復合納米潤滑油添加劑抗磨減摩性及自修復性

李文浩，魯 易，張武龍

(1.上海海事大學，上海 201306 ； 2.上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

摩擦磨損是材料與設備破壞和失效的最主要形式之一,我國每年因機械磨損所損耗的材料高達數(shù)千億[1-2]。如何有效的控制摩擦、減少磨損、改良潤滑性能已成為節(jié)約能源和材料，縮短維修時間的重要措施。潤滑劑在減少摩擦，降低磨損方面是目前最有效的措施，而添加劑的使用是提高油品性能最重要和有效的方式。但是通常的極壓抗磨添加劑含有P、S、cl等不但對機器有腐蝕而且對環(huán)境有污染的元素[3-4]。因此研制開發(fā)節(jié)能、無污染、高效的添加劑來代替原有的添加劑一直是科研人員不斷探索的方向。近年來，納米微粒作為潤滑油添加劑由于其良好的減摩、抗磨、擠壓、和自修復作用已受到國內外科研人員的重視[5-10]。納米銅顆粒是一種被廣泛認可的潤滑添加劑，不但制作工藝簡單而且它的潤滑效果是一般潤滑油制品及有機物添加劑所無法媲美的，同時納米銅顆粒細且軟，可以隨時填充摩擦缺陷，起到自修復的作用。文通過以Cu/SiO2復合納米顆粒作為潤滑油添加劑，克服了單一納米金屬微粒的銅的氧化和團聚缺陷，通過實驗對其摩擦磨損性能和自修復性能進行了研究。

1.1 盤銷摩擦磨損試驗

實驗組基礎油加入5%的添加劑與對照組分別裝入布魯克UMT TriboLab摩擦磨損試驗機油盒中，設計相同的試驗條件，本實驗用下試樣盤材料為AINSI E52100 鋼，上試樣銷材料為416 不銹鋼。

1.1.1 試驗步驟

用洗滌汽油仔細清洗試驗用銷、盤。保證清洗后的試件無油漬。放入烘干箱60℃烘干。測量盤的表面粗糙度，稱取盤和銷的質量，緩緩施加150N的壓力，達到150N壓力后，開始以300r/min的轉速開始轉動盤，持續(xù)90s。緩緩施加壓力，直到達到260N時，將轉速提升至900r/min，持續(xù)時間10h。試驗結束后，清洗盤和銷，用顯微鏡觀測盤的磨損情況。稱重盤和銷，計算失重。測量表面粗糙度變化，并用三維輪廓儀觀察表面形貌。

1.1.2 實驗結果及分析

圖1、圖2分別為兩組油的磨斑顯微照片，圖3、圖4分別為磨斑表面形貌圖。從質量損失和摩擦系數(shù)以及粗糙度變化均反映了添加劑改善了抗磨性能，其中盤的質量損失減少30%，粗糙度降低73.4%，摩擦系數(shù)降低50%。 磨痕在三維輪廓儀器下的圖像和數(shù)據(jù)顯示，對照組的盤面磨痕平均深度138nm，實驗組僅為0.6nm，表明抗磨劑對粗糙表面的填充作用很明顯，幾乎可以填平整個磨損區(qū)域；若定義磨痕的輪廓粗糙度為磨痕深度的方差，則對照組平均磨痕輪廓粗糙度為160.77，實驗組為124.829；添加了抗磨劑的盤面，無論是磨痕的絕對深度和磨痕深度的起伏變化，均小于不添加抗磨劑的盤面，顯示了抗磨性能的提升。磨痕的深度變化較為平緩。

圖1 無添加劑磨痕形貌(X100)

圖4 磨斑的縱深在250nm的表面三維形貌(填充效應明顯)

1.2 添加劑自修復實驗

本次實驗下試樣板材料為Gr15鋼，上試樣銷材料為普通灰口鑄鐵HT250。本次實驗先使用基礎油，在300N負荷的壓力下進行4h磨損試驗，試驗結束后，在同一塊板的同一區(qū)域使用加入5%添加劑的基礎油進行6h磨損試驗。每隔一個小時測量一下板的質量。通過對比修復前后板的質量和摩擦形貌的變化探究自修復性能。表面形貌由BRUKER Contour GT 光學輪廓儀觀測，板的質量應用電子天平BSM220.4型測量。

