MAF-6作為無水鈣基潤滑脂添加劑的摩擦學性能研究

王利杰，田成光，徐紅，董晉湘

(太原理工大學 化學化工學院，山西 太原 030024)

沸石咪唑酯骨架材料(ZIFs)因其不僅能展現無機沸石良好的穩定性，還具有比MOFs更加優異的穩定性能，在氣體儲存、藥物包藏、分離等領域得到了廣泛的應用[1-2]。由于ZIFs材料具有力學性能的多樣性[3-5]，Shi等[6-8]陸續開展了ZIFs材料的固體潤滑性能研究，發現ZIFs作為固體添加劑具有較為優異的潤滑性能。

本文通過模板劑法合成了粒徑400～600 nm MAF-6材料。選用流變儀表征MAF-6潤滑脂樣品的流變性能。利用Optimol SRV-V高頻往復摩擦磨損試驗機，研究了運行載荷、頻率、溫度、時間等因素對MAF-6脂潤滑性能的影響。并選用3D光學表面輪廓儀、掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線能譜分析(EDS)對摩擦副表面磨損情況進行分析。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

2-乙基咪唑(eIm)、Zn(OH)2、氨水溶液(25%～28%)、甲醇、乙醇、環己烷、氫氧化鈣均為分析純；聚α-烯烴PAO8，美國Mobil公司產品；十二羥基硬脂酸(>80%)，TCI公司產品。

SRV-V高頻往復摩擦磨損試驗機；MCR3020流變儀；3D白光干涉儀；TM-3000掃描電子顯微鏡(SEM)；Quantax70 X射線能量色譜儀。

1.2 樣品的制備

1.2.1 MAF-6的制備 依據文獻[9]的方法制備MAF-6。稱取0.199 g Zn(OH)2加入到30 mL氨水溶液中，攪拌均勻。將0.288 g 2-乙基咪唑和2 mL環己烷依次加入到30 mL無水甲醇中，攪拌均勻后，將氨水溶液和甲醇溶液混合，在室溫下攪拌5 h，用無水乙醇洗滌。

1.2.2 潤滑脂制備 依據Yuan[8]的研究選擇MAF-6的添加量為5%(質量分數)。參照文獻[10]，制備無水鈣基潤滑脂。將質量分數為5%的MAF-6加入基礎脂中，攪拌均勻。在三輥機上研磨4次，得到均勻的潤滑脂樣品。

1.2.3 樣品的表征 采用X射線衍射儀，對樣品進行粉末X射線衍射測試分析[CuKa，λ=0.154 18 nm，掃描角度3～40°，掃描速度為4(°)/min]。用掃描電子顯微鏡觀察樣品形貌。

1.3 摩擦磨損實驗

在SRV-V往復摩擦磨損試驗機上進行了潤滑脂摩擦磨損試驗。摩擦副之間的接觸是通過將上試件鋼球(AISI 52100鋼，直徑10 mm，硬度為HRC 59～64，Ra 0.017 μm)壓在下試件鋼盤(AISI 52100鋼，直徑24 mm，高7.88 mm，硬度為HRC 59～61，Ra 0.068 μm)上實現的。每組實驗重復3次，體積磨損量和平均摩擦系數取3次實驗的平均數值。每次摩擦磨損實驗前后，摩擦副都用石油醚進行超聲清洗。使用3D光學表面輪廓儀測量摩擦磨損實驗后鋼盤的磨損情況，并在5 kV下通過SEM對磨損表面進行觀察，通過EDS測定摩擦表面的化學元素分布情況。

1.4 潤滑脂流變學表征

選擇PP25-SN3020轉子測試系統。 距底板的距離默認設置為1 mm，頻率為1 Hz，測試溫度0～100 ℃，溫度測試精度為±0.1 ℃。在流變測試之前，所有潤滑脂樣品均經過預熱10 min后，開始測試，每個測試至少重復3次。

