納米顆粒添加劑對(duì)切削油摩擦學(xué)性能的影響

馬尊嚴(yán),馬利杰,毛信輝,李晨睿,馮翠婭,閆勇亮

1河南科技學(xué)院機(jī)電學(xué)院;2河南一工專(zhuān)用刀具有限公司

1 引言

在切削加工中,為保證加工質(zhì)量并降低成本,采用切削潤(rùn)滑液(油)進(jìn)行減摩降溫是一種必要手段,常用的切削潤(rùn)滑液(油)主要有乳化液、切削油、潤(rùn)滑脂等[1]。但其應(yīng)用存在諸多不足:效能得不到充分發(fā)揮,適用溫度范圍小(通常為-60℃～350℃),環(huán)境污染嚴(yán)重并危害人體健康等,往往難以滿足高速、精密和難加工材料切削的使用要求[2,3]。

隨著顆粒摩擦學(xué)的發(fā)展,納米顆粒作為切削液(油)添加劑的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。這些顆粒通常具有粒徑小、比表面積大、化學(xué)活性高的特點(diǎn),作為添加劑能使切削液(油)的導(dǎo)熱率及減摩抗磨特性得到顯著提高[4,5]。相比傳統(tǒng)澆注潤(rùn)滑,納米顆粒潤(rùn)滑液具有潤(rùn)滑性能好、適用范圍廣、綠色清潔的優(yōu)點(diǎn),在切削潤(rùn)滑領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[6]。

納米顆粒添加劑種類(lèi)主要有金屬、金屬氧化物、硫化物、納米復(fù)合材料、碳納米顆粒和稀土化合物等,其中對(duì)金屬納米顆粒的研究最為廣泛[7]。于鶴龍等[8]研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)表面修飾的納米銅顆粒作為650SN潤(rùn)滑油的添加劑時(shí),納米銅顆粒會(huì)在摩擦過(guò)程中熔化,從而潤(rùn)濕摩擦副基體,并最終鋪展形成一層軟的銅保護(hù)膜,提高潤(rùn)滑油的減摩抗磨性能。孫天華等[9]研究發(fā)現(xiàn),花狀O-MoS2作為潤(rùn)滑油添加劑可顯著改善PAO-8油的減摩抗磨性能,這是因?yàn)榛頞-MoS2因加入氧使晶面間距從6.15?增大至10.5?,膨脹的層間距有利于MoS2沿晶面發(fā)生滑移,降低剪切阻力。徐建林等[10]研究了銻顆粒對(duì)潤(rùn)滑油摩擦學(xué)性能的影響,結(jié)果表明:粒徑為40nm的顆粒潤(rùn)滑液表現(xiàn)出了最優(yōu)異的抗磨減摩性能,小尺寸效應(yīng)和高表面能是納米銻顆粒改善潤(rùn)滑油摩擦學(xué)性能的主要原因。Singh Y.等[11]研究了不同濃度的SiO2納米顆粒潤(rùn)滑液的摩擦學(xué)性能,結(jié)果顯示:添加適量的SiO2納米顆?？梢愿纳苹A(chǔ)油的潤(rùn)滑性能,降低摩擦系數(shù)和磨損率,在濃度為0.6wt.%時(shí)效果最佳;而當(dāng)濃度達(dá)1.2wt.%時(shí),摩擦系數(shù)和磨損率都高于純油,磨損表面也出現(xiàn)了不規(guī)則的深溝槽。Sujan K.等[12]研究了Al2O3/WS2復(fù)合顆粒的摩擦學(xué)性能,發(fā)現(xiàn)外載荷能將硬度較高的Al2O3顆粒壓入摩擦副表面,降低磨損率,同時(shí)片狀WS2顆粒在外力和相對(duì)運(yùn)動(dòng)的作用下吸附在銅板表面形成固體潤(rùn)滑膜,從而降低摩擦系數(shù)。Su Y.等[13]考察了直徑35nm和80nm的石墨顆粒對(duì)LB2000植物油摩擦學(xué)性能的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn),納米石墨能在摩擦副表面形成物理沉積膜,從而提高了植物油的減摩抗磨性能,在相同的體積分?jǐn)?shù)下,顆粒粒徑越小,摩擦系數(shù)和磨損率越小。

