含納米金屬/蛇紋石粉齒輪油的摩擦學(xué)性能研究

王林燕，張振忠，黃俊杰，趙芳霞

(南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210009)

含納米金屬/蛇紋石粉齒輪油的摩擦學(xué)性能研究

王林燕，張振忠，黃俊杰，趙芳霞

(南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210009)

為提高傳統(tǒng)齒輪油的摩擦學(xué)性能，采用四球試驗(yàn)機(jī)研究了加入納米鎳粉、鎳銅粉復(fù)配粉體和納米金屬粉與超細(xì)蛇紋石粉復(fù)配粉體的情況下粉體加入量及復(fù)配比例對(duì)齒輪油摩擦學(xué)性能的影響，并研究了其載荷特性。結(jié)果表明：含納米鎳銅粉復(fù)配粉體的齒輪油比含單一粉體齒輪油的摩擦學(xué)性能更好，當(dāng)納米鎳粉與銅粉的質(zhì)量比為3∶1、粉體總加入量(w)為0.1%時(shí)，試驗(yàn)?zāi)Σ烈驍?shù)和磨斑直徑比基礎(chǔ)齒輪油分別減小了37.8%和30.2%；含納米金屬蛇紋石粉的齒輪油具有更好的綜合摩擦學(xué)性能，且具有良好的載荷特性，當(dāng)納米鎳粉與銅粉的質(zhì)量比為3∶1、金屬粉體與蛇紋石粉的質(zhì)量比為2∶1、粉體總加入量(w)為0.2%時(shí)，試驗(yàn)?zāi)Σ烈驍?shù)和磨斑直徑比基礎(chǔ)齒輪油分別減小了37.4%和34.0%；鋼球磨痕形貌及能譜分析結(jié)果表明，納米金屬、蛇紋石粉體加入到齒輪油中能起到填平犁溝、修復(fù)磨痕表面的作用。

L-CKD ISO320齒輪油 納米金屬粉 超細(xì)蛇紋石粉 摩擦學(xué)性能

工業(yè)齒輪油廣泛應(yīng)用于冶金、礦山、金屬加工等行業(yè)。隨著工業(yè)設(shè)備的發(fā)展，齒輪傳動(dòng)向著高速、重載和大功率方向發(fā)展，對(duì)齒輪油的品質(zhì)要求也越來越苛刻。納米金屬粉，如銅粉、錫粉、鉍粉等作為潤(rùn)滑油添加劑能夠起到較好的抗磨減摩作用，并提高其承載能力，但所形成的自修復(fù)膜硬度低、易發(fā)生脫落，在低載荷下容易起到磨粒磨損的作用[1-5]；蛇紋石是具有納米層狀結(jié)構(gòu)的含水鎂硅酸鹽，其膨脹系數(shù)與黑色金屬相近且干摩擦因數(shù)極低，將該材料加至潤(rùn)滑油中，在摩擦能作用下形成的金屬陶瓷修復(fù)膜不易脫落，有利于摩擦副抗磨性能的提高，但蛇紋石粉的自修復(fù)能量高、且減摩作用相對(duì)較差[6-7]。趙芳霞[2]的研究結(jié)果表明，在潤(rùn)滑油中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.2%～1.5%的經(jīng)過分散包覆處理的金屬納米粉體和礦石粉時(shí)，對(duì)其黏度、黏度指數(shù)、氧化安定性等理化性能指標(biāo)基本無(wú)影響。因此，本課題研究納米金屬粉體與超細(xì)蛇紋石粉復(fù)配及其加入量對(duì)齒輪油摩擦學(xué)性能的影響，為研發(fā)高性能、自修復(fù)齒輪油及其實(shí)際應(yīng)用提供依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

