納米添加劑與幾種常用添加劑的復配性研究

周釗，夏延秋，侯沖，喬鵬，吳浩

（華北電力大學，北京 102206）

0 引言

與傳統的潤滑油減摩抗磨添加劑相比，納米銅因其優異的極壓、抗磨性能和環境友好特性，作為潤滑添加劑被廣泛研究。納米銅微粒具有良好減摩抗磨的原因是納米銅在摩擦表面形成邊界潤滑膜而降低摩擦，并能在劃痕和犁溝處沉積，增大接觸面積來提高承載能力，從而顯著地提高了潤滑油的抗磨和減摩性能［1-2］。羥基硅酸鹽等微米尺寸的層狀硅酸鹽作為潤滑油添加劑時，同樣具有較好的摩擦學性能，其在改善潤滑介質抗磨、減摩性能的同時，可顯著改善鐵基摩擦表面的微觀力學性能，應用前景廣闊［3-4］。有研究表明:納米銅能夠促進蛇紋石微粉與摩擦表面的相互作用，形成富含Fe、Si元素的摩擦保護膜，較為致密、平整、光滑，具有較高的力學性能，能夠有效地改善摩擦副的表面狀態及磨損抗力，降低摩擦磨損［5-6］。

本文所用納米添加劑主要成分為納米銅與超細蛇紋石微粉，由于該納米添加劑在分散性和減摩性上存在諸多問題，因此本文探討了納米添加劑與摩擦改進劑和清凈分散劑的復配性能，研究其協同作用機制，為實際應用提供理論依據。

1 實驗部分

1．1 實驗材料

試驗所用基礎油為聚α-烯烴，其密度為0.82 g/cm3，運動黏度為16.9mm2/s（40℃），黏度指數為123，閃點為219℃。實驗所用納米添加劑主要成分為納米銅粉和超細蛇紋石微粉（由裝甲兵工程學院提供），其制備如下:采用長城CD 15W-40柴油機潤滑油為基液;將蛇紋石微粉和納米銅以19∶1的比例混合并添至其中，按照粉體的5%（質量分數，下同）加入油酸作為表面改性劑，經機械研磨制成10%的濃縮液［5］。摩擦改進劑選用的是二烷基二硫代氨基甲酸鉬（MoDTC），清凈分散劑選用的是高堿值石油磺酸鈣（T106）。表1給出了添加劑MoDTC與T106的部分理化性能。

表1 添加劑M oDTC與T106的理化性能

1．2 實驗過程

實驗在MFT-R4000高速往復摩擦磨損試驗機上進行。摩擦副的接觸形式采用球盤點接觸，實驗用鋼球為標準GCr15鋼球、直徑為5 mm，下試樣為GCr15鋼塊，直徑為24 mm，厚度為7.8 mm，摩擦表面粗糙度 Ra為0.08μm，鋼塊硬度為350～450 HV。實驗條件為:載荷100 N，溫度為室溫，頻率5 Hz，摩擦時間30 min，劃痕長度為5 mm。所有試件在實驗前后均在丙酮溶液中超聲波清洗10 min。通過在潤滑油中添加不同組合的添加劑考察該納米添加劑與其他添加劑復配后潤滑油的抗磨減摩性能，所有配制的樣品在實驗前均進行超聲分散。采用FEI公司生產的NoVa NanoSEM 450/650環境掃描電子顯微鏡對鋼塊磨痕表面形貌進行觀察。觀察前用丙酮對鋼塊進行超聲波清洗。