上述研究表明,選擇合適的納米顆粒介質(zhì)作為添加劑可以顯著提高潤(rùn)滑液(油)的減摩抗磨性能。然而,工程實(shí)踐中的摩擦副形式多樣,納米顆粒添加劑也種類(lèi)繁多,從而給添加劑的選用帶來(lái)了很大困難,同時(shí)目前相關(guān)的研究還比較少,缺乏充分的實(shí)踐參考依據(jù)。為此,本文通過(guò)硬質(zhì)合金和鎳基合金的摩擦學(xué)試驗(yàn),研究不同納米顆粒添加劑對(duì)切削油減摩抗磨性能的影響,并優(yōu)選出適合硬質(zhì)合金/鎳基合金摩擦副的顆粒潤(rùn)滑介質(zhì)。

2 試驗(yàn)方法及過(guò)程

2.1 摩擦磨損試驗(yàn)

如圖1所示,在MWF-500往復(fù)式摩擦試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn),上試樣固定于主軸,下試樣用石蠟固定于載物槽內(nèi)。摩擦試樣如圖2所示,下試樣為15mm×15mm×3mm的Inconel 718矩形塊,其化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 Inconel 718鎳基合金化學(xué)成分 (%)

圖1 摩擦磨損試驗(yàn)

圖2 摩擦試樣

為了減小試驗(yàn)誤差,試驗(yàn)前對(duì)下試樣原始表面進(jìn)行研磨處理,使表面粗糙度在同一水平,預(yù)處理后的粗糙度為150nm左右(見(jiàn)圖3)。上試樣為YG6硬質(zhì)合金球,直徑為φ6.5mm,鈷含量為6%,硬度為HRA89.5。在此基礎(chǔ)上,開(kāi)展純油和不同顆粒潤(rùn)滑液下的摩擦學(xué)試驗(yàn),摩擦行程為6mm,往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度為150r/min,其中單程滑動(dòng)距離為6mm,滑動(dòng)速度為30mm/s,法向載荷為80N,摩擦?xí)r長(zhǎng)為60min。試驗(yàn)過(guò)程中記錄摩擦系數(shù)的實(shí)時(shí)結(jié)果,每組試驗(yàn)重復(fù)3次。

圖3 Inconel 718鎳基合金研磨預(yù)處理前后的表面形貌

2.2 顆粒潤(rùn)滑液配制

試驗(yàn)選用的納米顆粒潤(rùn)滑介質(zhì)包括SiO2,Al2O3,MoS2,WS2和石墨,顆粒粒徑均為30nm左右,納米顆粒濃度為5%,10%,15%和20%。切削油選用長(zhǎng)城L-MH46抗磨潤(rùn)滑油,其閃點(diǎn)為238℃,傾點(diǎn)為-12℃,40℃時(shí)的黏度為46×10-6m2/s。

由于納米材料本身具有較大的表面能和比表面積,極易造成納米粒子的團(tuán)聚,限制了納米顆粒添加劑在潤(rùn)滑油中的應(yīng)用[14,15]。為此,本研究采用表面改性劑來(lái)提高納米顆粒在潤(rùn)滑油中的分散性,試驗(yàn)選用的表面改性劑如表2所示,添加量為納米顆粒含量的50%。在配制顆粒潤(rùn)滑液時(shí),將納米顆粒和表面活性劑以規(guī)定的質(zhì)量比加入潤(rùn)滑油中,磁力攪拌30min,超聲振蕩30min,得到如圖4所示的均勻分散的顆粒潤(rùn)滑液。

表2 表面改性劑種類(lèi)[16-20]

