蛇紋石/納米軟金屬在復合鋰基潤滑脂中的摩擦學性能研究

夏延秋，陳 川

(華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京 102206)

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51575181)；北京市自然科學基金資助項目(2172053)。

近年來，微納米材料由于自身的特殊性能，使其作為潤滑油添加劑得到了廣大研究學者的關注，一直是相關領域的研究熱點[1-2]。研究表明多種微納米固體顆粒作為潤滑油添加劑均能有效改善摩擦副的運行狀況，并且可在摩擦副表面形成硬度較高的自修復層，補償表面的磨損從而實現摩擦部件的低磨損甚至零磨損，這對于改善設備摩擦磨損及延長使用壽命具有重要的意義[3-5]。其中，層狀硅酸鹽和納米軟金屬作為這類微納米固體顆粒的典型代表材料已經得到了廣泛的研究與應用。高飛等[6]考察了天然蛇紋石粉作為潤滑油添加劑的自修復性能，發現經過油酸修飾的蛇紋石粉可以顯著地減小鋼-鋼摩擦副的摩擦因數和磨損率，并且在摩擦表面形成良好的自修復層。趙福燕等[7]采用水溶液沉淀法和乙醇溶液沉淀法制備了蛇紋石/La復合粉體，發現這種粉體在潤滑油中具有優異的減摩抗磨作用。王曉麗等[8]考察對比了納米銅添加劑在不同潤滑油中的減摩抗磨性能，發現納米銅能夠起到減摩抗磨作用的原因主要是其在摩擦表面生成了低剪切強度的保護軟膜。

層狀硅酸鹽和納米軟金屬作為潤滑油添加劑都表現出較好的減摩抗磨性能，目前應用研究已有很多，但是關于這二者復配的應用研究還不多見。因此，本研究以典型層狀硅酸鹽——蛇紋石和多種納米軟金屬(銀、鎳、銅)為研究對象，將蛇紋石與軟金屬按不同比例復配后作為添加劑加入到復合鋰基潤滑脂(簡稱潤滑脂)中，考察其減摩抗磨性能，以期為蛇紋石和納米軟金屬的復配應用提供理論與技術支持。

1 實 驗

1.1 原 料

聚α-烯烴(PAO40)，購于南京古田化工有限公司；十二羥基硬脂酸、癸二酸、氫氧化鋰，均為分析純，均購于國藥集團化學試劑有限公司；蛇紋石，純度大于99.99%，由長沙眾城石油化工有限責任公司提供；納米銀粉、鎳粉和銅粉，均由裝甲兵工程學院裝備再制造技術國防科技重點實驗室提供，粒徑均為40～50 nm，純度大于99.99%。

1.2 潤滑脂的制備

采用高速球磨機對天然蛇紋石進行研磨細化，得到白色的天然蛇紋石粉體。采用納米銀粉、鎳粉和銅粉分別和蛇紋石進行復配后作為添加劑，其中添加劑在潤滑脂中的質量分數為3%。蛇紋石和納米軟金屬的質量比計為m(蛇紋石)/m(軟金屬)，分別選取質量比為1∶1，2∶1，4∶1，6∶1，8∶1進行復配待用。

通過機械攪拌的方式將一定量復配的添加劑分散于PAO40基礎油中，加入一定量的十二羥基硬脂酸，將混合物升溫至80 ℃，并繼續攪拌30 min；將反應溫度升至100 ℃，并加入適量的氫氧化鋰水溶液，攪拌30 min；然后向其中加入一定量的癸二酸和適量的氫氧化鋰水溶液，繼續攪拌30 min；將反應溫度升溫至210 ℃，保持10 min；最后混合物自然冷卻至室溫，并在三輥研磨機上研磨3遍，即可制備出所需要的潤滑脂。

未加入添加劑所制備的潤滑脂記為基礎脂。

1.3 潤滑脂的分析表征

分別依據國家標準GB/T 3498，GB/T 269，GB/T 7326—1987測試潤滑脂的滴點、錐入度、銅片腐蝕性能。采用Nikon公司生產的型號為Axio Imager 2的光學顯微鏡測量潤滑脂試驗件的磨痕寬度。采用Zeiss公司生產的型號為EVO-18的掃描電子顯微鏡觀察鋼盤磨痕表面形貌。采用Bruker公司生產的型號為Quantax 400的能譜儀分析鋼盤磨痕表面的主要化學元素。

1.4 潤滑脂的摩擦學性能評價

選用中國科學院固體潤滑國家重點試驗室研制的MFT-R4000高速往復摩擦磨損試驗機進行減摩抗磨性能評價，裝置如圖1所示。在室溫條件下，摩擦副采用鋼-鋼球盤接觸，試驗時間為30 min，試驗鋼球為AISI 52100鋼，鋼球直徑為5 mm，硬度為710 Hv。底盤為鋼塊，尺寸是Φ24 mm×7.8 mm，硬度為710 Hv，鋼塊在試驗前被拋光，表面粗糙度為0.05 μm。試驗前后將試驗件用石油醚超聲清洗10 min，每次摩擦試驗時將約0.2 g的潤滑脂涂抹在摩擦副之間，摩擦因數由計算機自動記錄保存。