2 實驗結果與分析

2．1 納米添加劑的摩擦學性能

圖1給出了不同質量分數的納米添加劑加入同一種潤滑油后的摩擦系數曲線圖和磨痕寬度對比圖。由圖1（a）可以看出，當納米添加劑質量分數為0.5%和2%時，其摩擦系數最小，具有更好的減摩性能。從圖1（b）中可以看出，當納米添加劑質量分數為1.5%時，其磨痕寬度最小，抗磨性能最優。但從綜合角度來看，當納米添加質量分數為0.5%時，具有更好的摩擦學性能。已有的研究表明［4-7］，納米銅作為一種“軟質金屬”，易沉積在摩擦表面，除降低摩擦并對磨損表面微損傷作用;納米蛇紋石顆粒易吸附在摩擦表面，起到拋光研磨作用，同時自身發生研磨細化和羥基脫除反應，釋放大量的活性氧、自由水、細小的二次粒子等，誘發其與摩擦表面活性鐵的反應，形成Si-O結構摻雜氧化膜，具有較高的強度及自潤滑能力。納米銅能增強摩擦界面對蛇紋石顆粒的機械捕捉能力，促進二者的相互增效作用。

圖1 不同質量分數的納米添加劑在潤滑油中的摩擦學性能

與基礎油相比，加入納米添加劑后的潤滑油樣具有優異的減摩和抗磨性能，但久存易沉淀，嚴重影響了納米添加劑的使用。為了提高納米添加劑在潤滑油中的分散性，選擇綜合性能優異、納米含量低（含0.5%納米添加劑）的潤滑油，同時添加不同含量的T106，在提高納米添加劑分散性的同時，考察其摩擦學性能。圖2為0.5%的納米添加劑與T106復配后，其摩擦系數曲線圖和磨痕寬度對比圖。結果顯示，加入不同質量分數的T106后，摩擦系數增加，但抗磨性能提高。這可能是因為清凈劑中的磺酸鹽與納米添加劑在金屬表面存在競爭吸附的作用，清凈劑在摩擦環境下分解產生的 CaCO3和CaO［8-9］一方面抑制了納米添加劑的分解產物在金屬表面的吸附，降低了減摩性能，另一方面又提升了抗磨性能。

圖3給出了0.5%納米添加劑與二烷基二硫代氨基甲酸鉬（MoDTC）復配時的摩擦學性能曲線，發現含0.5%納米添加劑和不同含量MoDTC混合，抗磨和減摩性能都降低，呈現對抗效應。這可能是因為MoDTC本身是一種摩擦改進劑，具有優異的減摩和抗磨性能。當兩者復配后，MoDTC在摩擦過程中，自身分解產生的硫化物［10］與納米添加劑在金屬表面存在競爭吸附，一方面阻礙了有機鉬的分解產物Mo、S等元素在表面成膜，另一方面納米添加劑的分解化學反應也受到了抑制，導致潤滑性能降低。

圖3 質量分數為0．5%的納米添加劑與M oDTC復配的摩擦學性能

表2給出了油樣復配比例為PAO+0.5%Nano+5%T106+0.5%MoDTC與基礎油中含不同添加劑油樣的摩擦和磨損比較，可以看出，三種添加劑復配后，摩擦系數大幅度降低，抗磨性明顯提高。

表2示出了不同潤滑油添加劑作用下的摩擦系數和磨斑寬度。可以看出，基礎油中加入添加劑后摩擦系數明顯變小，不同潤滑油添加劑均表現出良好的減摩作用。當納米添加劑質量分數為0.5%時，磨痕寬度相比基礎油減少10%。這是因為納米銅能夠促進蛇紋石微粉與摩擦表面的相互作用，形成致密、平整、光滑的摩擦保護膜，具有較高的力學性能，能夠有效地改善摩擦副的表面狀態及磨損抗力，降低摩擦磨損。以納米添加劑和MoDTC為添加劑時，磨痕寬度略有變大，這可能是因為MoDTC本身是一種多功能的添加劑，在摩擦過程中，MoDTC分解產生的硫化物與納米添加劑在金屬表面存在競爭吸附，一方面阻礙了有機物的分解產物Mo、S等元素在表面成膜，另一方面納米添加劑的分解化學反應也受到了抑制。而當納米添加劑與T106復配時，磺酸鹽與納米添加劑在金屬表面存在競爭吸附，清凈劑在高溫高壓環境下分解產生的CaCO3和CaO保護膜一方面抑制了納米添加劑的分解產物在金屬表面的吸附，降低了減摩性能，另一方面又提升了抗磨性能。當納米添加劑、MoDTC和T106按一定比例復配后加入基礎油中，其減摩抗磨性能得到了明顯的提升。