圖4 均勻分散的顆粒潤(rùn)滑液

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 不同納米顆粒添加劑的減摩性能分析

3.1.1 純油潤(rùn)滑下的摩擦系數(shù)及磨痕特征

圖5為純油潤(rùn)滑時(shí)的磨痕特征及摩擦系數(shù)?？梢钥吹?摩擦系數(shù)的變化反映了摩擦過(guò)程的三個(gè)不同的階段:初期磨損Ⅰ、中期磨損Ⅱ和后期磨損Ⅲ。

(a)初期磨損階段的磨痕特征

在初期磨損階段,摩擦副的接觸面積較小且存在油膜,主要表現(xiàn)為滑動(dòng)摩擦,摩擦系數(shù)較低,此時(shí)磨痕的粗糙度為2800.76nm。在中期磨損階段,隨著摩擦區(qū)溫度的升高,摩擦副發(fā)生黏結(jié)磨損,出現(xiàn)表面粗糙度峰值,呈現(xiàn)邊界摩擦特征,摩擦系數(shù)瞬間上升達(dá)到最大值,此時(shí)的摩擦系數(shù)為f=0.178,磨痕的表面粗糙度也增大到3883.95nm。此后,隨著黏結(jié)點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)及撕裂,摩擦副呈犁溝和凸峰接觸狀態(tài),從而使?jié)櫥透菀走M(jìn)入摩擦區(qū)并再次發(fā)揮作用,因此摩擦系數(shù)呈逐漸下降趨勢(shì)。在后期磨損階段,隨著磨痕變寬、摩擦副接觸面積的增大,單位面積的正壓力變小,使?jié)櫥偷淖饔眯Ч軌虻玫匠掷m(xù)發(fā)揮,從而摩擦系數(shù)呈現(xiàn)平穩(wěn)變化,同時(shí)磨痕表面在合金球的往復(fù)作用下被逐漸打磨平整,粗糙度下降為3191.64nm。

3.1.2 不同納米顆粒添加劑的減摩性能

圖6為不同顆粒潤(rùn)滑液的摩擦系數(shù)變化曲線。由圖可知,顆粒潤(rùn)滑液的摩擦系數(shù)變化曲線不具有類(lèi)似于純油潤(rùn)滑的三個(gè)階段,而是直接或經(jīng)短時(shí)間衰減后進(jìn)入平穩(wěn)狀態(tài),表明納米顆粒添加劑對(duì)于改善切削油性能、穩(wěn)定摩擦狀態(tài)、減小摩擦力具有明顯的效果;不同的顆粒添加劑種類(lèi)獲得最小摩擦系數(shù)的濃度值也不完全相同,這與不同顆粒介質(zhì)的自身物理力學(xué)性能有關(guān);在五種顆粒潤(rùn)滑液中,硬質(zhì)顆粒(Al2O3和SiO2)潤(rùn)滑液的摩擦系數(shù)波動(dòng)較小,具有更好的穩(wěn)定性,這可能是硬質(zhì)顆粒在摩擦界面間的滾滑運(yùn)動(dòng)作用的結(jié)果;相比之下,石墨顆粒對(duì)切削油減摩性能的提升最小,SiO2和MoS2顆粒的提升作用最顯著,SiO2顆粒潤(rùn)滑液能得到更低且穩(wěn)定的摩擦系數(shù)。

(a)石墨顆粒潤(rùn)滑液

圖6a為石墨顆粒潤(rùn)滑液下的摩擦系數(shù)變化曲線。可知,石墨顆粒濃度為5%時(shí)對(duì)切削油的減摩性能提升較小,但隨著顆粒濃度增加,潤(rùn)滑油的減摩性能逐漸得到提升,因此10%和15%石墨顆粒濃度的摩擦系數(shù)較5%濃度時(shí)有了明顯改善,并在15%石墨顆粒濃度潤(rùn)滑時(shí)取得更小的摩擦系數(shù)。20%石墨顆粒濃度潤(rùn)滑液下的摩擦系數(shù)在初期就達(dá)到了最大值,隨后迅速降低并保持穩(wěn)定直至摩擦結(jié)束,且最大摩擦系數(shù)為0.152,低于純油潤(rùn)滑時(shí)的最大摩擦系數(shù)0.178。這可能是因?yàn)?石墨顆粒濃度過(guò)大時(shí)無(wú)法在摩擦初期形成有效潤(rùn)滑膜,不能起到良好的減摩效果,但當(dāng)摩擦表面被破壞后,由于納米顆粒尺寸遠(yuǎn)小于摩損缺陷尺寸,顆粒能夠進(jìn)入到磨損區(qū)域,對(duì)磨損表面起到修補(bǔ)作用,所以摩擦系數(shù)相比純油潤(rùn)滑能夠更快達(dá)到穩(wěn)定階段。

