添加納米SnO2顆粒納米潤(rùn)滑油的摩擦學(xué)性能

吳 帆，王丙旭，胡 明，楊金林，胡子瑞，崔威威，張 宇

(浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，杭州 310018)

0 引 言

隨著納米技術(shù)的快速發(fā)展，納米材料在摩擦學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景越來(lái)越廣闊[1-2]。其中，高性能納米潤(rùn)滑油(添加一定量納米顆粒的潤(rùn)滑油)的相關(guān)研究得到了廣泛關(guān)注，納米顆粒的添加顯著提高了傳統(tǒng)潤(rùn)滑油的摩擦學(xué)性能。常用的納米顆粒材料包括銅、銀等軟金屬，ZnO、ZrO2等氧化物，WS2、MoS2等硫化物，LaF3、CeO2等稀土化合物，以及Cu/SiO2、Al2O3/TiO2等納米復(fù)合材料[3-12]。通過(guò)對(duì)納米潤(rùn)滑油摩擦學(xué)特性的研究和分析，發(fā)現(xiàn)其減摩抗磨機(jī)理包括納米顆粒的軸承效應(yīng)、表面修補(bǔ)作用、表面拋光效應(yīng)以及形成物理吸附層和化學(xué)反應(yīng)膜等[13-17]。

近年來(lái)，納米SnO2顆粒已經(jīng)被證實(shí)能夠有效提高潤(rùn)滑油/基礎(chǔ)油的減摩抗磨能力[18-19]。但是當(dāng)前納米SnO2潤(rùn)滑油(添加納米SnO2顆粒的潤(rùn)滑油)摩擦學(xué)性能測(cè)試所使用的摩擦副大多是鋼-鋼或鋼-鑄鐵，而硬度相差較大的摩擦副如鋼軸與黃銅軸瓦同樣需要高性能潤(rùn)滑油以降低接觸面的摩擦因數(shù)和磨損量，但這方面的研究很少。為此，作者將等質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米SnO2顆粒和油酸加入到聚α-烯烴(PAO6)基礎(chǔ)油中制備了納米潤(rùn)滑油，通過(guò)往復(fù)滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)研究了納米SnO2潤(rùn)滑油在鋼球-黃銅塊摩擦副中的摩擦學(xué)性能，并探討了納米SnO2顆粒作為潤(rùn)滑油添加劑的減摩抗磨機(jī)理，為納米潤(rùn)滑油的深入研究和實(shí)際應(yīng)用提供理論和試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用納米SnO2顆粒由上海超威納米科技有限公司提供，粒徑在10～20 nm，密度為0.63 g·cm-3，純度為99.99%，比表面積在80 m2·g-1，微觀形貌見(jiàn)圖1，形狀近球形；PAO6基礎(chǔ)油由上海七惜國(guó)際貿(mào)易公司提供，20 ℃下運(yùn)動(dòng)黏度為55.4 mm2·s-1，密度為827 kg·m-3；油酸由安徽芃遠(yuǎn)生物科技有限公司提供，純度為98%，摩爾質(zhì)量為284.62 g·mol-1。

圖1 納米SnO2顆粒的微觀形貌Fig.1 Micromorphology of SnO2 nanoparticles

按照表1稱取原料，納米SnO2潤(rùn)滑油中油酸與納米SnO2顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)保持一致。將納米SnO2顆粒和油酸加入到PAO6基礎(chǔ)油中，使用超聲波清洗機(jī)進(jìn)行預(yù)分散處理，功率50 W，頻率40 kHz，時(shí)間5 min，再使用SM-1000C型超聲波分散儀進(jìn)行強(qiáng)分散處理，功率400 W，時(shí)間15 min，一個(gè)強(qiáng)分散處理周期包括混合2 s和停止4 s。

表1 潤(rùn)滑油原料配比

如圖2所示，使用MXW-1型多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行球-盤(pán)往復(fù)滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)。摩擦副上試樣為GCr15鋼球，直徑為6 mm，硬度為65 HRC，表面粗糙度Ra為10 nm；下試樣為H59黃銅塊，尺寸為30 mm×20 mm×6 mm，硬度為56 HRB，表面粗糙度Ra在100～200 nm。試驗(yàn)中黃銅塊完全浸沒(méi)在潤(rùn)滑油中，潤(rùn)滑油包括PAO6基礎(chǔ)油、僅添加油酸制備的潤(rùn)滑油、同時(shí)添加油酸和納米SnO2顆粒制備的納米潤(rùn)滑油。試驗(yàn)前后均使用丙酮清洗黃銅塊磨損表面。使用JB-5C型探針式表面輪廓儀測(cè)試黃銅磨損表面磨痕的寬度和深度。使用S-4800型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察磨損表面形貌，使用附帶的X-Max20型能譜儀(EDS)分析微區(qū)成分。