圖1 摩擦試驗裝置示意

2 結果與討論

2.1 添加劑對潤滑脂理化性質的影響

添加劑對潤滑脂部分理化性質的影響見表1。由表1可以看出：含有添加劑的3種潤滑脂的滴點均比基礎脂大，錐入度均比基礎脂??；含有蛇紋石/銀添加劑的潤滑脂的滴點最大、錐入度最小，這主要是由于蛇紋石和納米銀粉均具有相對較大的比表面積，對基礎油具有更強的吸附作用，使潤滑脂的滴點和錐入度相對于基礎脂產生了較大的變化；由于蛇紋石和軟金屬粉末都不含有硫、磷等腐蝕性元素，具有環境友好的特點，因此含有添加劑的3種潤滑脂都表現出了較好的銅片抗腐蝕能力。

表1 添加劑對潤滑脂理化性質的影響

2.2 添加劑對潤滑脂摩擦學性能的影響

在載荷為50 N、頻率為5 Hz的條件下，考察添加劑質量比對潤滑脂摩擦學性能的影響，結果見圖2。基礎脂試驗時的摩擦因數為0.093，試驗件的磨痕寬度為0.32 mm，添加蛇紋石的潤滑脂(簡稱蛇紋石潤滑脂)試驗時的摩擦因數為0.089，試驗件的磨痕寬度為0.3 mm。由圖2可以看出，在含有添加劑的潤滑脂中，隨著蛇紋石和納米軟金屬質量比的增大，摩擦因數呈現先減小后增大的趨勢。當蛇紋石/銀、蛇紋石/鎳、蛇紋石/銅的質量比分別為4∶1，2∶1，4∶1時，在對應的復配體系中摩擦因數達到最小值，并且摩擦因數相比于基礎脂分別減小了7.5%，6.5%，6.5%，說明這3種添加劑均表現出了最優的減摩性能。蛇紋石單獨作為添加劑時，可以有效減小磨痕寬度；當蛇紋石和納米軟金屬復配質量比為4∶1時，試驗件的磨痕寬度進一步減小，蛇紋石/銀、蛇紋石/鎳、蛇紋石/銅的質量比均為4∶1時，與基礎脂試驗件的磨痕寬度相比，分別減小了14.7%，9.1%，15.6%。

含有添加劑的潤滑脂中，隨著蛇紋石和納米軟金屬質量比的增大，潤滑脂的減摩抗磨性能均呈現先減小后增大的趨勢，造成該現象的主要原因是當蛇紋石和納米金屬粉末的質量比較小時，金屬粉末在潤滑脂中容易分散不均，造成磨粒磨損，從而影響潤滑脂的減摩抗磨性能；當蛇紋石和納米金屬粉末的質量比較大時，由于蛇紋石的比表面積相對于金屬粉末要大，摩擦試驗過程中，在壓力作用下從潤滑脂皂化結構中析出的油會受到蛇紋石的吸附作用，不利于摩擦區域潤滑油膜的形成，對潤滑脂的減摩抗磨作用產生了消極的影響。因此，選取含有添加劑蛇紋石/銀、蛇紋石/鎳、蛇紋石/銅(質量比分別為4∶1，2∶1，4∶1)的潤滑脂(分別計為蛇紋石/銀潤滑脂、蛇紋石/鎳潤滑脂、蛇紋石/銅潤滑脂)進行摩擦學性能考察。

圖2 添加劑對潤滑脂摩擦學性能的影響■—蛇紋石/銀； ■—蛇紋石/鎳； ■—蛇紋石/銅

2.3 不同載荷下潤滑脂的摩擦學性能

在不同載荷條件下，考察基礎脂、蛇紋石潤滑脂、蛇紋石/銀潤滑脂、蛇紋石/鎳潤滑脂、蛇紋石/銅潤滑脂的摩擦學性能，結果見圖3。由圖3(a)可以看出，隨著載荷的增大，潤滑脂試驗時的摩擦因數均逐漸增大，其中蛇紋石/銀潤滑脂表現出較好的減摩性能。從圖3(b)可以看出：隨著載荷的增大，磨痕寬度也逐漸增大；在不同載荷條件下，含有3種復配添加劑的潤滑脂試驗件的磨痕寬度相差不大，其中蛇紋石/銀潤滑脂試驗件具有稍小的磨痕寬度，抗磨性能稍好。所以蛇紋石/銀潤滑脂具有較好的減摩抗磨性能。

