納米蛇紋石粉末與柴油機油抗磨減摩劑協同潤滑性能研究*

王維偉 端仁杰 蔣志新 朱晨勃 常珂欣 馬建冬 高建哲

(1.煙臺大學海洋學院 山東煙臺 264005;2.煙臺工程職業技術學院 山東煙臺 264005)

高強化柴油機是提高艦船機動性能的核心裝備。高強化柴油機具有體積小、功率密度大、轉速高、載荷高的特點，這使得高強化柴油機的潤滑條件十分苛刻。柴油機摩擦副在高溫高載下潤滑油膜較薄，邊界/混合潤滑條件下磨損量顯著增加，傳統的極壓抗磨添加劑難以支撐摩擦副之間的載荷，潤滑油的極壓抗磨性能受到挑戰。因此，采用摩擦自修復添加劑提高潤滑性能，對于高強化柴油機的良好運轉具有關鍵作用。納米蛇紋石作為一種典型的摩擦自修復添加劑，在潤滑油、潤滑脂中均起到良好的抗磨減摩性能[1-2]。在金屬表面的摩擦過程中，蛇紋石能夠填充金屬表面的凹坑和裂痕，并在高溫高剪切的摩擦作用下發生摩擦化學反應，蛇紋石中的活性基團與金屬元素發生置換反應形成修復層[3-7]。同時，也有學者研究發現蛇紋石的內氧化過程促進了自修復保護層的形成[8]。實驗表明，納米蛇紋石的加入可以在鋼摩擦副表面形成2～10 μm的自修復涂層[9]。除鋼鐵摩擦副以外，蛇紋石還可以在錫青銅表面起到摩擦自修復的效果[10]。此外，蛇紋石與納米軟金屬等其他納米顆粒也可形成協同抗磨減摩的作用[11-12]。

ZDDP和MoDTC是高強化柴油機潤滑油中常用的極壓抗磨與減摩添加劑。為了進一步提高高強化柴油機潤滑油的潤滑性能，本文作者嘗試將蛇紋石粉末加入潤滑油中，通過蛇紋石粉末與這些添加劑相互作用，進一步提高潤滑油的極壓抗磨與減摩性能。目前，已有大量文獻報道了納米蛇紋石粉末單獨作為潤滑油添加劑[13-14]，或蛇紋石粉末與ZDDP進行復配時的潤滑性能與減摩修復機制[15-16]。但蛇紋石粉末與ZDDP和MoDTC三者復配的潤滑效果尚缺乏相關報道。因此，為提升高強化柴油機潤滑油的潤滑性能，文中針對蛇紋石與極壓抗磨劑ZDDP、有機減摩劑MoDTC相互復配的潤滑性能進行實驗研究。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

實驗潤滑油采用HVI 5礦物基礎油，配以MoDTC、ZDDP和蛇紋石粉末組成。HVI 5礦物基礎油由中國石油大連潤滑油研發中心提供。潤滑油添加劑中，MoDTC、ZDDP由杭州施特安化工有限公司提供。實驗油樣簡稱及組成如表1所示。MoDTC、ZDDP加入的質量分數均為0.5%[17]，納米蛇紋石粉末加入的質量分數為0.1%[18],以保證MoDTC、ZDDP和蛇紋石粉末三者的潤滑性能得到發揮。

表1 實驗油樣簡稱與組成 單位:%Table 1 The abbreviation and composition of lubricant samples Unit:%

實驗以天然蛇紋石粉末為原料，粒徑為40～50 μm。為降低蛇紋石粉末的粒徑，提高其潤滑性能，實驗采用高能球磨機，選用直徑5 mm氧化鋯材質磨球，以油酸作為溶劑和表面修飾劑，對蛇紋石粉末原料進行球磨，磨球、溶劑、粉體質量比為5∶2∶1，球磨轉速1 700 r/min，球磨時間6 h，得到粒徑200～900 nm左右的蛇紋石粉末，如圖1所示。球磨期間，油酸作為表面修飾劑，在蛇紋石顆粒表面連接有機碳鏈，防止粉體在基礎油中沉淀聚集，提高蛇紋石粉末在基礎油中的溶解性。

圖1 納米蛇紋石粉末Fig 1 Nano scale serpentine powder

1.2 實驗設備

實驗采用軸承鋼作為摩擦副材料，摩擦環外徑50 mm，內徑45 mm。摩擦塊為圓柱體，直徑和高度均為10 mm，摩擦環與摩擦塊表面粗糙度分別為0.06和0.02 mm，硬度均為751.0HV。

潤滑油的摩擦學性能采用研制的環塊式摩擦磨損試驗機進行測試，如圖2所示。實驗時，摩擦環安裝在轉軸端部，摩擦塊安裝在加載機構底部，采用伺服電機控制摩擦環的轉動。摩擦環底部浸沒在溫控油槽中，伺服電機控制摩擦環旋轉時，油槽中的潤滑油卷吸到摩擦副表面起到潤滑作用。環塊間的摩擦力通過拉壓力傳感器檢測。

