納米MMT/In添加含量對鋼球摩擦副的影響

楊桃月，曹陽

（1.貴州廣播電視大學實訓中心，貴州貴陽550023；2.貴州大學機械工程學院，貴州貴陽550025）

納米MMT/In添加含量對鋼球摩擦副的影響

楊桃月1，曹陽2

（1.貴州廣播電視大學實訓中心，貴州貴陽550023；2.貴州大學機械工程學院，貴州貴陽550025）

將經修飾后的蒙脫石（MMT）/銦（In）復合納米粉體按質量百分比1%、2%、3%、4%添加到150N基礎油中，制備成四種分散體系，用MS-10A四球摩擦試驗機機測試了各種潤滑體系對鋼球試樣的摩擦性能，用SEM和EDX等分析了鋼球樣表面成分與形貌的變化，對比分析了影響摩擦學性能的機理。結果表明：添加有MMT/In納米粉體對應的試樣磨斑直徑均比基礎油中的小，特別是3%含量的HMM3I7-3相對基礎油減小了18.73%；所有試樣表面均形成了以MMT特征元素和In元素為主體組成的自修復膜層，使磨損失重獲得補償，分析結果表明HMM3I7-3試樣中MMT和In特征元素的含量最高，故磨損率最小；添加有納米MMT/In潤滑體系的試樣平均摩擦因數均低于純基礎油的試樣，3%含量對應的MCM3I7-3試樣的摩擦因數最小，相對基礎油降低了52.11%，這是由膜層完整度決定的。

納米MMT-In；潤滑油添加劑；添加量；鋼球摩擦副

在機械系統及其裝置中，摩擦高副廣泛存在，如齒輪傳動、滾珠軸承等。潤滑油添加劑在摩擦高副環境的性能是潤滑油添加劑的一項重要指標，納米礦物[1-2]、納米金屬[3-4]和復合納米材料[5]在四球摩擦磨損試驗機的摩擦學性能都有較多研究，都獲得了較好的減摩抗磨效果。本文主要在MMT與In配比為3：7的條件下，研究MMT/In在潤滑體系的添加量對摩擦學性能的影響。

1　試驗條件與方法

1.1試驗條件

材料和試劑有：自制納米MMT/In復合粉體；基礎潤滑油（150N，江蘇昆山）；四球摩擦試驗機專用GCr15鋼球），直徑12.70 mm，洛氏硬度HRC64～66；石油醚（分析純，市購）。

儀器設備有：85-2（A）磁力攪拌器；MS-10A杠桿式四球摩擦試驗機（廈門天機自動化有限公司）；JSM-6490LV掃描電鏡；INCA-350 X射線能譜儀；SW-101Z超聲波清洗機。

1.2潤滑體系的制備

按照吳雪梅等人[5]敘述的納米粉體制備和表面修飾方法，共混制備一定量的納米MMT3In7復合粉體，按照1%、2%、3%、4%的添加量，添加到基礎油中，充分攪拌30 min，然后再在超聲波分散儀中分散30 min制成試驗用油樣體系，各體系代號見表1.

表1　潤滑油樣及摩擦試樣代號

1.3試驗過程

將摩擦試樣分成五組，分別在油樣HBO、HM3I7O-1、HM3I7O-2、HM3I7O-3、HM3I7O-4中進行摩擦磨損性能對比，對應的摩擦試樣分別稱為HMB、HMM3I7-1、HMM3I7-2、HMM3I7-3、HMM3I7-4試樣。

將以上五種油樣分別在四球摩擦試驗機上進行抗磨損性能測試，獲得平均磨斑直徑和摩擦因數。摩擦磨損試驗完成后，用JSM-6490LV SEM分別對試樣進行形貌分析，用EDX進行表面成分分析，以此分析摩擦學性能變化的作用機制。

