凹凸棒石潤滑脂添加劑對(duì)45號(hào)鋼的微動(dòng)磨損及自修復(fù)性能研究

張 博，許 一，王建華

(1.中國人民解放軍92117部隊(duì)，北京 100072；2.中國人民解放軍91278部隊(duì)；3.裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

凹凸棒石潤滑脂添加劑對(duì)45號(hào)鋼的微動(dòng)磨損及自修復(fù)性能研究

張 博1，2，許 一3，王建華1

(1.中國人民解放軍92117部隊(duì)，北京 100072；2.中國人民解放軍91278部隊(duì)；3.裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

將經(jīng)表面有機(jī)改性的凹凸棒石粉體作為添加劑分散在基礎(chǔ)油中，制備出凹凸棒石含量不同的3號(hào)鋰基潤滑脂。利用SRV微動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)考察凹凸棒石在3號(hào)脂中的最佳添加量、減摩性、抗磨性以及對(duì)45號(hào)鋼的自修復(fù)性能，并與未添加該材料的鋰基基礎(chǔ)脂進(jìn)行對(duì)比。借助電子掃描電鏡(SEM)、X射線能譜儀(EDS)、光電子能譜(XPS)分析試樣磨損表面的形貌、元素組成及價(jià)態(tài)。結(jié)果表明：基礎(chǔ)脂添加不同量凹凸棒石，摩擦因數(shù)與磨損率均出現(xiàn)不同程度的下降，當(dāng)添加量為0.8%時(shí)，效果最佳；摩擦表面較基礎(chǔ)脂潤滑光滑平整，沒有明顯的磨損特征，并在摩擦表面形成區(qū)別于基體材料的含元素C，F(xiàn)e，Mg，Al，O和Si的磨損修復(fù)層。

凹凸棒石 潤滑脂 添加劑 自修復(fù)

納米材料與潤滑技術(shù)相結(jié)合，制備出同時(shí)具有減摩、抗磨和摩擦改性功能的潤滑材料，是近年來摩擦與潤滑領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，也是納米材料與潤滑劑相結(jié)合的切入點(diǎn)[1-5]。自修復(fù)技術(shù)是指在不停機(jī)、不解體狀況下，以液體或半固體潤滑劑為載體將微納米材料輸送到裝備摩擦副表面，并通過摩擦副之間產(chǎn)生的摩擦機(jī)械作用、摩擦化學(xué)作用、摩擦電化學(xué)作用等交互作用，使微納米材料與摩擦副材料、潤滑劑之間產(chǎn)生復(fù)雜的物質(zhì)交換和能量交換，最終在零部件磨損表面原位生成一層具有耐磨、耐腐蝕、耐高溫或超潤滑等特點(diǎn)的保護(hù)層，實(shí)現(xiàn)裝備磨損表面的動(dòng)態(tài)自修復(fù)[6]。

凹凸棒石是一種層狀含鎂硅酸鹽，理論化學(xué)式為Mg5Si8O20(OH)2(OH2)4·8H2O，晶體結(jié)構(gòu)中的Mg元素經(jīng)常會(huì)被其它金屬元素(如Al，F(xiàn)e，Ca)所置換。在形成過程中，因類質(zhì)同晶置換等作用的存在，凹凸棒石表面呈負(fù)電性，具有交換吸附陽離子的性質(zhì)。具有由四面體層(T)和八面體層(O)按2∶1組成的TOT型層狀結(jié)構(gòu)，層間力為范德華力與氫鍵，剪切應(yīng)力作用下易于層間滑動(dòng)，生成不飽和鍵，同時(shí)帶來較強(qiáng)的化學(xué)活性[7-8]。已有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，其作為潤滑油添加劑對(duì)金屬磨損表面減摩抗磨及自修復(fù)性能的研究[9-10]，但對(duì)于凹凸棒石在潤滑脂中實(shí)現(xiàn)減摩自修復(fù)功能的研究較少。

