納米潤滑油研究進展及其在工程機械領(lǐng)域的應(yīng)用探討

羅金瓊,林博,梁浩,韋海

(廣西柳工機械股份有限公司，廣西 柳州 545007)

納米潤滑油研究進展及其在工程機械領(lǐng)域的應(yīng)用探討

羅金瓊,林博,梁浩,韋海

(廣西柳工機械股份有限公司，廣西 柳州 545007)

納米潤滑油是目前潤滑油領(lǐng)域的一個研究熱點，為了分析納米潤滑油在工程機械領(lǐng)域的應(yīng)用可能性，文章通過國內(nèi)外文獻查閱綜述了納米金屬類、納米金屬氧化物及鹽類、C衍生物類潤滑油研究現(xiàn)狀。納米潤滑油評價方法有納米顆粒表征、摩擦磨損實驗、穩(wěn)定性實驗、發(fā)動機臺架和整車試驗，目前的研究大多集中在用摩擦磨損實驗評價不同納米粒子的摩擦學性能，其中，改性納米Cu、納米Al2O3、石墨烯等潤滑油在實驗室條件都表現(xiàn)出良好的抗磨減摩性能。然而若要推進納米潤滑油的標準化應(yīng)用，不僅需要考察抗磨減摩指標，還需要考察油品黏度、油品對金屬的腐蝕、油品高低溫穩(wěn)定性等指標并聯(lián)合OEM進行實際工況驗證。文章還進行了裝載機整車測試和變速箱臺架測試，從試驗結(jié)果可以推斷出納米潤滑油在延長零部件壽命和潤滑降噪方面具有巨大潛力。

納米潤滑油；工程機械；抗磨減摩；性能；應(yīng)用

1 納米潤滑油的發(fā)展背景

摩擦和磨損損失了世界一次能源的50%以上，例如，在發(fā)動機的整機損失中，活塞、缸套和活塞環(huán)的摩擦功耗占到45%～65%，配氣機構(gòu)消耗的摩擦功約占發(fā)動機總摩擦功15%～20%。潤滑是減少摩擦磨損的主要措施之一，潤滑油的研究開發(fā)一直都是能源、機械、摩擦學、潤滑等領(lǐng)域的熱點。隨著科技技術(shù)不斷進步、人民生活水平不斷提高、國防實力不斷增強，機械設(shè)備出現(xiàn)了更多高溫、低速、重載等工作狀態(tài)，這就要求潤滑油有較好的邊界潤滑性能和抗磨性能。降低摩擦的方式之一是充分利用流體潤滑油流變學，減少流體剪切、攪拌和泵送損失，在實際應(yīng)用中表現(xiàn)在保證滑動潤滑的前提下盡可能降低潤滑油黏度。另一種方法是在潤滑油中添加抗磨改性劑改善邊界或混合摩擦性能。Hugh Spike綜述了抗磨添加劑，包括有機摩擦改性劑、油溶性有機鉬添加劑、特定功能的高分子、納米添加劑[1]。

納米潤滑油一般是將納米添加劑(1～500 nm)分散到基礎(chǔ)油中形成。從理論上說納米顆粒的尺寸足夠小使得它可以通過布朗運動均勻分散到基礎(chǔ)油中，它可以毫無阻礙地通過濾清器。納米粒子具有不揮發(fā)、高溫穩(wěn)定性較好、尺寸小、表面能高等特點，因此納米潤滑油可以通過物理吸附或化學反應(yīng)在摩擦副表面形成穩(wěn)定的邊界潤滑膜并提高摩擦副的摩擦學性能[2]。研究者認為納米潤滑油提高摩擦學性能的機理體現(xiàn)在以下幾點：納米顆粒易于在摩擦表面滑動，減小滑動與滾動摩擦因數(shù)；納米粒子進入磨損部位微小裂縫中，對其凹凸不平處進行填補，使之趨于平滑，宏觀效果上機械運行更平穩(wěn)，振動、噪聲更低；納米氧化物、納米硫化物、納米氮化物等納米粒子對金屬表面有較強的親和能力，在極壓和高溫條件下與金屬表面形成牢固的摩擦反應(yīng)潤滑膜[3]；銅、鎳等軟金屬納米材料一般具有面心立方晶格結(jié)構(gòu)，其晶體具有各向同性，并且剪切強度較低，因此在發(fā)生摩擦時，軟金屬會在對偶材料表面形成轉(zhuǎn)移膜，使摩擦發(fā)生在轉(zhuǎn)移膜之間，從而降低摩擦因數(shù)[4]。