2　試驗結果與機理分析

2.1抗磨性分析

2.1.1磨損量測試結果與數據分析

圖1是MMT：In為3：7，添加量分別為1%、2%、3%和4%的納米MMT/In添加劑在鋼球摩擦副下部靜止鋼球（即HMB、HMM3I7-1、HMM3I7-2、HMM3I7-3、HMM3I7-4試樣）的磨斑的光學照片，表2是各個試樣磨斑的平均直徑。

圖1　不同含量復合粉體試件磨損表面磨斑的光學照片

表2　不同含量的納米MMT/In粉體在鋼球摩擦副中的磨斑直徑統計表（15kg，60min，1200r/min，75℃）

從測試結果來看，添加有1%~4%的納米粉體潤滑體系中的摩擦試樣磨斑直徑均比基礎油中的小，而且在含量較小時，隨著含量的增加，磨斑直徑逐漸減小，但含量達到4%時，其磨斑直徑又有所增大。

2.1.2抗磨性形貌及表面分析

圖2是各摩擦試樣試驗后表面的SEM形貌。（a）圖HMM3I7-1試樣摩擦中心區域磨痕深而寬，溝痕密集，溝痕邊緣雖較（e）圖中HMB圓潤，但仍顯得較銳利被犁溝物質轉移較強烈。（b）圖HMM3I7-2試樣摩擦中心區域磨痕較明顯，但溝痕的密集程度有所下降，谷峰差有所減小，而且中心區域的較深溝痕中有覆蓋填充物被犁溝物質轉移緩和了許多，似有覆蓋物補償磨損。（c）圖HMM3I7-3試樣摩擦區域表面光潔，有少量較淺劃痕，整個表面有被物質覆蓋的膜層，一方面，表面被犁溝粘著磨損輕微，另一方面表面形成了修復膜層，補償效果較好。（d）圖HMM3I7-4試樣摩擦痕跡非常明顯，磨痕較寬與HMM3I7-1相似，少數較淺的溝痕中留下碾壓涂覆物質的痕跡，磨損加重。

圖2　不同含量復合粉體試件磨損表面SEM形貌

為了弄清表面物質的組成，在掃描電鏡下進行EDX元素分析，表3為各試樣摩擦表面EDX分析結果。從測試數據可以分析，復合納米粉體的添加量直接影響摩擦試樣表面所含特征元素的量，摩擦表面涂覆層完整程度也與之直接相關。之前的研究[6]中分析得出復合納米粉體抗磨性能的好壞主要受表面層中納米In含量的主導，本研究結果其抗磨機理也類似，也是In含量起重要作用，對照表2和3，可知表層中In原子濃度越多，其抗磨性能越好。

表3　摩擦表面各主要元素原子分數對比表（At%）

由于當其材料延展和涂覆性能越明顯，其抗磨性越好，但是較高含量時，納米MMT/In中添加量是在較小范圍內變動，磨粒磨損較微弱，當該物質添加量增加時，將促進化學反應向右移動，有利于反應成膜而不被磨耗，故隨之表面檢測中In的濃度呈上升狀態。但添加入過多的納米MMT硬質粉體，會使表面的磨粒磨損加劇，不利于表面膜層的生成和In原子的滲入，故In濃度很低，抗磨性也不好。

2.2減摩性分析

2.2.1摩擦因數測試結果與數據分析

各摩擦試樣摩擦因數隨時間變化如表4所示。試驗所涉及的四種含量添加劑的潤滑體系中平均摩擦因數均明顯比基礎油摩擦試樣的平均摩擦因數值小，特別是HMM3I7-3試樣的摩擦因數最低，說明復合納米添加劑的減摩效果顯著。而且當含量較小時隨著含量增加，摩擦因數降低，含量增加到4%時，反而又增大，這與磨損率的變化趨勢一致。