圖3 不同載荷條件下潤滑脂的摩擦學性能■—基礎脂； ■—蛇紋石潤滑脂； ■—蛇紋石/銀潤滑脂； ■—蛇紋石/鎳潤滑脂； ■—蛇紋石/銅潤滑脂

2.4 摩擦表面分析

蛇紋石/銀潤滑脂、蛇紋石/鎳潤滑脂、蛇紋石/銅潤滑脂試驗時的磨痕表面形貌見圖4。由圖4可以看出：蛇紋石/銀潤滑脂試驗時的磨痕表面形貌比蛇紋石/鎳潤滑脂和蛇紋石/銅潤滑脂試驗時的磨痕表面相對光滑，表面僅出現了較淺的犁溝，未出現其他形式的磨損；蛇紋石/鎳潤滑脂和蛇紋石/銅潤滑脂試驗時磨痕表面都比較粗糙，沿著滑動方向出現了較多的剝落坑，這說明摩擦過程中可能發生了較為嚴重的磨粒磨損和黏著磨損。所以蛇紋石/銀潤滑脂的抗磨性能優于蛇紋石/鎳潤滑脂和蛇紋石/銅潤滑脂。

在摩擦過程中，摩擦表面往往會發生復雜的物理化學反應，生成一系列的表面保護膜起到減摩抗磨作用，因此分析磨痕表面的元素組成就顯得十分必要。表2給出了蛇紋石/銀潤滑脂、蛇紋石/鎳潤滑脂、蛇紋石/銅潤滑脂試驗過程中磨痕表面的主要元素及含量。由表2可以看出：摩擦表面主要含有Fe，C，O，Mg，Si等元素，其中Fe元素主要來自摩擦副基體，O元素主要來自添加劑、環境和有機物，C主要來自基體或者潤滑油的裂解，Mg、Si主要來自蛇紋石顆粒。3種潤滑脂試驗時的摩擦表面均檢測出了Mg、Si等層狀硅酸鹽的典型元素，這說明在摩擦過程中蛇紋石顆粒直接參與了摩擦表面復雜的物理化學作用，誘發形成了摩擦保護膜[9]。磨痕表面還分別檢測出了Ag，Ni，Cu金屬元素，這說明在摩擦過程中，納米軟金屬顆粒也沉積、焊合在了摩擦表面，與蛇紋石顆粒起到協同作用，在摩擦表面形成了有效的保護膜，起到減摩抗磨作用[10-12]。通過對比3種潤滑脂試驗時磨痕表面典型元素的含量可以發現，磨痕表面的Fe，C，O等元素含量均不相同，其中蛇紋石/銀潤滑脂試驗時的磨痕表面C、O元素含量最高，其次是蛇紋石/鎳潤滑脂，蛇紋石/銅潤滑脂試驗時的磨痕表面C、O元素含量最低。蛇紋石/銀潤滑脂試驗時，一方面有更多的納米銀粉和活性基團(如O—Si—O鍵、羥基和氫鍵等)填充在摩擦副之間，減少了摩擦副之間的直接接觸，起到減摩抗磨作用；另一方面，這些納米銀粉和活性基團通過物理化學作用吸附在摩擦表面，形成了有效的潤滑保護膜；并且這些活性基團在摩擦過程中高溫高壓作用下，可以有效地誘導基礎油中的碳鏈分解與斷裂，形成更多的細小的顆粒，促進了更多的C、O元素在摩擦表面富集與反應，形成具有抗磨減摩作用的保護膜[13-14]。磨痕表面元素分析結果也印證了蛇紋石/銀潤滑脂具有較好的減摩抗磨性能。

圖4 磨痕表面形貌

表2 磨痕表面的元素組成 w，%

3 結 論

(1) 蛇紋石和納米軟金屬復配作為添加劑有利于改善復合鋰基潤滑脂的減摩抗磨性能，原因是：一方面蛇紋石和納米軟金屬可以減少摩擦副之間的直接接觸，起到減摩抗磨作用；另一方面是在摩擦過程中，通過物理化學作用可以在摩擦表面形成有效的潤滑保護膜，起到減摩抗磨作用。當潤滑脂中添加劑蛇紋石/銀、蛇紋石/鎳、蛇紋石/銅的質量比分別為4∶1，2∶1，4∶1時，與基礎脂相比，摩擦因數分別減少了7.5%，6.5%，6.5%；磨痕寬度分別減少了14.7%，9.1%，15.6%，均表現出較好的減摩抗磨性能。

(2) 不同載荷條件下，蛇紋石/銀復配體系相比蛇紋石/鎳和蛇紋石/銅復配體系具有更好的摩擦學性能，這主要是由于該復配體系得到的潤滑脂試驗時納米銀粉和活性基團通過物理化學作用，吸附在摩擦表面，促進了更多的C、O等活性元素和基團在摩擦表面富集與反應，生成更加有效的潤滑保護膜。