目前國內(nèi)外對納米添加劑的研究較多，但是關(guān)于納米潤滑油的綜述較少。M. Gulzar[5]綜述了納米添加劑的種類、分散穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀；申巧紅[6]綜述了納米添加劑的種類和抗磨機理。本文重點關(guān)注納米添加劑在潤滑油中的應(yīng)用研究和性能評價，綜述了納米潤滑油評價方法以及納米潤滑油抗磨減摩效果，討論了納米潤滑油在工程機械領(lǐng)域應(yīng)用可能性。

2 納米潤滑油評價方法

(1)納米顆粒表征

納米潤滑油中的納米添加劑可以通過傅里葉紅外光譜儀、X射線衍射、拉曼光譜等表征樣品的分子結(jié)構(gòu)；可以通過馬爾文激光納米粒度分析儀表征其平均粒徑的大小以及粒徑分布的均勻程度；還可以通過原子力顯微鏡、透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡觀察納米粒子粒徑和表面形貌。

(2)摩擦磨損實驗

目前，摩擦磨損實驗常用的設(shè)備有Optimal SRV 4摩擦磨損試驗機和四球試驗機。SRV多功能試驗機可以測試油樣在不同載荷下的摩擦因數(shù)；四球摩擦磨損試驗機可以獲得平均摩擦因數(shù)、磨斑直徑、磨損量以及潤滑油最大無卡咬負荷等評價指標。劉釗將超高堿值納米磺酸鈣加入到900NT基礎(chǔ)油中并利用SRV多功能試驗機分別測試了含不同比例添加劑的油樣在不同載荷下的摩擦因數(shù)，再利用四球摩擦試驗機測試各個油樣的最大無卡咬負荷值，并將所得實驗數(shù)據(jù)與基礎(chǔ)油進行對比[7]。何志偉等人利用四球試驗機四球摩擦實驗表明，改性石墨烯納米片添加質(zhì)量分數(shù)為0.1%時，平均摩擦因數(shù)降低45%[8]。

(3)潤滑油穩(wěn)定性實驗

納米添加劑在油品中容易團聚，應(yīng)用納米潤滑油之前必須解決納米潤滑油穩(wěn)定性問題。為了讓納米粒子均勻分散到油品中，人們通常用表面改性劑改性納米粒子并利用靜置沉降實驗、高速離心試驗或吸光度測試實驗研究潤滑油穩(wěn)定性。對于靜置沉降實驗，經(jīng)過相同的沉降時間后，上層清液的高度越高且顏色越亮，分散穩(wěn)定性就越差。高速離心試驗和吸光度測試往往結(jié)合起來考察納米潤滑油穩(wěn)定性。先將潤滑油高速離心，再測試上層清液的吸光度，吸光度越大，表明分散穩(wěn)定性越好[9]。

(4)發(fā)動機臺架與整車試驗

研究者發(fā)現(xiàn)Optimal SRV 4摩擦磨損實驗和四球試驗并不能反應(yīng)納米潤滑油在實際工況下的抗磨性能，所以產(chǎn)品在應(yīng)用之前還需進行發(fā)動機臺架實驗和整車實驗。大連理工大學劉浩等人通過發(fā)動機臺架實驗研究了納米金剛石潤滑油的實際應(yīng)用情況，研究發(fā)現(xiàn)當添加納米金剛石顆粒的質(zhì)量分數(shù)為0.05%、0.08%和0.10%時，相比于基礎(chǔ)潤滑油平均機械損失功率降低了0.5%、0.4%和1.5%[10]。安德納國際貿(mào)易(上海)有限公司用整車測試來驗證A9 潤滑油在NEDC 循環(huán)工況下對整車油耗和排放的影響。測試結(jié)果表明A9納米潤滑油降低了整車33%的HC(碳氫化合物)排放，減少了25%的CO(一氧化碳)排放，減少了50%的NOX排放[11]。大連理工大學劉浩等人還利用活塞-氣缸套溫度場試驗研究發(fā)動機熱負荷狀態(tài)，研究發(fā)現(xiàn)使用質(zhì)量分數(shù)為0.1%的納米金剛石潤滑油后，活塞頂面中心、燃燒室邊緣的溫度分別降低了8 ℃、10 ℃[10]。

