一種蠟質(zhì)材料作為潤滑脂添加劑的摩擦學(xué)性能研究

夏延秋，張文一

(華北電力大學(xué)能源動力與機械工程學(xué)院，北京 102206)

潤滑脂作為機器設(shè)備的潤滑劑具有比潤滑油更好的黏附性，更寬的使用溫度、更好的耐壓性、更長的使用壽命及優(yōu)良的密封性能。我國所擁有的生產(chǎn)鋰基潤滑脂原料占世界儲藏量的47%，同時鋰基潤滑脂對添加劑的感受性、抗氧化性、機械安定性和水解性能良好，促進(jìn)了鋰基潤滑脂的發(fā)展，成為應(yīng)用范圍最廣的一類皂基潤滑脂。潤滑添加劑作為潤滑脂的重要組成部分，是提高潤滑脂性能的關(guān)鍵。陳力等[1-2]制備了(Si、Al)與Zn(Si、Al)型混合物，將其作為潤滑添加劑加入到鋰基潤滑脂中，提高了鋰基潤滑脂的抗磨和減摩性能。也有學(xué)者將層狀磷酸鋯材料和超細(xì)錫粉用作鋰基潤滑脂添加劑，不僅可提高基礎(chǔ)脂的減摩抗磨能力還可提高其承載能力[3-4]。席翔等[5]將蒙脫石作為復(fù)合鋰基潤滑脂添加劑，結(jié)果表明蒙脫石能夠改善基礎(chǔ)脂的潤滑性能。胡亦超等[6]將聚苯胺粉作為潤滑脂添加劑，結(jié)果表明該添加劑可將基礎(chǔ)脂體積電阻降低2個數(shù)量級，且具有優(yōu)良的減摩抗磨能力。有機化合物含有碳鏈或碳環(huán)，故在潤滑性能上更具優(yōu)勢。磷酸二苯酯和受阻酚類衍生物作為復(fù)合鋰基脂的潤滑添加劑具有優(yōu)良的摩擦學(xué)性能，且分別優(yōu)于二硫化鉬與二烷基二硫代磷酸鋅，其原因在于摩擦形成由氧化鐵、磷酸鐵和硫酸鐵等化合物組成的潤滑膜起到潤滑作用[7-8]。但上述磷酸二苯酯中含有活性磷原子危害環(huán)境，為了降低環(huán)境污染，有機環(huán)保高效復(fù)合鋰基脂潤滑添加劑的研發(fā)刻不容緩。植物葉片蠟質(zhì)作為一種純天然產(chǎn)物，無毒無害并具有完全生物降解的特性，是優(yōu)良的環(huán)保材料[9-12]。本課題將黑楊與香花槐葉片蠟質(zhì)提取物作為潤滑脂添加劑，并與石蠟添加劑進(jìn)行對比，采用MTF-R4000往復(fù)摩擦磨損試驗機考察蠟質(zhì)添加劑對復(fù)合鋰基潤滑脂摩擦學(xué)性能的影響，使用光學(xué)顯微鏡觀察磨痕表面形貌，用能譜儀分析磨痕表面元素分布。

1 實 驗

1.1 試驗材料

葉片蠟質(zhì)材料取自于黑楊和香花槐，其中黑楊蠟質(zhì)材料來源于北緯40°11′20″、東經(jīng)122°2′38″生長的楊樹，香花槐蠟質(zhì)材料來源于北緯40°11′13″、東經(jīng)122°2′40″生長的槐樹，試驗用樹及葉片照片如圖1所示。

圖1 試驗用樹及葉片照片

采摘葉片后進(jìn)行清洗并使其自然風(fēng)干，再加入到氯仿中浸泡5～15 s取出，將得到的溶液過濾，待氯仿?lián)]發(fā)完全后即得到葉片蠟質(zhì)材料，使用氣質(zhì)聯(lián)用(GC-MS，Agilent)方法分析蠟質(zhì)的化學(xué)成分。