本課題利用天然的納米凹凸棒石粉體，借助其具有交換吸附陽離子能力，完成表面改性。并將改性后的粉體以不同添加量分散到基礎(chǔ)油中，作為添加劑制備3號(hào)脂，通過摩擦因數(shù)優(yōu)化凹凸棒石添加量，考察最佳添加量下，凹凸棒石對(duì)45號(hào)鋼磨損表面的減摩抗磨性，分析磨損表面形貌、元素組成與修復(fù)層的形成機(jī)理。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 粉 料

凹凸棒石粉體選自江蘇盱眙，經(jīng)過生產(chǎn)商提純處理，純度可達(dá)90%以上。其主要化學(xué)成分為SiO2(58.88%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，MgO(12.10%)，Al2O3(9.50%)，F(xiàn)e2O3(5.20%)，CaO(0.4%)，TiO2(0.55%)，P2O5(0.18%)，MnO(0.05%)，Cr2O3(0.04%)。

1.2 凹凸棒石表面有機(jī)改性

在水基條件下對(duì)凹凸棒石粉體進(jìn)行表面有機(jī)改性。將20 g凹凸棒石粉體加入500 mL蒸餾水充分?jǐn)嚢瑁尤胧榛谆寤@10 g，70 ℃下攪拌10 h，離心分離、洗滌至用0.1 mol/L硝酸銀溶液檢測(cè)無氯離子后，80 ℃烘干，粉碎，待用。

圖1為凹凸棒石經(jīng)十六烷基三甲基溴化銨改性前后傅里葉變換紅外線光譜(FTIR)對(duì)比結(jié)果。改性后，在2 920 cm-1處出現(xiàn)不對(duì)稱C—H伸縮振動(dòng)峰(甲基-CH伸縮振動(dòng)峰)和2 850 cm-1出現(xiàn)對(duì)稱C—H伸縮振動(dòng)峰(次甲基—CH2伸縮振動(dòng)峰)，說明改性后凹凸棒石的表面成功接枝有機(jī)基團(tuán)，凹凸棒石實(shí)現(xiàn)表面有機(jī)改性。

圖1 凹凸棒石經(jīng)十六烷基三甲基溴化銨改性前后FTIR圖譜 —凹凸棒石; —改性凹凸棒石

1.3 潤滑脂制備

潤滑脂的制備過程如圖2所示。在加入添加劑階段，將經(jīng)有機(jī)改性后的凹凸棒石粉體加入至基礎(chǔ)油中，并在超聲波下混合均勻后，加入制脂釜最終成脂。

圖2 鋰基潤滑脂的制備工藝流程

凹凸棒石作為添加劑，分別以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%，0.5%，0.8%，1.0%，2.0%添加到基礎(chǔ)脂中，制備3號(hào)脂。當(dāng)凹凸棒石添加量達(dá)到2.0%時(shí)，所制備的脂樣黏度增大，測(cè)得錐入度不屬于3號(hào)脂范圍。因此，確定凹凸棒石添加量分別為0.2%，0.5%，0.8%，1.0%的基礎(chǔ)脂為試驗(yàn)脂樣。

1.4 摩擦磨損試驗(yàn)

采用德國產(chǎn)Optimal SRV-Ⅳ摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(球-盤摩擦形式)，評(píng)價(jià)潤滑脂的摩擦學(xué)性能。試驗(yàn)材料：直徑10 mm的GCr15鋼球(硬度為HRC 59～61)，直徑24 mm、厚度7.9 mm的45號(hào)鋼鋼盤(硬度為HRC45～50)。試驗(yàn)條件：鋼球振幅1 mm，載荷100 N(接觸應(yīng)力2 176 N/mm2)，時(shí)間1 h，溫度50 ℃，頻率30 Hz，每個(gè)脂樣重復(fù)4次試驗(yàn)，記錄穩(wěn)定階段的摩擦因數(shù)。試驗(yàn)前后，試樣均在乙醇中超聲清洗10 min。

