復(fù)合納米潤滑油添加劑抗磨減摩性及自修復(fù)性

李文浩，魯 易，張武龍

(1.上海海事大學(xué)，上海 201306 ； 2.上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

摩擦磨損是材料與設(shè)備破壞和失效的最主要形式之一,我國每年因機(jī)械磨損所損耗的材料高達(dá)數(shù)千億[1-2]。如何有效的控制摩擦、減少磨損、改良潤滑性能已成為節(jié)約能源和材料，縮短維修時(shí)間的重要措施。潤滑劑在減少摩擦，降低磨損方面是目前最有效的措施，而添加劑的使用是提高油品性能最重要和有效的方式。但是通常的極壓抗磨添加劑含有P、S、cl等不但對(duì)機(jī)器有腐蝕而且對(duì)環(huán)境有污染的元素[3-4]。因此研制開發(fā)節(jié)能、無污染、高效的添加劑來代替原有的添加劑一直是科研人員不斷探索的方向。近年來，納米微粒作為潤滑油添加劑由于其良好的減摩、抗磨、擠壓、和自修復(fù)作用已受到國內(nèi)外科研人員的重視[5-10]。納米銅顆粒是一種被廣泛認(rèn)可的潤滑添加劑，不但制作工藝簡單而且它的潤滑效果是一般潤滑油制品及有機(jī)物添加劑所無法媲美的，同時(shí)納米銅顆粒細(xì)且軟，可以隨時(shí)填充摩擦缺陷，起到自修復(fù)的作用。文通過以Cu/SiO2復(fù)合納米顆粒作為潤滑油添加劑，克服了單一納米金屬微粒的銅的氧化和團(tuán)聚缺陷，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)其摩擦磨損性能和自修復(fù)性能進(jìn)行了研究。

1.1 盤銷摩擦磨損試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)組基礎(chǔ)油加入5%的添加劑與對(duì)照組分別裝入布魯克UMT TriboLab摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)油盒中，設(shè)計(jì)相同的試驗(yàn)條件，本實(shí)驗(yàn)用下試樣盤材料為AINSI E52100 鋼，上試樣銷材料為416 不銹鋼。

1.1.1 試驗(yàn)步驟

用洗滌汽油仔細(xì)清洗試驗(yàn)用銷、盤。保證清洗后的試件無油漬。放入烘干箱60℃烘干。測量盤的表面粗糙度，稱取盤和銷的質(zhì)量，緩緩施加150N的壓力，達(dá)到150N壓力后，開始以300r/min的轉(zhuǎn)速開始轉(zhuǎn)動(dòng)盤，持續(xù)90s。緩緩施加壓力，直到達(dá)到260N時(shí)，將轉(zhuǎn)速提升至900r/min，持續(xù)時(shí)間10h。試驗(yàn)結(jié)束后，清洗盤和銷，用顯微鏡觀測盤的磨損情況。稱重盤和銷，計(jì)算失重。測量表面粗糙度變化，并用三維輪廓儀觀察表面形貌。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖1、圖2分別為兩組油的磨斑顯微照片，圖3、圖4分別為磨斑表面形貌圖。從質(zhì)量損失和摩擦系數(shù)以及粗糙度變化均反映了添加劑改善了抗磨性能，其中盤的質(zhì)量損失減少30%，粗糙度降低73.4%，摩擦系數(shù)降低50%。 磨痕在三維輪廓儀器下的圖像和數(shù)據(jù)顯示，對(duì)照組的盤面磨痕平均深度138nm，實(shí)驗(yàn)組僅為0.6nm，表明抗磨劑對(duì)粗糙表面的填充作用很明顯，幾乎可以填平整個(gè)磨損區(qū)域；若定義磨痕的輪廓粗糙度為磨痕深度的方差，則對(duì)照組平均磨痕輪廓粗糙度為160.77，實(shí)驗(yàn)組為124.829；添加了抗磨劑的盤面，無論是磨痕的絕對(duì)深度和磨痕深度的起伏變化，均小于不添加抗磨劑的盤面，顯示了抗磨性能的提升。磨痕的深度變化較為平緩。

