納米Fe2O3作為潤滑油添加劑的摩擦磨損性能

，，，

(1.福建船政交通職業(yè)學院 安全技術與環(huán)境工程系， 福建 福州 350007； 2.福州大學 材料科學與工程學院，福建 福州 350108)

納米Fe2O3作為潤滑油添加劑的摩擦磨損性能

陳麗娟1，朱定一2，黃輝耀2，吳世杰2

(1.福建船政交通職業(yè)學院安全技術與環(huán)境工程系，福建福州350007；2.福州大學材料科學與工程學院，福建福州350108)

采用燒結方法制備得到納米α-Fe2O3，利用X射線衍射儀(XRD)和透射電鏡(TEM)對樣品進行了表征，研究了納米α-Fe2O3作為液體石蠟添加劑的摩擦磨損性能。結果表明，添加納米添加劑后，潤滑油摩擦系數改變不明顯，但磨損率顯著降低。磨損率與納米α-Fe2O3添加劑的表面積和添加量密切相關，當納米材料的表面積為47m2/g時磨損率最低，磨損率值降低為3.78×10-15m2/g；添加量為1.0wt%，潤滑油磨損率最低。

納米α-Fe2O3； 摩擦性質； 潤滑油添加劑； 抗磨損

1 引 言

納米材料由于許多特殊性質而倍受關注，如催化性能，電學性能，光學和磁學性能等[1-4]。近年來，納米材料作為潤滑油添加劑能夠大大提高潤滑油的潤滑性能從而引起了許多研究者的興趣。納米材料添加到潤滑油中能夠表現出優(yōu)良的抗摩擦磨損性能，大大降低摩擦系數、磨痕直徑和磨損率。例如，Zhao等發(fā)現添加硼酸鋅超細粉末能夠提高液體石蠟的摩擦性能[5]。曹敬煜等發(fā)現添加納米銅到甲基硅油中，極壓性能PB值從196N 增加到294N[6]。離子液體修飾的多壁C納米管作為潤滑油添加劑能夠表現出優(yōu)良的抗摩擦磨損性能[7]。金屬氧化物由于性質穩(wěn)定也常用作潤滑油添加劑，例如SiO2，CeO2，CuO 和ZnO等[8-12]，Hu等研究了無定形納米Fe2O3(單一晶粒大小大約為20～50nm)作為潤滑油添加劑的摩擦磨損性能[12]。 因為納米添加劑的摩擦磨損性能與納米材料的表面積或者晶粒尺寸密切相關[13-15]，所以研究納米α-Fe2O3的表面積和添加量對摩擦性能的影響至關重要，這有助于研究納米材料作為潤滑油添加劑的潤滑機理。

本文，通過不同溫度燒結制備了不同比表面積的納米α-Fe2O3，研究了納米α-Fe2O3作為潤滑油添加劑的摩擦磨損性能，研究結果表明納米α-Fe2O3能夠表現出優(yōu)良的摩擦磨損性能。

2 實驗部分

2.1試劑

Fe(NO3)3·9H2O，分散劑span-80，NH3·H2O(25%)和液體石蠟(LP)均是上海國藥集團化學試劑有限公司的分析純試劑。

2.2樣品制備和表征

首先，在室溫下將0.1mol的Fe(NO3)·9H2O溶于200ml水中，然后將NH3·H2O(25%)逐滴加入上述溶液中不斷攪拌直至所獲混合渾濁溶液pH值達到8，然后將溶液靜置24h得到棕色沉淀。將沉淀離心并用蒸餾水充分清洗，最后分別在280， 350，550和700℃燒結2h，獲得不同比表面積的納米α-Fe2O3。

樣品的相成分通過XRD粉末衍射確定，所用儀器為日本Rigaku公司的DMAX2500 X-射線衍射儀(Cu靶，Kα=0.15418nm)。樣品的形態(tài)通過JEM2100 TEM觀察，加速電壓為200 kV。樣品的比表面積用BET 技術測試，所用儀器為 BEL SORP max 全自動比表面孔徑測定儀。

2.3摩擦實驗

納米材料作為潤滑油添加劑的摩擦性能通過立式萬能摩擦磨損試驗機(MM-W1A)檢測。每次實驗前后，試樣銷和盤都用丙酮超聲清洗5 min去除表面殘留雜質，并且吹干。試樣銷的質量損失用萬分之一天平稱量。分別添加1wt%的不同比表面積納米α-Fe2O3和1wt%分散劑span-80 于2 ml LP 中，然后混合溶液超聲半小時以獲得納米添加劑均勻分散的潤滑油。設定的實驗參數為：載荷200N，轉速300r/min，實驗時間60min，滴加五滴上述潤滑油在盤上，室溫操作。實驗所用試樣生鐵銷硬度為25～30HRC，直徑4.78mm，長度為12.56mm。不同添加量的納米α-Fe2O3潤滑油摩擦實驗過程與上述過程相似。摩擦磨損的實驗結果用摩擦系數和磨損率來表征。用MM-6 寬視場顯微鏡分析銷的磨損表面形貌。

