含納米金屬/蛇紋石粉齒輪油的摩擦學性能研究

王林燕，張振忠，黃俊杰，趙芳霞

(南京工業大學材料科學與工程學院，南京 210009)

含納米金屬/蛇紋石粉齒輪油的摩擦學性能研究

王林燕，張振忠，黃俊杰，趙芳霞

(南京工業大學材料科學與工程學院，南京 210009)

為提高傳統齒輪油的摩擦學性能，采用四球試驗機研究了加入納米鎳粉、鎳銅粉復配粉體和納米金屬粉與超細蛇紋石粉復配粉體的情況下粉體加入量及復配比例對齒輪油摩擦學性能的影響，并研究了其載荷特性。結果表明：含納米鎳銅粉復配粉體的齒輪油比含單一粉體齒輪油的摩擦學性能更好，當納米鎳粉與銅粉的質量比為3∶1、粉體總加入量(w)為0.1%時，試驗摩擦因數和磨斑直徑比基礎齒輪油分別減小了37.8%和30.2%；含納米金屬蛇紋石粉的齒輪油具有更好的綜合摩擦學性能，且具有良好的載荷特性，當納米鎳粉與銅粉的質量比為3∶1、金屬粉體與蛇紋石粉的質量比為2∶1、粉體總加入量(w)為0.2%時，試驗摩擦因數和磨斑直徑比基礎齒輪油分別減小了37.4%和34.0%；鋼球磨痕形貌及能譜分析結果表明，納米金屬、蛇紋石粉體加入到齒輪油中能起到填平犁溝、修復磨痕表面的作用。

L-CKD ISO320齒輪油 納米金屬粉 超細蛇紋石粉 摩擦學性能

工業齒輪油廣泛應用于冶金、礦山、金屬加工等行業。隨著工業設備的發展，齒輪傳動向著高速、重載和大功率方向發展，對齒輪油的品質要求也越來越苛刻。納米金屬粉，如銅粉、錫粉、鉍粉等作為潤滑油添加劑能夠起到較好的抗磨減摩作用，并提高其承載能力，但所形成的自修復膜硬度低、易發生脫落，在低載荷下容易起到磨粒磨損的作用[1-5]；蛇紋石是具有納米層狀結構的含水鎂硅酸鹽，其膨脹系數與黑色金屬相近且干摩擦因數極低，將該材料加至潤滑油中，在摩擦能作用下形成的金屬陶瓷修復膜不易脫落，有利于摩擦副抗磨性能的提高，但蛇紋石粉的自修復能量高、且減摩作用相對較差[6-7]。趙芳霞[2]的研究結果表明，在潤滑油中添加質量分數1.2%～1.5%的經過分散包覆處理的金屬納米粉體和礦石粉時，對其黏度、黏度指數、氧化安定性等理化性能指標基本無影響。因此，本課題研究納米金屬粉體與超細蛇紋石粉復配及其加入量對齒輪油摩擦學性能的影響，為研發高性能、自修復齒輪油及其實際應用提供依據。

1 實 驗

1.1 實驗材料

鎳粉和銅粉，其一次顆粒平均粒徑為80 nm；蛇紋石粉，其一次顆粒平均粒徑為100 nm；L-CKD ISO320黏度等級的重負荷齒輪油，其運動黏度(40 ℃)為324.8 mm2s，黏度指數為103，閃點為238 ℃，傾點為-18 ℃；硅烷偶聯劑KH560；石油醚；GCr15軸承鋼球，其直徑為12.7 mm，硬度為61～64 HRC，化學組成(w)為：Si 0.55%，Mn 0.51%，Cr 1.74%，Fe 97.20%。

1.2 實驗儀器和設備

KH-700DE型超聲波清洗器，用于清洗鋼球；BS 224S型電子天平；SFS-S400型高速分散機；WMM-1萬能摩擦磨損試驗機及配套的磨斑測量顯微鏡。

1.3 實驗過程

2 結果與討論

2.1 納米鎳粉添加量對齒輪油摩擦學性能的影響

在載荷為392 N時，納米鎳粉加入量對齒輪油摩擦學性能的影響見圖1。由圖1可知：隨著納米鎳粉加入量的增加，摩擦因數和磨斑直徑均呈先減小后增大的變化趨勢；當鎳粉加入量(w)為0.5%時，摩擦因數最小，摩擦因數和磨斑直徑比基礎齒輪油分別降低了25.5%和22.6%；當鎳粉加入量(w)為0.1%時，磨斑直徑最小，摩擦因數和磨斑直徑分別比基礎齒輪油降低了16.0%和32.1%。