2 結果與討論

2.1 MAF-6的XRD和SEM

見圖1和圖2。

圖1 MAF-6的XRD譜圖Fig.1 X-ray diffraction pattern of MAF-6 sample

圖2 MAF-6的SEM圖Fig.2 SEM image of MAF-6 sample

由圖1可知，MAF-6樣品的X射線衍射圖與文獻[9]報道的一致，表明所得產物為純相。由圖2可知，MAF-6樣品為粒徑在400～600 nm的球形顆粒。

2.2 流變學表征

2.2.1 黏彈性 圖3為基礎脂和MAF-6脂恒溫變剪切速率下的黏彈性曲線。

圖3 25 ℃下基礎脂和MAF-6脂的模量曲線Fig.3 Modulus curve of base grease andMAF-6 grease at 25 ℃

由圖3可知，MAF-6脂的模量曲線均在基礎脂的模量曲線之上，整體趨勢沒有產生顯著的變化，對潤滑脂的黏彈性基本沒有影響。

2.2.2 黏溫性 圖4為基礎脂和MAF-6脂表觀黏度隨溫度的變化情況。

由圖4可知，MAF-6脂和基礎脂的表觀黏度都隨著溫度的升高而降低，變化趨勢一致。在0～50 ℃ 下，表觀黏度隨剪切速率的增大變化很大；而在50～100 ℃表觀黏度與剪切速率的梯度很小，但MAF-6脂的表觀黏度始終位于基礎脂之上。

圖4 基礎脂和MAF-6脂的黏溫曲線Fig.4 Viscosity-temperature curve of base grease andMAF-6 grease

由圖3和圖4可以說明，MAF-6的加入沒有破壞潤滑脂的結構。

2.3 摩擦學性能

2.3.1 溫度對摩擦學性能的影響 基于上述對基礎脂和MAF-6脂黏溫性質的表征，選擇在載荷 300 N、頻率50 Hz、步長1 mm的條件下研究溫度對潤滑脂樣品摩擦學性能的影響。表1展示了溫度變化對體積磨損量和平均摩擦系數的影響。

表1 不同溫度下基礎脂和MAF-6脂的體積磨損量和平均摩擦系數Table 1 Wear volume and mean frictioncoefficient under different temperatures forbase grease and MAF-6 grease

由表1可知，基礎脂和MAF-6脂的體積磨損量都隨著溫度的降低而增大，平均摩擦系數隨著溫度的降低而減小，但是 MAF-6脂在溫度30～80 ℃始終保持較小的體積磨損量和較低的平均摩擦系數。MAF-6的添加在寬溫度范圍內有效地降低了鋼盤的體積磨損量和平均摩擦系數。

2.3.2 頻率對摩擦學性能的影響 在固定載荷300 N，溫度80 ℃，步長1 mm，研究了往復運動頻率對潤滑脂樣品的摩擦學性能的影響，頻率變化范圍是40～60 Hz。

表2 不同頻率下基礎脂和MAF-6脂的體積磨損量和平均摩擦系數Table 2 Wear volume and mean frictioncoefficient versus various frequencies forbase grease and MAF-6 grease

由表2可知，隨著頻率的增大，基礎脂的磨損體積變化較大，MAF-6脂的體積磨損量隨著頻率的增加變化不大。在頻率為60 Hz時，MAF-6脂的體積磨損量較基礎脂下降了66.57%，且隨著頻率的增大，MAF-6脂始終保持較低的平均摩擦系數。

2.3.3 載荷對摩擦學性能的影響 在頻率50 Hz，溫度80 ℃，時間30 min的條件下，研究載荷對潤滑脂樣品摩擦學性能的影響，結果見圖5。

圖5 500 N下基礎脂和MAF-6脂的即時摩擦曲線Fig.5 Dynamic friction curves for base grease andMAF-6 grease at 500 N

由圖5可知，基礎脂在500 N時運行至108 s發生了卡咬，MAF-6脂在500 N時在開機磨合期之后能夠保持平穩運行。

由表3可知，在載荷200～400 N時，MAF-6脂的抗磨性能好于基礎脂，且始終保持較低的體積磨損量，在300 N時的體積磨損量較基礎脂降低了53.53%。在載荷200～400 N下，MAF-6脂的平均摩擦系數基本保持不變，且保持較低的平均摩擦系數。