圖6b和6c為Al2O3與WS2顆粒潤(rùn)滑液的摩擦系數(shù)變化曲線,兩者變化趨勢(shì)類(lèi)似。在摩擦初期,兩者的摩擦系數(shù)波動(dòng)較大,而在中后期,摩擦系數(shù)都隨著顆粒濃度的增加而下降。其原因在于:在摩擦初期,摩擦副的接觸面積小,接觸壓力大,顆粒潤(rùn)滑液難以在接觸區(qū)形成均勻潤(rùn)滑膜。而在中后期,隨著摩擦過(guò)程進(jìn)行,摩擦區(qū)的溫度升高,從而使顆粒潤(rùn)滑液的黏度降低,流動(dòng)性更好,同時(shí)納米顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)更加劇烈,在磨損表面成膜速度加快,因此摩擦系數(shù)隨顆粒濃度的增幅變小。

圖6d為MoS2顆粒潤(rùn)滑液的摩擦系數(shù)變化曲線?？芍?采用MoS2顆粒潤(rùn)滑液進(jìn)行潤(rùn)滑時(shí),各濃度下的摩擦系數(shù)都是先升高后降低,但在15%和20%MoS2顆粒濃度下,摩擦系數(shù)上升之后快速開(kāi)始下降并趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)轭w粒潤(rùn)滑液中MoS2濃度增大后,潤(rùn)滑膜形成速度更快,從而表明較高的MoS2顆粒濃度對(duì)潤(rùn)滑油減摩性能的提升作用更好。

圖6e為SiO2顆粒潤(rùn)滑液下摩擦系數(shù)變化曲線。可知,采用SiO2顆粒潤(rùn)滑液進(jìn)行潤(rùn)滑時(shí),5%SiO2顆粒濃度取得了較低的摩擦系數(shù),但摩擦系數(shù)曲線整體波動(dòng)較大。10%和15%SiO2顆粒濃度的摩擦系數(shù)隨時(shí)間幾乎沒(méi)有變化,且在SiO2顆粒為10%濃度時(shí)獲得了最小的摩擦系數(shù)(f=0.052),這說(shuō)明當(dāng)潤(rùn)滑油中的SiO2顆粒濃度為10%時(shí)減摩性能最好。當(dāng)SiO2顆粒濃度升高到15%時(shí),顆粒潤(rùn)滑液黏度增大,摩擦過(guò)程中需要克服的顆粒潤(rùn)滑液自身阻力增大,從而導(dǎo)致整體摩擦力增大,進(jìn)而引起摩擦系數(shù)升高[21]。當(dāng)SiO2顆粒濃度為20%時(shí),顆粒潤(rùn)滑液黏度更大,幾乎喪失了流動(dòng)性,顆粒潤(rùn)滑液不能夠充分覆蓋于磨損表面上,部分區(qū)域的摩擦狀態(tài)為干摩擦或半干摩擦,摩擦副直接接觸導(dǎo)致摩擦力瞬間增大,同時(shí)還會(huì)劃傷基體。

