納米金剛石油精添加劑摩擦學(xué)性能評(píng)價(jià)*

□楊磊 □胡華華 □王文

上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院 上海 200072

納米金剛石油精添加劑摩擦學(xué)性能評(píng)價(jià)*

□楊磊 □胡華華 □王文

上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院 上海 200072

對(duì)含納米金剛石顆粒的機(jī)油添加劑進(jìn)行了摩擦磨損性能的試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，含納米金剛石顆粒添加劑的潤(rùn)滑油與基礎(chǔ)油相比，具有良好的摩擦學(xué)性能。在基礎(chǔ)油中，加入納米金剛石機(jī)油油精，可以提高潤(rùn)滑劑的抗磨性能、減摩性能、承載能力。通過(guò)添加劑的物理性質(zhì)分析、摩擦學(xué)性能分析及潤(rùn)滑劑的理化性能分析等，驗(yàn)證了含納米金剛石顆粒添加劑摩擦磨損性能的影響機(jī)理，即表面的吸附、滾珠和自潤(rùn)滑的特性。

納米金剛石顆粒 摩擦學(xué)性能 潤(rùn)滑油 添加劑

近年來(lái)，為了獲得性能更好的潤(rùn)滑油添加劑，納米級(jí)固體顆粒添加劑逐漸受到了摩擦學(xué)研究的重視［1］，將納米微粒作為添加劑添加到潤(rùn)滑油中制成納米固液二相流體潤(rùn)滑劑，可以明顯改善潤(rùn)滑油的性能［2］，特別是納米金剛石微粒的潤(rùn)滑效應(yīng)，突破了傳統(tǒng)的固體潤(rùn)滑概念，引起了人們極大的興趣。喬玉林等［3］對(duì)含有納米金剛石微粒的潤(rùn)滑油滑動(dòng)摩擦磨損和潤(rùn)滑性能進(jìn)行了研 究，筆者針對(duì)臺(tái)灣某大學(xué)提供的含納米類金剛石顆粒的機(jī)油添加劑進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和評(píng)價(jià)。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

通過(guò)試驗(yàn)檢測(cè)納米金剛石機(jī)油潤(rùn)滑油精的摩擦磨損性能，具體分為三個(gè)方面來(lái)體現(xiàn)。

1）通過(guò)測(cè)量摩擦因數(shù)的大小考察減摩性能；

2）通過(guò)試驗(yàn)后的磨斑直徑大小判斷抗磨性能；

3）通過(guò)最大無(wú)卡咬負(fù)荷PB值的大小來(lái)考察承載能力。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本研究采用MMW-1型微機(jī)控制立式萬(wàn)能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，本試驗(yàn)機(jī)可以做四球摩擦副試驗(yàn)，也可以做銷盤摩擦副試驗(yàn)，通過(guò)銷盤摩擦副試驗(yàn)測(cè)量摩擦因數(shù)，通過(guò)四球摩擦副試驗(yàn)檢測(cè)鋼球磨斑直徑和PB值大小。

四球式的摩擦副由4個(gè)鋼球組成，下面3個(gè)鋼球被卡在錐環(huán)內(nèi)互相擠緊而彼此間不發(fā)生滾動(dòng)，潤(rùn)滑油添加劑倒入錐環(huán)中并淹沒下面3個(gè)鋼球。加載時(shí)，加載系統(tǒng)自下而上對(duì)鋼球施加載荷，上面1個(gè)鋼球由彈簧夾頭固定在轉(zhuǎn)軸上，試驗(yàn)時(shí)由主軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，上面1個(gè)鋼球與下面3個(gè)鋼球之間成點(diǎn)接觸，并進(jìn)行滑動(dòng)摩擦。

銷盤式的摩擦副由試樣銷和大試環(huán)組成，3個(gè)試樣銷分別呈120°均布在銷夾頭上，并用緊定螺釘固定，大試環(huán)固定在下部，在整體外部有1個(gè)套杯，潤(rùn)滑油添加劑倒入套杯內(nèi)并淹沒3個(gè)試樣銷。加載時(shí)，加載系統(tǒng)自下而上對(duì)試樣銷施加載荷。試樣銷由彈簧夾頭固定在轉(zhuǎn)軸上，試驗(yàn)時(shí)由主軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。上面的3個(gè)試樣銷與下面的大試環(huán)之間成點(diǎn)接觸，并進(jìn)行滑動(dòng)摩擦。

觀察采用的設(shè)備是共聚焦掃描透射式電子顯微鏡（型號(hào)是Nano Focus Usurf Explorer Revolver）。觀察試驗(yàn)試樣表面形貌和測(cè)量磨斑直徑，該設(shè)備能觀察物體形貌的最大范圍是0.8 mm×0.8 mm，在觀察中使用放大倍數(shù)為200倍的鏡頭。

