納米碳酸鈣顆粒作為鈦基脂添加劑的摩擦學性能

(東北林業大學交通學院 黑龍江哈爾濱 150040)

納米碳酸鈣顆粒是迄今為止發現的表面能最小的固體潤滑材料，由于具有防腐潤滑效果、耐高低溫和抗酸堿能力，廣泛應用于化學、機械、醫療、紡織等領域[1-2]。在機械潤滑方面，將納米碳酸鈣加入潤滑油中，能有效改善基礎油的抗磨、減摩性能[3-5]；同樣將納米碳酸鈣添加入液壓油中也能明顯改善其摩擦學性能[6-7]。研究不同晶型納米碳酸鈣對潤滑油的影響，發現納米碳酸鈣晶型摩擦后主要為方解石[8]。納米碳酸鈣作為油脂添加劑的研究主要集中在潤滑油方面，潤滑脂方面研究較少。JI[9]等嘗試將納米碳酸鈣加入鋰基潤滑脂中，結果發現其能顯著改善基礎脂的摩擦學性能。從納米碳酸鈣減摩、抗磨效果來看，其作為油脂添加劑應用前景廣闊。

復合鈦基脂具有許多突出的理化性能優點,使用納米顆粒作為其添加劑在減摩抗磨方面有較顯著的效果[10-14]。本文作者使用納米碳酸鈣顆粒作為復合鈦基脂的改性劑，研究納米碳酸鈣顆粒的添加量對摩擦磨損性能的影響，分析納米碳酸鈣在復合鈦基脂中的減摩抗磨作用機制，為研究含納米添加劑的復合鈦基脂提供理論和實驗基礎。

1 試驗部分

1.1 原料

選取石蠟基礦物油作為復合鈦基脂的基礎油，硬脂酸、苯甲酸和鈦酸四異丙酯為稠化劑。納米碳酸鈣由江西華明納米碳酸鈣有限公司生產，均由脂肪酸進行了修飾，晶型為方解石。其主要參數如表1所示。

表1 納米碳酸鈣的主要參數

1.2 摩擦磨損性能評價

采用廈門試驗機廠產SQ2Ⅲ型四球摩擦磨損試驗機評價含納米碳酸鈣顆粒復合鈦基脂的摩擦磨損特性。試驗條件為：轉速1 450 r/min，載荷392 N，試驗時間60 min，室溫。所用鋼球為十級GCr15軸承鋼鋼球，由哈爾濱軸承廠提供，直徑12.7 mm，硬度為HRC59～61。每次試驗前將鋼球在丙酮中超聲波清洗30 min。試驗過程中記錄摩擦力矩并計算摩擦因數μ，用精度0.005 mm的光學顯微鏡觀測鋼球的磨斑直徑，并取3次測量結果的平均值作為磨損量。

1.3 磨損表面分析

采用PH I25700型X射線光電子能譜儀(XPS)測定鋼球磨斑表面主要元素的化學狀態，所用激發源為Al耙(1 486.6 eV)，以污染碳(C1s為284.6 eV)為內標。采用日本S2570型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察鋼球的磨斑表面形貌。

2 結果與討論

2.1 摩擦磨損性能

圖1所示為納米碳酸鈣作為復合鈦基脂添加劑的摩擦磨損性能曲線。圖1(a)所示為4種質量分數含納米碳酸鈣復合鈦基脂的摩擦因數隨時間的變化曲線，圖1(b)所示為磨斑直徑隨納米碳酸鈣質量分數的變化曲線。由圖1(a)可見，納米碳酸鈣質量分數為1%、3%、5%的復合鈦基脂的摩擦因數隨時間變化比較平滑穩定，且對純脂有明顯的減摩效果。添加質量分數3%納米碳酸鈣的復合鈦基脂的平均摩擦因數比純脂降低了14.9%。由圖1(b)可見，添加質量分數3%納米碳酸鈣的復合鈦基脂抗磨效果最佳，其磨斑直徑相比純脂降低了約35.1%。隨著納米碳酸鈣質量分數的增加，磨斑直徑又開始增大，表明納米碳酸鈣顆?？赡艹霈F了團聚現象，從而削弱了其抗磨的效果。

圖1 納米碳酸鈣作為鈦基脂添加劑的摩擦磨損性能曲線Fig 1 Friction and wear properties curves of CaCO3 nanoparticles as additive in titanium grease (a)variation of friction coefficient with time;(b)variation of wear scar diameter with mass fraction of additive

