含超細金屬/蛇紋石粉液壓油的摩擦學性能研究

黃俊杰，武黎明，楊 霽，張振忠，趙芳霞

(南京工業大學材料科學與工程學院，南京 210009)

含超細金屬/蛇紋石粉液壓油的摩擦學性能研究

黃俊杰，武黎明，楊 霽，張振忠，趙芳霞

(南京工業大學材料科學與工程學院，南京 210009)

采用四球試驗機研究了納米鎳粉、鎳錫粉復配和納米金屬粉與超細蛇紋石粉復配情況下粉體加入量及復配比例對68號液壓油摩擦學性能的影響；采用SEMEDS對磨斑形貌進行表征。結果表明：含納米金屬蛇紋石粉液壓油具有良好的綜合摩擦學性能，當納米鎳與錫粉質量比為3∶1、納米金屬與蛇紋石復合粉[m(納米金屬)m(蛇紋石)=2∶1]添加量(w)為0.10%時，與68號液壓油試驗相比，摩擦因數和磨斑直徑分別降低37.0%和35.4%；加入二烷基二硫代磷酸鉬有助于提高超細金屬蛇紋石液壓油的抗磨減摩性能，且兩者具有協同作用；超細金屬蛇紋石粉加入到液壓油中能夠起到填平犁溝、修復磨痕表面的作用。

68號液壓油 納米鎳粉 納米錫粉 超細蛇紋石粉 摩擦學性能

工業液壓油在石油、化工、水泥、礦山、冶金、機械等行業具有廣泛的應用[1-2]，且需求量大。研制不同黏度含納米金屬/超細蛇紋石粉自修復液壓油不僅有利于大幅度提高其抗磨減摩性能，還使液壓油具有摩擦自修復特性[3-5]，對提高工業設備的壽命、延長維修期和實現機械設備的節能減排具有重要意義。納米金屬粉如銅粉、錫粉等作為潤滑自修復添加劑能夠起到較好的抗磨減摩作用[6-8]，并提高其承載能力，但所形成的自修復膜硬度低、易發生脫落，在低載荷下起到磨粒磨損的作用；蛇紋石粉和納米二氧化硅等無機材料[9-11]的膨脹系數與黑色金屬相近且干摩擦因數極低，該材料加至液壓油中，在摩擦能作用下形成的金屬陶瓷修復膜不易脫落，有利于摩擦副抗磨性能的提高，但這類粉體的自修復能量高且減摩作用相對較差。因此，其發展趨勢是制備高性能金屬/陶瓷納米復合液壓油。目前國內外有關含超細金屬/陶瓷復合粉體自修復工業液壓油的研究鮮有報道。本研究在納米金屬及超細蛇紋石粉體分散工藝的基礎上[12-16]，以大型工業設備中應用最多的黏度級別68的實際工業液壓油(簡稱68號液壓油)為研究對象，考察含超細鎳、錫粉/蛇紋石粉工業液壓油的抗磨減摩性能，為研發和推廣高性能、自修復型工業液壓油提供依據。

1 實 驗

1.1 實驗材料

一次顆粒平均粒徑為80 nm的鎳粉和錫粉、一次顆粒平均粒徑為100 nm的蛇紋石粉，均為昆山密友集團生產；68號液壓油，型號長城LH-M 68；二烷基二硫代磷酸鉬(MoDDP)、石油醚，分析純，無錫亞盛化工生產。四球試驗所用鋼球為GCr15軸承鋼球，上海鋼球廠有限公司生產，直徑為12.7 mm，硬度為61～64 HRC，化學組成(質量分數)為：Si 0.55%，Mn 0.51%，Cr 1.74%，Fe 97.20%。

1.2 實驗儀器和設備

清洗鋼球用KH-700DE型超聲波清洗器，昆山禾創公司制造；BS 224S型電子天平，德國賽多利斯公司生產；SFS-S400型高速分散機，上海汗諾儀器有限公司制造；WMM-1萬能摩擦磨損試驗機及配套磨斑測量顯微鏡，時代試金集團制造；JSM-5900型掃描電鏡儀，日本電子公司制造。

