不同工況條件下納米添加劑抗磨減摩性能分析?

左維琦，袁 吉，黑 棣

（陜西鐵路工程職業技術學院，陜西 渭南 714000）

0 引言

微動摩擦試驗中法向載荷、頻率的變化對材料摩擦性能的變化有較大的影響［1－2］，納米添加劑［3］以其良好的摩擦性能在現代工業中得到較為廣泛的應用。為了更好地利用納米氧化鋁添加劑，需要探索納米添加劑最適合的工作條件，本文對此進行了試驗分析。

1 試驗條件

1.1 試驗材料

本試驗用油為中負荷工業閉式齒輪油L－CKC220［4］。試驗中為了使納米氧化鋁添加劑更好地與基礎油相混合，采用聚乙二醇（PEG）作為分散劑。本試驗中，選用GCr15滾珠軸承鋼作為球體試驗材料，其具體參數為：直徑為Φ40mm，表面粗糙度為0.02μm；平面材料選用45鋼，其尺寸為35mm×10 mm×10mm，經砂紙打磨后，利用拋光機拋光至粗糙度約為0.03μm～0.04μm。

1.2 試驗儀器

本試驗均在PLINT Deltalab－NENE－7臥式電液伺服微動磨損試驗機［5］上進行，主要使用光學顯微鏡和帶能譜分析儀的分析掃描電鏡（EDX）對磨斑進行觀測，使用JB－5C粗糙度輪廓儀對表面輪廓進行測量。

1.3 試驗參數

振幅為0.1mm；頻率為1Hz、2Hz和5Hz；循環次數為10 000次；法向載荷為100N和200N。

2 試驗結果與分析

2.1 頻率對摩擦磨損性能的影響

圖1為在振幅0.1mm，法向載荷為100N，添加劑質量分數為5%，工作頻率分別為1Hz、2Hz和5 Hz時的摩擦因數對比圖。由圖1可以看出：摩擦因數均經歷跑合期、上升期、穩定期3個階段；2Hz工作條件下，跑合期與上升期時間最長，但3個頻率下工作到1 000次后摩擦因數都趨于穩定；最終1Hz、2Hz和5 Hz工作條件下摩擦因數分別穩定在0.18，0.17和0.15左右，可知在其他條件保持一致的條件下，隨著頻率的增加，摩擦因數減小。

圖1 不同頻率工況下摩擦因數對比圖

圖2為在振幅0.1mm，法向載荷為100N，添加劑質量分數為5%，工作頻率分別為1Hz、2Hz和5 Hz時的摩斑輪廓對比圖。由圖2可以看出：當頻率為1Hz時，磨斑寬度方向由－300μm延伸至400μm，總共達700μm左右，最大磨痕深度為15μm；當頻率為2Hz時，磨斑深度處達到14μm，但磨斑寬度有較大變化，磨損嚴重區域僅從－100μm延伸至200μm，較1Hz時有顯著減小；頻率為5Hz工作條件下，磨斑寬度相對較大，磨斑整體較淺，最深處的磨斑也僅為10μm，但分布寬度較廣。整個磨損體積由大及小依次是1Hz、2Hz、5Hz工作條件，頻率增大的同時，磨斑體積在變小，磨損情況減弱，抗磨性能增強。

圖3、圖4和圖5分別為不同頻率工作條件下磨斑的掃描電鏡圖，磨斑分為粘著區和滑移區。由圖3（c）圖可以看出：1Hz工作條件下磨斑粘著區不僅出現磨坑，還出現大量的片狀剝離。由圖3（d）圖可以看出：磨痕滑移區塑性變形明顯，整體磨損嚴重。由圖4（c）可以看出，其中心部位出現片狀剝離，還出現了一些小小的點蝕，磨斑邊緣區域不太光滑，邊緣有一定的撕扯，在加載過程中造成了嚴重的塑性變形。由圖5可以看出，整個磨損情況較弱，磨痕中心只出現輕微的塊狀剝落，磨斑邊緣有一定的塑性變形。對3組圖進行分析可知，隨著頻率的增大，磨斑的磨損情況減弱。

2.2 法向載荷對摩擦磨損性能的影響

圖6為不同法向載荷工況下摩擦因數對比圖。通過圖6可知，法向載荷變化對材料的摩擦磨損情況影響較大。在200N法向載荷工作條件下，跑和期、上升期、穩定期3個階段的摩擦因數均大于100N工作條件下的值。100N工作條件下，經過短暫的跑合期摩擦因數上升至峰值0.4左右，而后快速下降穩定在0.17左右。200N法向載荷下，跑和期內摩擦因數迅速增加，上升期時間也較短，摩擦因數迅速增加至峰值0.44，而后迅速下降，趨向于穩定，最終穩定在0.2左右，因此推斷隨著法向載荷的增加，試件表面更容易被破壞，摩擦力顯著增大。對比不同法向載荷下的摩擦因數曲線，可知隨著法向載荷的增加，摩擦因數變大。

圖2 不同頻率工況下磨斑輪廓對比圖

圖4 2Hz工作條件下磨斑掃描電鏡圖

圖5 5Hz工作條件下磨斑掃描電鏡圖

圖6 不同法向載荷工況下摩擦因數對比圖

圖7為不同法向載荷工況下磨斑輪廓對比。由圖7可知：200N法向載荷下整個磨斑寬度由－400μm延伸至400μm，寬度約為800μm，最深處磨斑為11 μm；100N工作條件下，整個磨斑由－300μm延伸至300μm，寬度約為600μm，但磨痕最深處深度反而增加為14μm。由磨斑輪廓圖分析可知，在試驗范圍內，法向載荷的增加會導致磨斑體積變大，但整體磨損情況會減弱。

圖7 不同法向載荷工況下磨斑輪廓對比圖

圖8為200N工作條件下磨斑掃描電鏡圖。由圖8可知，在200N工作條件下，磨痕粘著區域僅存在一些點蝕，無裂紋及塊狀剝落，分析其原因是納米氧化鋁在重載作用下作為添加劑進行了自修復反應，自修復膜出現，減弱了磨損。磨斑邊緣滑移區仍有較嚴重的塑性變形，但相對100N工況下，整體磨損減弱。

3 試驗結論

研究了納米添加劑潤滑條件下，頻率、法向載荷和添加劑濃度對摩擦學性能的影響。結果顯示在試驗范圍內，頻率的增加會導致摩擦因數減小，磨斑體積也隨之減小，磨損減弱；法向載荷的增加會導致摩擦因數增大，但隨著自修復反應的發生，磨斑體積隨之變小，磨損減弱。

圖8 200N工作條件下磨斑掃描電鏡圖

［1］高玉周，張會臣，王亮，等.自修復材料在鋼球磨損表面成膜的機理分析［J］.大連海事大學學報，2005，31（3）：62－65.

［2］劉啟躍，朱旻昊，周仲榮，等.油潤滑對微動摩擦特性影響的研究［J］.機械工程學報，2000（12）：1－3.

［3］陳定海，穆志韜，朱做濤，等.腐蝕坑對疲勞裂紋擴展的影響分析［J］.裝備環境工程，2012（4）：4－7.

［4］李征，劉啟躍.納米添加劑對GCr15/＃45鋼摩擦副磨損自修復性能影響研究［D］.成都：西南交通大學，2011：13.

［5］任平弟，朱旻昊，周仲榮.不同水介質下GCr15/45鋼微動腐蝕行為研究［J］.潤滑與密封，2004，165（5）：1－3.