張華軍：教師成長的最大敵人是自己的成見。一個(gè)新手教師，他的成見可能非常深，而一個(gè)成熟教師可能因?yàn)樘幵谝粋€(gè)很開放、不斷學(xué)習(xí)的思維狀態(tài)，容易打破成見。重要的是，一個(gè)人是不是始終處在不斷學(xué)習(xí)、更新自己的狀態(tài)，他的思維是不是連續(xù)的、開放的，這一狀態(tài)可能與年齡無關(guān)。不管是新手教師還是成熟教師，都是一個(gè)成年人，已經(jīng)有自己比較固定的思維方式。但已有的思維方式并不是不能改變，一個(gè)習(xí)慣于慣習(xí)、權(quán)威的教師，可以在一個(gè)強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)和變革的環(huán)境誘發(fā)下，對(duì)自己固有的思維方式有所意識(shí)，有所覺察，并且愿意改變，愿意換一個(gè)角度看待教學(xué)本身，回歸自己，重新認(rèn)識(shí)自己，尊重課堂真實(shí)發(fā)生的一切而不是忽略它。

1.5 磨損表面形貌及元素分析

采用FEI公司生產(chǎn)的Nova NanoSEM 450/650型掃描電子顯微鏡(SEM)觀測(cè)磨損表面，OXFORD公司生產(chǎn)的Feature Max型X射線能譜儀(EDS)分析磨損表面元素組成，Thermo Scientific公司生產(chǎn)的ESCALAB 250xi型光電子能譜儀(XPS)進(jìn)行表面分析，通過能為20 eV，激發(fā)源為Al Kα，C1s參考值為284.8 eV。

2 結(jié)果與討論

2.1 優(yōu)化添加量與減摩抗磨性

在不同添加量下，每個(gè)脂樣進(jìn)行4次摩擦試驗(yàn)，其摩擦因數(shù)-添加量關(guān)系如圖3所示。由圖3可見，在凹凸棒石添加量增加過程中，脂樣的摩擦因數(shù)整體呈下降趨勢(shì)，可見凹凸棒石作為添加劑可以起到提升基礎(chǔ)脂減摩性的作用。當(dāng)其添加量為0.8%時(shí)，脂樣的摩擦因數(shù)降至最低，此時(shí)摩擦因數(shù)平均值為0.086 25，該值相比基礎(chǔ)脂的摩擦因數(shù)平均值0.113 75降低了24.2%，基礎(chǔ)脂的減摩性得到大幅提升。

圖3 摩擦因數(shù)-添加量關(guān)系■—第1次； ●—第2次； ▲—第3次； 第4次

圖4是基礎(chǔ)脂與其加入0.8%的凹凸棒石后8次摩擦試驗(yàn)的下試樣盤磨損率的對(duì)比關(guān)系。圖中A表示基礎(chǔ)脂，B表示基礎(chǔ)脂加入0.8%的凹凸棒石，數(shù)字編號(hào)與摩擦試驗(yàn)次數(shù)相對(duì)應(yīng)。為分析抗磨性提供合理依據(jù)，采用下試樣盤的磨損率進(jìn)行對(duì)比，磨損率=磨損體積/(行程×載荷)。加入凹凸棒石后，經(jīng)脂樣潤滑的下試樣盤磨損率均有明顯下降?；A(chǔ)脂的磨損率平均值為16.472 5×10-10mm3/(N·m)，加入凹凸棒石后，脂樣的平均磨損率降至2.917 5×10-10mm3/(N·m)，相比基礎(chǔ)脂下降約82.3%。在載荷與滑動(dòng)距離相同的情況下，添加凹凸棒石后，引起脂樣磨損率降低有兩方面的可能性：一是潤滑脂減摩性提高使得摩擦表面材料損失量明顯降低；二是摩擦表面材料損失的同時(shí)有來自摩擦副以外的材料沉積在磨損表面，補(bǔ)償了磨損體積，使表面材料損失量降低。

圖4 基礎(chǔ)脂添加凹凸棒石前后下試樣盤的磨損率對(duì)比

經(jīng)過摩擦因數(shù)與磨損率對(duì)比分析可以得出，0.8%為凹凸棒石在基礎(chǔ)脂中的最佳添加量，此時(shí)可以大幅提升基礎(chǔ)脂的減摩性與抗磨性。