圖2 球-盤(pán)往復(fù)滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)示意Fig.2 Diagram of ball-on-plate reciprocating sliding wear test

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 不同組成潤(rùn)滑油對(duì)摩擦因數(shù)的影響

由圖3和圖4可以看出：當(dāng)使用PAO6基礎(chǔ)油潤(rùn)滑時(shí)，鋼-銅摩擦副的摩擦因數(shù)曲線波動(dòng)較大，可能是由于黃銅表面發(fā)生劇烈塑性變形、材料剝落和材料轉(zhuǎn)移而導(dǎo)致的[20-21]，穩(wěn)定后的平均摩擦因數(shù)約為0.332。當(dāng)使用1#，3#，5#潤(rùn)滑油潤(rùn)滑時(shí)，鋼-銅摩擦副的摩擦因數(shù)曲線波動(dòng)減小，穩(wěn)定后的平均摩擦因數(shù)明顯降低，降幅最大出現(xiàn)在油酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，降低約29.8%；但是油酸的減摩效果與其含量不成正比。在其他相關(guān)研究中也同樣發(fā)現(xiàn)油酸具有優(yōu)良的減摩性能[22-24]。當(dāng)使用2#，4#，6#潤(rùn)滑油潤(rùn)滑時(shí)，摩擦副的平均摩擦因數(shù)明顯低于使用PAO6基礎(chǔ)油潤(rùn)滑時(shí)；使用添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%納米SnO2顆粒的2#潤(rùn)滑油潤(rùn)滑時(shí)，摩擦副的平均摩擦因數(shù)高于使用未添加納米SnO2顆粒的1#潤(rùn)滑油潤(rùn)滑時(shí)，這可能是因?yàn)榧{米SnO2顆粒的加入促使摩擦副表面發(fā)生三體磨粒磨損，所產(chǎn)生的負(fù)面影響高于納米顆粒的減摩作用[25]；當(dāng)納米SnO2顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增至2%，3%時(shí)，摩擦副的平均摩擦因數(shù)低于使用未添加納米SnO2顆粒的3#，5#潤(rùn)滑油潤(rùn)滑時(shí)。

圖3 在不同潤(rùn)滑油中往復(fù)滑動(dòng)時(shí)鋼-銅摩擦副的摩擦因數(shù)曲線Fig.3 Friction coefficient curves of steel-brass tribo-pairs during reciprocating sliding in various lubricating oils:(a) 1# and 2# lubricating oils; (b) 3# and 4# lubricating oils and (c) 5# and 6# lubricating oils

圖4 在不同潤(rùn)滑油中往復(fù)滑動(dòng)時(shí)鋼-銅摩擦副的平均摩擦因數(shù)Fig.4 Average friction coefficients of steel-brass tribo-pairs during reciprocating sliding in various lubricating oils

2.2 不同組成潤(rùn)滑油對(duì)磨痕尺寸的影響

由圖5可以看出：當(dāng)使用PAO6基礎(chǔ)油潤(rùn)滑時(shí)，黃銅表面磨痕寬度和深度最大，分別為630.3，34.7 μm，在基礎(chǔ)油中加入油酸(1#，3#，5#潤(rùn)滑油)或同時(shí)加入等質(zhì)量分?jǐn)?shù)油酸和納米SnO2顆粒(2#，4#，6#潤(rùn)滑油)后，黃銅表面磨痕寬度和磨痕深度均明顯減??；當(dāng)使用含質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%納米SnO2顆粒的2#潤(rùn)滑油潤(rùn)滑時(shí)，黃銅表面的磨痕寬度和深度與使用不含納米SnO2顆粒的1#潤(rùn)滑油潤(rùn)滑時(shí)相近，當(dāng)納米SnO2顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)提升到2%，3%時(shí)，黃銅表面的磨痕寬度和深度小于對(duì)應(yīng)未添加納米SnO2顆粒的3#，5#潤(rùn)滑油潤(rùn)滑時(shí)。這是因?yàn)橛捕认鄬?duì)較大的納米SnO2顆粒在黃銅表面形成了保護(hù)層，阻礙了鋼-銅摩擦副的直接接觸。

圖5 在不同潤(rùn)滑油中往復(fù)滑動(dòng)后黃銅表面磨痕寬度和深度Fig.5 Wear scar width (a) and depth (b) on brass surface after reciprocating sliding in various lubricating oils