鎳粉和銅粉，其一次顆粒平均粒徑為80 nm；蛇紋石粉，其一次顆粒平均粒徑為100 nm；L-CKD ISO320黏度等級(jí)的重負(fù)荷齒輪油，其運(yùn)動(dòng)黏度(40 ℃)為324.8 mm2s，黏度指數(shù)為103，閃點(diǎn)為238 ℃，傾點(diǎn)為-18 ℃；硅烷偶聯(lián)劑KH560；石油醚；GCr15軸承鋼球，其直徑為12.7 mm，硬度為61～64 HRC，化學(xué)組成(w)為：Si 0.55%，Mn 0.51%，Cr 1.74%，F(xiàn)e 97.20%。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備

KH-700DE型超聲波清洗器，用于清洗鋼球；BS 224S型電子天平；SFS-S400型高速分散機(jī)；WMM-1萬(wàn)能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)及配套的磨斑測(cè)量顯微鏡。

1.3 實(shí)驗(yàn)過程

2 結(jié)果與討論

2.1 納米鎳粉添加量對(duì)齒輪油摩擦學(xué)性能的影響

在載荷為392 N時(shí)，納米鎳粉加入量對(duì)齒輪油摩擦學(xué)性能的影響見圖1。由圖1可知：隨著納米鎳粉加入量的增加，摩擦因數(shù)和磨斑直徑均呈先減小后增大的變化趨勢(shì)；當(dāng)鎳粉加入量(w)為0.5%時(shí)，摩擦因數(shù)最小，摩擦因數(shù)和磨斑直徑比基礎(chǔ)齒輪油分別降低了25.5%和22.6%；當(dāng)鎳粉加入量(w)為0.1%時(shí)，磨斑直徑最小，摩擦因數(shù)和磨斑直徑分別比基礎(chǔ)齒輪油降低了16.0%和32.1%。

圖1 納米鎳粉添加量對(duì)齒輪油摩擦學(xué)性能的影響■—摩擦因數(shù)；●—磨斑直徑。 圖2、圖3同

2.2 納米鎳銅復(fù)合粉添加量及配比對(duì)齒輪油摩擦學(xué)性能的影響

在納米鎳粉與銅粉質(zhì)量比為3∶1、載荷為392 N時(shí)，復(fù)合粉體添加量對(duì)齒輪油摩擦學(xué)性能的影響見圖2。由圖2可知：隨著復(fù)合粉體添加量的增加，摩擦因數(shù)和磨斑直徑均呈先減小后增大的變化趨勢(shì)；當(dāng)復(fù)合粉體添加量(w)為0.1%時(shí)，摩擦因數(shù)和磨斑直徑均達(dá)到最小值，分別為0.044 4和0.37 mm，比基礎(chǔ)齒輪油分別降低了37.8%和30.2%。

圖2 納米鎳銅復(fù)合粉體添加量對(duì)齒輪油摩擦學(xué)性能的影響

在納米鎳銅復(fù)合粉體加入量(w)為0.1%時(shí)，不同粉體配比對(duì)齒輪油摩擦學(xué)性能的影響見表1。由表1可知：加入納米鎳銅復(fù)合粉體后，齒輪油試驗(yàn)時(shí)的摩擦因數(shù)和磨斑直徑大幅減小，與基礎(chǔ)齒輪油相比，摩擦因數(shù)最大降低了37.8%，磨斑直徑最大降低了32.0%；當(dāng)加入單一粉體時(shí)，其對(duì)潤(rùn)滑油摩擦學(xué)性能的改進(jìn)作用不如復(fù)合粉體，說明通過鎳、銅兩種粉體的復(fù)配更有利于提高齒輪油的抗磨減摩性能；與基礎(chǔ)齒輪油相比，當(dāng)納米鎳粉與銅粉質(zhì)量比分別為3∶1，2∶1，1∶1，1∶2時(shí)，摩擦因數(shù)分別減小了37.8%，35.7%，33.2%，21.6%，磨斑直徑分別減小了30.2%，32.0%，28.3%，30.2%，可見，摩擦因數(shù)隨著銅粉在復(fù)合粉體中所占比例的減小而降低，并逐漸趨于平緩，而磨斑直徑變化不太大。綜合分析，納米鎳粉與銅粉質(zhì)量比為3∶1時(shí)，油品的摩擦學(xué)性能較好。

