納米添加劑與幾種常用添加劑的復(fù)配性研究

周釗，夏延秋，侯沖，喬鵬，吳浩

（華北電力大學(xué)，北京 102206）

0 引言

與傳統(tǒng)的潤(rùn)滑油減摩抗磨添加劑相比，納米銅因其優(yōu)異的極壓、抗磨性能和環(huán)境友好特性，作為潤(rùn)滑添加劑被廣泛研究。納米銅微粒具有良好減摩抗磨的原因是納米銅在摩擦表面形成邊界潤(rùn)滑膜而降低摩擦，并能在劃痕和犁溝處沉積，增大接觸面積來(lái)提高承載能力，從而顯著地提高了潤(rùn)滑油的抗磨和減摩性能［1-2］。羥基硅酸鹽等微米尺寸的層狀硅酸鹽作為潤(rùn)滑油添加劑時(shí)，同樣具有較好的摩擦學(xué)性能，其在改善潤(rùn)滑介質(zhì)抗磨、減摩性能的同時(shí)，可顯著改善鐵基摩擦表面的微觀(guān)力學(xué)性能，應(yīng)用前景廣闊［3-4］。有研究表明:納米銅能夠促進(jìn)蛇紋石微粉與摩擦表面的相互作用，形成富含F(xiàn)e、Si元素的摩擦保護(hù)膜，較為致密、平整、光滑，具有較高的力學(xué)性能，能夠有效地改善摩擦副的表面狀態(tài)及磨損抗力，降低摩擦磨損［5-6］。

本文所用納米添加劑主要成分為納米銅與超細(xì)蛇紋石微粉，由于該納米添加劑在分散性和減摩性上存在諸多問(wèn)題，因此本文探討了納米添加劑與摩擦改進(jìn)劑和清凈分散劑的復(fù)配性能，研究其協(xié)同作用機(jī)制，為實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1．1 實(shí)驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用基礎(chǔ)油為聚α-烯烴，其密度為0.82 g/cm3，運(yùn)動(dòng)黏度為16.9mm2/s（40℃），黏度指數(shù)為123，閃點(diǎn)為219℃。實(shí)驗(yàn)所用納米添加劑主要成分為納米銅粉和超細(xì)蛇紋石微粉（由裝甲兵工程學(xué)院提供），其制備如下:采用長(zhǎng)城CD 15W-40柴油機(jī)潤(rùn)滑油為基液;將蛇紋石微粉和納米銅以19∶1的比例混合并添至其中，按照粉體的5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）加入油酸作為表面改性劑，經(jīng)機(jī)械研磨制成10%的濃縮液［5］。摩擦改進(jìn)劑選用的是二烷基二硫代氨基甲酸鉬（MoDTC），清凈分散劑選用的是高堿值石油磺酸鈣（T106）。表1給出了添加劑MoDTC與T106的部分理化性能。

表1 添加劑M oDTC與T106的理化性能

1．2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)在MFT-R4000高速往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。摩擦副的接觸形式采用球盤(pán)點(diǎn)接觸，實(shí)驗(yàn)用鋼球?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)GCr15鋼球、直徑為5 mm，下試樣為GCr15鋼塊，直徑為24 mm，厚度為7.8 mm，摩擦表面粗糙度 Ra為0.08μm，鋼塊硬度為350～450 HV。實(shí)驗(yàn)條件為:載荷100 N，溫度為室溫，頻率5 Hz，摩擦?xí)r間30 min，劃痕長(zhǎng)度為5 mm。所有試件在實(shí)驗(yàn)前后均在丙酮溶液中超聲波清洗10 min。通過(guò)在潤(rùn)滑油中添加不同組合的添加劑考察該納米添加劑與其他添加劑復(fù)配后潤(rùn)滑油的抗磨減摩性能，所有配制的樣品在實(shí)驗(yàn)前均進(jìn)行超聲分散。采用FEI公司生產(chǎn)的NoVa NanoSEM 450/650環(huán)境掃描電子顯微鏡對(duì)鋼塊磨痕表面形貌進(jìn)行觀(guān)察。觀(guān)察前用丙酮對(duì)鋼塊進(jìn)行超聲波清洗。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2．1 納米添加劑的摩擦學(xué)性能