表4　各試樣平均摩擦因數（μ）

2.2.2機理分析

本項研究試驗運轉的時間與摩擦低副相比要短得多，僅60 min，在該時間內，接觸面上難以形成對減摩性有效而完整的反應膜層。含量較低時，納米粒子的滾珠效應和軟金屬In納米粒子鋪展后的低剪切效應使摩擦因數普遍較純基礎油有所下降。由于隨潤滑油體系中MMT/In納米微粒含量的增加，其成分的沉積和改性作用增強，使摩擦因數呈下降趨勢。當體系中含量為3%時減摩性最好，也是摩擦試樣表面MMT/In中的特征元素濃度最高體系中的HMM3I7-3試樣。從表面形貌來看該HMM3I7-3試樣表面粗糙度最低，也是減摩性好的原因之一。當潤滑油體系中MMT/In含量增大到4%時，納米MMT/In中的硬相MMT粒子對接觸區研磨加劇，導致沉積膜難以正常進行。另一方面，MMT的活化作用，提高了鋼-鋼摩擦副接觸區的表面能，促進了粘著傾向，尤其在高副接觸應力和比壓大的條件下這種傾向更明顯，硬相磨粒對球表面的切削和犁溝，導致粗糙度增大，也是摩擦因數上升的原因。

3　結束語

（1）添加有1%~4%含量的四中潤滑體系對應的摩擦試樣磨斑直徑均小于基礎油潤滑體系中HMB試樣的磨斑直徑，并且3%含量的HMM3I7-3試樣磨斑直徑最小，相對于HMB試樣的減小了18.73%；

（2）經過摩擦試驗后，四種試樣表面均形成了以MMT特征元素和In元素為主體組成的自修復膜層，而HMM3I7-3試樣中特征元素的含量高于其他試樣中特征元素的含量，說明相對于3%添加量在潤滑體系中起到的自修復作用最大。

（3）添加有1%~4%含量的四中潤滑體系摩擦因數均小于基礎油潤滑體系的摩擦因數，并且3%含量的潤滑體系摩擦因數最小，相對于基礎油減小了52.11%.

[1]高傳平，王燕民，潘志東.納米高嶺土作為潤滑添加劑的減摩行為[J].硅酸鹽學報，2014，42（4）：506-513.

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[6]Cao Yang，Yang Taoyue，Zhang Dabin et al.Friction mecha nism of nano-mmt/In composite on steelball higher pair，Chemical Engineering Transactions，2015，（46）：1177-1182.

Effect of Nano MMT/In Content on Friction Pairs of Steel Balls

YANG Tao-yue1，CAO Yang2
（1.Guizhou Radio and TV University，Guiyang Guizhou 550023，China；2.College of Mechanical Engineering，Guizhou University，Guiyang Guizhou 550025）

Modified montmorillonite（MMT）/In composite nano-powders were mixed with 150N base oil，with respective 1%，2%，3%and 4%mass percentages，to prepare four dispersion systems.The MS-10Aabrasion wear tester was used to measure tribological properties of steel ball samples under five different lubrication systems.What is more，the change of morphology and components of the sample surface were analyzed through SEM and EDX，to the advantage of a comparative analysis on how tribological properties are affected.The test results show that wear scar diameter of samples in test oil due to abrasive wear is less than the one in base oil.Noticeably，the HMM3I7-3 sample has the minimum diameter which decreases by 18.73%compared to the one in base oil.EDX test results show that on the surfaces of all samples form self-healing coatings with MMT characteristic elements and In as the main body，which reduce the diameter caused by abrasive wear.Also，the friction coefficient of samples in test oil is smaller than the one in base oil.The HMM3I7-3 sample has the minimum friction coefficient which decreases by 52.11%compared to the one in base oil.This phenomenon is caused by the degree of coating integrity.

nano-MMT/In；lubricant additive；mass percentage；steel ball tribo-pair

TH117.2

A

1672-545X（2016）10-0140-03

2016-07-06

貴州省科學技術基金項目（No.黔科合J字[2012]2118號/[2011]2011號）；貴州大學青年科學技術基金（No.貴大自青基合字[2010]053號/[2010]020號）；貴州大學人才引進基金項目（No.貴大人基合字（2015）31號）

楊桃月（1982-），女，貴州天柱人，本科，實驗師，主要從事機械設計方面的研究。