3 結果分析與討論

3.1納米α-Fe2O3表征

圖1所示為280，350和700℃燒結制備的納米α-Fe2O3XRD分析圖譜，所有的譜圖均與六方相的α-Fe2O3相符(JCPDS file， No. 33-0664)。隨著溫度的升高，樣品的晶粒尺寸逐漸增大，比表面積逐漸減小。圖1中的嵌入圖為280℃制備的樣品透射電鏡圖，形貌為不規(guī)則的球狀形貌。所有樣品的比表面積如表1所示，280℃燒結的樣品比表面積最大，為136.5m2/g，隨著燒結溫度的升高，比表面積不斷減小。隨著燒結溫度的升高，XRD峰越來越尖銳，樣品的粒徑逐漸增大，所以比表面積相應地減小。當燒結溫度達到700℃時，比表面積只有2.1m2/g。

圖1 不同溫度燒結制備的納米α-Fe2O3的XRD分析圖譜，插圖為280℃制備的α-Fe2O3透射電鏡圖Fig.1 XRD pattern of sample. Vertical bars represent the standard diffraction data of α-Fe2O3from JPCDS file (No. 33-0664). Inset shows the TEM of sample prepared at 280℃

Sinteringtemperature/℃Surfacearea/m2·g-1Addingpercent/wt%AveragefrictioncoefficientWearrate/m3·N-1·m-1Blank00.096.26×10-15280136.50.50.096.67×10-15280136.51.00.0913.95×10-15280136.51.50.0944.43×10-15280136.52.00.0967.73×10-1535047.01.00.0933.78×10-155509.51.00.0864.77×10-157002.11.00.0855.93×10-15

3.2摩擦磨損性能表征

圖2 在添加了不同比表面積納米α-Fe2O3的液體石蠟潤滑后試驗銷的平均摩擦系數Fig.2 Average friction coefficient of pins lubricated by LP with addition of different surface areas of α-Fe2O3 nanocrystals

添加納米α-Fe2O3的潤滑油摩擦磨損性能通過摩擦系數和磨損率表征。圖2和表1所示為添加不同比表面積納米α-Fe2O3的液體石蠟潤滑下摩擦銷的平均摩擦系數。銷的全部平均摩擦系數大約為0.09，不受添加劑的影響。圖3和表1中所示為添加不同比表面積納米α-Fe2O3的液體石蠟潤滑下試驗銷的磨損率。未添加納米添加劑潤滑的銷的磨損率值為6.26×10-15m3·N-1·m-1，遠高于添加納米添加劑潤滑后的磨損率。隨著比表面積從2.1 增大到47m2/g，磨損率從5.93×10-15降低到3.78×10-15m3·N-1·m-1。當納米α-Fe2O3比表面積繼續(xù)增大到136.5m2/g時，磨損率變化不大，為3.95×10-15m2/g，與比表面積為47m2/g的值相似。因為大的比表面積具有更高的活性以填充在摩擦表面凹坑處[16]。當表面積達到47m2/g時，效應已達到極限值，所以繼續(xù)增大比表面積對磨損率的值影響不大。

圖3 經添加不同比表面積納米α-Fe2O3的液體石蠟潤滑后銷的磨損率Fig.3 Wear rate of pins lubricated by LP with addition of different surface areas of α-Fe2O3 nanocrystals

添加納米添加劑后的液體石蠟摩擦磨損性能與添加量密切相關。圖4所示為經添加不同含量的比表面積136.5m2/g納米α-Fe2O3的液體石蠟潤滑后銷的平均摩擦系數。納米α-Fe2O3的添加量對銷的摩擦系數影響不大，大約均為0.09。圖5所示為添加不同含量的比表面積為136.5m2/g的納米α-Fe2O3的液體石蠟潤滑后，銷的磨損率。從圖5中可以看出，當添加百分含量為0.5wt%時，磨損率為6.67×10-15m3·N-1·m-1，此值接近于未添加納米添加劑的；當添加量增大到1.0wt%，磨損率的值降低為3.95×10-15m3·N-1·m-1；繼續(xù)增大添加量，磨損率反而增大，與文獻報道的Al2O3/TiO2納米添加劑結果一致[17]，因為添加量太大，納米添加劑有可能會破壞表面的潤滑膜[16]。

圖4 經添加不同含量的比表面積為136.5m2/g納米α-Fe2O3的液體石蠟潤滑后，試驗銷的摩擦系數Fig.4 Average friction coefficient of pins lubricated by LP with addition of different percent of α-Fe2O3 with surface area of 136.5m2/g