1.3 復合添加劑

1.3.1納米鎳錫復合粉將納米鎳粉與納米錫粉以一定比例復配均勻混合，得到納米鎳錫復合粉。

1.3.2納米金屬與蛇紋石復合粉將納米鎳錫復合金屬粉(鎳、錫質量比為3∶1)與蛇紋石粉按一定比例復配混合均勻，得到納米金屬與蛇紋石復合粉。

1.4實驗方法

通過高速剪切機以3 000 r/min的轉速高速剪切30 min，將各類粉體均勻分散到68號液壓油中，制成含超細粉體的液壓油。采用四球摩擦磨損試驗機考察液壓油的摩擦學性能，用顯微鏡觀測磨斑后，利用配套軟件求得鋼球的平均磨斑直徑，按照SH/T 0189潤滑油抗磨損性能測定標準(1 200 r/min)進行測試。通過SEM/EDS對鋼球磨斑表面進行表征。

2 結果與討論

2.1 納米鎳粉添加量對68號液壓油摩擦學性能的影響

在392 N載荷條件下，納米鎳粉添加量對68號液壓油試驗摩擦因數和鋼球磨斑直徑的影響見圖1。由圖1可見，隨納米鎳粉添加量的增加，摩擦因數和磨斑直徑先減小后增大，當納米鎳粉添加量(w)為0.05%時，摩擦因數和磨斑直徑最小，與68號液壓油試驗相比，摩擦因數和磨斑直徑分別降低30.8%和22.9%。

圖1 納米鎳粉添加量對68號液壓油摩擦學性能的影響■—磨斑直徑; ●—摩擦因數。圖2～圖4同

2.2 納米鎳錫復合粉添加量對68號液壓油摩擦學性能的影響

在392 N載荷條件下，納米鎳錫復合粉[m(鎳)/m(錫)=2∶1]添加量對68號液壓油試驗摩擦因數和鋼球磨斑直徑的影響見圖2。由圖2可見，隨納米鎳錫復合粉添加量的增加，摩擦因數和磨斑直徑先減小后增大，當納米鎳錫復合粉添加量(w)為0.15%時，摩擦因數和磨斑直徑最小，分別為0.058 mm和0.38 mm，與68號液壓油試驗相比，摩擦因數和磨斑直徑分別降低36.0%和20.8%。

圖2 納米鎳錫復合粉添加量對68號液壓油摩擦學性能的影響

在納米鎳錫復合粉添加量(w)為0.15%時，納米鎳粉與錫粉質量比對68號液壓油摩擦學性能的影響見表1。由表1可見，與68號液壓油試驗相比，含納米鎳錫復合粉的68號液壓油試驗的摩擦因數和鋼球的磨斑直徑明顯降低，當m(鎳)/m(錫)分別為4∶1，3∶1，2∶1，1∶1時，摩擦因數分別減小8.8%，45.2%，36.0%，39.7%，磨斑直徑分別減小6.25%，29.2%，20.8%，22.9%。綜合分析，在m(鎳)/m(錫)為3∶1時，摩擦因數和磨斑直徑最小，分別為0.049 6和0.34 mm。

表1 納米鎳粉與錫粉質量比對68號液壓油摩擦學性能的影響

2.3 納米金屬與蛇紋石復合粉對68號液壓油摩擦學性能的影響

在392 N載荷條件下，納米金屬與蛇紋石復合粉[m(納米金屬)/m(蛇紋石)=2∶1]添加量對68號液壓油試驗摩擦因數和鋼球磨斑直徑的影響見圖3。由圖3可見，隨納米金屬與蛇紋石復合粉添加量的增加，摩擦因數和磨斑直徑呈先減小后增大的趨勢，當納米金屬與蛇紋石復合粉添加量(w)為0.10%時，摩擦因數和磨斑直徑最小，分別為0.057和0.31 mm，與68號液壓油試驗相比，摩擦因數和磨斑直徑分別降低37.0%和35.4%。

圖3 納米金屬與蛇紋石復合粉添加量對68號液壓油摩擦學性能的影響

在納米金屬與蛇紋石復合粉添加量(w)為0.1%、m(鎳)/m(錫)為3∶1時，納米金屬與蛇紋石質量比對68號液壓油摩擦學性能的影響見表2。由表2可見：與68號液壓油試驗相比，m(納米金屬)/m(蛇紋石)分別為3∶1，2∶1，1∶1，1∶2時，摩擦因數分別減小33.6%，37.0%，26.2%，25.3%，磨斑直徑分別減小20.8%，35.4%，20.8%，22.9%。綜合分析，在納米金屬與蛇紋石復合粉添加量(w)為0.1%、m(納米金屬)/m(蛇紋石)為2∶1時，摩擦因數和磨斑直徑最小，分別為0.057 0和0.31 mm。說明加入蛇紋石粉更有利于提高68號液壓油的抗磨性能。