表1 納米鎳粉與銅粉質(zhì)量比對(duì)齒輪油摩擦學(xué)性能的影響

2.3 納米金屬粉體與蛇紋石粉復(fù)配對(duì)齒輪油摩擦學(xué)性能的影響

在納米鎳粉與銅粉質(zhì)量比為3∶1、金屬與蛇紋石粉質(zhì)量比為2∶1、載荷為392 N時(shí)，粉體總添加量對(duì)齒輪油摩擦學(xué)性能的影響見圖3。由圖3可知，隨著粉體總添加量的增加，摩擦因數(shù)和磨斑直徑均呈先減小后增大的變化趨勢(shì)，當(dāng)總添加量(w)為0.2%時(shí)，摩擦因數(shù)和磨斑直徑均最小，分別為0.044 7和0.35 mm，比基礎(chǔ)齒輪油分別降低了37.4%和34.0%。

圖3 納米金屬蛇紋石復(fù)合粉體總添加量對(duì)齒輪油摩擦學(xué)性能的影響

在粉體總加入量(w)為0.2%、納米鎳粉與銅粉質(zhì)量比為3∶1時(shí)，不同金屬粉體與蛇紋石粉體配比對(duì)齒輪油摩擦學(xué)性能的影響見表2。由表2可知：與基礎(chǔ)齒輪油相比，在加入鎳、銅和蛇紋石復(fù)合粉體后，齒輪油的摩擦因數(shù)和磨斑直徑都有較大幅度的減小，當(dāng)納米金屬粉體與蛇紋石質(zhì)量比分別為3∶1，2∶1，1∶1，1∶2時(shí)，摩擦因數(shù)分別減小了27.1%，37.4%，19.2%，16.2%，磨斑直徑分別減小了22.6%，34.0%，28.3%，24.5%；與僅添加鎳銅復(fù)合粉體相比，加入鎳、銅和蛇紋石復(fù)合粉體(納米金屬粉體與蛇紋石質(zhì)量比為2∶1)后摩擦因數(shù)略有上升，但磨斑直徑有所下降，說明加入蛇紋石粉可以提高其抗磨性能。

表2 納米金屬與蛇紋石質(zhì)量比對(duì)齒輪油摩擦學(xué)性能的影響

2.4 油品在不同載荷下的摩擦學(xué)性能

圖4為在不同載荷下，含不同納米粉體的齒輪油和基礎(chǔ)齒輪油的摩擦因數(shù)和磨斑直徑變化曲線。由圖4可以看出，在不同載荷下，齒輪油中加入納米粉體后摩擦因數(shù)均明顯下降，并且添加金屬粉和蛇紋石粉后摩擦學(xué)性能最好，這說明含納米金屬粉與蛇紋石粉齒輪油的摩擦學(xué)性能具有很好的載荷特性，在寬載荷范圍內(nèi)均具有很好的抗磨減摩能力及自修復(fù)特性。

圖4 油品在不同載荷下的摩擦學(xué)性能■—基礎(chǔ)齒輪油；●—含鎳粉齒輪油；▲—含鎳銅粉齒輪油；含金屬/蛇紋石粉體齒輪油

2.5 含納米金屬/蛇紋石粉體齒輪油作用下的鋼球磨痕形貌與能譜分析

圖5為在392 N的載荷下，經(jīng)含納米金屬/蛇紋石粉體齒輪油長(zhǎng)磨60 min后鋼球的磨痕形貌。由圖5可以看出，鋼球表面的磨痕較淺。圖6為鋼球磨斑凹槽點(diǎn)和磨斑表面脊的能譜分析結(jié)果。GCr15軸承鋼球的成分主要有鐵、碳、鉻、硅等，不含鎳、銅、鎂元素。由圖6可以看出，經(jīng)過含金屬/蛇紋石粉體的齒輪油長(zhǎng)磨后，鋼球磨痕的脊和凹槽內(nèi)均含有鎳、銅、鎂等元素，說明復(fù)合粉體在摩擦過程中向摩擦表面發(fā)生遷移，通過極性吸附填平摩擦副的磨痕溝壑，降低摩擦副的粗糙度，從而進(jìn)一步減小摩擦功耗，并且在局部接觸點(diǎn)的高溫、高壓作用下，納米金屬/蛇紋石粉體迅速沉積并焊合到摩擦副表面，在摩擦副表面形成具有一定強(qiáng)度的金屬陶瓷自修復(fù)膜，改善齒輪油的摩擦學(xué)性能。

