納米WS2和TiN對(duì)GCr15鋼摩擦磨損性能的影響*

李 征 周俊龍2 孟凡善2 王文健2 李 揚(yáng)

(1.青島理工大學(xué)(臨沂)機(jī)電工程系 山東臨沂 273400；2.西南交通大學(xué)摩擦學(xué)研究所 四川成都 610031)

減摩抗磨特性是衡量潤(rùn)滑油的最重要、最基本的性能指標(biāo)，如何提高潤(rùn)滑油的減摩抗磨特性是摩擦學(xué)工作者一直致力于的研究方向。近些年新興的納米材料在很多方面，尤其是在摩擦特性上展現(xiàn)出了優(yōu)越于傳統(tǒng)材料的特點(diǎn)，為摩擦學(xué)研究拓展了新的研究領(lǐng)域。羅金瓊等[1]系統(tǒng)論述了納米潤(rùn)滑油的研究現(xiàn)狀及在實(shí)際應(yīng)用中所取得的重大效果。阮少軍等[2]對(duì)多種納米粒子潤(rùn)滑機(jī)制進(jìn)行分析，并對(duì)潤(rùn)滑機(jī)制的實(shí)質(zhì)進(jìn)行闡述。石琛等人[3]的研究表明，添加有納米WS2粒子的潤(rùn)滑油液可以有效改善黏著磨損表面形貌，使磨損表面粗糙度降低46.5%，磨損量降低82.3%，并證明納米WS2與基體材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在磨損表面形成修復(fù)層。羅仁芝等[4]將添加有納米WS2的潤(rùn)滑油液應(yīng)用在臺(tái)架試驗(yàn)和行車(chē)試驗(yàn)上，發(fā)現(xiàn)不論在低速和高速、低載和高載情況下，納米WS2添加劑均有良好的節(jié)能減排效果。戴琴等人[5]從WS2的分子結(jié)構(gòu)及成鍵類(lèi)型角度對(duì)其優(yōu)異的潤(rùn)滑性能進(jìn)行解釋?zhuān)J(rèn)為層狀二維材料WS2層間由較弱的范德華力結(jié)合，在摩擦過(guò)程中較低的鍵能極易發(fā)生位移，導(dǎo)致摩擦因數(shù)較低。阮亭剛和WU等[6-7]對(duì)鈦基納米潤(rùn)滑添加劑在SH-T0762-2005標(biāo)準(zhǔn)潤(rùn)滑油測(cè)定工況下進(jìn)行試驗(yàn)，表明鈦基納米添加劑的加入可以有效改善潤(rùn)滑油的抗磨減摩性能，并證明納米TiO2添加劑具有較好的減摩抗磨性能，納米TiN添加劑具有較好的自修復(fù)效果。本文作者設(shè)計(jì)試驗(yàn)對(duì)比研究了納米WS2和納米TiN在基礎(chǔ)油500SN中的減摩抗磨特性。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

采用北京德科島津科技有限公司生產(chǎn)的粒徑為50 nm的納米態(tài)WS2和粒徑為20 nm的納米態(tài)TiN作為抗磨添加劑；選取廣東中海南聯(lián)能源有限公司生產(chǎn)的500SN型潤(rùn)滑油作為基礎(chǔ)油。

1.2 納米TiN、WS2油樣制備

使用分析天平秤取一定質(zhì)量的納米粒子和油酸，加入到基礎(chǔ)油500SN中，配制油酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%，納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0(基礎(chǔ)油)、0.3%、0.5%、0.7%、1%的WS2和TiN油樣。對(duì)油樣進(jìn)行機(jī)械攪拌，并用超聲波清洗儀超聲處理30 min，使油樣中納米粒子分散穩(wěn)定。

1.3 試驗(yàn)方法

利用MRS-10A型四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，試驗(yàn)鋼球?yàn)棣?2.7 mm GCr15鋼球，硬度為HRC64～66。將試驗(yàn)鋼球浸入配制的不同納米粒子含量的油樣中，在載荷392 N、油溫40 ℃、轉(zhuǎn)速600 r/min進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間為60 min。試驗(yàn)過(guò)程中，每隔10 s對(duì)摩擦因數(shù)進(jìn)行采樣。試驗(yàn)后使用無(wú)水乙醇超聲清洗鋼球并干燥，使用激光共聚焦顯微鏡(LSCM OLS1100，Japan)觀察磨斑表面形貌，并對(duì)試驗(yàn)鋼球的磨斑直徑進(jìn)行測(cè)量。每個(gè)油樣重復(fù)試驗(yàn)3次，取平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 納米TiN、WS2含量對(duì)潤(rùn)滑性能的影響