2.2.1 表面形貌分析 圖5是基礎(chǔ)脂第4次摩擦試驗(yàn)的下試樣磨損表面形貌。由圖5可以看出，磨損表面上明顯存在大面積材料剝落區(qū)，并且在材料剝落區(qū)下，還可以清楚地看到沿摩擦副運(yùn)動(dòng)方向的犁溝，這些犁溝是摩擦過程中摩擦表面材料剝落后在摩擦副之間形成磨粒磨損而致。說明摩擦過程中，先出現(xiàn)了黏著磨損，隨后產(chǎn)生磨粒磨損，隨著摩擦?xí)r間不斷增加，摩擦表面局部微凸體接觸、剪切頻繁，使得摩擦表面溫度升高，導(dǎo)致潤滑脂減摩性下降，產(chǎn)生大面積黏著磨損。

圖5 鋰基基礎(chǔ)脂在100 N、30 Hz條件下SRV試驗(yàn)的磨損表面

圖6 加入凹凸棒石粉體的鋰基基礎(chǔ)脂在100 N、30 Hz條件下SRV試驗(yàn)的磨損表面

圖6是加入0.8%凹凸棒石的基礎(chǔ)脂第2次摩擦試驗(yàn)的下試樣磨損表面形貌。與基礎(chǔ)脂相比，加入凹凸棒石粉體后，磨痕整體面積變小，磨損表面變得光滑平整，不存在明顯的貫穿性犁溝和大面積材料剝落，如圖6(a)所示。磨損表面主要是彌散的黑色微區(qū)組成的層疊狀、不連續(xù)的碾壓鋪展層，如圖6(b)所示。說明凹凸棒石優(yōu)化了基礎(chǔ)脂的減摩性，使得摩擦副間的磨損形式發(fā)生變化，且具有對(duì)磨損表面進(jìn)行材料補(bǔ)償?shù)男迯?fù)功能。

2.2.2 化學(xué)組成分析 分別在圖5(b)和圖6(b)的磨損表面上選取2個(gè)點(diǎn)進(jìn)行EDS分析，結(jié)果如圖7所示?；A(chǔ)脂潤滑的磨損表面上主要存在C，O，F(xiàn)e元素，如圖7(a)所示；添加凹凸棒石粉體后，脂樣潤滑的磨損表面上主要存在C，Mg，Al，O，F(xiàn)e，Si元素，如圖7(b)所示。

EDS結(jié)果說明，表面存在的各元素中C元素來自潤滑脂中的基礎(chǔ)油裂解，F(xiàn)e元素是摩擦副材料的主要元素，Si，Mg，Al元素來自凹凸棒石。O元素含量激增，有2種可能性：一是摩擦過程中摩擦副表面與空氣中的O發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氧化層，二是凹凸棒石中的O以某種化合物轉(zhuǎn)移到磨損表面上。

2.2.3 修復(fù)機(jī)理分析 為進(jìn)一步分析凹凸棒石在摩擦表面形成磨損自修復(fù)層的機(jī)理，準(zhǔn)確判斷磨損表面上的各物質(zhì)組成，對(duì)加入凹凸棒石的基礎(chǔ)脂潤滑的磨損表面進(jìn)行XPS分析。圖8是加入0.8%凹凸棒石基礎(chǔ)脂潤滑的磨損表面O，F(xiàn)e，C，Mg，Al，Si元素的XPS圖譜。以上元素的出現(xiàn)與EDS的結(jié)果相吻合，證實(shí)了凹凸棒石直接參與了修復(fù)層的形成，并構(gòu)成修復(fù)層的主要成分。依據(jù)各元素的結(jié)合能值，對(duì)照各元素的標(biāo)準(zhǔn)譜圖可知，O1s譜主峰位置為533.8 eV，可歸屬為SiO2；C1s譜為雙峰，分別位于296.4 eV和286.1 eV；Si2p譜主峰位于104.6 eV，該峰值與SiO2的標(biāo)準(zhǔn)峰位略有偏移，說明Si元素不僅是以SiO2的形式存在，還以硅酸鹽的形式存在；Al2p譜主峰位于76.3 eV，該峰值說明Al元素呈+3價(jià)，與凹凸棒石的成分Al2O3相對(duì)應(yīng)；Fe2p譜為雙峰，分別位于710.9 eV和724.3 eV，結(jié)合能峰值710.9 eV是Fe2O3，F(xiàn)e3O4，F(xiàn)e/SiO2，F(xiàn)e/Al2O3存在的依據(jù)，724.3 eV是單質(zhì)鐵的結(jié)合能峰值；Mg1s譜峰具有寬化和不均衡的現(xiàn)象，峰值出現(xiàn)在1 307.2和1 305.02 eV處，說明Mg元素主要以含水鎂鹽(1 307.2 eV)和不含水鎂鹽(1 305.02 eV)存在。

