4] 益建國.復合磺酸鈣基潤滑脂的結構組成及應用[J].汽車工藝與材料，2005(3)：40-43

[5] 劉大軍，龍軍，孫洪偉，等.納米材料在軸承潤滑脂中的應用[J].軸承，2005(6)：35-38

[6] 俸顥.WS2亞微米粒子摩擦學機理研究及高性能高溫潤滑脂研制[D].長沙：中南大學，2007

[7] 熊文，毛大恒，吳爾京.二硫化鎢在高溫鋰基潤滑脂中摩擦學性能的研究[J].潤滑與密封，2005(2)：107-109

[8] 李茂森，王金鳳.7454高溫石墨潤滑脂的研究[J].合成潤滑材料，2002(4)：11-14

[9] 曲萌，趙芳霞，張振忠，等.超細錫粉改善鋰基潤滑脂摩擦學性能研究[J].石油煉制與化工，2011，42(5)：71-74

簡 訊

低油價挑戰煤基化學品

過去幾年持續的高油價使中國對煤基石化行業的投資相當大，但近期油價大跌已使這些生產方法和其它替代傳統蒸汽裂解的方法利潤減少。IHS化學公司副總裁兼中國區負責人Paul Pang認為：“雖然煤制烯烴(CTO)仍然盈利，但如果低油價仍然持續，新CTO的投資回報率將受到挑戰。”

在當前低油價下，煤制乙二醇(EG)、甲醇制烯烴(MTO)和丙烷脫氫(PDH)的經濟性低迷。目前，中國有8套煤制甲醇和MTO一體化的CTO裝置以及4套非一體化的MTO裝置。煤基乙烯和丙烯的總產能達到6.10 Mt/a，有9套裝置正在建設，將新增烯烴產能5.40 Mt/a，另外，規劃中的裝置超過31套。Paul Pang認為，由于水的供應限制和政府對項目審批控制的收緊，只有一少部分規劃項目將會建設，這一波項目投產后，非常規化學品增速將趨穩，石油基石化生產很可能在2017年重歸升勢。

IHS公司的烯烴主管稱，中國的MTO和CTO能力到2020年有可能達到近9 Mt/a。

[張偉清摘譯自Worldwide Refining Business

Digest Weekly，2015-05-04]

國外團隊聯合開發了用于汽油脫苯的新型苯選擇性加氫催化劑

目前常用的從汽油池中脫苯的方法有：對石腦油進行預分餾，脫除重整裝置進料中的C6和/或C7餾分；抽提蒸餾；液液抽提；或通過沸石催化將苯和輕烯烴烷基化形成烷基苯。但這些方法的能耗高，在其它芳烴存在時對苯的選擇性低，還可能生成預期以外的副產物。而常規的加氫催化劑一般來說對有取代基的芳烴選擇性更高。西北大學、UOP公司、羅馬一大、阿貢國家實驗室、艾姆斯實驗室聯合開發了一種新的高選擇性苯加氫催化劑，可以經濟有效地從汽油中脫除苯，而不脫除其它芳烴，從而使汽油辛烷值不受損失。該團隊考察了一系列化學吸附于幾種具有B酸的金屬氧化物上的有機金屬催化劑的芳烴加氫活性，其中有機鋯催化劑的活性最高。通過綜合運用固體核磁、廣延X射線吸收精細結構(EXAFS)、反應動力學、密度泛函理論(DFT)量子化學分析等方法，獲得了對這些分子表面親電試劑本質的獨特認知，從而發現了在溫和條件下對苯加氫比對甲苯和其它芳烴加氫具有更高活性和獨特選擇性的新催化劑。該研究工作發表在《Journal of the American Chemical Society》上。

[程薇摘譯自Green Car Congress，2015-06-09]

可脫除熱氣體中有害排放物的新型燭式催化過濾器

Unifrax公司和Haldor Topsoe公司將聯合對一種新的燭式催化過濾器進行商業化，這種新技術是為過濾工業熱氣體、降低顆粒物和有害氣體排放開發的。TopFrax燭式催化過濾器可以脫除NOx和顆粒物，也可設計為脫除VOC、CO和二噁英，具有過濾效率高(顆粒物的脫除率在99%以上，NOx的脫除率在95%以上)、氨的泄漏少、過濾器的孔隙度超過80%等特點。TopFrax過濾器的使用溫度上限是400 ℃。過濾器不可燃、抗腐蝕、可使用吸附劑，可在一個過程中同時解決NOx、VOC、CO、二噁英和顆粒物的脫除問題。據稱，圍繞TopFrax過濾器設計污染控制設施可以節省資本支出和運營成本，減少污染，延長使用壽命，更節能。

[程薇摘譯自Hydrocarbon Processing-HP Innovations，2015-06-01]

TRIBOLOGICAL PROPERTIES OF CALCIUM SULFONATE COMPLEX GREASE WITH ULTRAFINE NICKLEBISMUTH POWDERDS

Hua Jiao， Zhao Fangxia， Wang Linyan， Wang Zhiyuan

(CollegeofMaterialsScience&Engineering，NanjingTechUniversity，Nanjing210009)

To improve the tribological behavior of calcium sulfonate complex grease， the anti-wear and anti-friction performance of grease with ultrafine Ni powder or Ni/Bi composite powders with different load were investigated by four-ball tribological tester. The morphology and component of wear spot were characterized by Scanning Electron Microscope (SEM) and Electronic Differential System (EDS)， and the anti-wear and anti-friction mechanism were discussed. The results show that the friction coefficient (μ) and wear scar diameter (WSD) all decrease first and then increase with the increase of the amount of Ni powders. Theμvalue of composite grease first decrease then increase with the increase of ratio and total amount of Ni/Bi composite powders， while the WSD value has no change. The composite grease achieves the best tribological performance when the Ni amount reaches 2.0% and the ratio of Ni/Bi is 1∶2. The value ofμand WSD decrease 34.2% and 4.2%， respectively， compared with basic grease. The test results indicate that anti-friction performance of the calcium sulfonate complex grease with composite powders is improved significantly， while the anti-wear properties change little.

calcium sulfonate complex grease； ultrafine Ni powder； ultrafine Bi powder； friction coefficient； wear scar diameter

2015-01-21； 修改稿收到日期： 2015-03-25。

華嬌，碩士研究生，主要從事納米材料制備及應用等方面的研究工作。

趙芳霞，E-mail：fangxiazhao@126.com。

廣西科技成果轉化與推廣計劃項目(1298009-15)；江蘇高校優勢學科建設工程項目。