圖1給出了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米添加劑加入同一種潤(rùn)滑油后的摩擦系數(shù)曲線(xiàn)圖和磨痕寬度對(duì)比圖。由圖1（a）可以看出，當(dāng)納米添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%和2%時(shí)，其摩擦系數(shù)最小，具有更好的減摩性能。從圖1（b）中可以看出，當(dāng)納米添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時(shí)，其磨痕寬度最小，抗磨性能最優(yōu)。但從綜合角度來(lái)看，當(dāng)納米添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，具有更好的摩擦學(xué)性能。已有的研究表明［4-7］，納米銅作為一種“軟質(zhì)金屬”，易沉積在摩擦表面，除降低摩擦并對(duì)磨損表面微損傷作用;納米蛇紋石顆粒易吸附在摩擦表面，起到拋光研磨作用，同時(shí)自身發(fā)生研磨細(xì)化和羥基脫除反應(yīng)，釋放大量的活性氧、自由水、細(xì)小的二次粒子等，誘發(fā)其與摩擦表面活性鐵的反應(yīng)，形成Si-O結(jié)構(gòu)摻雜氧化膜，具有較高的強(qiáng)度及自潤(rùn)滑能力。納米銅能增強(qiáng)摩擦界面對(duì)蛇紋石顆粒的機(jī)械捕捉能力，促進(jìn)二者的相互增效作用。

圖1 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米添加劑在潤(rùn)滑油中的摩擦學(xué)性能

與基礎(chǔ)油相比，加入納米添加劑后的潤(rùn)滑油樣具有優(yōu)異的減摩和抗磨性能，但久存易沉淀，嚴(yán)重影響了納米添加劑的使用。為了提高納米添加劑在潤(rùn)滑油中的分散性，選擇綜合性能優(yōu)異、納米含量低（含0.5%納米添加劑）的潤(rùn)滑油，同時(shí)添加不同含量的T106，在提高納米添加劑分散性的同時(shí)，考察其摩擦學(xué)性能。圖2為0.5%的納米添加劑與T106復(fù)配后，其摩擦系數(shù)曲線(xiàn)圖和磨痕寬度對(duì)比圖。結(jié)果顯示，加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的T106后，摩擦系數(shù)增加，但抗磨性能提高。這可能是因?yàn)榍鍍魟┲械幕撬猁}與納米添加劑在金屬表面存在競(jìng)爭(zhēng)吸附的作用，清凈劑在摩擦環(huán)境下分解產(chǎn)生的 CaCO3和CaO［8-9］一方面抑制了納米添加劑的分解產(chǎn)物在金屬表面的吸附，降低了減摩性能，另一方面又提升了抗磨性能。

圖3給出了0.5%納米添加劑與二烷基二硫代氨基甲酸鉬（MoDTC）復(fù)配時(shí)的摩擦學(xué)性能曲線(xiàn)，發(fā)現(xiàn)含0.5%納米添加劑和不同含量MoDTC混合，抗磨和減摩性能都降低，呈現(xiàn)對(duì)抗效應(yīng)。這可能是因?yàn)镸oDTC本身是一種摩擦改進(jìn)劑，具有優(yōu)異的減摩和抗磨性能。當(dāng)兩者復(fù)配后，MoDTC在摩擦過(guò)程中，自身分解產(chǎn)生的硫化物［10］與納米添加劑在金屬表面存在競(jìng)爭(zhēng)吸附，一方面阻礙了有機(jī)鉬的分解產(chǎn)物Mo、S等元素在表面成膜，另一方面納米添加劑的分解化學(xué)反應(yīng)也受到了抑制，導(dǎo)致潤(rùn)滑性能降低。

圖3 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．5%的納米添加劑與M oDTC復(fù)配的摩擦學(xué)性能

表2給出了油樣復(fù)配比例為PAO+0.5%Nano+5%T106+0.5%MoDTC與基礎(chǔ)油中含不同添加劑油樣的摩擦和磨損比較，可以看出，三種添加劑復(fù)配后，摩擦系數(shù)大幅度降低，抗磨性明顯提高。