對(duì)不同納米TiN、WS2含量下摩擦因數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，得出的平均摩擦因數(shù)如圖1所示?？梢钥闯觯夯A(chǔ)油油樣(納米添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0)的摩擦因數(shù)值最大；隨著納米添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，油樣的摩擦因數(shù)均開(kāi)始下降，并均在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時(shí)達(dá)到最低值，而含納米TiN油樣的摩擦因數(shù)要低于含納米WS2油樣；隨著納米添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的繼續(xù)增大，油樣的摩擦因數(shù)又開(kāi)始逐漸上升。相比基礎(chǔ)油，納米TiN添加劑可使摩擦因數(shù)降低5%～8%，納米WS2添加劑可使摩擦因數(shù)降低2%～3%，即納米TiN添加劑的減摩性能相比納米WS2添加劑提高了3%～5%。

圖1 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下納米油樣的摩擦因數(shù)

對(duì)試驗(yàn)后鋼球的磨斑直徑進(jìn)行測(cè)量，得到的磨斑直徑隨納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系曲線如圖2所示。可以看出：磨斑直徑隨納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加先降低后升高，2種納米粒子均在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時(shí)磨斑直徑最小。磨斑直徑隨添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化趨勢(shì)與摩擦因數(shù)的變化趨勢(shì)相一致。

圖2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下納米油樣潤(rùn)滑下的鋼球磨斑直徑

在基礎(chǔ)油中試驗(yàn)的鋼球的磨斑直徑最大，達(dá)到0.54 mm；隨納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，磨斑直徑迅速減小，到達(dá)0.3%質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)均降至最低值，且納米TiN對(duì)應(yīng)的鋼球磨斑直徑只有0.375 mm，小于納米WS2對(duì)應(yīng)的最小磨斑直徑0.425 mm；之后隨著納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加，磨斑直徑開(kāi)始緩慢變大。相比基礎(chǔ)油，含納米TiN潤(rùn)滑油潤(rùn)滑下的磨斑直徑下降了26%～32%，含納米WS2潤(rùn)滑油潤(rùn)滑下的磨斑直徑下降了19%～22%，即納米TiN添加劑相比納米WS2添加劑，可使鋼球磨斑直徑降低10%～14%。

2.2 磨斑表面形貌

在試驗(yàn)后利用激光共聚焦電子顯微鏡觀測(cè)磨斑的二維形貌和三維形貌，得到在基礎(chǔ)油潤(rùn)滑下鋼球磨斑形貌如圖3所示，圖中的深色代表溝槽，亮色代表突起。從圖3(a)中可以看出磨斑形貌較大，磨斑中間區(qū)域存在大面積劃痕，左右兩邊主要是壓痕。從圖3(b)中可以看出中心區(qū)域的犁溝和突起相間分布，極不均勻。從圖3(c)中可以看出犁溝和突起的三維形貌，是典型的磨粒磨損，原因是試驗(yàn)過(guò)程中磨屑無(wú)法及時(shí)排出劃傷摩擦副表面，同時(shí)增大了摩擦阻力使摩擦因數(shù)變大。

對(duì)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米TiN潤(rùn)滑油潤(rùn)滑下的磨斑形貌進(jìn)行觀測(cè)，結(jié)果如圖4所示。可以看出：納米TiN質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時(shí)磨斑直徑具有最小值，隨著納米TiN質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，磨斑略微變大；納米TiN質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時(shí)，磨痕在整個(gè)磨斑上均勻分布，整個(gè)磨斑展現(xiàn)出深色的溝槽，極少有亮色的突起；而在其他質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的磨斑，都不同比例地存在成片的深色溝槽和亮色突起。

圖4 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米TiN潤(rùn)滑油潤(rùn)滑下的鋼球二維磨斑形貌