表2 納米金屬與蛇紋石質量比對68號液壓油摩擦學性能的影響

2.4 MoDDP添加量對含納米金屬/蛇紋石復合粉68號液壓油摩擦學性能的影響

圖4 MoDDP添加量對含納米金屬/蛇紋石復合粉68號液壓油摩擦學性能的影響

在392 N載荷條件下，加入0.25%～1.25%MoDDP對含0.1%金屬/蛇紋石復合粉68號液壓油摩擦學性能的影響見圖4。由圖4可見，隨MoDDP加入量增加，摩擦因數呈先減小后增加的趨勢，鋼球磨斑直徑變化不大，當MoDDP添加量(w)為0.75%時，摩擦因數和磨斑直徑最小，與含0.1%金屬/蛇紋石復合粉68號液壓油試驗相比，摩擦因數和磨斑直徑分別降低43.5%和9.7%。說明加入MoDDP有助于提高超細金屬/蛇紋石液壓油的抗磨減摩性能，且兩者具有協同作用。

2.5 含納米金屬/蛇紋石復合粉液壓油的載荷特性

含納米金屬/蛇紋石MoDDP復合粉68號液壓油在196，294，392，490 N載荷下試驗的摩擦因數和鋼球磨斑直徑見圖5。由圖5可見，不同載荷下，68號液壓油中添加納米金屬/蛇紋石MoDDP復合粉體后，試驗的摩擦因數和鋼球的磨斑直徑均明顯下降，且摩擦因數和磨斑直徑均隨著載荷的增加而增大。

圖5 含納米金屬/蛇紋石復合粉液壓油的載荷特性■—未添加復合粉體; ●—添加復合粉體

2.6 自修復機理探索

在392 N載荷下，含0.1%納米金屬/蛇紋石粉68號液壓油長磨60 min后的磨痕形貌及能譜分析結果見圖6。由圖6可見：鋼球表面的磨痕很淺；GCr15 軸承鋼球的成分主要有鐵、碳、鉻、硅等，含0.1%的納米金屬/蛇紋石粉68號液壓油長磨試驗后，磨痕的凹槽含有鎳、硅、鎂及少量錫元素，說明潤滑油中添加超細粉體后顆粒會在摩擦過程中向摩擦表面上發生轉移，在磨斑表面起到填補溝壑的作用，產生更多新生表面，表面活性較高的超細顆粒在外加壓力下迅速沉積、焊合到摩擦副表面，填充磨痕表面，在摩擦副的表面形成自修復膜，提高設備的使用壽命。

圖6 含0.1%超細復合粉液壓油的鋼球磨斑形貌及能譜分析結果

3 結 論

(1)適量納米金屬鎳、錫粉體的加入有利于提高基礎液壓油的摩擦學性能。在68號液壓油中鎳粉添加量(w)為0.05%時，試驗的摩擦因數和鋼球的磨斑直徑最小，較基礎液壓油試驗分別降低30.8%和22.9%。在納米鎳錫復合粉添加量(w)為0.15%、鎳、錫質量比為3∶1時，試驗的摩擦因數和鋼球的磨斑直徑最小，較基礎液壓油試驗時分別減小45.2%和29.2%。

(2)適量納米金屬粉、超細蛇紋石粉的復合，有利于進一步改善基礎液壓油的綜合摩擦學性能。當納米金屬與蛇紋石復合粉添加量(w)為0.10%時，試驗的摩擦因數和鋼球的磨斑直徑最小，分別為0.057和0.31 mm，與68號液壓油試驗相比，摩擦因數和磨斑直徑分別降低37.0%和35.4%。

(3)與含0.1%金屬/蛇紋石復合粉68號液壓油試驗相比，當MoDDP添加量(w)為0.75%時，試驗的摩擦因數和鋼球的磨斑直徑分別降低43.5%和9.7%。說明加入MoDDP有助于提高超細金屬/蛇紋石液壓油的抗磨減摩性能，且兩者具有協同作用。

(4)超細粉體在摩擦時，金屬部分在摩擦副表面滑移形成軟表面膜填補溝壑，形成軟修復；蛇紋石部分在摩擦下與鐵基金屬反應，在摩擦副表面生成硅酸鐵鎂陶瓷保護層，形成一種硬修復。兩者有協同作用，在摩擦副的表面形成自修復膜。