圖5 鋼球磨斑形貌a—磨斑凹槽點(diǎn)；b—磨斑表面脊

圖6 鋼球磨斑凹槽點(diǎn)和磨斑表面脊的能譜分析結(jié)果

3 結(jié) 論

(1) 少量納米金屬鎳銅粉體的加入有利于提高齒輪油的摩擦學(xué)性能。當(dāng)納米鎳粉與銅粉的質(zhì)量比為3∶1、粉體總加入量(w)為0.1%時(shí)，摩擦因數(shù)和磨斑直徑較未添加粉體的齒輪油分別減小了37.8%和30.2%。

[1] 文瑾，李潔，劉士軍，等.表面修飾納米銅顆粒添加劑的摩擦學(xué)性能[J].化工學(xué)報(bào)，2011，62(4)：1157-1161

[3] 趙修臣，宣瑜，劉穎，等.納米Sn粒子的制備及其作潤(rùn)滑油添加劑的摩擦學(xué)性能研究[J].潤(rùn)滑與密封，2007，32(1)：108-110

[4] 潘傳藝，余軍文，李雪輝，等.鉍系納米材料在潤(rùn)滑中的應(yīng)用[J].潤(rùn)滑與密封，2007，32(3)：202-206

[5] 張振忠，高建衛(wèi)，殷波，等.金屬納米復(fù)合粉體改善潤(rùn)滑油的摩擦磨損性能研究[J].潤(rùn)滑與密封，2006，31(5)：81-83，87

[6] 曹娟，張振忠，安少華，等.超細(xì)蛇紋石的表面修飾及其在基礎(chǔ)油中的摩擦學(xué)性能[J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，2008，36(9)：1210-1214

STUDY ON TRIBOLOGICAL PROPERTIES OF GEAR OIL WITH NANO-METAL/SERPENTINE POWDER

Wang Linyan，Zhang Zhenzhong，Huang Junjie，Zhao Fangxia

(CollegeofMaterialsScience&Engineering，NanjingUniversityofTechnology，Nanjing210009)

To improve the tribological properties of conventional gear oils，the effects of adding nano-Ni，nano-Ni/Cu composite powders and nano-metal/extra fine serpentine composite powders respectively on tribological properties of base gear oils as well as their load characteristics were studied by using four-ball tester and EDS technique.Experimental results indicate that the gear oils with nano-Ni/Cu composite powder achieve a better triboligical behavior than the one with single powder.The friction coefficient and wear scar diameter decreased by 37.8% and 30.2% respectively when the amount of nano-Ni/Cu composite powder (mass ratio of Ni and Cu of 3∶1) added is 0.1%.The gear oils containing nano-metal/serpentine composite powder has even better tribological properties and good load characteristics.The friction coefficient and wear scar diameter decreased by 37.4% and 34.0%，respectively when the dosage of the metal/serpentine composite powder is 0.2% with the mass ratio of metal powder (Ni and Cu ratio of 3∶1) and serpentine of 2∶1，and.The wear scar morphology and the EDS analysis show that the nano-metal/serpentine composite powder could fill the furrows and repair the worn surface.

L-CKD ISO 320 gear oil；nano-metal powder；extra fine serpentine powder；tribological property

2015-07-27；修改稿收到日期：2015-10-26。

王林燕，碩士研究生，主要從事納米材料制備及應(yīng)用等方面的研究工作。

張振忠，E-mail：15261809268@163.com。

江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程項(xiàng)目(蘇政辦2011-6)；廣西科技成果轉(zhuǎn)化與推廣計(jì)劃項(xiàng)目(1298009-15)。