目前納米潤滑油的評價方法主要有上述幾類，可以看出離標準化應(yīng)用還有很遠的距離。然而從評價案例中看出，納米粒子在基礎(chǔ)油中表現(xiàn)出優(yōu)異的抗磨減摩效果，在潤滑油中表現(xiàn)出節(jié)能減排的效果，說明納米潤滑油很有繼續(xù)研究的必要。

3 納米潤滑油研究進展

本文根據(jù)常用的納米添加劑的種類將當前研究的納米潤滑油分為納米金屬類潤滑油、納米金屬氧化物或鹽類潤滑油、C衍生物類潤滑油。

(1)納米金屬類潤滑油

納米金屬類潤滑油主要指將納米金屬，如納米尺寸的Cu、Sn、Au、Ag等金屬分散到基礎(chǔ)油或者成品油中得到的潤滑油。納米金屬一般通過化學還原法、多元醇法、電化學法等方法制備。對于納米金屬，研究發(fā)現(xiàn)納米銅與納米錫改性潤滑油的抗磨性能較好，而納米金和納米銀改性的潤滑油在摩擦副形成的油膜在高速條件下容易破壞[12]。1994年, 中科院蘭物所展開了把納米材料作為潤滑油添加劑的科學研究，2004年，終于成功研發(fā)出“納米潤滑油節(jié)能抗磨添加劑”這一產(chǎn)品。他們將質(zhì)量分數(shù)為0.1%的納米銅粉加入到SJ級汽油機油中，平均摩擦因數(shù)可降低約29%[13]。蘭州理工大學徐建林等人發(fā)現(xiàn)40 nm銻粉能提高900 SN基礎(chǔ)油的抗磨性能，摩擦因數(shù)可降低58.97%[9]。

(2)納米金屬氧化物及鹽類潤滑油

納米金屬氧化物及鹽類潤滑油指將納米尺寸的TiO2、Fe2O3、CuO、ZrO2、Al2O3、MgCO3等分散到基礎(chǔ)油或者成品油中獲得的潤滑油。納米金屬氧化物可以通過微乳液、溶膠-凝膠法、沉淀法、熱分解法、水熱法、有機配合物前驅(qū)體法、固相法、氣相法等方法制備。對于納米金屬氧化物及鹽類，TiO2、Fe2O3改性的潤滑油抗磨性能表現(xiàn)一般，而La(OH)3減摩效果好，CuO、ZrO2在潤滑油中的抗磨減摩性能好[14]。納米粒子高的表面能使得它們很難在基礎(chǔ)油中分散均勻，少量的表面改性劑有望解決這個問題。Ali M A M等人用十二烷基苯磺酸鈉作為表面改性劑改性納米Al2O3，并用在鈦合金加工用潤滑油中，發(fā)現(xiàn)納米粒子降低了加工界面的摩擦效應(yīng)，降低了切削力并減少刀具磨損[15]。高亞軍將納米石墨和多壁碳納米管耦合到羥基硅酸鎂中，提高了油品的極壓性能,使?jié)櫥蚉AO10的承壓極限從700 N増加到1000 N，提升43%[16]。高傳平發(fā)現(xiàn)質(zhì)量分數(shù)為1.5%磁性 Fe3O4納米顆粒能改善40#潤滑油中的抗摩擦性能，其中，六方片狀、八面體狀和不規(guī)則狀磁性納米Fe3O4使40#潤滑油的平均摩擦因數(shù)分別降低 58.16%、47.96%、34.69%[17]。