[1] 胡紀根.我國液壓油標準的現狀及發展設想[J].合成潤滑材料，2011，38(2)：19-20

[2] 陳惠卿.工程機械用液壓油的選擇[J].液壓氣動與密封，2012，12：46-51

[3] 趙立濤，陳國需，高永建，等.摩擦磨損自修復原理及納米自修復添加劑研究進展[J].潤滑與密封，2007，32(8)：152-155

[4] 張哲，陳國需，程鵬，等.幾種潤滑添加劑的自修復性能研究[J].石油煉制與化工，2014，45(7)：72-76

[5] 馬玉紅，楊宏偉，楊士亮，等.摩擦磨損自修復型潤滑油添加劑的發展現狀[J].廣州化工，2013，41(7)：32-33，58

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

[7] 李晛，柳剛，范榮煥，等.納米AlSn金屬顆粒對潤滑油抗磨極壓性能的影響[J].潤滑與密封，2004(4)：60-62

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

[9] 鄭威，張振忠，趙芳霞，等.蛇紋石粉體的熱處理及其對基礎油摩擦學性能的影響[J].石油煉制與化工，2013，44(3)：71-74

[10] 朱公志，高玉周，劉世永，等.羥基硅酸鎂復合粉體潤滑油添加劑對鋼-鋼摩擦副的抗磨自修復機理[J].摩擦學學報，2012，32(2)：183-188

[11] 錢建華，陰翔宇，張月，等.二氧化鈦微球合成、表面修飾及摩擦學性能[J].化工學報，2012，63(6)：1986-1991

[12] 曹娟，張振忠，趙芳霞，等.分散劑對蛇紋石在乙醇中分散性能的影響[J].潤滑與密封，2007，32(10)：83-86

[13] 曹娟，張振忠，安少華，等.超細蛇紋石的表面修飾及其在基礎油中的摩擦學性能[J].硅酸鹽學報，2008，36(9)：1210-1214

[14] 劉廣，張振忠，路承杰，等.納米鎳銅復合粉體在乙醇溶液中的分散性能[J].化學工程，2010，38(4)：77-80

[15] 李松林，劉務華，武治鋒，等.超細鎳粉的化學還原制備及其分散劑的作用[J].粉末冶金技術，2006，24(5)：345-348，378

[16] 趙芳霞，楊江海，吳佳，等.幾種納米固體潤滑添加劑熱穩定性及其對基礎油黏度的影響[J].潤滑與密封，2009，34(6)：32-35

TRIBOLOGICALPROPERTIESOFHYDRAULICOILWITHULTRAFINE-METALSERPENTINEPOWDERSWTBZ

Huang Junjie， Wu Liming， Yang Qi， Zhang Zhenzhong， Zhao Fangxia

(CollegeofMaterialsScience&Engineering，NanjingUniversityofTechnology，Nanjing210009)

To improve the tribological properties of conventional industrial hydraulic oil，the effects of amounts of nano-Ni，nano-Ni/Sn composite powders and ultrafine-metal/serpentine composite powders on tribological properties of No.68 hydraulic oil were studied by using four-ball tester；the wear scar morphology and composition were characterized by means of SEM/EDS techniques.Experimental results indicated that the hydraulic oil containing ultrafine-metal/serpentine composite powders has better tribological properties in all aspects.Compared with the basic hydraulic oil，the friction coefficient and wear scar diameter decreases by 37.0% and 35.4%，respectively，when the mass ratio of Ni and Cu is 3∶1，the mass ratio of metal and serpentine is 2∶1，and the total amount is 0.1%.The addition of MoDDP and the ultrafine-metal/serpentine greatly improves the tribological properties of hydraulic oil，indicating a synergistic effect between them.Wear scar SEM/EDS analysis showed that the ultrafine-metal/serpentine composite powders added to the hydraulic oil can fill the furrows and repair worn surface.

No.68 hydraulic oil； nano-Ni powder； nano-Sn powder； ultrafine serpentine powder； tribological property

2017-06-13；修改稿收到日期2017-07-12。

黃俊杰，碩士研究生，主要從事納米粉體的制備及液壓油潤滑添加劑的研究工作。

黃俊杰，E-mail：huanghe92114@163.com。