2．2 磨損表面分析

為研究添加劑復配的抗磨作用機理，將PAO基礎油和含3種添加劑復配油樣潤滑下鋼塊磨痕表面形貌進行對比分析，結果如圖4所示。其中（c）、（d）為（a）、（b）的放大圖。

圖4 不同潤滑體系下鋼塊磨痕表面形貌SEM照片

對比圖4（a）、（b）可以看出，基礎油潤滑下鋼塊磨痕表面發生了明顯的黏著和擦傷，出現了貫穿于整個摩擦表面粗而深的犁溝，并且表面分布著不連續的剝落坑，表現為典型的磨粒磨損，由磨屑的微切削作用導致。含3種添加劑復配油樣潤滑下鋼塊磨痕表面磨損比較均勻，磨損表面比較光滑。將磨痕表面形貌進一步放大觀察，可以清楚看到，基礎油潤滑下存在層片狀變形磨損，表現為鐵基塑性形變導致的黏著磨損;含3種添加劑復配油樣潤滑下鋼塊磨痕表面較純PAO4基礎油潤滑時平整，犁溝很淺，亦未發現層片狀磨損，但有少數微點蝕和疲勞裂紋出現，說明其磨損機制以疲勞磨損為主，另有輕微的磨粒磨損。

3 結論

（1）在聚α-烯烴基礎油中添加一定質量分數的納米添加劑能有效提高基礎油的摩擦學性能。

（2）質量分數為0.5%的納米添加劑與T106復配后加入基礎液后，減摩性能降低，抗磨性能提升。

（3）質量分數為0.5%的納米添加劑和不同含量的MoDTC混合加入基礎油后，抗磨和減摩性能都降低，呈現對抗效應。

（4）當該納米添加劑、MoDTC與T106按一定質量分數的比例復配加入基礎油后，其摩擦系數大幅度降低，抗磨性能得到明顯提高，具有極好的摩擦學性能。

［1］夏延秋，丁津原，馬先貴，等.納米級金屬粉改善潤滑油的摩擦磨損性能試驗研究［J］.潤滑油，1998，13（6）:37-40.

［2］李斌，夏延秋，王曉波，等.納米Cu在聚乙二醇溶液中的摩擦磨損性能研究［J］.摩擦學報，2005，25（5）:385-389.

［3］于鶴龍，許一，史佩京，等.蛇紋石超細粉體作潤滑油添加劑的摩擦學性能［J］.粉末冶金材料科學與工程，2009，14（5）:310-315.

［4］張博，徐濱士，許一，等.微納米層狀硅酸鹽礦物潤滑材料的摩擦學性能研究［J］.中國表面工程，2009，22（1）:29-36.

［5］許一，張保森，徐濱士，等.納米金屬/層狀硅酸鹽復合潤滑添加劑的摩擦學性能［J］.功能材料，2011，42（8）:1368-1375.

［6］肖舟，蘇勛家，侯根良，等.羥基硅酸鹽/納米銅復合添加劑摩擦學性能研究［J］.潤滑與密封，2012，37（3）:64-67.

［7］H L Yu，Y Xu，P J Shi，et al.Tribological Behaviors of Surface-Coated Serpentine Ultrafine Powders as Lubricant Additive［J］.Tribology International，2010，43:667-675.

［8］韓寧，水琳，孫毓霜，等.高堿值磺酸鈣的摩擦學行為研究［J］.摩擦學學報，2002，22（4）:97-99.

［9］L Cizaire，JM Martin，EGresses，et al.Tribochemistry of Overbased Calcium Detergents Studied by ToF-SIMS and Other Surface Analyses［J］.Tribology Letters，2004，17（4）:715-721.

［10］SBec，A Tonck，JM Georges，et al.Synergistic Effects ofMoDTC and ZDTPon Frictional Behavior of TriboFilms at the Nanometer Scale［J］.Tribology Letters，2004，17:797-809.