(3)C衍生物類潤滑油

納米C衍生物類潤滑油指將納米尺寸的石墨烯、富勒烯、類富勒烯結(jié)構(gòu)的IF-MoS2、IF-WS2加入到基礎(chǔ)油或成品油中得到的潤滑油。對于C衍生物，納米尺寸的C60、石墨、MoS2性能相似，都能在摩擦副形成轉(zhuǎn)移膜且具有“微軸承”效應(yīng)，抗磨減摩性能好。石墨烯和具有類富勒烯結(jié)構(gòu)的IF-MoS2、IF-WS2是目前摩擦學研究的熱點[18]。納米C衍生物可以通過機械剝離法、高溫還原氧化、化學氣相沉積法、液相超聲剝離法等方法制備，石墨烯的改性和復(fù)配是當前納米C衍生物類潤滑油研究熱點[19]。Aref A H[20]和Ahammed N[21]研究發(fā)現(xiàn)改性石墨烯納米片可以應(yīng)用于工業(yè)冷卻液。井致遠發(fā)現(xiàn)質(zhì)量分數(shù)為0.8% MoDTC和質(zhì)量分數(shù)為5%石墨烯溶液同時添加到CD基礎(chǔ)油中能夠發(fā)揮減摩協(xié)同作用，Optimal SRV 4摩擦磨損實驗表明油樣MG在100 ℃、100 N的條件下摩擦因數(shù)僅為0.054，較CD油降低了61.4%[22]，張飛霞發(fā)現(xiàn)RGO/MoS2納米復(fù)合材料改性的潤滑油抗磨性能比純的MoS2更好， RGO/MoS2納米復(fù)合材料作為潤滑油添加劑使液體石蠟油摩擦因數(shù)降低了18%[23]。王萬平用DY-MRY型抗磨試驗機測試了石墨烯/5W-30潤滑油的最大無卡咬負荷和磨斑直徑，發(fā)現(xiàn)隨著石墨烯濃度的增加，最大無卡咬負荷值先增大后減小，磨斑直徑先減小后增大，石墨烯的最佳質(zhì)量分數(shù)濃度為0.15%[24]。胡華華發(fā)現(xiàn)5%納米金剛石粉能改善32#礦物油的摩擦磨損性能，使?jié)櫥湍Σ烈驍?shù)從0.097下降到0.092，使PB值從44 kg 提升到了56 kg[25]。

隨著工程機械的大型化，結(jié)構(gòu)件、傳動件承受的載荷和沖擊增大，對潤滑劑也提出了更高的要求。潤滑不良極易導(dǎo)致摩擦副早期磨損，裝載機舉升異響，齒輪傳動噪聲；而優(yōu)良的潤滑劑可以改善摩擦副的磨合狀態(tài)，使摩擦副運轉(zhuǎn)平順，甚至減弱傳動件在復(fù)雜工況下的振動并降低噪聲。針對裝載機舉升異響問題，將某一納米粒子添加到潤滑脂中并進行裝載機舉升5 t重物的整車測試，通過拆解結(jié)果發(fā)現(xiàn)添加納米粒子的潤滑劑能降低銷軸表面磨損程度；通過鉸接點噪聲監(jiān)控發(fā)現(xiàn)添加納米粒子的潤滑劑使裝載機舉升異響消失。傳動系統(tǒng)噪聲一直是工程機械領(lǐng)域的瓶頸，針對變速箱噪聲突出問題，進行了某納米潤滑油在變速箱臺架上的耐久性測試，通過對比不同潤滑油在911 h耐久性試驗前后的噪聲值發(fā)現(xiàn)，普通潤滑油潤滑的變速箱噪聲降低3 dB；納米潤滑油潤滑的變速箱噪聲降低8.7 dB。綜上，認為納米潤滑油具有延長零部件壽命和潤滑降噪的巨大潛力。然而，目前納米潤滑油的研究深度還不夠，盡管有某些性能指標的改善，卻不能代表工程機械實際工況。納米潤滑油的產(chǎn)業(yè)化不僅需要考察抗磨減摩指標，還需要考察油品黏度、油品對金屬的腐蝕、油品高低溫穩(wěn)定性等指標。若要繼續(xù)推進納米潤滑油的標準化應(yīng)用，還需要聯(lián)合OEM共同進行多項指標考察和實際工況驗證。