圖2 摩擦試樣與試驗設備Fig 2 Friction samples and test rig

1.3 實驗方法與步驟

實驗時，首先安裝環塊摩擦副，向油槽中加入實驗油樣，控制油槽溫度為150 ℃。待溫度穩定后，控制試驗機轉速為100 r/min，通過施加加載砝碼控制載荷為70 N，實驗時間為24 h。實驗后，分別用石油醚和無水乙醇超聲清洗摩擦環與摩擦塊，采用梅特勒Me204分析天平稱量實驗前后摩擦試樣的質量，計算磨損量。采用ZEISS Axio Observer光學顯微鏡觀察摩擦表面宏觀形貌，采用JEOL JSM-7610F掃描電子顯微鏡分析摩擦表面元素組成，采用Thermo Fisher Scientific K-Alpha 1063 X射線光電子能譜儀(XPS)檢測摩擦產物。

2 實驗結果與分析

2.1 摩擦磨損性能分析

圖3示出了不同添加劑配方對摩擦因數的影響規律?；A油BO摩擦因數曲線較為平穩，摩擦因數保持在0.073。加入納米蛇紋石粉末后，潤滑油BO-S摩擦因數初期較高，隨后逐漸由0.08降低至0.038，并在0.038～0.051之間波動。加入ZDDP和MoDTC后，潤滑油BO-Mo-Z的摩擦因數在600 min內由0.077逐漸降低至0.047左右。ZDDP、MoDTC和納米蛇紋石粉末復配后，潤滑油BO-Mo-Z-S的摩擦因數顯著降低，在200 min內迅速降低至0.020左右。

圖3 添加劑配方對摩擦因數的影響規律Fig 3 Influence of additive composition on friction coefficient

綜合摩擦因數的結果可知，納米蛇紋石粉末的加入能夠降低潤滑油的摩擦因數。當蛇紋石粉末與ZDDP和MoDTC復配時，能夠獲得更低的摩擦因數，進一步提升潤滑油的減摩性能。

圖4示出了不同添加劑配方對磨損量的影響規律。圖4 (a)顯示，不含蛇紋石粉末的BO-Mo-Z潤滑油，其磨損量隨磨損時間的推移逐漸增加，摩擦環磨損量最終達到2.8 mg左右，摩擦塊磨損量達到0.7 mg左右。圖4(b)顯示，加入蛇紋石粉末后，BO-Mo-Z-S潤滑油的磨損量顯著低于BO-Mo-Z潤滑油,24 h磨損后，摩擦環磨損量約為2.2 mg，摩擦塊磨損量約為0.3 mg。摩擦塊在2 h磨損時質量增加0.3 g左右，說明磨損初期蛇紋石粉體在摩擦塊表面形成了自修復摩擦涂層。隨著磨損時間的增加，自修復涂層在摩擦副表面存在形成-修復的動態平衡[19]，降低了摩擦副的磨損速率，減少了磨損量。

圖4 添加劑配方對磨損量的影響規律Fig 4 Influence of additive composition on the wear(a) BO-Mo-Z;(b)BO-Mo-Z-S

2.2 協同潤滑機制分析

2.2.1 摩擦表面硬度與形貌

為進一步揭示不同添加劑之間的協同潤滑機制，分析了摩擦表面硬度、形貌、元素組成與摩擦化學反應產物隨不同添加劑配方的變化。

圖5顯示了不同潤滑油配方對摩擦表面硬度的影響?？芍?，采用基礎油BO潤滑的試樣，其表面硬度與未磨損試樣的表面硬度相同，均為751.0HV;加入納米蛇紋石粉末后，BO-S潤滑下摩擦后表面硬度顯著提高，達到837.3HV。說明蛇紋石在金屬表面形成的自修復涂層增加了表面的硬度，提高了表面的耐磨程度。當蛇紋石與ZDDP和MoDTC復配時，摩擦后表面硬度達到854.7HV。說明蛇紋石與復合抗磨劑共同作用，可以得到更高的表面硬度，進一步提高耐磨性。

圖5 不同添加劑配方對表面硬度的影響規律Fig 5 Influence of additive composition on the surface hardness

圖6展示了光學顯微鏡下不同添加劑配方對摩擦表面形貌影響。結果顯示，基礎油BO潤滑下的摩擦表面磨痕較寬(見圖6(a))，呈現出明顯的藍色，說明摩擦溫度較高，摩擦因數和磨損量較大。加入蛇紋石粉體后，BO-S潤滑下的磨痕寬度減小，且表面被白色的物質覆蓋(見圖6(b))?；A油加入MoDTC和ZDDP后，BO-Mo-Z潤滑下的磨痕寬度小于BO-S潤滑(見圖6(c))，說明MoDTC和ZDDP的抗磨效果優于向基礎油中單獨加入納米蛇紋石的效果。