1.2.1 實驗結果及分析

如圖5 所示，當對樣板區(qū)域使用添加劑的潤滑油進行修復性摩擦實驗時。在最初的三個小時內板的質量有緩緩的增重，這是因為復合納米微粒添加劑在摩擦副表面逐漸沉積，對凹痕進行填充，使修復后的磨擦副表面更加光滑，形成一層比較厚的保護膜覆蓋在摩擦表面。

實驗前在樣板非實驗區(qū)域選擇三個點測量粗糙度分別為2.172μm、1.971μm 、1.271μm。實驗后再對三點進行測量：1.444μm 、1.688μm 、0.813μm，通過對比也可以說明摩擦副即使沒有摩擦潤滑的狀況，抗磨添加劑仍具備自動填充摩擦表面的能力，表明復合添加劑擁有強大的自動表面修復功能。

圖5 板的質量變化與實驗時間變化的對應關系

通過圖6試樣顯微表面形貌修復前(a)修復3h(b)的對比也可以直觀的呈現(xiàn)出復合添加劑的自修復性能。修復前磨痕清晰可見，排布密集，并且摩擦表面布滿磨損凹陷。由修復前三維形貌圖知磨痕寬而深表面溝壑縱深500～2000nm，最大達到了5000nm。修復3h后，磨痕處表面光滑平整，磨損凹陷也被修復的平整，磨痕溝壑平均約300nm，而最大不超過2300nm，使摩擦表面相對光滑整潔。是由復合納米微粒在摩擦副表面沉積從而在磨斑表面形成一層潤滑膜，起到減小摩擦降低磨損的作用以及優(yōu)良的自修復性能。

圖6 試樣顯微表面形貌(X100)

2 結論

(1)復合納米微粒使摩擦副的的質量損失減少30%，粗糙度降低73.4%，摩擦系數(shù)降低50%，表明復合添加劑具有明顯的減摩抗磨性能。

(2)在摩擦過程中復合納米微粒使摩擦表面平整光滑，修復過程試板增重，是由于復合納米微粒在摩擦副表面沉積從而在磨斑表面形成一層銅潤滑膜顯示出復合納米添加劑的良好自修復性能。

[1] 周平安.金屬磨損自修復技術的功能特點和應用前景[J].中國表面工程,2004,17(1):39 -41.

[2] 劉維民,薛群基,周靜芳,等.納米顆粒的抗磨作用及作為磨損修復添加劑的應用研究[J].中國表面工程,2013,14(3):21-29.

[3] 楊廣彬,柴單淘,熊秀娟,等.表面修飾Cu納米微粒的制備及摩擦學性能(英文)[J].中國有色金屬學報(英文版),2012,22(2):366-372.

[5] 溫詩鑄.摩擦學原理[M].北京:清華大學出版社,1990.

[6] 董 凌,陳國需,方建華,等.SiO2/MgO復合納米添加劑的摩擦學和磨損修復性能研究[M].潤滑與密封, 2005 (5):26-28.

[7] 陳鳳英,李湘祁,李哲韜,等.HCl用量對介孔二氧化硅形貌的影響[M].硅酸鹽通報,2012,31(002): 431-434.

[8] 王曉麗,徐濱士,許 一,等.高速高溫下發(fā)動機納米銅潤滑材料的摩擦學行為[M].粉末冶金材料科學與工程,2009,14(006):407-411.

[9] 王曉麗,徐濱士, 許 一, 等.潤滑油納米銅添加劑及其對不同粗糙度表面的減摩自修復行為[M].裝甲兵工程學院學報,2007,21(1):73-76.

[10] 夏延秋,王小波,劉維民,等.修飾的納米銅粒子對合成機油抗磨性能研究[J].潤滑與密封, 2004 (6): 22-23.