(Si、Al)型混合物作為鋰基潤滑脂添加劑的摩擦學性能研究

陳 力，陳國需，陳漢林，劉 巖

(1.后勤工程學院軍事油料應用與管理工程系，重慶 401311；2.河南省軍區戰勤處)

(Si、Al)型混合物作為鋰基潤滑脂添加劑的摩擦學性能研究

陳 力1，陳國需1，陳漢林1，劉 巖2

(1.后勤工程學院軍事油料應用與管理工程系，重慶 401311；2.河南省軍區戰勤處)

利用四球摩擦磨損試驗機考察了(Si、Al)型混合物作為鋰基潤滑脂添加劑的摩擦學性能；采用光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡和能量色散譜儀對鋼球磨損表面進行表征。結果表明：(Si、Al)型混合物作為鋰基潤滑脂添加劑能夠顯著提高基礎脂的抗磨能力，但對減摩性能沒有明顯改善，當載荷為392 N和588 N、(Si、Al)型混合物添加量(w)為0.5%時，與基礎脂相比，(Si、Al)型混合物潤滑脂使鋼球磨斑直徑分別降低22.37%和48.97%，抗磨效果達到最佳；經過表面修飾，(Si、Al)型混合物粉體的油溶性有了一定程度的提高，但表面修飾并未使粉體的摩擦學性能明顯改變；在長磨過程中，磨損表面形成了一層由SiO2，Fe2O3，Al2O3組成的具有良好摩擦學性能的潤滑膜層。

鋰基脂 (Si、Al)型混合物 摩擦學性能

(Si、Al)型混合物是在冶煉硅鐵合金和工業硅時從煙塵中收集的一種超細硅質粉體材料，冶煉硅鐵過程中產生的粉體一部分排放在大氣中，造成嚴重的大氣污染，另一部分被大量堆存，造成嚴重的環境污染。因此，有效利用(Si、Al)型混合物受到環境與材料研究者的廣泛關注[1]?；旌衔锓垠w是一種活性很高的火山灰物質，可以顯著提高材料抗壓、抗滲、防腐、抗沖擊及耐磨性能，能夠填充水泥顆粒間的孔隙，提高水泥基材料的力學性能，目前已被應用在砂漿、混凝土等材料工業中，取得了比較顯著的效果[2-5]。該粉體與粉煤灰中提取物空心微珠具有相似的化學成分，根據空心微珠的物理、化學性質，崔健等[6-7]利用不同的摩擦副及試驗工況條件研究經過雙重改性的空心微珠在潤滑油脂中的摩擦學性能，試驗結果表明空心微珠具有十分顯著的減摩抗磨性能。本研究利用四球摩擦磨損試驗機考察(Si、Al)型混合物作為鋰基潤滑脂添加劑的摩擦學性能，采用光學顯微鏡(OM)、掃描電子顯微鏡(SEM)和能量色散譜儀(EDX)對鋼球磨損表面進行表征。

1 實 驗

1.1 實驗材料及儀器

預制皂為十二羥基硬脂酸鋰皂，山東紅星化工有限公司生產；500SN基礎油，中國石化重慶一坪高級潤滑油公司生產；(Si、Al)型混合物，山東三美硅材料有限公司生產。

采用濟南舜茂試驗儀器有限公司生產的MMW-1立式萬能摩擦磨損試驗機、MQ-800四球摩擦試驗機測定樣品的摩擦學性能；采用中國科學院東方集成Microtrac公司生產的S3500激光粒度儀測定樣品的粒徑分布；采用日立S-3700掃描電子顯微鏡自帶的AMETEK能譜儀檢測摩擦副的表面元素；采用島津Lab XRD-6100型X射線衍射儀對樣品的晶態進行表征，Cu靶輻射，掃描電壓40 kV，掃描電流30 mA，掃描速率5(°)min，掃描范圍10°～80°；樣品的紅外光譜分析采用KBr壓片法，分辨率為4 cm-1，在波數為400～4 000 cm-1范圍內測定。

1.2 鋰基潤滑脂的制備

1.3 添加劑改性

選用1～5號表面修飾劑(5種修飾劑均為有機酸類，主要對無機粉體進行修飾改性，增強其在油性介質中的分散穩定性)對粉體進行表面改性，改性劑與粉體質量比為1∶1，采用球磨改性，球磨機轉速為300 rmin，球磨時間為60 min。將改性后粉體放入真空干燥箱，在100 ℃下干燥24 h，取出粉體研磨。

1.4 分散性試驗

將0.1 g改性前后(Si、Al)型混合物粉體加入到30 mL 500SN基礎油中，利用超聲波清洗器分散60 min，在超聲波剪切分散30 min后，停止5～10 min，繼續超聲，避免超聲時間過久導致過熱，使顆粒碰撞，增加團聚的幾率。將分散后的油樣移入10 mL刻度試管中，觀察并記錄沉降量。