表2示出了不同潤(rùn)滑油添加劑作用下的摩擦系數(shù)和磨斑寬度?？梢钥闯觯A(chǔ)油中加入添加劑后摩擦系數(shù)明顯變小，不同潤(rùn)滑油添加劑均表現(xiàn)出良好的減摩作用。當(dāng)納米添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，磨痕寬度相比基礎(chǔ)油減少10%。這是因?yàn)榧{米銅能夠促進(jìn)蛇紋石微粉與摩擦表面的相互作用，形成致密、平整、光滑的摩擦保護(hù)膜，具有較高的力學(xué)性能，能夠有效地改善摩擦副的表面狀態(tài)及磨損抗力，降低摩擦磨損。以納米添加劑和MoDTC為添加劑時(shí)，磨痕寬度略有變大，這可能是因?yàn)镸oDTC本身是一種多功能的添加劑，在摩擦過(guò)程中，MoDTC分解產(chǎn)生的硫化物與納米添加劑在金屬表面存在競(jìng)爭(zhēng)吸附，一方面阻礙了有機(jī)物的分解產(chǎn)物Mo、S等元素在表面成膜，另一方面納米添加劑的分解化學(xué)反應(yīng)也受到了抑制。而當(dāng)納米添加劑與T106復(fù)配時(shí)，磺酸鹽與納米添加劑在金屬表面存在競(jìng)爭(zhēng)吸附，清凈劑在高溫高壓環(huán)境下分解產(chǎn)生的CaCO3和CaO保護(hù)膜一方面抑制了納米添加劑的分解產(chǎn)物在金屬表面的吸附，降低了減摩性能，另一方面又提升了抗磨性能。當(dāng)納米添加劑、MoDTC和T106按一定比例復(fù)配后加入基礎(chǔ)油中，其減摩抗磨性能得到了明顯的提升。

2．2 磨損表面分析

為研究添加劑復(fù)配的抗磨作用機(jī)理，將PAO基礎(chǔ)油和含3種添加劑復(fù)配油樣潤(rùn)滑下鋼塊磨痕表面形貌進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖4所示。其中（c）、（d）為（a）、（b）的放大圖。

圖4 不同潤(rùn)滑體系下鋼塊磨痕表面形貌SEM照片

對(duì)比圖4（a）、（b）可以看出，基礎(chǔ)油潤(rùn)滑下鋼塊磨痕表面發(fā)生了明顯的黏著和擦傷，出現(xiàn)了貫穿于整個(gè)摩擦表面粗而深的犁溝，并且表面分布著不連續(xù)的剝落坑，表現(xiàn)為典型的磨粒磨損，由磨屑的微切削作用導(dǎo)致。含3種添加劑復(fù)配油樣潤(rùn)滑下鋼塊磨痕表面磨損比較均勻，磨損表面比較光滑。將磨痕表面形貌進(jìn)一步放大觀(guān)察，可以清楚看到，基礎(chǔ)油潤(rùn)滑下存在層片狀變形磨損，表現(xiàn)為鐵基塑性形變導(dǎo)致的黏著磨損;含3種添加劑復(fù)配油樣潤(rùn)滑下鋼塊磨痕表面較純PAO4基礎(chǔ)油潤(rùn)滑時(shí)平整，犁溝很淺，亦未發(fā)現(xiàn)層片狀磨損，但有少數(shù)微點(diǎn)蝕和疲勞裂紋出現(xiàn)，說(shuō)明其磨損機(jī)制以疲勞磨損為主，另有輕微的磨粒磨損。

3 結(jié)論

（1）在聚α-烯烴基礎(chǔ)油中添加一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米添加劑能有效提高基礎(chǔ)油的摩擦學(xué)性能。

（2）質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的納米添加劑與T106復(fù)配后加入基礎(chǔ)液后，減摩性能降低，抗磨性能提升。

（3）質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的納米添加劑和不同含量的MoDTC混合加入基礎(chǔ)油后，抗磨和減摩性能都降低，呈現(xiàn)對(duì)抗效應(yīng)。

（4）當(dāng)該納米添加劑、MoDTC與T106按一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的比例復(fù)配加入基礎(chǔ)油后，其摩擦系數(shù)大幅度降低，抗磨性能得到明顯提高，具有極好的摩擦學(xué)性能。

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