對(duì)圖4中的方框部分進(jìn)行放大，得到的三維形貌如圖5所示。從圖5(a)中可以看出，納米TiN質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時(shí)，整個(gè)磨斑表面出現(xiàn)均勻的剝落，且深度較小，沒(méi)有出現(xiàn)基礎(chǔ)油潤(rùn)滑下磨斑上明顯存在的犁溝，只有極少數(shù)區(qū)域存在未剝離掉的材料成條狀突起在磨斑中，是明顯的黏著磨損。這說(shuō)明納米TiN在摩擦副之間起到了類(lèi)球軸承[10]的減摩作用，既能使兩接觸面充分接觸，又能夠?qū)⒛バ佳杆倥懦粫?huì)刮傷摩擦副表面。圖5(b)和(c)中，既有成片的剝落，又有較小的凹坑存在，還有一些犁溝存在，說(shuō)明在納米TiN質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%～0.7%時(shí)，不僅有黏著磨損，還出現(xiàn)了磨料磨損，可能的原因是納米TiN含量過(guò)大后，納米顆粒因較高的表面能容易團(tuán)聚成塊，從而對(duì)摩擦副表面造成點(diǎn)蝕和刮傷，破壞表面油膜。從圖5(d)中可看出，當(dāng)納米TiN質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到1%后，磨斑的剝落已經(jīng)很少，而出現(xiàn)了大量的犁溝，很可能是高含量的納米顆粒發(fā)生團(tuán)聚，導(dǎo)致了不穩(wěn)定的摩擦[12-13]。

圖5 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米TiN潤(rùn)滑油潤(rùn)滑下的鋼球磨斑中心三維形貌

同樣對(duì)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米WS2潤(rùn)滑油潤(rùn)滑下的鋼球磨斑形貌進(jìn)行觀測(cè)，結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯觯合啾然A(chǔ)油潤(rùn)滑下的鋼球磨斑，在納米WS2潤(rùn)滑油潤(rùn)滑下的磨斑直徑減小較多；但是隨著納米WS2質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.3%到1%的升高，磨斑直徑的變化不明顯。圖6所示的4幅磨斑二維形貌中均有大量的磨痕和片狀的剝落存在，極少數(shù)邊緣區(qū)域僅有壓痕出現(xiàn)，比基礎(chǔ)油潤(rùn)滑下的磨損要輕，但是整個(gè)磨痕的分布情況并不均勻，全部都是中心區(qū)域的深色更多，而邊緣區(qū)域只是條帶狀的深色和亮色間隔出現(xiàn)。原因是中心區(qū)域應(yīng)力最大，隨著向磨斑的外圍趨近，應(yīng)力逐漸減小。

圖6 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米WS2潤(rùn)滑油潤(rùn)滑下的鋼球二維磨斑形貌

對(duì)圖6中的方框部分進(jìn)行放大，得到的三維形貌如圖7所示。可以看出，磨斑中心區(qū)域均具有大量的犁溝、突起和片狀的剝落，形態(tài)基本相似。這說(shuō)明在納米WS2潤(rùn)滑油潤(rùn)滑下的摩擦磨損試驗(yàn)中，既有黏著磨損，還有磨料磨損[14]，整體呈現(xiàn)出磨料磨損多于黏著磨損?？赡艿脑蚴羌{米態(tài)WS2在摩擦副中可以有效地減少摩擦副的直接接觸產(chǎn)生的黏著作用[15]，但是由于其存在一定程度的積聚作用，積聚在一起的較大尺寸的WS2顆粒和未及時(shí)排出的磨屑在外力作用下刮傷了摩擦副表面，使得片狀的剝落和磨粒犁溝共存。但是相比基礎(chǔ)油潤(rùn)滑下的磨斑，磨損有所減輕，而與不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米TiN潤(rùn)滑油潤(rùn)滑下的磨斑相比，磨損仍較嚴(yán)重。

圖7 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米WS2潤(rùn)滑油潤(rùn)滑下的鋼球磨斑中心三維形貌

3 結(jié)論

(1)在500SN基礎(chǔ)油中添加納米TiN和納米WS2均能夠在一定程度上提高其減摩抗磨特性，其中納米TiN的性能更為突出。

(2)隨著納米TiN質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，油樣的減摩抗磨特性先提高后降低，在大約0.3%質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)減摩抗磨特性達(dá)到峰值，此時(shí)與基礎(chǔ)油相比，摩擦因數(shù)降低8%，磨斑直徑減小32%。納米TiN潤(rùn)滑油潤(rùn)滑下的主要磨損為黏著磨損。

(3)隨著納米WS2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，油樣的減摩抗磨特性先降低后基本保持不變，與基礎(chǔ)油相比，最高能使摩擦因數(shù)降低超過(guò)3%，磨斑直徑下降22%。納米WS2潤(rùn)滑油潤(rùn)滑下的磨損類(lèi)型為黏著磨損與磨粒磨損共存。