1.5 摩擦磨損試驗

2 結果與討論

2.1 (Si、Al)型混合物的表征

2.1.1 SEM表征 (Si、Al)型混合物的SEM照片見圖1。試驗前對顆粒進行表面噴金，采用直接撒粉法觀察顆粒外貌，顆粒外貌呈近似球狀，粒徑主要集中在0.1～0.3 μm之間。

圖1 (Si、Al)型混合物的SEM照片

2.1.2 粒徑分布 與乙醇相比，水對(Si、Al)型混合物具有更好的分散效果，所以選用純水作分散介質。溶液的濃度越大，顆粒間團聚急劇增加，分散這些顆粒所需要的能量也隨之增加[8]。將少量(Si、Al)型混合物粉體溶于超純水，形成較稀的水溶液，在超聲波清洗器中超聲分散30～60 min，取1滴溶液，利用激光粒度儀測量(Si、Al)型混合物的顆粒粒徑分布，結果見圖2。由圖2可見，粉體粒徑分布主要集中在0.1～0.3 μm之間，經計算，粉體平均粒徑約0.18 μm，與通過掃描電鏡觀察到的粉體尺寸基本相符。

圖2 (Si、Al)型混合物的粒徑分布

2.1.3 化學組成 根據Ji Yajun等[9]對硅灰物質組成的研究分析結果，得知(Si、Al)型混合物的主要成分為SiO2，質量分數為85%～95%，其余成分由Al2O3，Fe2O3，MgO，CaO，C，K2O，Na2O組成。

2.2 摩擦學性能研究

2.2.1 (Si、Al)型混合物對基礎脂PB、PD的影響(Si、Al)型混合物添加量對基礎脂PB、PD的影響見圖3。由圖3可見，隨著(Si、Al)型混合物的加入，鋰基潤滑脂的PB、PD有所增加，但增加幅度并不顯著。未加(Si、Al)型混合物時，PB、PD分別為461 N、1 569 N。當(Si、Al)型混合物添加量(w)為3%時，鋰基潤滑脂的PB、PD分別為530 N、1 961 N，說明該潤滑脂具有較好的綜合極壓能力。

圖3 (Si、Al)型混合物添加量對基礎脂PB、PD的影響

2.2.2 載荷對潤滑脂抗磨減摩性能的影響 在轉速為1 200 r/min、長磨時間為60 min的條件下，不同載荷下(Si、Al)型混合物添加量對基礎脂抗磨減摩性能的影響見圖4。由圖4可見：當載荷為196 N時，隨著 (Si、Al)型混合物添加量的增加，長磨試驗后鋼球的磨斑直徑及平均摩擦因數均有所增大；當載荷為392 N和588 N、(Si、Al)型混合物添加量(w)為0.5%時，與基礎脂相比，鋼球磨斑直徑分別降低22.37%和48.97%，平均摩擦因數分別降低6.36%和13.82%，鋰基潤滑脂的綜合摩擦學性能達到最佳。在高溫、高載荷下，潤滑油膜抗磨損或承載能力下降，使得鋼球的磨斑直徑明顯增大，而加入(Si、Al)型混合物提高了鋰基潤滑脂在苛刻條件下的抗磨能力。但添加劑加入前后，鋰基潤滑脂的平均摩擦因數變化不大，因此，添加劑對基礎脂的減摩性能沒有明顯改善。

圖4 不同載荷下(Si、Al)型混合物添加量對基礎脂抗磨減摩性能的影響■—196 N； ●—392 N； ▲—588 N

2.2.3 轉速對潤滑脂摩擦學性能的影響 在載荷為392 N、長磨時間為60 min、轉速分別為600，800，1 000，1 200，1 400 r/min的條件下，轉速對潤滑脂抗磨減摩性能的影響見圖5。由圖5可見，隨著轉速的增大，與基礎脂相比，(Si、Al)型混合物潤滑脂長磨試驗后鋼球的磨斑直徑顯著減小，當轉速為1 400 r/min時，鋼球的磨斑直徑降低26.06%。從圖5還可以看出，基礎脂的平均摩擦因數隨著轉速的增加先減小后增大，這是因為在低轉速下潤滑油膜黏度較大，轉速增大，摩擦生熱，使潤滑油膜黏度減小，減摩作用更加明顯，但是隨著轉速的進一步增大，苛刻條件下，油膜難以起到很好的潤滑作用，需要靠皂的分解產物或者添加劑起抗磨作用；當基礎脂中加入0.5%(Si、Al)型混合物時，轉速達到1 200 r/min后，才能起到減摩作用，但減摩效果并不顯著。

