鉬酸銨潤(rùn)滑添加劑的摩擦學(xué)性能研究

張玉偉，丁　旭，孫麗華，駱　梅，王　雪

(貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州　貴陽(yáng)　550025)

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鉬酸銨潤(rùn)滑添加劑的摩擦學(xué)性能研究

張玉偉，丁旭，孫麗華，駱梅，王雪

(貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng)550025)

采用硅烷(KH550)和鋁鋯兩種偶聯(lián)劑對(duì)鉬酸銨進(jìn)行表面修飾。將含修飾的鉬酸銨潤(rùn)滑油在四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上研究其摩擦磨損性能。研究顯示：含鋁鋯和硅烷修飾的鉬酸銨基礎(chǔ)油的減摩性能不明顯，但具有較好的抗磨效果,其中鋁鋯修飾的鉬酸銨抗磨性能更佳；在長(zhǎng)磨實(shí)驗(yàn)中，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的鉬酸銨潤(rùn)滑油與基礎(chǔ)油相比，磨斑直徑降低約22%；在潤(rùn)滑脂中鉬酸銨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)有較佳的抗磨性能，鋼球的磨斑直徑較基礎(chǔ)脂下降約51%，抗極壓性能也有所提高。

鉬酸銨；表面修飾；潤(rùn)滑添加劑；抗摩性能

潤(rùn)滑添加劑是提高潤(rùn)滑劑減摩抗磨性能的關(guān)鍵。近年來(lái)科研工作者在此領(lǐng)域做了大量的研究，并取得了很大的成果?？蒲泄ぷ髡邔?duì)鉬化物作為潤(rùn)滑添加劑的摩擦學(xué)性能和機(jī)理做了大量的研究，他們一致認(rèn)為含鉬化合物可顯著降低滑動(dòng)金屬表面的摩擦和磨損，提高潤(rùn)滑油的承載能力[1-2]。鉬酸銨含有鉬和氮元素，這兩種元素有一定的減摩抗磨特性[3-4]。謝鳳[5]提到鉬酸銨在潤(rùn)滑脂中具有良好的抗磨特性，但缺乏具體研究細(xì)節(jié)。本文嘗試用鋁鋯和硅烷兩種偶聯(lián)劑對(duì)鉬酸銨進(jìn)行表面修飾，并對(duì)修飾過(guò)的鉬酸銨在基礎(chǔ)油和鋰基潤(rùn)滑脂的摩擦磨損性能進(jìn)行研究。

1　實(shí)　驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)油為150N,昆山信宇化學(xué)有限公司；鉬酸銨(NH4)6Mo7O24·4H2O，分析純，天津市化學(xué)試劑四廠凱達(dá)化工廠；硅烷偶聯(lián)劑(KH550)，南京曙光化工集團(tuán)有限公司；鋁鋯偶聯(lián)劑，重慶市久碩工貿(mào)有限公司；稀釋溶劑無(wú)水乙醇，天津市富宇精細(xì)化工有限公司；某品牌鋰基潤(rùn)滑脂，市售。

1.2實(shí)驗(yàn)條件

MS-10四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，廈門(mén)天機(jī)自動(dòng)化有限公司；QM-3SP4行星式球磨機(jī)，南京大學(xué)儀器廠；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；電子天平，分度值0.1 mg，奧豪斯儀器(上海)有限公司；超聲波粉碎機(jī)，寧波海曙科生超聲設(shè)備有限公司。

1.3鉬酸銨的修飾與潤(rùn)滑復(fù)配體系的制備

1.3.1鉬酸銨的修飾

分別稱取1 g的硅烷偶聯(lián)劑和鋁鋯偶聯(lián)劑，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的偶聯(lián)劑乙醇溶液。再稱取兩組10 g鉬酸銨，將鉬酸銨和配置好的偶聯(lián)劑溶液及球磨用球裝入球磨罐中，混合球磨 5 h 取出后，放到干燥箱烘干。將烘干的鉬酸銨放到研缽中研磨30 min，即制得鋁鋯偶聯(lián)劑表面修飾的樣品A及硅烷偶聯(lián)劑表面修飾的樣品B。

1.3.2潤(rùn)滑油復(fù)配體系的制備

用電子天平稱取相應(yīng)的A、B兩種實(shí)驗(yàn)樣品直接放入瑪瑙罐中，加入相應(yīng)的150N基礎(chǔ)油，分別制備出濃度為0.05%、0.1%、0.15%、0.2%、0.25%、0.3%的A、B兩種系列的潤(rùn)滑油復(fù)配體系。為進(jìn)一步提高上述制備的潤(rùn)滑復(fù)配體系的分散性，先球磨30 min，再用超聲波分散儀分散10 min，緊接著進(jìn)行后續(xù)的四球機(jī)摩擦實(shí)驗(yàn)。