圖6 不同添加劑配方的潤滑油潤滑下的摩擦表面形貌(光學顯微鏡)Fig 6 Surface topography(Optical microscope)lubricated bythe lubricating oils with different additive composition (a)BO;(b)BO-S；(c) BO-Mo-Z;(d)BO-Mo-Z-S

蛇紋石粉體與MoDTC和ZDDP復配后，BO-Mo-Z-S潤滑下的磨痕寬度進一步減小(見圖6(d))，白色的涂層表面混合有棕色的摩擦化學反應產物。說明蛇紋石粉體與MoDTC和ZDDP能夠起到良好的協同抗磨作用，共同降低磨損量。

圖7展示了不同添加劑配方摩擦表面的SEM圖像。圖7(a)所示為基礎油潤滑表面，試樣表面有明顯的劃痕，說明基礎油潤滑下摩擦表面的磨損嚴重，磨損量較大。圖7(b)所示為含蛇紋石潤滑油的潤滑表面，試樣表面有輕微的劃痕，磨損顯著降低。圖7(c)所示為含MoDTC和ZDDP潤滑油的潤滑表面，圖7(d)所示為含蛇紋石與MoDTC和ZDDP潤滑油的潤滑表面，兩者均表現出平坦的摩擦表面，未發現顯著的劃痕。

圖7 不同添加劑配方潤滑油潤滑下摩擦表面的SEM圖像Fig 7 Influence of lubricant formulations to the surfacetopography under SEM(a)BO;(b)BO-S；(c) BO-Mo-Z;(d)BO-Mo-Z-S

2.2.2 摩擦表面元素與摩擦化學反應產物

為進一步研究試樣表面的摩擦產物組成，采用掃描電子顯微鏡分析了不同添加劑配方潤滑表面的元素組成，結果如圖8所示。在BO潤滑表面主要由Fe和Cr組成，這是金屬摩擦副的主要組成元素。在BO-Mo-Z-S潤滑的表面存在Mo、Zn、Si和Mg元素。其中Mo、Zn分別來自于MoDTC和ZDDP，Si、Mg是蛇紋石的主要組成元素。說明蛇紋石涂層和ZDDP、MoDTC的摩擦產物混合在一起，起到協同抗磨減摩的作用。

圖8 不同添加劑配方潤滑油潤滑下摩擦表面元素組成Fig 8 Element composition of friction surface lubricated by thelubricating oils with different additive composition(a)BO;(b)BO-S；(c) BO-Mo-Z;(d)BO-Mo-Z-S

不同添加劑配方潤滑表面Mo 3d的XPS能譜如圖9所示。可以發現，BO-Mo-Z和BO-Mo-Z-S潤滑下的摩擦產物主要由MoS2和Mo的氧化物組成。MoS2作為一種減摩性能優良的物質，對降低摩擦因數起到關鍵作用。圖中BO-Mo-Z-S潤滑表面Mo元素的XPS峰中，MoS2的峰較BO-Mo-Z潤滑表面的峰更為明顯，說明蛇紋石粉末促進了MoS2的生成，進而導致BO-Mo-Z-S的摩擦因數相比BO-Mo-Z更低。

圖9 不同添加劑配方潤滑油潤滑表面Mo 3d的XPS圖譜Fig 9 XPS photograph of Mo 3d lubricated by the lubricatingoils with different additive composition

綜上所述，摩擦副在實驗初期質量有所增加，且長時間實驗后磨損量低于不含蛇紋石粉末的潤滑油配方，結合掃描電子顯微鏡的元素分析，說明蛇紋石粉末在金屬表面形成了自修復涂層，進而降低了磨損量。此外，納米蛇紋石粉末與MoDTC-ZDDP混合，增加了摩擦表面的硬度，提高了耐磨性。蛇紋石粉末促進了MoDTC-ZDDP混合物中MoS2的生成，表明蛇紋石粉末與MoDTC-ZDDP起到協同減摩的作用。

3 結論

(1)蛇紋石粉末能夠降低潤滑油的摩擦因數，同時，蛇紋石粉末與MoDTC和ZDDP復配能夠進一步降低潤滑油的摩擦因數與磨損量。

(2)摩擦表面形貌和元素分析顯示，蛇紋石粉末在金屬表面形成了自修復涂層，進而降低了磨損量；蛇紋石粉末與MoDTC和ZDDP復配，減少了摩擦表面的劃痕，提高了表面硬度，提高了耐磨性。

(3)蛇紋石粉末與MoDTC和ZDDP的摩擦產物在摩擦表面相互混合，并促進了MoS2的生成，進一步降低摩擦因數，表明蛇紋石粉末與MoDTC-ZDDP起到協同減摩的作用。