圖5 轉速對潤滑脂抗磨減摩性能的影響■—基礎脂； ●—基礎脂+0.5%(Si、Al)型混合物

2.3 添加劑改性對潤滑脂性能的影響

2.3.1 分散性 改性前后(Si、Al)型混合物粉體在基礎油中的沉降量見表1。從表1可以看出：未改性的(Si、Al)型混合物粉體最早出現沉降，在第3天沉淀完全；改性后粉體在油性介質中的分散穩定性有一定程度的提高，但仍會有一定量的沉降；經2號修飾劑改性后粉體具有更加顯著的分散穩定性，經過15天，沉降量占粉體的34%。推測(Si、Al)型混合物中，混合成分SiO2、Al2O3容易形成莫來石相，使得修飾劑較難在粉體表面發生物理化學吸附，但相比于其它幾組修飾劑，經過2號表面修飾劑改性后的粉體具有更加明顯的分散穩定性。

表1 改性前后粉體在基礎油中的沉降量

2.3.2 紅外光譜表征 (Si、Al)型混合物粉體和經過2號表面修飾劑改性后(Si、Al)型混合物粉體的紅外光譜見圖6。由圖6可見，改性后(Si、Al)型混合物粉體的紅外光譜中表示—OH振動的波數3 425 cm-1處的峰幾乎消失，而2 955 cm-1、2 850 cm-1處的吸收峰分別歸屬為—CH3和—CH2—的對稱伸縮振動，2 879 cm-1、2 918 cm-1處的吸收峰分別歸屬為—CH3和—CH2—的不對稱伸縮振動，可以證明表面修飾劑確實與粉體表面羥基發生了物理化學作用，從而使粉體表面含有易溶于有機溶劑的長鏈結構，提高粉體的油溶性。

圖6 改性前后粉體的紅外光譜 —改性后粉體; —未改性粉體

2.3.3 X射線衍射分析 (Si、Al)型混合物粉體和經過2號表面修飾劑改性后(Si、Al)型混合物粉體的X射線衍射圖譜(XRD)見圖7。由圖7可見：與(Si、Al)型混合物粉體相比較，經過2號表面修飾劑改性后(Si、Al)型混合物粉體的衍射峰并沒有發生明顯的偏移和變化，且沒有明顯的雜峰出現，說明樣品改性沒有破壞晶體結構；改性后粉體的峰強度高于原始粉體的峰強度，推測與參與衍射粉體的體積有關。

圖7 改性前后(Si、Al)型混合物的XRD圖譜 —改性后粉體; —未改性粉體

2.3.4 摩擦學性能 取1 g(Si、Al)型混合物粉體，采用2號表面修飾劑對粉體表面改性，利用四球摩擦磨損試驗機考察改性前后(Si、Al)型混合物粉體的摩擦學性能，添加量(w)為0.5%，結果見表2。從表2可以看出：與改性前相比，改性后(Si、Al)型混合物作為添加劑的潤滑脂樣品的PB從461 N提高到490 N；在196 N、392 N載荷下，潤滑脂中加入改性粉體后，經過長磨試驗的鋼球磨斑直徑大于改性前粉體制備的潤滑脂樣品，在588 N載荷下，粉體改性使潤滑脂樣品試驗后鋼球磨斑的減小程度也十分有限，從原來的0.740 mm降低為0.720 mm；加入兩種添加劑時，潤滑脂樣品的平均摩擦因數未發生明顯變化。說明改性前后潤滑脂樣品的抗磨減摩性能并沒有得到十分顯著的改善。經分析認為，雖然表面改性使粉體的親油性得到改善，添加劑在長磨過程中能夠更加穩定地分散在潤滑脂中，但改性使粉體中活性較高的羥基發生酯化反應，改性后粉體的活性降低，

表2 改性前后(Si、Al)型混合物作為添加劑的摩擦學性能

沉積并吸附在摩擦副表面，使形成摩擦學性能顯著的潤滑層的難度增加。所以，添加劑改性對潤滑脂樣品的摩擦學性能并沒有產生顯著的改善作用。

2.4 磨斑表面形貌分析

圖8 392 N載荷下鋼球磨斑表面形貌照片

2.5 EDX能譜分析

圖9 不同載荷下鋼球磨斑表面的EDX圖譜

圖9和表3分別為基礎脂及含0.5%(Si、Al)型混合物潤滑脂在392 N、588 N載荷下長磨試驗后鋼球磨斑表面的EDX元素譜圖和元素含量。從圖9和表3可以看出：0.5%(Si、Al)型混合物潤滑脂經過長磨試驗后鋼球磨斑表面Si含量大于基礎脂作用下的磨斑表面的Si含量，高載荷下Si元素含量明顯增加，說明載荷越高，添加劑越易沉積在磨損表面并形成潤滑層；此外，在588 N載荷下發現了Al元素，推測添加劑中少量的Al2O3在高載荷下發揮了一定的抗磨作用；在392 N載荷下，(Si、Al)型混合物潤滑脂作用下的Fe含量有所增加，而在高載荷下與基礎脂作用下的磨斑表面Fe含量幾乎相同，推測在392 N載荷下，Fe2O3可能參與了成膜反應；磨斑表面未發現Na，K，Ca，Mg等其它元素。