2.3 不同組成潤(rùn)滑油對(duì)磨痕微觀形貌及微區(qū)成分的影響

由圖6可以看出：當(dāng)使用PAO6基礎(chǔ)油潤(rùn)滑時(shí)，黃銅表面磨痕內(nèi)部存在大量較深且較寬的劃痕，劃痕平行于滑動(dòng)方向，同時(shí)存在明顯的材料剝落和轉(zhuǎn)移現(xiàn)象；使用4#潤(rùn)滑油潤(rùn)滑時(shí)，黃銅表面的磨痕寬度減小，磨痕內(nèi)部犁溝數(shù)量減少，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的材料剝落和轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，但是劃痕內(nèi)部出現(xiàn)白色小顆粒和黑色塊狀物質(zhì)。由表2可以看出，在使用4#潤(rùn)滑油潤(rùn)滑條件下，黃銅磨痕內(nèi)出現(xiàn)的白色顆粒為SnO2顆粒，黑色塊狀物質(zhì)主要由碳元素組成，應(yīng)是試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的油酸潤(rùn)滑膜。磨痕內(nèi)部的SnO2顆粒尺寸大于原料納米SnO2顆粒，可能是因?yàn)榧{米顆粒在摩擦副表面的擠壓作用下發(fā)生了團(tuán)聚。

圖6 在不同潤(rùn)滑油中往復(fù)滑動(dòng)后黃銅表面磨痕SEM形貌Fig.6 SEM morphology of wear scar on brass surface after reciprocating sliding in different lubricating oils: (a) 0# lubricating oil, at low magnification; (b) 0# lubricating oil, at high magnification; (c) 4# lubricating oil, at low magnification and (d) 4# lubricating oil, at high magnification

表2 在4#潤(rùn)滑油中往復(fù)滑動(dòng)后黃銅表面不同位置[見(jiàn)圖6(d)]的EDS分析結(jié)果

由摩擦因數(shù)和磨痕尺寸判斷，4#潤(rùn)滑油(基礎(chǔ)油+質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%油酸+質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%納米SnO2顆粒)具有最佳的減摩抗磨性能，相比于PAO6基礎(chǔ)油，摩擦因數(shù)降低31%，黃銅表面磨痕寬度和深度分別降低42%，50%，同時(shí)摩擦因數(shù)曲線的波動(dòng)明顯減小。在球-盤(pán)往復(fù)滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)中，納米潤(rùn)滑油中的油酸會(huì)在黃銅表面形成低剪切阻力的潤(rùn)滑膜，從而降低摩擦因數(shù)和磨損量；同時(shí)，納米SnO2顆粒會(huì)隨基礎(chǔ)油進(jìn)入到鋼球與黃銅塊接觸表面，其中部分納米顆粒會(huì)隨鋼球一同運(yùn)動(dòng)并堆積于鋼球前端，隨后在外力作用下壓入黃銅表面形成保護(hù)層，分離鋼-銅摩擦副接觸表面，如圖7所示，進(jìn)一步降低摩擦因數(shù)和磨損程度。

圖7 納米SnO2顆粒的減摩抗磨機(jī)理Fig.7 Frictional reduction and anti-wear mechanism ofSnO2 nanoparticles

3 結(jié) 論

(1) 使用PAO6基礎(chǔ)油潤(rùn)滑時(shí)，鋼球-黃銅塊摩擦副的摩擦因數(shù)曲線波動(dòng)較大，平均摩擦因數(shù)約為0.332，黃銅表面磨痕寬度和深度最大；使用非納米潤(rùn)滑油(PAO6基礎(chǔ)油+質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%～3%油酸)潤(rùn)滑時(shí)，摩擦副的摩擦因數(shù)曲線波動(dòng)減小，平均摩擦因數(shù)以及黃銅表面磨痕寬度和深度均降低；使用納米SnO2潤(rùn)滑油(PAO6基礎(chǔ)油+質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%～3%油酸+質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%～3%納米SnO2顆粒)潤(rùn)滑時(shí)，當(dāng)納米SnO2顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不低于2%時(shí)，摩擦副的平均摩擦因數(shù)、黃銅表面磨痕寬度和深度均低于使用對(duì)應(yīng)未添加納米SnO2顆粒的潤(rùn)滑油潤(rùn)滑時(shí)。

(2) 當(dāng)油酸和納米SnO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為2%時(shí)，納米潤(rùn)滑油具有最佳的減摩抗磨性能，相比于PAO6基礎(chǔ)油，摩擦副的摩擦因數(shù)降低31%，黃銅表面磨痕寬度和深度分別降低42%，50%，同時(shí)摩擦因數(shù)曲線的波動(dòng)明顯減小；納米SnO2潤(rùn)滑油優(yōu)異的減摩抗磨性能歸結(jié)于油酸形成的低剪切阻力的潤(rùn)滑膜和納米SnO2顆粒形成的保護(hù)層。