2.2 磨損機制分析

圖2所示為添加質量分數為0、1%、3%、7%納米碳酸鈣的復合鈦基脂潤滑條件下的鋼球磨損表面SEM形貌。

圖2 不同納米碳酸鈣添加量的鈦基脂潤滑下的鋼球磨斑SEM圖

Fig 2 SEM photos of the worn scar of steel ball lubricated by titanium grease with different content of CaCO3nanoparticles

由圖2(a)、(b)可見，純復合鈦基脂潤滑鋼球表面存在著較深的犁溝和表面金屬脫落形成的凹坑；磨斑表面出現微觀破裂、破碎及塑性變形，并有大塊剝落現象，主要表現為黏著磨損和磨粒磨損。由圖2(c)、(d)可知，與純復合鈦基脂潤滑鋼球表面相比，添加質量分數為1%納米碳酸鈣的復合鈦基脂潤滑鋼球表面劃痕寬度與深度均顯著降低，擦傷有所減輕。由圖2(e)、(f)可見，當納米碳酸鈣質量分數達到3%時，鋼球磨斑直徑顯著減少，鋼球表面磨損明顯減輕，摩擦表面出現多孔狀膜層。由圖2(g)、(h)可見，當納米碳酸鈣質量分數增至7%時，鋼球磨斑直徑又增大，表現出多孔狀膜層被明顯磨削的痕跡?？梢?，添加適量納米碳酸鈣能提高復合鈦基脂的抗磨性能，其中添加質量分數3%納米碳酸鈣的潤滑脂潤滑抗磨效果為最佳。

選取添加納米碳酸鈣質量分數3%的復合鈦基脂潤滑鋼球磨斑表面進行XPS分析，圖3示出了其表面的XPS圖譜，表2給出了其摩擦表面相對原子含量。

圖3(a)所示為鋼球磨斑表面Fe2p譜峰，其中電子結合能約為709.25 eV處屬于Fe2+；電子結合能約為710.9 eV處對應于Fe2O3。如圖3(b)所示的C1s譜峰中，電子結合能約為284.6 eV處對應于C-C。如圖3(c)所示的O1s譜峰中，電子結合能約為533.125 eV處對應于羧基COOH；電子結合能約為532.75 eV處對應于羰基C=O；電子結合能約為531.125 eV處對應于羥基或醚基C-O；電子結合能約為530.1 eV處屬于無機氧。由O元素和C元素的分析結果可知，鋼球磨斑表面吸附有油脂分子。如圖3(d)所示的Ca2p譜峰中，電子結合能約為 346.65 eV處屬于氧化鈣。如圖3(e)所示的Ti2p3/2譜峰中，電子結合能約為458 eV處歸屬于TiO2。從鈦元素的分析結果可知，復合鈦皂分子在摩擦表面發生了分解。

上述分析表明，添加質量分數3%納米碳酸鈣的復合鈦基脂潤滑下，鋼球表面吸附有潤滑油脂分子，并形成了由Fe2O3、FeO、TiO2及納米碳酸鈣分解的CaO等無機化合物組成的多孔狀保護膜。這種多孔狀保護膜和潤滑油脂吸附膜共同作用，阻止了摩擦表面之間的直接接觸，起到了有效的減摩抗磨效果。

圖3 添加質量分數3%納米碳酸鈣的復合鈦基脂潤滑下的鋼球磨斑表面XPS圖譜Fig 3 XPS map of the worn scar surface of steel ball lubricated by titanium grease with mass fraction 3% of CaCO3 nanoparticles

表2 添加質量分數3%納米碳酸鈣的復合鈦基脂潤

3 結論

(1)質量分數1%、3%和5%的納米碳酸鈣對復合鈦基脂都有明顯的減摩效果，其中添加質量分數3%納米碳酸鈣的復合鈦基脂與純脂相比，平均摩擦因數減少了14.9%。

(2)添加質量分數3%納米碳酸鈣的復合鈦基脂具有最佳的抗磨效果，其相對于純復合鈦基脂，可使鋼球磨斑直徑減少35.1%。

(3)納米碳酸鈣在摩擦表面分解生成了CaO，復合鈦皂分子在摩擦表面發生分解生成了TiO2，最終在摩擦表面形成了由CaO、Fe2O3、FeO、TiO2等無機化合物組成的保護膜，阻止了摩擦表面之間的直接接觸，起到了減摩抗磨的效果。