3.2 不同納米顆粒添加劑的抗磨性能分析

3.2.1 磨痕形貌

圖7為純油潤(rùn)滑下的磨痕形貌?？芍?純油潤(rùn)滑下磨痕邊緣處發(fā)生了嚴(yán)重的塑性變形,磨損表面有明顯的裂紋及基體脫落。這是由于油膜被破壞后,硬質(zhì)合金球直接作用在下試樣表面,導(dǎo)致摩擦力增大,工件表面發(fā)生塑性形變;隨著摩擦的長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行,磨損表面在循環(huán)應(yīng)力的作用下形成了疲勞裂紋,潤(rùn)滑油被擠入裂紋中產(chǎn)生高壓,使裂紋加速擴(kuò)展,當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定深度時(shí),基體底部發(fā)生斷裂,導(dǎo)致材料脫落,在磨損表面形成剝落坑。

(a)裂紋及基體剝落 (b)磨痕整體形貌 (c)塑性變形

圖8為石墨顆粒潤(rùn)滑液下的磨痕形貌?？梢?jiàn),由于5%石墨顆粒濃度下的減摩效果差,因此磨痕形貌與純油類(lèi)似,出現(xiàn)了疲勞裂紋及大面積的基體剝落現(xiàn)象;隨著顆粒濃度增加,潤(rùn)滑油的抗磨效果有所提升,在10%和15%石墨顆粒濃度下的磨損表面僅出現(xiàn)犁溝及少量剝落坑;在20%石墨顆粒濃度下,由于摩擦系數(shù)快速降至最小值,因此在中后期磨損程度較小,磨損表面并未出現(xiàn)犁溝和基體脫落現(xiàn)象,相比其他三種濃度顆粒潤(rùn)滑液的磨損形貌有明顯的改善。

圖8 石墨顆粒潤(rùn)滑液的磨痕形貌

圖9和圖10分別為Al2O3和WS2顆粒潤(rùn)滑液的磨痕形貌?？梢?jiàn),兩種潤(rùn)滑條件下的磨損表面都有明顯的擦傷及犁溝,說(shuō)明磨擦過(guò)程中有大量的磨屑進(jìn)入摩擦表面,產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的磨粒磨損。因磨粒磨損犁出溝槽后,犁出材料沿溝槽兩側(cè)堆積,隨后的摩擦又將堆積的部分壓平,一部分重新回到犁溝內(nèi),另一部分被涂抹到摩擦副表面(見(jiàn)圖10),這種材料涂抹現(xiàn)象在其他潤(rùn)滑條件下也有發(fā)生。另外,磨損表面還出現(xiàn)了因黏著磨損導(dǎo)致的輕微基體剝落現(xiàn)象。隨著濃度增加,兩種潤(rùn)滑液潤(rùn)滑下的摩擦副表面犁溝數(shù)量和深度降低,說(shuō)明隨著顆粒濃度增加,潤(rùn)滑油的抗磨效果有所提升。

圖9 Al2O3顆粒潤(rùn)滑液的磨痕形貌

圖10 WS2顆粒潤(rùn)滑液的磨痕形貌

圖11為MoS2顆粒潤(rùn)滑液條件下的磨痕形貌。可以看到,5%MoS2顆粒濃度下的磨痕發(fā)生了磨粒磨損和輕微的黏著磨損,出現(xiàn)了不同程度的犁溝及剝落坑;10%MoS2顆粒濃度下磨痕的表面犁溝及剝落坑數(shù)量有所減小;當(dāng)MoS2顆粒濃度為15%時(shí),幾乎看不到明顯的剝落坑,而且犁溝數(shù)量及深度也明顯降低,說(shuō)明在此范圍內(nèi),潤(rùn)滑油抗磨性能隨顆粒濃度增加而上升;當(dāng)MoS2顆粒濃度提升至20%時(shí),犁溝寬度有所增大,且重新產(chǎn)生了剝落坑,表明此時(shí)的顆粒濃度過(guò)大,抗磨性能有所下降。