圖1 納米鎳粉添加量對齒輪油摩擦學性能的影響■—摩擦因數；●—磨斑直徑。 圖2、圖3同

2.2 納米鎳銅復合粉添加量及配比對齒輪油摩擦學性能的影響

在納米鎳粉與銅粉質量比為3∶1、載荷為392 N時，復合粉體添加量對齒輪油摩擦學性能的影響見圖2。由圖2可知：隨著復合粉體添加量的增加，摩擦因數和磨斑直徑均呈先減小后增大的變化趨勢；當復合粉體添加量(w)為0.1%時，摩擦因數和磨斑直徑均達到最小值，分別為0.044 4和0.37 mm，比基礎齒輪油分別降低了37.8%和30.2%。

圖2 納米鎳銅復合粉體添加量對齒輪油摩擦學性能的影響

在納米鎳銅復合粉體加入量(w)為0.1%時，不同粉體配比對齒輪油摩擦學性能的影響見表1。由表1可知：加入納米鎳銅復合粉體后，齒輪油試驗時的摩擦因數和磨斑直徑大幅減小，與基礎齒輪油相比，摩擦因數最大降低了37.8%，磨斑直徑最大降低了32.0%；當加入單一粉體時，其對潤滑油摩擦學性能的改進作用不如復合粉體，說明通過鎳、銅兩種粉體的復配更有利于提高齒輪油的抗磨減摩性能；與基礎齒輪油相比，當納米鎳粉與銅粉質量比分別為3∶1，2∶1，1∶1，1∶2時，摩擦因數分別減小了37.8%，35.7%，33.2%，21.6%，磨斑直徑分別減小了30.2%，32.0%，28.3%，30.2%，可見，摩擦因數隨著銅粉在復合粉體中所占比例的減小而降低，并逐漸趨于平緩，而磨斑直徑變化不太大。綜合分析，納米鎳粉與銅粉質量比為3∶1時，油品的摩擦學性能較好。

表1 納米鎳粉與銅粉質量比對齒輪油摩擦學性能的影響

2.3 納米金屬粉體與蛇紋石粉復配對齒輪油摩擦學性能的影響

在納米鎳粉與銅粉質量比為3∶1、金屬與蛇紋石粉質量比為2∶1、載荷為392 N時，粉體總添加量對齒輪油摩擦學性能的影響見圖3。由圖3可知，隨著粉體總添加量的增加，摩擦因數和磨斑直徑均呈先減小后增大的變化趨勢，當總添加量(w)為0.2%時，摩擦因數和磨斑直徑均最小，分別為0.044 7和0.35 mm，比基礎齒輪油分別降低了37.4%和34.0%。

圖3 納米金屬蛇紋石復合粉體總添加量對齒輪油摩擦學性能的影響

在粉體總加入量(w)為0.2%、納米鎳粉與銅粉質量比為3∶1時，不同金屬粉體與蛇紋石粉體配比對齒輪油摩擦學性能的影響見表2。由表2可知：與基礎齒輪油相比，在加入鎳、銅和蛇紋石復合粉體后，齒輪油的摩擦因數和磨斑直徑都有較大幅度的減小，當納米金屬粉體與蛇紋石質量比分別為3∶1，2∶1，1∶1，1∶2時，摩擦因數分別減小了27.1%，37.4%，19.2%，16.2%，磨斑直徑分別減小了22.6%，34.0%，28.3%，24.5%；與僅添加鎳銅復合粉體相比，加入鎳、銅和蛇紋石復合粉體(納米金屬粉體與蛇紋石質量比為2∶1)后摩擦因數略有上升，但磨斑直徑有所下降，說明加入蛇紋石粉可以提高其抗磨性能。

表2 納米金屬與蛇紋石質量比對齒輪油摩擦學性能的影響

2.4 油品在不同載荷下的摩擦學性能

圖4為在不同載荷下，含不同納米粉體的齒輪油和基礎齒輪油的摩擦因數和磨斑直徑變化曲線。由圖4可以看出，在不同載荷下，齒輪油中加入納米粉體后摩擦因數均明顯下降，并且添加金屬粉和蛇紋石粉后摩擦學性能最好，這說明含納米金屬粉與蛇紋石粉齒輪油的摩擦學性能具有很好的載荷特性，在寬載荷范圍內均具有很好的抗磨減摩能力及自修復特性。

