一種蠟質(zhì)材料作為潤滑脂添加劑的摩擦學性能研究

夏延秋，張文一

(華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京 102206)

潤滑脂作為機器設備的潤滑劑具有比潤滑油更好的黏附性，更寬的使用溫度、更好的耐壓性、更長的使用壽命及優(yōu)良的密封性能。我國所擁有的生產(chǎn)鋰基潤滑脂原料占世界儲藏量的47%，同時鋰基潤滑脂對添加劑的感受性、抗氧化性、機械安定性和水解性能良好，促進了鋰基潤滑脂的發(fā)展，成為應用范圍最廣的一類皂基潤滑脂。潤滑添加劑作為潤滑脂的重要組成部分，是提高潤滑脂性能的關鍵。陳力等[1-2]制備了(Si、Al)與Zn(Si、Al)型混合物，將其作為潤滑添加劑加入到鋰基潤滑脂中，提高了鋰基潤滑脂的抗磨和減摩性能。也有學者將層狀磷酸鋯材料和超細錫粉用作鋰基潤滑脂添加劑，不僅可提高基礎脂的減摩抗磨能力還可提高其承載能力[3-4]。席翔等[5]將蒙脫石作為復合鋰基潤滑脂添加劑，結(jié)果表明蒙脫石能夠改善基礎脂的潤滑性能。胡亦超等[6]將聚苯胺粉作為潤滑脂添加劑，結(jié)果表明該添加劑可將基礎脂體積電阻降低2個數(shù)量級，且具有優(yōu)良的減摩抗磨能力。有機化合物含有碳鏈或碳環(huán)，故在潤滑性能上更具優(yōu)勢。磷酸二苯酯和受阻酚類衍生物作為復合鋰基脂的潤滑添加劑具有優(yōu)良的摩擦學性能，且分別優(yōu)于二硫化鉬與二烷基二硫代磷酸鋅，其原因在于摩擦形成由氧化鐵、磷酸鐵和硫酸鐵等化合物組成的潤滑膜起到潤滑作用[7-8]。但上述磷酸二苯酯中含有活性磷原子危害環(huán)境，為了降低環(huán)境污染，有機環(huán)保高效復合鋰基脂潤滑添加劑的研發(fā)刻不容緩。植物葉片蠟質(zhì)作為一種純天然產(chǎn)物，無毒無害并具有完全生物降解的特性，是優(yōu)良的環(huán)保材料[9-12]。本課題將黑楊與香花槐葉片蠟質(zhì)提取物作為潤滑脂添加劑，并與石蠟添加劑進行對比，采用MTF-R4000往復摩擦磨損試驗機考察蠟質(zhì)添加劑對復合鋰基潤滑脂摩擦學性能的影響，使用光學顯微鏡觀察磨痕表面形貌，用能譜儀分析磨痕表面元素分布。

1 實 驗

1.1 試驗材料

葉片蠟質(zhì)材料取自于黑楊和香花槐，其中黑楊蠟質(zhì)材料來源于北緯40°11′20″、東經(jīng)122°2′38″生長的楊樹，香花槐蠟質(zhì)材料來源于北緯40°11′13″、東經(jīng)122°2′40″生長的槐樹，試驗用樹及葉片照片如圖1所示。

圖1 試驗用樹及葉片照片

采摘葉片后進行清洗并使其自然風干，再加入到氯仿中浸泡5～15 s取出，將得到的溶液過濾，待氯仿?lián)]發(fā)完全后即得到葉片蠟質(zhì)材料，使用氣質(zhì)聯(lián)用(GC-MS，Agilent)方法分析蠟質(zhì)的化學成分。

試驗所用氯仿、十二羥基硬脂酸、癸二酸、氫氧化鋰、石蠟均為國藥集團化學試劑有限公司生產(chǎn)；石油醚為天津歐博凱化工有限公司生產(chǎn)；合成酯為長沙眾城石化有限公司生產(chǎn)。

摩擦試驗所用AISI52100鋼球直徑為5 mm，硬度為7.5 GPa；所用2024鋁盤尺寸為24 mm×7.8 mm，硬度為145 HV。

1.2 復合鋰基脂的制備

1.3 摩擦磨損試驗

使用MFT-R4000往復摩擦磨損試驗機，在22～23.5 ℃、38%～44%濕度下進行試驗。摩擦副為球-盤接觸，試驗振幅為5 mm、頻率5 Hz、時間30 min，試驗載荷分別為20，30，40 N。試驗前將鋼球和鋁塊放入石油醚中超聲清洗15 min，每個數(shù)據(jù)點重復3次。

1.4 磨痕表面分析

試驗結(jié)束后再次將鋁塊放入石油醚中超聲清洗15 min，使用光學顯微鏡(Nikon)測量鋁塊的磨痕寬度并觀察磨痕形貌，用能譜儀(EDS)分析磨痕表面成分。

2 結(jié)果與討論

2.1 蠟質(zhì)成分分析

兩種蠟質(zhì)的化學成分見表1。從表1可以看出：植物葉片蠟質(zhì)主要成分是烴類、醇類、酸類和酯類等，其中烴類占40%～50%；兩種蠟質(zhì)含量最高的成分為烴類和酯類，其中，黑楊蠟質(zhì)相對于香花槐蠟質(zhì)有更高的酯類、酮類、醚類和酚類含量，而其烴類和醇類含量則小于香花槐蠟質(zhì)含量。從所含官能團的極性強弱上來看，極性從強到弱的順序為：酚類>醇類>酮類>酯類>醚類>烴類，極性越強的有機化合物物理吸附能力越強，所形成的物理吸附膜強度也更大[14]。