圖11 MoS2顆粒潤(rùn)滑液的磨痕形貌

圖12為SiO2顆粒潤(rùn)滑液的磨痕形貌。采用SiO2顆粒潤(rùn)滑液時(shí),5%SiO2顆粒濃度下發(fā)生了較為嚴(yán)重磨粒磨損及輕微的黏著磨損,磨損表面有明顯的犁溝和剝落坑;10%和15%SiO2顆粒濃度潤(rùn)滑下的磨損表面光滑且平整,尤其是15%SiO2顆粒濃度潤(rùn)滑時(shí),幾乎沒(méi)有產(chǎn)生明顯磨損痕跡,表現(xiàn)出優(yōu)異的抗磨性能;由于20%SiO2顆粒濃度下的顆粒潤(rùn)滑液黏度過(guò)大,在進(jìn)行摩擦試驗(yàn)時(shí)顆粒潤(rùn)滑液不能夠充分覆蓋于磨損表面上,因此會(huì)出現(xiàn)上下試樣直接摩擦的情況,導(dǎo)致磨損表面出現(xiàn)了嚴(yán)重的塑性變形。

圖12 SiO2顆粒潤(rùn)滑液的磨痕形貌

3.2.2 磨痕寬度

圖13為不同潤(rùn)滑條件下的下試樣磨痕寬度。可以看到,純油潤(rùn)滑下的磨痕寬度為1208.43μm。由于Al2O3和WS2添加劑顆粒濃度越大,潤(rùn)滑油抗磨性能越好,因此磨痕寬度也隨著濃度增加而降低,但都明顯高于純油潤(rùn)滑。5%和20%石墨顆粒濃度的潤(rùn)滑液在摩擦中后期磨損程度較小,因此磨痕寬度明顯低于10%和15%石墨顆粒濃度,也略低于純油潤(rùn)滑。對(duì)于MoS2顆粒潤(rùn)滑液,除10%MoS2顆粒濃度外,其他濃度下的磨痕寬度均小于純油潤(rùn)滑,并在20%MoS2顆粒濃度潤(rùn)滑下取得最小的磨痕寬度888.27μm,相較于純油潤(rùn)滑降低了26.49%。SiO2顆粒潤(rùn)滑液在各濃度下都得到了低于純油潤(rùn)滑的磨痕寬度,其中10%和15%SiO2顆粒濃度下得到的磨痕寬度較小,分別為619.5μm和585.44μm,相比純油潤(rùn)滑降低了48.74%和51.55%,因此15%的SiO2顆粒添加劑對(duì)潤(rùn)滑油的抗磨性能提升最為顯著。

圖13 Inconel 718鎳基合金在不同潤(rùn)滑條件的磨痕寬度

4 結(jié)語(yǔ)

(1)向潤(rùn)滑油中加入納米顆粒添加劑可以降低摩擦系數(shù)或使摩擦系數(shù)長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定,同時(shí)能夠降低磨損程度,改善磨損表面形貌。但納米顆粒潤(rùn)滑液的減摩抗磨性能與添加納米顆粒的種類(lèi)和濃度密切相關(guān)。

(2)對(duì)于硬質(zhì)合金/鎳基合金摩擦副,除5%石墨顆粒濃度潤(rùn)滑液外,其他顆粒潤(rùn)滑液均具有優(yōu)于原潤(rùn)滑油的減摩性能,且Al2O3,WS2和SiO2顆粒潤(rùn)滑液還能使摩擦系數(shù)長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定。其中,MoS2顆粒15%濃度的潤(rùn)滑液具有最好的減摩效果,摩擦系數(shù)f可降至0.043,10%SiO2顆粒濃度的潤(rùn)滑液使摩擦系數(shù)保持長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的同時(shí)還可以獲得較低的摩擦系數(shù),f=0.052。

(3)除5%石墨顆粒濃度外,加入其他顆粒添加劑均可以改善磨痕表面形貌,提升摩擦表面質(zhì)量。但Al2O3,WS2,10%MoS2顆粒濃度以及10%,15%石墨顆粒濃度潤(rùn)滑液增大了磨痕寬度,相比之下,15%SiO2顆粒濃度的添加劑對(duì)潤(rùn)滑油的抗磨性能提升最為顯著,得到了最優(yōu)的磨損表面形貌及最小的磨痕寬度585.44μm。