圖4 油品在不同載荷下的摩擦學性能■—基礎齒輪油；●—含鎳粉齒輪油；▲—含鎳銅粉齒輪油；含金屬/蛇紋石粉體齒輪油

2.5 含納米金屬/蛇紋石粉體齒輪油作用下的鋼球磨痕形貌與能譜分析

圖5為在392 N的載荷下，經含納米金屬/蛇紋石粉體齒輪油長磨60 min后鋼球的磨痕形貌。由圖5可以看出，鋼球表面的磨痕較淺。圖6為鋼球磨斑凹槽點和磨斑表面脊的能譜分析結果。GCr15軸承鋼球的成分主要有鐵、碳、鉻、硅等，不含鎳、銅、鎂元素。由圖6可以看出，經過含金屬/蛇紋石粉體的齒輪油長磨后，鋼球磨痕的脊和凹槽內均含有鎳、銅、鎂等元素，說明復合粉體在摩擦過程中向摩擦表面發生遷移，通過極性吸附填平摩擦副的磨痕溝壑，降低摩擦副的粗糙度，從而進一步減小摩擦功耗，并且在局部接觸點的高溫、高壓作用下，納米金屬/蛇紋石粉體迅速沉積并焊合到摩擦副表面，在摩擦副表面形成具有一定強度的金屬陶瓷自修復膜，改善齒輪油的摩擦學性能。

圖5 鋼球磨斑形貌a—磨斑凹槽點；b—磨斑表面脊

圖6 鋼球磨斑凹槽點和磨斑表面脊的能譜分析結果

3 結 論

(1) 少量納米金屬鎳銅粉體的加入有利于提高齒輪油的摩擦學性能。當納米鎳粉與銅粉的質量比為3∶1、粉體總加入量(w)為0.1%時，摩擦因數和磨斑直徑較未添加粉體的齒輪油分別減小了37.8%和30.2%。

[1] 文瑾，李潔，劉士軍，等.表面修飾納米銅顆粒添加劑的摩擦學性能[J].化工學報，2011，62(4)：1157-1161

[3] 趙修臣，宣瑜，劉穎，等.納米Sn粒子的制備及其作潤滑油添加劑的摩擦學性能研究[J].潤滑與密封，2007，32(1)：108-110

[4] 潘傳藝，余軍文，李雪輝，等.鉍系納米材料在潤滑中的應用[J].潤滑與密封，2007，32(3)：202-206

[5] 張振忠，高建衛，殷波，等.金屬納米復合粉體改善潤滑油的摩擦磨損性能研究[J].潤滑與密封，2006，31(5)：81-83，87

[6] 曹娟，張振忠，安少華，等.超細蛇紋石的表面修飾及其在基礎油中的摩擦學性能[J].硅酸鹽學報，2008，36(9)：1210-1214

STUDY ON TRIBOLOGICAL PROPERTIES OF GEAR OIL WITH NANO-METAL/SERPENTINE POWDER

Wang Linyan，Zhang Zhenzhong，Huang Junjie，Zhao Fangxia

(CollegeofMaterialsScience&Engineering，NanjingUniversityofTechnology，Nanjing210009)

To improve the tribological properties of conventional gear oils，the effects of adding nano-Ni，nano-Ni/Cu composite powders and nano-metal/extra fine serpentine composite powders respectively on tribological properties of base gear oils as well as their load characteristics were studied by using four-ball tester and EDS technique.Experimental results indicate that the gear oils with nano-Ni/Cu composite powder achieve a better triboligical behavior than the one with single powder.The friction coefficient and wear scar diameter decreased by 37.8% and 30.2% respectively when the amount of nano-Ni/Cu composite powder (mass ratio of Ni and Cu of 3∶1) added is 0.1%.The gear oils containing nano-metal/serpentine composite powder has even better tribological properties and good load characteristics.The friction coefficient and wear scar diameter decreased by 37.4% and 34.0%，respectively when the dosage of the metal/serpentine composite powder is 0.2% with the mass ratio of metal powder (Ni and Cu ratio of 3∶1) and serpentine of 2∶1，and.The wear scar morphology and the EDS analysis show that the nano-metal/serpentine composite powder could fill the furrows and repair the worn surface.

L-CKD ISO 320 gear oil；nano-metal powder；extra fine serpentine powder；tribological property

2015-07-27；修改稿收到日期：2015-10-26。

王林燕，碩士研究生，主要從事納米材料制備及應用等方面的研究工作。

張振忠，E-mail：15261809268@163.com。

江蘇高校優勢學科建設工程項目(蘇政辦2011-6)；廣西科技成果轉化與推廣計劃項目(1298009-15)。