表1 兩種蠟質(zhì)的化學成分 w,%

2.2 摩擦磨損試驗

在基礎脂中分別添加不同量的黑楊、香花槐蠟質(zhì)和石蠟，載荷為20 N條件下潤滑試驗的摩擦因數(shù)及鋁塊的磨痕寬度見圖2。從圖2可以看出，黑楊、香花槐蠟質(zhì)和石蠟均能降低試驗的摩擦因數(shù)及鋁塊的磨痕寬度，提高基礎脂的減摩抗磨能力，其中含1.6%黑楊蠟質(zhì)和1.6%香花槐蠟質(zhì)潤滑脂潤滑試驗的摩擦因數(shù)和鋁塊的磨痕寬度較小，相對于添加1.6%石蠟潤滑脂潤滑試驗的摩擦因數(shù)分別減少10.54%和8.83%，鋁塊的磨痕寬度分別減少6.54%和6.23%。表明黑楊和香花槐葉片蠟質(zhì)是一種優(yōu)良的摩擦改進劑。

圖2 添加劑添加量對潤滑脂潤滑試驗摩擦因數(shù)及鋁塊磨痕寬度的影響■—基礎脂； ■—基礎脂+黑楊蠟質(zhì)；■—基礎脂+香花槐蠟質(zhì)； ■—基礎脂+石蠟

在基礎脂中分別添加1.6%黑楊蠟質(zhì)、1.6%香花槐蠟質(zhì)，不同載荷條件下潤滑試驗的摩擦因數(shù)及鋁塊的磨痕寬度見圖3。從圖3可以看出，試驗的摩擦因數(shù)及鋁塊的磨痕寬度隨著載荷的增大而增大，在20 N和30 N載荷下，1.6%黑楊蠟質(zhì)潤滑脂試驗的摩擦因數(shù)及鋁塊的磨痕寬度均小于1.6%香花槐蠟質(zhì)潤滑脂試驗的摩擦因數(shù)及鋁塊的磨痕寬度，但當載荷為40 N時，1.6%香花槐蠟質(zhì)潤滑脂相對于黑楊蠟質(zhì)潤滑脂試驗的摩擦因數(shù)及鋁塊的磨痕寬度更小。表明兩種蠟質(zhì)添加劑在不同載荷下均能有效提高基礎脂的減摩抗磨能力。

圖3 載荷對潤滑脂潤滑試驗摩擦因數(shù)及鋁塊磨痕寬度的影響■—基礎脂； ■—基礎脂+1.6%黑楊蠟質(zhì)；■—基礎脂+1.6%香花槐蠟質(zhì)

2.3 磨痕表面形貌

在基礎脂中分別添加1.6%黑楊蠟質(zhì)、1.6%香花槐蠟質(zhì)，40 N載荷條件下潤滑試驗的鋁塊磨痕表面形貌見圖4。從圖4可以看出：①基礎脂潤滑下的磨痕表面出現(xiàn)嚴重的黏著磨損，同時還有明顯的由磨粒磨損形成的犁溝；②與基礎脂相比，1.6%黑楊蠟質(zhì)潤滑脂潤滑下的磨痕表面犁溝數(shù)量明顯減少，抗黏著能力增強；③與黑楊蠟質(zhì)潤滑脂相比，1.6%香花槐蠟質(zhì)潤滑脂潤滑下的磨痕表面犁溝數(shù)量減少，抗黏著磨損能力更強。表明蠟質(zhì)添加劑的加入有效減輕摩擦表面的黏著磨損和磨粒磨損，并且香花槐蠟質(zhì)的抗磨效果優(yōu)于黑楊蠟質(zhì)。

圖4 不同潤滑脂潤滑下鋁塊磨痕表面形貌

2.4 磨痕表面物質(zhì)分析

在基礎脂中分別添加1.6%黑楊蠟質(zhì)、1.6%香花槐蠟質(zhì)，40 N載荷條件下潤滑試驗鋁塊磨痕表面元素分布如表2所示。從表2可以看出，基礎脂中加入蠟質(zhì)后磨痕表面鋁元素含量明顯提高，而氧元素含量明顯減少。金屬元素可能是以氧化物等形式存在，而氧化物來源于摩擦過程中的氧化作用，它們固定在磨痕表面形成了一層氧化膜來抵抗摩擦[15]。加入蠟質(zhì)后，磨痕表面被氧化的鋁相對減少，蠟質(zhì)中的有機物在摩擦過程中通過物理吸附與化學反應形成一層有機潤滑膜，這層有機潤滑膜與氧化膜協(xié)同作用提高了潤滑脂的減摩抗磨能力[16-17]。

表2 磨痕表面元素分布 w,%

3 結(jié) 論

(1)含有多種醇、酯等有機化合物的植物葉片蠟質(zhì)可以有效地提高潤滑脂的減摩抗磨能力，性能明顯優(yōu)于主要成分為直鏈烷烴的石蠟添加劑。

(2)在載荷為20 N條件下，1.6%黑楊蠟質(zhì)和1.6%香花槐蠟質(zhì)潤滑脂潤滑試驗的摩擦因數(shù)和鋁塊的磨痕寬度較小，相對于添加1.6%石蠟潤滑脂潤滑試驗的摩擦因數(shù)分別減少10.54%和8.83%，鋁塊的磨痕寬度分別減少6.54%和6.23%。表明黑楊和香花槐葉片蠟質(zhì)是一種優(yōu)良的摩擦改進劑。

(3)加入蠟質(zhì)后，磨痕表面被氧化的鋁相對減少，蠟質(zhì)中的有機物在摩擦過程中通過物理吸附與化學反應形成一層有機潤滑膜，這層有機潤滑膜與氧化膜協(xié)同作用提高了潤滑脂的減摩抗磨能力。