試驗所用氯仿、十二羥基硬脂酸、癸二酸、氫氧化鋰、石蠟均為國藥集團化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)；石油醚為天津歐博凱化工有限公司生產(chǎn)；合成酯為長沙眾城石化有限公司生產(chǎn)。

摩擦試驗所用AISI52100鋼球直徑為5 mm，硬度為7.5 GPa；所用2024鋁盤尺寸為24 mm×7.8 mm，硬度為145 HV。

1.2 復(fù)合鋰基脂的制備

1.3 摩擦磨損試驗

使用MFT-R4000往復(fù)摩擦磨損試驗機，在22～23.5 ℃、38%～44%濕度下進(jìn)行試驗。摩擦副為球-盤接觸，試驗振幅為5 mm、頻率5 Hz、時間30 min，試驗載荷分別為20，30，40 N。試驗前將鋼球和鋁塊放入石油醚中超聲清洗15 min，每個數(shù)據(jù)點重復(fù)3次。

1.4 磨痕表面分析

試驗結(jié)束后再次將鋁塊放入石油醚中超聲清洗15 min，使用光學(xué)顯微鏡(Nikon)測量鋁塊的磨痕寬度并觀察磨痕形貌，用能譜儀(EDS)分析磨痕表面成分。

2 結(jié)果與討論

2.1 蠟質(zhì)成分分析

兩種蠟質(zhì)的化學(xué)成分見表1。從表1可以看出：植物葉片蠟質(zhì)主要成分是烴類、醇類、酸類和酯類等，其中烴類占40%～50%；兩種蠟質(zhì)含量最高的成分為烴類和酯類，其中，黑楊蠟質(zhì)相對于香花槐蠟質(zhì)有更高的酯類、酮類、醚類和酚類含量，而其烴類和醇類含量則小于香花槐蠟質(zhì)含量。從所含官能團的極性強弱上來看，極性從強到弱的順序為：酚類>醇類>酮類>酯類>醚類>烴類，極性越強的有機化合物物理吸附能力越強，所形成的物理吸附膜強度也更大[14]。

表1 兩種蠟質(zhì)的化學(xué)成分 w,%

2.2 摩擦磨損試驗

在基礎(chǔ)脂中分別添加不同量的黑楊、香花槐蠟質(zhì)和石蠟，載荷為20 N條件下潤滑試驗的摩擦因數(shù)及鋁塊的磨痕寬度見圖2。從圖2可以看出，黑楊、香花槐蠟質(zhì)和石蠟均能降低試驗的摩擦因數(shù)及鋁塊的磨痕寬度，提高基礎(chǔ)脂的減摩抗磨能力，其中含1.6%黑楊蠟質(zhì)和1.6%香花槐蠟質(zhì)潤滑脂潤滑試驗的摩擦因數(shù)和鋁塊的磨痕寬度較小，相對于添加1.6%石蠟潤滑脂潤滑試驗的摩擦因數(shù)分別減少10.54%和8.83%，鋁塊的磨痕寬度分別減少6.54%和6.23%。表明黑楊和香花槐葉片蠟質(zhì)是一種優(yōu)良的摩擦改進(jìn)劑。

圖2 添加劑添加量對潤滑脂潤滑試驗?zāi)Σ烈驍?shù)及鋁塊磨痕寬度的影響■—基礎(chǔ)脂； ■—基礎(chǔ)脂+黑楊蠟質(zhì)；■—基礎(chǔ)脂+香花槐蠟質(zhì)； ■—基礎(chǔ)脂+石蠟

在基礎(chǔ)脂中分別添加1.6%黑楊蠟質(zhì)、1.6%香花槐蠟質(zhì)，不同載荷條件下潤滑試驗的摩擦因數(shù)及鋁塊的磨痕寬度見圖3。從圖3可以看出，試驗的摩擦因數(shù)及鋁塊的磨痕寬度隨著載荷的增大而增大，在20 N和30 N載荷下，1.6%黑楊蠟質(zhì)潤滑脂試驗的摩擦因數(shù)及鋁塊的磨痕寬度均小于1.6%香花槐蠟質(zhì)潤滑脂試驗的摩擦因數(shù)及鋁塊的磨痕寬度，但當(dāng)載荷為40 N時，1.6%香花槐蠟質(zhì)潤滑脂相對于黑楊蠟質(zhì)潤滑脂試驗的摩擦因數(shù)及鋁塊的磨痕寬度更小。表明兩種蠟質(zhì)添加劑在不同載荷下均能有效提高基礎(chǔ)脂的減摩抗磨能力。