1.3.3潤(rùn)滑脂復(fù)配體系的制備

重復(fù)1.3.1制備過(guò)程，再分別制備含鉬酸銨(鋁鋯修飾)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%、1%、2%、3%、4%、5%的鋰基潤(rùn)滑脂復(fù)配體系。為使鉬酸胺在鋰基脂中分散均勻，在燒杯中用60 ℃左右的石油醚按3:1比例將鋰基潤(rùn)滑脂稀釋，用玻璃棒手動(dòng)攪拌、球磨分散均勻后，再置于80 ℃干燥箱中，使石油醚揮發(fā)完全，制備出上述六種不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鉬酸銨鋰基潤(rùn)滑脂。

2　結(jié)果與討論

2.1兩種偶聯(lián)劑修飾過(guò)的鉬酸銨在基礎(chǔ)油中的摩擦磨損性能

圖1　長(zhǎng)磨條件下鋼球在潤(rùn)滑油中磨斑直徑Fig.1　grinding spot diameter of steel ball in lubricating oil under the condition of long wear

圖1給出了鉬酸銨濃度對(duì)鋼球磨斑直徑影響狀況。從圖1可以看出，硅烷和鋁鋯兩種偶聯(lián)劑修飾的鉬酸銨都能夠提高基礎(chǔ)油的抗磨性能。鉬酸銨的添加量為0%～0.2%時(shí)，鋼球的磨斑直徑減小趨勢(shì)明顯，添加量大于0.2%時(shí)變化趨勢(shì)平緩，其中樣品B的濃度為0.2%時(shí)，與基礎(chǔ)油相比，磨斑直徑減小了18.1%；而A樣品抗磨效果更佳，鋼球的磨斑直徑降低了22.3%。

圖2　長(zhǎng)磨條件下鉬酸銨濃度對(duì)潤(rùn)滑油摩擦系數(shù)的影響Fig.2　The effect of ammonium molybdate concentration under the conditions of the lubricating oil friction coefficient under the condition of long grinding

圖2表示樣品A的濃度對(duì)潤(rùn)滑油摩擦系數(shù)的影響曲線。鉬酸銨的添加量從0.05%～0.2%時(shí)，潤(rùn)滑油的摩擦系數(shù)呈略微下降的趨勢(shì)，但當(dāng)鉬酸銨的濃度超過(guò)0.2%時(shí)，潤(rùn)滑油的摩擦系數(shù)會(huì)明顯增大，這可能是由于鉬酸銨的濃度過(guò)大，致使鉬酸銨粒子團(tuán)聚，從而增大了摩擦副間的摩擦系數(shù)。

雖然對(duì)鉬酸銨的表面處理取得了一定的進(jìn)展，但潤(rùn)滑復(fù)配體系分散性能仍然較差。將含0.2%的鉬酸銨潤(rùn)滑油復(fù)配體系靜止3 h以上時(shí)，會(huì)有沉淀產(chǎn)生，為此在初步探究中鉬酸銨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)只能到0.3%左右。這些也正是鉬酸銨應(yīng)用于低粘度潤(rùn)滑油有待解決的問(wèn)題。

2.2鉬酸銨在潤(rùn)滑脂中的摩擦磨損性能

圖3表示不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)鋁鋯偶聯(lián)劑修飾的鉬酸銨添加到鋰基潤(rùn)滑脂中對(duì)鋼球磨斑直徑的影響狀況。可以看出在鋰基脂中加入鉬酸銨后，基礎(chǔ)脂的抗磨性能有明顯提高。質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1%～3%時(shí)，磨斑直徑明顯減小，當(dāng)鉬酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于3%時(shí)，磨斑直徑減小量趨于平緩?？偟膩?lái)說(shuō)，鉬酸銨在潤(rùn)滑脂中有良好的抗磨性能，濃度為3%時(shí)鋼球的磨斑直徑減小了51.5%。

圖3　長(zhǎng)磨條件下鋼球在潤(rùn)滑脂中磨斑直徑Fig.3　grinding spot diameter of steel ball in lubricating grease under the condition of long grinding

圖4　長(zhǎng)磨條件下鉬酸銨濃度對(duì)潤(rùn)滑脂摩擦系數(shù)的影響Fig.4　The effect of ammonium molybdate concentration on the friction coefficient of lubricating grease under the condition of long grinding