圖1 無添加劑磨痕形貌(X100)

圖4 磨斑的縱深在250nm的表面三維形貌(填充效應(yīng)明顯)

1.2 添加劑自修復(fù)實(shí)驗(yàn)

本次實(shí)驗(yàn)下試樣板材料為Gr15鋼，上試樣銷材料為普通灰口鑄鐵HT250。本次實(shí)驗(yàn)先使用基礎(chǔ)油，在300N負(fù)荷的壓力下進(jìn)行4h磨損試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后，在同一塊板的同一區(qū)域使用加入5%添加劑的基礎(chǔ)油進(jìn)行6h磨損試驗(yàn)。每隔一個(gè)小時(shí)測量一下板的質(zhì)量。通過對(duì)比修復(fù)前后板的質(zhì)量和摩擦形貌的變化探究自修復(fù)性能。表面形貌由BRUKER Contour GT 光學(xué)輪廓儀觀測，板的質(zhì)量應(yīng)用電子天平BSM220.4型測量。

1.2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

如圖5 所示，當(dāng)對(duì)樣板區(qū)域使用添加劑的潤滑油進(jìn)行修復(fù)性摩擦實(shí)驗(yàn)時(shí)。在最初的三個(gè)小時(shí)內(nèi)板的質(zhì)量有緩緩的增重，這是因?yàn)閺?fù)合納米微粒添加劑在摩擦副表面逐漸沉積，對(duì)凹痕進(jìn)行填充，使修復(fù)后的磨擦副表面更加光滑，形成一層比較厚的保護(hù)膜覆蓋在摩擦表面。

實(shí)驗(yàn)前在樣板非實(shí)驗(yàn)區(qū)域選擇三個(gè)點(diǎn)測量粗糙度分別為2.172μm、1.971μm 、1.271μm。實(shí)驗(yàn)后再對(duì)三點(diǎn)進(jìn)行測量：1.444μm 、1.688μm 、0.813μm，通過對(duì)比也可以說明摩擦副即使沒有摩擦潤滑的狀況，抗磨添加劑仍具備自動(dòng)填充摩擦表面的能力，表明復(fù)合添加劑擁有強(qiáng)大的自動(dòng)表面修復(fù)功能。

圖5 板的質(zhì)量變化與實(shí)驗(yàn)時(shí)間變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系

通過圖6試樣顯微表面形貌修復(fù)前(a)修復(fù)3h(b)的對(duì)比也可以直觀的呈現(xiàn)出復(fù)合添加劑的自修復(fù)性能。修復(fù)前磨痕清晰可見，排布密集，并且摩擦表面布滿磨損凹陷。由修復(fù)前三維形貌圖知磨痕寬而深表面溝壑縱深500～2000nm，最大達(dá)到了5000nm。修復(fù)3h后，磨痕處表面光滑平整，磨損凹陷也被修復(fù)的平整，磨痕溝壑平均約300nm，而最大不超過2300nm，使摩擦表面相對(duì)光滑整潔。是由復(fù)合納米微粒在摩擦副表面沉積從而在磨斑表面形成一層潤滑膜，起到減小摩擦降低磨損的作用以及優(yōu)良的自修復(fù)性能。

圖6 試樣顯微表面形貌(X100)

2 結(jié)論

(1)復(fù)合納米微粒使摩擦副的的質(zhì)量損失減少30%，粗糙度降低73.4%，摩擦系數(shù)降低50%，表明復(fù)合添加劑具有明顯的減摩抗磨性能。

(2)在摩擦過程中復(fù)合納米微粒使摩擦表面平整光滑，修復(fù)過程試板增重，是由于復(fù)合納米微粒在摩擦副表面沉積從而在磨斑表面形成一層銅潤滑膜顯示出復(fù)合納米添加劑的良好自修復(fù)性能。

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