打開設(shè)備時(shí)，首先選擇初始化歸零，Z軸會(huì)先移動(dòng)到零點(diǎn)位置（最高點(diǎn)），接著XY軸同時(shí)移動(dòng)到零點(diǎn)（完整歸零），其次，將需要觀察的鋼球放置在試驗(yàn)臺(tái)上，然后轉(zhuǎn)動(dòng)3D搖桿聚焦，選擇合適的亮度，得到需要的表面形貌圖片。在共聚焦的模式下，進(jìn)行掃描，在Usoft Analysis分析軟件中，進(jìn)行直徑和深度的測(cè)量。

1.3 基礎(chǔ)油與添加劑的選擇

試驗(yàn)使用的基礎(chǔ)油為32號(hào)礦物油 （黏度牌號(hào)為150SN，在40℃時(shí)黏度為32 mm2/s），添加劑選擇：納米金剛石機(jī)油潤(rùn)滑油精、極壓T202（硫磷丁辛伯烷基鋅鹽），分別按一定的質(zhì)量分?jǐn)?shù)加入試樣油中。本次試驗(yàn)共有3組試驗(yàn)，每組測(cè)試5次，第1組中的潤(rùn)滑油是32號(hào)礦物油，第2組中的潤(rùn)滑油是32號(hào)礦物油+5%油精，第3組中的潤(rùn)滑油是32號(hào)礦物油+2%T202。

1.4 試件和試驗(yàn)參數(shù)

四球式試驗(yàn)中鋼球試件選用GCr15鋼球，硬度為58～62 HRC，尺寸及精度為：球徑DW=12.7 mm，表面粗

糙度Ra=0.16 μm。銷盤式試驗(yàn)中試樣銷的材料為45號(hào)鋼，淬火硬度為44～46 HRC，尺寸長(zhǎng)度及精度為：長(zhǎng)為12.7 mm，公差0.003 mm，包裝每組3件。大試環(huán)材料為45號(hào)鋼，淬火硬度為44～46 HRC。

試驗(yàn)參數(shù)：四球式試驗(yàn)，載荷W=30 kg（294 N），最大赫茲接觸應(yīng)力6.18 GPa，轉(zhuǎn)速1 450 r/min，每次試驗(yàn)時(shí)間30 min；銷盤式試驗(yàn)，載荷W=20.41 kg（200 N），最大赫茲接觸應(yīng)力為2.21 GPa，轉(zhuǎn)速460 r/min（保證與四球式試樣的線速度相同），每次試驗(yàn)時(shí)間30 min。

1.5 磨斑尺寸計(jì)算

計(jì)算鋼球表面磨斑直徑時(shí)，采用下面的公式計(jì)算其平均值：

式中：x為沿著滑動(dòng)軌跡的方向；y為垂直滑動(dòng)軌跡的方向。

同樣條件下，每種試驗(yàn)重復(fù)五次，計(jì)算平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 減摩性能（摩擦因數(shù)-時(shí)間曲線）

3種試樣的摩擦因數(shù)數(shù)據(jù)見表1～表3，并據(jù)此繪出3種試樣的摩擦因數(shù)曲線，如圖1所示。

▲圖1 3種試樣的摩擦因數(shù)對(duì)比圖

表1 32號(hào)礦物油試驗(yàn)?zāi)Σ烈驍?shù)數(shù)據(jù)

表2 32號(hào)礦物油+5%油精試驗(yàn)?zāi)Σ烈驍?shù)數(shù)據(jù)

表3 32號(hào)油+2%T202試驗(yàn)?zāi)Σ烈驍?shù)數(shù)據(jù)

觀察圖1的摩擦因數(shù)曲線得知，摩擦因數(shù)隨時(shí)間在變化。在試驗(yàn)初期，3種試樣的摩擦因數(shù)均在上升，32號(hào)礦物油上升時(shí)間最短，其次是加入油精的試樣，加入T202的試樣上升時(shí)間最長(zhǎng)，用了100 s左右。說(shuō)明試驗(yàn)初期，3種試樣都處于磨合狀態(tài)，而且，32號(hào)礦物油試樣上升最快，曲線斜率最大，說(shuō)明磨損最劇烈；加有T202的試樣，上升最慢，曲線斜率最小，但上升的過(guò)程最長(zhǎng)；加有油精的試樣在30 s后，曲線已經(jīng)進(jìn)入平穩(wěn)狀態(tài)。在試驗(yàn)中期和后期，兩種加入添加劑的試樣摩擦因數(shù)變化曲線均比較平穩(wěn)，而32號(hào)基礎(chǔ)油試樣，摩擦因數(shù)波動(dòng)比較明顯。同時(shí)，加入油精添加劑之后的潤(rùn)滑油與基礎(chǔ)油相比，摩擦因數(shù)有一定的降低，從0.097左右下降到0.092；而含有添加劑T202油樣的摩擦因數(shù)與32號(hào)礦物油相比，變化不明顯。故納米金剛石顆粒對(duì)降低潤(rùn)滑油的摩擦因數(shù)，提高減摩性能方面有明顯效果。