圖3 載荷對潤滑脂潤滑試驗?zāi)Σ烈驍?shù)及鋁塊磨痕寬度的影響■—基礎(chǔ)脂； ■—基礎(chǔ)脂+1.6%黑楊蠟質(zhì)；■—基礎(chǔ)脂+1.6%香花槐蠟質(zhì)

2.3 磨痕表面形貌

在基礎(chǔ)脂中分別添加1.6%黑楊蠟質(zhì)、1.6%香花槐蠟質(zhì)，40 N載荷條件下潤滑試驗的鋁塊磨痕表面形貌見圖4。從圖4可以看出：①基礎(chǔ)脂潤滑下的磨痕表面出現(xiàn)嚴(yán)重的黏著磨損，同時還有明顯的由磨粒磨損形成的犁溝；②與基礎(chǔ)脂相比，1.6%黑楊蠟質(zhì)潤滑脂潤滑下的磨痕表面犁溝數(shù)量明顯減少，抗黏著能力增強；③與黑楊蠟質(zhì)潤滑脂相比，1.6%香花槐蠟質(zhì)潤滑脂潤滑下的磨痕表面犁溝數(shù)量減少，抗黏著磨損能力更強。表明蠟質(zhì)添加劑的加入有效減輕摩擦表面的黏著磨損和磨粒磨損，并且香花槐蠟質(zhì)的抗磨效果優(yōu)于黑楊蠟質(zhì)。

圖4 不同潤滑脂潤滑下鋁塊磨痕表面形貌

2.4 磨痕表面物質(zhì)分析

在基礎(chǔ)脂中分別添加1.6%黑楊蠟質(zhì)、1.6%香花槐蠟質(zhì)，40 N載荷條件下潤滑試驗鋁塊磨痕表面元素分布如表2所示。從表2可以看出，基礎(chǔ)脂中加入蠟質(zhì)后磨痕表面鋁元素含量明顯提高，而氧元素含量明顯減少。金屬元素可能是以氧化物等形式存在，而氧化物來源于摩擦過程中的氧化作用，它們固定在磨痕表面形成了一層氧化膜來抵抗摩擦[15]。加入蠟質(zhì)后，磨痕表面被氧化的鋁相對減少，蠟質(zhì)中的有機物在摩擦過程中通過物理吸附與化學(xué)反應(yīng)形成一層有機潤滑膜，這層有機潤滑膜與氧化膜協(xié)同作用提高了潤滑脂的減摩抗磨能力[16-17]。

表2 磨痕表面元素分布 w,%

3 結(jié) 論

(1)含有多種醇、酯等有機化合物的植物葉片蠟質(zhì)可以有效地提高潤滑脂的減摩抗磨能力，性能明顯優(yōu)于主要成分為直鏈烷烴的石蠟添加劑。

(2)在載荷為20 N條件下，1.6%黑楊蠟質(zhì)和1.6%香花槐蠟質(zhì)潤滑脂潤滑試驗的摩擦因數(shù)和鋁塊的磨痕寬度較小，相對于添加1.6%石蠟潤滑脂潤滑試驗的摩擦因數(shù)分別減少10.54%和8.83%，鋁塊的磨痕寬度分別減少6.54%和6.23%。表明黑楊和香花槐葉片蠟質(zhì)是一種優(yōu)良的摩擦改進(jìn)劑。

(3)加入蠟質(zhì)后，磨痕表面被氧化的鋁相對減少，蠟質(zhì)中的有機物在摩擦過程中通過物理吸附與化學(xué)反應(yīng)形成一層有機潤滑膜，這層有機潤滑膜與氧化膜協(xié)同作用提高了潤滑脂的減摩抗磨能力。