4 展望

目前很難對納米添加劑作為抗磨改性劑的效果進行確切評價，因為納米粒子分散到基礎(chǔ)油中需要使用表面改性劑改性分散性，很多研究表明表面改性劑也有減摩作用，于是無法分清納米粒子對減摩效果的貢獻。此外，納米粒子不像可溶解類添加劑，它們?nèi)绾伪粋魉偷侥Σ帘砻嬖龠M行吸附取決于摩擦副的工作情況，同樣的納米潤滑油在不同測試方法和測試條件下的減摩性能差別很大。保證納米潤滑油的有效性必須滿足分散在摩擦副之間的納米粒子足夠多，當納米潤滑油應(yīng)用在滾動的摩擦副時，摩擦副之間的流體會受到切向作用力，很難保證足夠多的納米粒子能吸附在摩擦副表面。今后納米潤滑油的總體研究方向?qū)⑹怯糜袡C物改性納米添加劑以保證納米粒子能夠吸附在摩擦副表面。

從目前的研究來看，納米潤滑油在工程機械領(lǐng)域的研究幾乎空白。鑒于目前改性納米Cu類潤滑油、納米Al2O3潤滑油、石墨烯類潤滑油在實驗室條件都有良好的抗磨減摩性能，納米潤滑油理論上能為工程機械起到抗磨減摩、節(jié)能環(huán)保、降噪減排的作用[26]。認為目前納米潤滑油的技術(shù)應(yīng)用存在以下問題：①納米添加劑的制備大部分僅限于實驗室測試，批量制備技術(shù)目前還不成熟，且缺乏完善的質(zhì)量控制標準。②納米添加劑穩(wěn)定性和分散性目前還沒有得到很好的解決，工程機械的換油周期一般在500～2000 h之間，并且潤滑油需要經(jīng)歷頻繁的高低溫交變，實驗室的靜置沉降試驗、離心試驗等與實際應(yīng)用工況相差較大，不足以證明實際應(yīng)用過程中的分散穩(wěn)定性。③納米添加劑的作用機理及與其他潤滑油添加劑的配伍性有待進一步研究。目前潤滑油添加劑行業(yè)對此種技術(shù)的認可度較低，如果批量應(yīng)用還需要通過相關(guān)OEM認證測試，因此還有很長一段路要走。

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Discussion on Research Progress of Nanometer Lubricating Oil and Its Application in the Field of Construction Machinery

LUO Jin-qiong, LIN Bo, LIANG Hao, WEI Hai

(Guangxi Liugong Machinery Co., Ltd., Liuzhou 545007, China)

As nanometer lubricating oil is a hot research topic in the field of lubricating oil, this article has a review on the research status of three kinds of lubricating oil of nanometer metals, nanometer metal oxides and salts, C derivatives through collected literatures at home and abroad to analyze the application possibility of nanometer lubricating oil in the field of engineering machinery. Nanometer particle characterization, friction and wear experiment, stability experiment, engine test bench and vehicle test can be used to evaluate the nanometer lubricating oil, whereas the present studies focus their energies on tribological properties of nanometer particles through friction and wear experiment, revealing good anti-wear and antifriction performance of nanometer Cu, nanometer Al2O3and nanometer graphene. In order to promote the standardization application of nanometer lubricating oil, not only anti-wear and antifriction performance, but viscosity, metal corrosion property, high and low temperature cycle stability, actual working condition verification conducted by OEM as well should be taken into consideration. Loading machine test and gearbox bench test were carried out in this paper, which can be deduced from the test results that the nanometer lubricating oil has great potential in prolonging the life of the parts and reducing the noise of mechanical operation.

nanometer lubricating oil; engineering machinery; anti-wear and friction-reducing; property; application

10.19532/j.cnki.cn21-1265/tq.2017.05.002

1002-3119(2017)05-0007-05

TE626.3

A

2017-05-12。

羅金瓊，碩士，工程師， 2017年畢業(yè)于燕山大學材料科學與工程學院材料學專業(yè)，從事設(shè)備潤滑和診斷方面的研究,曾經(jīng)公開發(fā)表論文2篇。E-mail: Luojq@Liugong.com