圖7 不同脂潤滑的磨損表面EDS能譜

圖8 加入凹凸棒石的基礎(chǔ)脂潤滑下磨損表面典型元素的XPS圖譜

以上結(jié)果分析表明，磨損自修復(fù)層的形成一部分是基于凹凸棒石顆粒的物理吸附，在摩擦表面形成粉體顆粒沉積與鑲嵌，表現(xiàn)為XPS分析中發(fā)現(xiàn)磨損表面存在含水鎂鹽和不含水鎂鹽；另一部分是摩擦過程中形成高溫高壓條件，使凹凸棒石發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成化學(xué)反應(yīng)層，表現(xiàn)為XPS分析中發(fā)現(xiàn)磨損表面存在Fe，Si，Al的氧化物，Si和Al的氧化物應(yīng)來自凹凸棒石化學(xué)分解。因此，可以確定自修復(fù)層形成于摩擦過程中凹凸棒石與金屬摩擦副間發(fā)生的復(fù)雜物理化學(xué)反應(yīng)。

3 結(jié) 論

(1)添加不同量的凹凸棒石，可不同程度降低鋰基基礎(chǔ)脂的摩擦因數(shù)，減少磨粒磨損、黏著磨損，當(dāng)凹凸棒石的添加量為0.8%，對(duì)基礎(chǔ)脂的減摩性與抗磨性提升最大。

(2)含凹凸棒石的基礎(chǔ)脂在減摩過程中可優(yōu)化摩擦表面，使得磨損表面光滑平整，并在磨損表面形成有助于提升摩擦副抗磨性的磨損自修復(fù)層。

(3)凹凸棒石在金屬摩擦副表面形成磨損自修復(fù)層的機(jī)理是凹凸棒石與金屬摩擦副在摩擦產(chǎn)生的高溫、高壓下發(fā)生了復(fù)雜的能量與物質(zhì)交換，通過物理化學(xué)反應(yīng)形成新的物質(zhì)層。

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FRETTING WEAR AND SELF-REPAIRING PROPERTIES OF C45 STEEL UNDER LUBRICATION OF LITHIUM GREASE CONTAINING ATTAPULGITE POWDER

Zhang Bo1，2，Xu Yi3，Wang Jianhua1

(1.PLA，No.92117Troops，Beijing，100072；2.PLANo.91278Troops；3.ScienceandTechnologyonRemanufacturingLaboratory，AcademyofArmoredForcesEngineering)

Different mass fractions of organic modified attapulgite powder scattered into the base oil as additive were added into lithium grease during the 3#grease preparation.The amount of attapulgite and the friction reduction，anti-wear and self-repairing properties of the lithium grease were evaluated using a SRV friction wear machine.As a comparison，the tribological properties of base lithium grease were also investigated.Scanning electron microscope(SEM)，energy dispersive X-ray spectroscopy(EDS)and X-ray photoelectron spectroscopy(XPS)were employed to analyze the worn surface topography and the elements on the worn surface.The results show that after adding different amount of modified attapulgite into lithium grease，the friction coefficient and the wear rates of the grease decline in different extent.When 0.8% attapulgite is added，the results are the best.The worn surface lubricated with grease containing attapulgite is smoother more than that lubricated with blank one and there were no obvious wear characteristics.There is a repairing film formed on the worn surface，which is different from substrate material and contains C，F(xiàn)e，Si，Mg，O and Al elements.

attapulgite； grease； additive； self-repairing

2014-03-14； 修改稿收到日期： 2014-07-21。

張 博，博士，主要從事潤滑材料研發(fā)與性能檢測(cè)、表面工程技術(shù)與摩擦學(xué)方面的研究。

張博，E-mail：zb79216@163.com。