圖5 經添加不同含量的比表面積為136.5m2/g的納米α-Fe2O3的液體石蠟潤滑后，試驗銷的磨損率Fig.5 Wear rate of pins lubricated by LP with addition of different percent of α-Fe2O3 with surface area of 136.5m2/g

3.3摩擦磨損表面形貌分析

圖6所示為經過摩擦磨損后試驗銷的表面形貌，圖6(a)所示為未添加納米添加劑潤滑的銷的表面形貌，從圖中可以看出表面磨痕較深、較寬，表現出比較明顯的犁溝和黏著磨損。添加1wt%納米α-Fe2O3到液體石蠟中，犁溝和刮痕變淺、變窄，如圖6(b)和圖6(c)所示。添加比表面積為136.5m2/g的納米Fe2O3要比2.1m2/g的更加光滑。這說明添加一定量的納米α-Fe2O3于潤滑油中能夠提高抗摩擦磨損性能。納米材料比表面積越大，抗摩擦磨損性能越好。

3.4抗摩擦磨損機理

圖6 摩擦實驗后的銷的表面形貌 (a) 未添加納米材料； (b) 添加表面積為2.1m2/g的α-Fe2O3； (c) 添加表面積為136.5m2/g的α-Fe2O3Fig.6 Image of wear surface of pins after the friction test (a) no addition of nanocrystals; (b) addition of α-Fe2O3 with surface area of 2.1m2/g; (c) addition of α-Fe2O3 with surface area of 136.5m2/g

添加納米α-Fe2O3于潤滑油中能夠起到抗摩擦磨損作用，原因在于，納米晶粒尺寸小，比較容易進入摩擦接觸表面從而形成一層保護膜[16-18]，這層膜對摩擦表面起到微拋光和自潤滑作用。在摩擦磨損實驗過程中，納米材料能夠沉積和填充到摩擦的犁溝中[17]。因此，添加一定量納米α-Fe2O3的表面更光滑、劃痕更淺，如圖6所示。抗摩擦磨損效應隨著納米材料的比表面積增大而提高，這個效應和報道的納米銅是一致的[16]，因為大比表面積的納米材料有利于填補微凹坑和形成摩擦表面的保護膜。在摩擦表面能夠形成物理吸附和摩擦化學反應，起到抗摩擦抗磨損作用[16]。

在摩擦磨損實驗中，添加適量的納米添加劑到潤滑油中對摩擦磨損實驗是很重要的。一定量的納米α-Fe2O3能夠避免摩擦副之間的直接接觸，納米材料能夠起到滾動摩擦機理從而起到抗摩擦磨損作用。但是，當納米α-Fe2O3添加量增大到1.0wt%時，出現了結塊和化學固化作用[17]，這時候，納米添加劑反而起到異質點的作用(如圖5所示)，使磨損率反而增加。

4 結 論

研究了納米α-Fe2O3作為液體石蠟添加劑的抗摩擦磨損性能。研究結果表明，在室溫環(huán)境下，載荷200N，轉速300r/min時，添加劑對摩擦系數沒有明顯影響，但是，一定量的添加劑能夠明顯降低磨損率。納米材料的抗摩擦磨損性能和其比表面積以及添加量密切相關，隨著納米材料的比表面積的增加，磨損率逐漸降低，當添加量達到1.0wt%時，磨損率值最低。由于添加納米α-Fe2O3后在摩擦過程中形成了一層保護膜，所以添加納米α-Fe2O3后能夠提高潤滑性能。

[1] Harraz F A, Ismail A A, et al. Novel α-Fe2O3/polypyrrole Nanocomposite with Enhanced Photocatalytic Performance[J]. J. Photochem. Photobiol., 2015, 299: 18～24.

[2] 陳樂,謝敏,金璐,王鋒,楊德仁. 硅含量對SiOx薄膜光學和電學性能的影響[J]. 材料科學與工程學報,2013,31(5):651～654.

[3] Ibrahim N B, Arsad A Z. Investigation of Nanostructure, Optical and Magnetic Properties of Cerium-substituted Yttrium Iron Garnet Films Prepared by a Sol Gel Method[J]. J. Magn. Magn. Mater., 2016, 401: 572～578.

[4] 徐馳,殷明志,等. La1-xSrxMnO3薄膜的制備、結構及電磁特性[J]. 材料科學與工程學報,2012,30(5):706～709.

[5] Zhao C, Chen Y K, Jiao Y, Loya A, Ren G G. The Preparation and Tribological Properties of Surface Modified Zinc Borate Ultrafine Powder as a Lubricant Additive in Liquid Paraffin[J]. Tribol. Int., 2014, 70: 155～164.