表3 不同載荷下基礎脂、MAF-6脂的鋼盤體積磨損量和平均摩擦系數Table 3 Wear volume and mean friction coefficientof the disks versus different applied loads forbase grease and MAF-6 grease

2.3.4 運行時間對摩擦學性能的影響 為了進一步研究基礎脂和MAF-6脂在長時間運行下的摩擦學性能，在300 N-50 Hz-80 ℃的條件下，將原運行時間30 min延長至150，300，450 min，結果見表4。

由表4可知，在延長運行時間的條件下，MAF-6脂始終保持較低的平均摩擦系數，且變化幅度較小，在長時間運行下，MAF-6脂依舊保持穩定的減摩效果。在時間為450 min時，MAF-6脂的體積磨損量較基礎脂降低了32.00%，MAF-6脂在長時間運行的條件下依舊可以保持較好的減摩抗磨效果。

表4 不同時間下基礎脂和MAF-6脂試件體積磨損量和平均摩擦系數Table 4 Mean friction coefficient，wear rate of lower disks versus various time for base grease and MAF-6 grease

2.4 磨損表面分析及機理討論

為了進一步研究MAF-6作為無水鈣基脂添加劑的摩擦學性能及潤滑機理，選用3D表面光學輪廓儀，SEM和EDS分析手段對下試件鋼盤的磨損表面進行分析，結果見圖6。

圖6 不同時間下基礎脂和MAF-6脂的下試盤3D表面形貌圖Fig.6 3D micrographs of low disks under differenttime for base grease and MAF-6 grease

由圖6可知，在延長運行時間的條件下，基礎脂磨痕面積大且深，特別是在運行時間為450 min時，磨痕已經很深；MAF-6脂在延長運行時間的條件下磨痕面積較小且淺。由表5可知，在載荷300 N運行時間450 min時，MAF-6脂的最大磨痕深度較基礎脂降低了34.35%。

表5 300 N不同時間運行下潤滑脂鋼盤磨痕深度Table 5 Depth of wear scar on grease steel discs at300 N with different running time

圖7為300 N不同運行時間下鋼盤表面SEM圖。

圖7 不同時間下鋼盤磨損表面SEM圖Fig.7 SEM images of steel discs wear surfaceunder different time

由圖7可知，在300 min時，基礎脂表面鋼盤出現了大的犁溝；在450 min時，鋼盤表面分布有深的凹槽；MAF-6脂在300 min時鋼盤表面雖然有劃痕分布，但是磨損表面比較光滑，在450 min時表面出現了淺的凹槽。磨損表面的EDS元素分布圖表明，含MAF-6的潤滑脂磨損表面除Fe、Cr、C鋼盤自身元素的分布外，還有MAF-6的特征元素Zn、N，表明MAF-6在往復運行過程中能夠黏附在鋼盤表面上，形成了一層固體保護膜。

圖8為MAF-6脂可能的潤滑機理圖。

圖8 MAF-6脂潤滑機理示意圖Fig.8 Schematic illustrations of the mechanism lubricated bythe grease containing MAF-6 as an additive

對于MAF-6脂來說，在往復運動中，摩擦副表面存在著MAF-6顆粒，在摩擦副運行中，擁有柔性晶體結構、球狀的MAF-6會發生變形，有效地阻止了上下摩擦副試件的直接接觸，從而提高了MAF-6脂的減摩抗磨性能。

3 結論

(1)基礎脂在加入MAF-6后，基礎脂的減摩和抗磨性能明顯提升，在高載荷、高頻率下能保持較好的減摩抗磨效果。

(2)MAF-6脂在載荷300 N長時間運行條件下，摩擦系數穩定，磨損沒有隨著時間的延長大幅增大，摩擦副表面磨痕淺，表明在長時間運行下，MAF-6脂具有穩定且優異的減摩抗磨性能。

(3)磨損表面EDS元素分析發現，MAF-6的特征元素轉移到了摩擦副表面，這表明在往復運動中，柔性的MAF-6顆粒粘附在摩擦副表面，擁有柔性晶體結構、球狀的MAF-6會發生變形，減小了上下摩擦副之間的直接接觸，從而提高了MAF-6脂的減摩抗磨性能。