表3 不同載荷下鋼球磨斑表面的元素含量

2.6 潤滑機理分析

由磨斑表面形貌圖可以看出，加入(Si、Al)型混合物后，磨痕變淺，磨斑較為圓整光滑， EDX能譜分析中發現磨斑表面的主要元素為Si，O，Fe，Al元素，與該添加劑粉體的主要成分一致。經分析認為，在長磨過程中，在不同載荷下，主要由SiO2，Fe2O3，Al2O3所形成的潤滑膜層起潤滑作用。由于摩擦產生的微區高溫會引起強度高于體相的分子漲落，大量的分子漲落有利于粒子的不定向遷移并向摩擦副表面聚集，SiO2，Fe2O3，Al2O3具有很高的活性，在這種遷移及壓應力作用下沉積在磨損表面。而且在高溫高載荷下，沉積在摩擦表面的球形顆?？赡鼙粔浩剑纬梢环N滑動系，并具有一定的力學性能，降低摩擦磨損[10]。

在低載荷下潤滑體系主要靠潤滑油膜起作用[11]，加入添加劑后，形成了磨粒磨損，而在高載荷等苛刻工況條件下，潤滑體系則靠皂分解產物或者添加劑反應產物起作用，所以，(Si、Al)型混合物在高載荷條件下更有利于改善基礎脂的摩擦學性能。

3 結 論

(1) (Si、Al)型混合物的添加能夠顯著提高鋰基脂的抗磨性能，并且隨著載荷的增加對基礎脂抗磨性能的提高越顯著。當該添加劑添加量(w)為0.5%時， 在392 N、588 N條件下，與基礎脂相比，(Si、Al)型混合物潤滑脂使鋼球磨斑直徑分別降低22.37%和48.97%，但潤滑脂PB、PD及平均摩擦因數的改善并不顯著。

(2) 轉速對基礎脂和(Si、Al)型混合物鋰基脂的抗磨性能具有比較顯著的影響，轉速越大，添加劑對基礎脂抗磨性能的改善作用越明顯；只有在高轉速條件下添加劑才能提高基礎脂的減摩性能。

(3) 利用5種表面修飾劑對粉體進行改性，發現相比其它修飾劑，2號表面修飾劑的修飾效果更好，粉體的親油性得到一定程度的提高，但是改性并沒有使粉體在鋰基脂中的摩擦學性能明顯改善。

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STUDY ON TRIBOLOGICAL PERFORMANCE OF LITHIUM GREASE USING ULTRAFINE SILICON MATERIAL (Si-Al TYPE) AS ADDITIVE

Chen Li1， Chen Guoxu1， Chen Hanlin1， Liu Yan2

(1.DepartmentofOilApplication&ManagementEngineering，LogisticEngineeringUniversity，Chongqing401311； 2.DepartmentofBattle&Logistics，HenanProvinceMilitaryAreaCommand)

A four-ball friction tester was used to investigate the tribological properties of lithium base grease using ultrafine silicon material (Si-Al type) as additive. The steel ball wear surface was characterized by optical microscope， scanning electron microscope (SEM) and energy dispersive spectrometer. The results show that anti-wearing ability is improved significantly but no effect on the antifriction performance. Compared with base grease， when the Si-Al additive is 0.5%， the wear scar diameters are reduced 22.37%， 48.97% at loading of 392 N and 588 N， respectively， indicating the best anti-wear effect. After surface modification， the Si-Al additive powder is easier to dissolve in oil， but the tribological performance of the modified powder did not significantly change. Results of SEM and EDX show that in the process of long wear， a lubricating film mainly composed of SiO2， Fe2O3， Al2O3is formed on the wear surface which has more notable tribological properties.

lithium base grease； Si-Al composite powder； tribological property

2014-01-20； 修改稿收到日期： 2014-05-08。

陳力，碩士研究生，主要從事新型潤滑材料和摩擦化學研究工作。

陳國需，E-mail：chenguoxu@21.com.cn。

重慶市博士后基金資助項目(Rc201355；Xm201318)。