圖4為鉬酸銨的添加量對(duì)潤(rùn)滑脂摩擦系數(shù)影響曲線。由圖4可以看出隨著鉬酸銨濃度的增加，摩擦系數(shù)先減小后增大。這可能是因?yàn)殡S著添加劑含量的增加，添加劑在鋼球摩擦表面形成的保護(hù)膜趨于完整，使摩擦系數(shù)降低；當(dāng)鉬酸銨含量為過(guò)高時(shí)，過(guò)量的鉬酸銨影響了潤(rùn)滑脂的粘度性能，從而導(dǎo)致摩擦系數(shù)略有上升。

圖5　鉬酸銨濃度對(duì)基礎(chǔ)脂PB值的影響Fig.5　Effect of ammonium molybdate concentration on the PB value of the base grease

圖6　鉬酸銨濃度對(duì)基礎(chǔ)脂PD值的影響Fig.6　Effect of ammonium molybdate concentration on the PD value of the base grease

圖5和圖6所示為鉬酸銨的濃度對(duì)潤(rùn)滑脂抗極壓性能的影響曲線。由圖5和圖6可知，當(dāng)鉬酸銨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，潤(rùn)滑脂的PB值和PD值達(dá)到最佳。其減摩抗磨的原因可能是超微鉬酸胺粒子的滾動(dòng)支撐作用以及在摩擦面形成Mo、N、Fe、Gr的復(fù)合減摩膜的緣故[3-4]

3　結(jié)　論

(1)用硅烷和鋁鋯兩種偶聯(lián)劑修飾過(guò)的鉬酸銨潤(rùn)滑油對(duì)鋼/鋼摩擦副具有一定的抗磨性能，鉬酸胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.2%時(shí)效果最佳。其中鋁鋯修飾的鉬酸銨在長(zhǎng)磨試驗(yàn)中與基礎(chǔ)油相比，磨斑直徑降低了22.3%；硅烷偶聯(lián)劑修飾的鉬酸銨，磨斑直徑減小了18.1%。但修飾的鉬酸銨分散穩(wěn)定性仍然不夠理想，添加量不能過(guò)多。

(2)鉬酸銨在潤(rùn)滑脂沒(méi)有分散穩(wěn)定性問(wèn)題，其合適的添加量可明顯提高潤(rùn)滑脂的抗磨性能；其作為較高粘度潤(rùn)滑脂的抗磨添加劑的意義明顯好于粘度低的潤(rùn)滑油。鉬酸銨的添加量為3%左右時(shí)，潤(rùn)基脂的抗磨性能較佳，鋼球直徑減小了51.5%；同時(shí)當(dāng)添加量為2%時(shí)，基礎(chǔ)脂的抗極壓特性較佳。

[1]郭志光,顧卡麗,徐建生,等.有機(jī)鉬及其復(fù)合納米潤(rùn)滑添加劑的摩擦磨損性能的研究[J].摩擦學(xué)報(bào),2005,25(4):317-320.

[2]邵毅，陳國(guó)需，程鵬等.油溶性有機(jī)鉬的發(fā)展和研究現(xiàn)狀[J].材料導(dǎo)報(bào),2015,29(11):87-91.

[3]劉金亮,夏延秋.有機(jī)鉬作為摩擦改進(jìn)劑的應(yīng)用[J].沈陽(yáng)工程學(xué)院報(bào),2008,4(1):77-79.

[4]夏延秋.含氮化合物作為潤(rùn)滑油添加劑的抗磨減摩機(jī)理研究[J].摩擦學(xué)學(xué)報(bào),2002,22(7):302-305.

[5]謝鳳,胡利明,郝敬團(tuán).含鉬化合物在潤(rùn)滑脂中的抗磨特性研究[J].潤(rùn)滑油,2009,24(3):49-51.

Study on Tribological Behavior of Ammonium Molybdate Lubricant Additive

ZHANG Yu-wei, DING Xu, SUN Li-hua, LUO Mei, WANG Xue

(School of Mechanical Engineering, Guizhou University, Guizhou Guiyang 550025, China)

Ammonium molybdate were modified separately with KH550 and aluminum-zirconium coupling agent. The anti-wear and friction behavior of the base oil with modified ammonium molybdate were studied with four-ball instrument. The result showed that anti-friction reducing performance of ammonium molybdate modified separately with KH550 and aluminum-zirconium coupling agent was not obvious. But it had good wear resistance performance, ammonium molybdate modified with aluminum-zirconium coupling agent was better. Compared with base oil, the wear scar diameter was decreased by 22%, when adding amount was about 0.2%.Grease doped with 3% ammonium molybdate had better wear resistance, the wear scar diameter was increased by 51%. The extreme pressure performance was also improved.

ammonium molybdate; surface modification; lubricating additive; wear-resistant properties

張玉偉(1989-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械制造及其自動(dòng)化。

丁旭(1963-)，男，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究表面工程、材料成形等。

O62

A

1001-9677(2016)09-0083-03