在本試驗(yàn)條件下，對(duì)比基礎(chǔ)油的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，含有納米金剛石顆粒的試驗(yàn)數(shù)據(jù)中摩擦因數(shù)減少較明顯。驗(yàn)證了哈爾濱工業(yè)大學(xué)宋寶玉［4］的理論中納米金剛石的滾珠作用，由于納米金剛石顆粒吸附在摩擦表面上，類

似于許多個(gè)軸承滾動(dòng)體在滾動(dòng)，即有了滾珠的效果，變滑動(dòng)為滾動(dòng)，減小了摩擦因數(shù)，而且納米金剛石形狀近似圓形且摩擦因數(shù)低，進(jìn)一步降低了摩擦因數(shù)。

▲圖2 鋼球表面磨損的形貌

2.2 抗磨性能（磨斑大小）

鋼球磨斑直徑的大小反映了潤(rùn)滑劑的抗磨性能，為了測(cè)量和分析鋼球表面發(fā)生磨損時(shí)的表面情況，使用Nano Focus掃描透射式電子顯微鏡對(duì)鋼球表面進(jìn)行觀察。該設(shè)備不僅可以觀察表面形貌，而且，可以測(cè)量出沿著滑動(dòng)軌跡方向和垂直滑動(dòng)軌跡方向的距離，即磨斑直徑。

在Usoft Analysis分析軟件中，測(cè)出磨斑直徑，并根據(jù)式（1）的計(jì)算，得到磨斑直徑見表4。

表4 磨斑直徑測(cè)量結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果：添加納米金剛石油精的試樣與沒有添加添加劑的試樣相比，磨斑直徑明顯減小，從0.56 mm減小到0.44 mm；加有T202添加劑的試樣，磨斑直徑同樣減小顯著，如圖2所示。從表面形貌和分析軟件的測(cè)量深度中，可以得到32號(hào)基礎(chǔ)油的磨痕最深，而且不均勻；加有納米金剛石油精的試樣，磨痕比T202的試樣更淺，磨損失效最少。

在本試驗(yàn)條件下，與基礎(chǔ)油相比，添加了納米金剛石添加劑的試驗(yàn)鋼球，平均磨斑直徑明顯減小。驗(yàn)證了宋寶玉等人的理論中納米金剛石的吸附作用［4］，隨著相互接觸面的不斷滑動(dòng)，使納米金剛石顆粒進(jìn)入金屬表層并吸附在金屬的表面，形成一個(gè)保護(hù)層，減少機(jī)械間的直接摩擦，提高了機(jī)械的抗磨性能。

2.3 極壓性能（PB值）

根據(jù)判斷PB點(diǎn)的數(shù)值見表5，逐級(jí)增加負(fù)荷，做系列10 s試驗(yàn)，通過(guò)測(cè)量鋼球表面磨痕，并與表5數(shù)值進(jìn)行比較，在一定負(fù)荷下測(cè)得的磨斑直徑不得大于相應(yīng)的如表5中所列的補(bǔ)償直徑，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表6。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，與32號(hào)基礎(chǔ)油相比，加有納米金剛石顆粒油精添加劑的試樣，承載能力有了一定的提升，PB值從44 kg提升到了56 kg，但極壓效果尚不及極壓添加劑T202。納米金剛石自身具有耐高溫和高壓特性，從而提高了添加劑的承載能力。

表6 PB值得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

在本研究的特定條件下，可以得出如下結(jié)論。

（1）含納米金剛石顆粒添加劑的二相流體潤(rùn)滑劑與基礎(chǔ)油相比，摩擦因數(shù)明顯減小，具有良好的減摩性能，并且明顯優(yōu)于T202添加劑。

（2）含納米金剛石顆粒添加劑的試樣與基礎(chǔ)油試樣相比，磨斑直徑明顯減小，具有良好的抗磨性能，且優(yōu)于T202添加劑。

（3）加入納米金剛石添加劑后，潤(rùn)滑油的承載能力得到提升，但沒有極壓添加劑T202的承載能力好。

（4）納米金剛石顆粒添加劑的綜合摩擦學(xué)性能最好，能有效地提高潤(rùn)滑油的減摩性能、抗磨性能和承載能力。

［1］溫詩(shī)鑄.納米摩擦學(xué)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1998.

［2］Xu T.Study on Tribological Properties of Ultra-dispersed Diamond Containing Soot as an Oil Additive ［J］.Tribology，1997，40（3）：178-189.

［3］喬玉林，徐濱士，馬世寧，等.含納米金剛石復(fù)合潤(rùn)滑油添加劑的摩擦學(xué)性能［J］.石油煉制與化工，1999（3）：14-17.

［4］宋寶玉，曲建俊，姜立標(biāo)，等.含納米金剛石微粒潤(rùn)滑劑抗接觸疲勞性能的研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2004，40（9）：154-157.

（編輯 平 平）

TH117.1

A

1000-4998（2015）09-0046-04

*斯凱孚（上海）汽車技術(shù)有限公司資助項(xiàng)目（編號(hào)：71010904102）

2015年4月