[6] 曹敬煜,李文善,黃德歡. 納米銅在潤滑油基礎油中的制備及性能表征[J]. 材料科學與工程學報,2010,28(1):97～101.

[7] Yu B, Liu Z L, Ma C B, Sun J J, Liu W M, Zhou F. Ionic Liquid Modified Multi-walled Carbon Nanotubes as Lubricant Additive[J]. Tribol. Int., 2015, 81:38～42.

[8] Xie H M, Jiang B, et al. Lubrication Performance of MoS2and SiO2Nanoparticles as Lubricant Additives in Magnesium Alloy-steel Contacts[J]. Tribol. Int., 2016, 93: 63～70.

[9] Shen T J, Wang D X, Yun J, Liu Q L, Liu X H, Peng Z X. Tribological Properties and Tribochemical Analysis of Nano-cerium Oxide and Sulfurized Isobutene in Titanium Complex Grease[J]. Tribol. Int., 2016, 93: 332～346.

[10] Pena-Paras L, Taha-Tijerina J, Garza L, et al. Effect of CuO and Al2O3Nanoparticle Additives on the Tribological Behavior of Fully Formulated Oils[J]. Wear, 2015, 332-333: 1256～1261.

[11] Hernandez Battez A, Gonzalez R, Viesca J L, et al. CuO, ZrO2and ZnO Nanoparticles as Antiwear Additive in Oil Lubricants[J]. Wear, 2008, 265: 422～428.

[12] Hu Z S, Dong J X, Chen G X. Study on Antiwear and Reducing Friction Additive of Nanometer Ferric Oxide[J]. Tribol. Int., 1998, 31(7): 355～360.

[13] Wang Y S, Liang X Y, Shu G Q, et al. Effects of an Anti-wear oil Additive on the Size Distribution, Morphology, and Nanostructure of Diesel Exhaust Particles[J]. Tribol. Int., 2015, 92: 379～386.

[14] Hu Z S, Dong J X, Chen G X, He J Z. Preparation and Tribological Properties of Nanoparticle Lanthanum Borate[J]. Wear, 2000, 243: 43～47.

[15] Xiang L H, Gao C P, Wang Y M, et al. Tribological and Tribochemical Properties of Magnetite Nanoakes as Additives in Oil Lubricants[J]. Particuology, 2014, 17: 136～144.

[16] Wang X L, Yin Y L, Zhang G N, Wang W Y, Zhao K K. Study on Antiwear and Repairing Performances About Mass of Nano-copper Lubricating Additives to 45 Steel[J]. Physics Procedia, 2013, 50: 466～472.

[17] LuoT, Wei X W, Zhao H Y, Cai G Y, Zheng X Y. Tribology Properties of Al2O3/TiO2Nanocomposites as Lubricant Additives[J]. Ceram. Int., 2014, 40: 10103～10109.

[18] LuoT, Wei X W, Huang X, Huang L, Yang F. Tribological Properties of Al2O3Nanoparticles as Lubricating Oil Additives[J]. Ceram. Int., 2014, 40: 7143～7149.

TribologicalPropertiesofα-Fe2O3NanocrystalsasLubricatingOilAdditives

CHENLijuan1,ZHUDingyi2,HUANGHuiyao2,WUShijie2

(1.DepartmentofSafetyTechnologyandEnvironmentalEngineering,FujianChuanzhengCommunicationsCollege,Fuzhou350007,China;2.SchoolofMaterialsScienceandEngineering,FuzhouUniversity,Fuzhou350108,China)

α-Fe2O3nanocrystals were prepared by annealing method. Prepared α-Fe2O3nanocrystals were characterized by X-ray diffraction (XRD) and transition electron microscope (TEM). Tribological properties of α-Fe2O3nanocrystals as additives in the liquid paraffin were investigated. It was found that the addition of α-Fe2O3nanocrystals influenced not much the friction coefficient, but greatly reduced the wear rate. Wear rate was relative with the surface area and addition percentage of the α-Fe2O3nanocrystals additives. 47m2/g nanocrystals showed the lowest wear rate with the value of 3.78×10-15m2/g. When the addition concentration reached 1.0wt%, the wear rate was the smallest.

α-Fe2O3nanocrystals; tribological properties; lubricating oil additive; anti wear

TH117.2

：ADOI:10.14136/j.cnki.issn1673-2812.2017.04.027

2016-02-02；

：2016-05-23

福建省交通廳資助項目(201411)， 福建省教育廳科技資助項目(JAT160703)， 福建省高校產學合作科技重大資助項目(2011H6012)

陳麗娟(1978-)，副教授，博士，研究方向：納米功能材料，E-mail：clj790115@163.com。

1673-2812(2017)04-0655-04