石墨烯作為軋鋼機軸承潤滑脂添加劑的研究*

萬佳祺 靳 龍 周 銘，2 莫有堂 尤勝利 王明月 陳 鑫

(1.廣西科技大學(xué)機械與交通工程學(xué)院 廣西柳州 545000；2.廣西清鹿新材料科技有限責(zé)任公司 廣西柳州 545000)

材料的摩擦磨損是機械設(shè)備損壞的最主要的原因之一，易引發(fā)機械系統(tǒng)的災(zāi)難性故障，因此更好地降低材料的摩擦磨損顯得尤為重要，而潤滑則是控制摩擦磨損的有效途徑。潤滑脂作為減少運動副材料之間摩擦的重要載體之一，在各類工程機械中得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。目前，由于工業(yè)水平的不斷提高，潤滑脂的使用條件也越來越苛刻，因此對潤滑脂各性能的要求更高。

近年來研究發(fā)現(xiàn)，在潤滑脂中添加各種納米材料，如 Al2O3、Cu、MoS2等，能有效地改良潤滑脂的性能[4-7]。KOBAYASHI等[8]、MOHAMED等[9]使用碳納米管作為潤滑脂添加劑，發(fā)現(xiàn)碳納米管可以提高潤滑脂的極壓能力、抗磨性能和承載能力。NAN等[10]探究了納米銅作為凹凸棒土基潤滑脂添加劑的減摩抗磨作用,并通過 SEM、XPS和三維形貌掃描儀對摩擦表面進行分析,發(fā)現(xiàn)銅及其氧化物在磨損面上形成了均勻分布的摩擦膜，有效提升了潤滑的摩擦學(xué)性能。DUMDUM 等[11]研究了CeF3作為潤滑脂添加劑的摩擦學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn)，CeF3可以降低潤滑脂的摩擦因數(shù)，同時可以提高鋰基脂和鋁基脂的承載能力。

石墨烯材料以其特殊的二維結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理化學(xué)性能，作為一種新的環(huán)境友好型潤滑劑廣受學(xué)者的關(guān)注。FAN等[12]研究了多層石墨烯作為固體添加劑對潤滑脂摩擦學(xué)和抗磨性能的影響，提出石墨烯有望改善鋰基潤滑脂的摩擦性能。盧小輝等[13]將氧化石墨烯加入到潤滑脂中，研究不同潤滑脂樣品的典型指標和摩擦學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯的加入能有效降低磨損減少摩擦。目前，對于石墨烯在潤滑領(lǐng)域的研究大多集中于其潤滑油中的分散穩(wěn)定性，作為潤滑脂添加劑的研究報道相對較少。

軋鋼機軸承工作過程中要承受重載荷、大沖擊和高溫等各種惡劣工況，脂潤滑對保障其正常運轉(zhuǎn)起著非常重要的作用。為減少軸承磨損，軋鋼機軸承要求潤滑脂耐高溫抗水淋，良好的冷卻能力、抗氧化安定性、防銹性和穩(wěn)定性，對軋輥和制品表面有良好的清潔作用，使用成本低。為改善軋鋼機軸承用潤滑脂的性能，本文作者將石墨烯加入到軋鋼機專用脂中，使用四球試驗機研究石墨烯對潤滑脂承載能力、減摩抗磨性能的影響，并分析石墨烯在潤滑脂中的減摩抗磨機制。

1 試驗部分

1.1 試驗材料及儀器設(shè)備

試驗所用的材料主要有：303#石墨烯(粒徑D50， 0.5 μm；粒徑 D90，2 μm，層數(shù) 1～10 層(>98%)，厚度小于 3.5 nm)，廣西清鹿新材料科技有限責(zé)任公司生產(chǎn)；復(fù)合磺酸鈣基礎(chǔ)脂，長沙眾城石油化工公司生產(chǎn)；石油醚(純度 99%)：上海易恩化學(xué)技術(shù)有限公司生產(chǎn)；無水乙醇(工業(yè)級)，天津市富宇精細化工有限公司生產(chǎn)。

試驗設(shè)備主要有：JP-040S超聲分散儀，S65型三輥研磨機，SD-2801A錐入度測定儀，KA-502潤滑脂寬溫度范圍滴點測定儀，MRS-10A四球摩擦磨損試驗機，Bruker NPFLEX白光干涉儀，配備EDS分析的SIGMA300掃描電子顯微鏡，532 nm激光激發(fā)操作的XploRA plus拉曼光譜儀。

1.2 石墨烯材料的表征

使用具有EDS分析功能的SIGMA300 掃描電子顯微鏡觀察石墨烯結(jié)構(gòu)并分析元素含量。EDS分析結(jié)果表明，石墨烯只含碳和少量的氧元素，如圖 1(a)所示。掃描電鏡觀察到 303#石墨烯典型的層狀結(jié)構(gòu)，同時具有一些重疊和卷曲，如圖 1(b)所示。

圖1 X 射線能譜圖(a)以及石墨烯粉末的掃描電鏡圖(b)

圖2示出了石墨烯結(jié)構(gòu)圖和拉曼譜圖。可以看出，實驗所用石墨烯在 1 350、1 580和2 700 cm-1處有明顯的D峰、G峰與2D峰，為石墨烯特有的特征峰。其中D峰用來表征碳材料的缺陷和無序度；G峰表征了碳原子的伸縮振動，用來衡量石墨類材料的結(jié)晶程度；用強度比IG/I2D可以估計石墨烯的層數(shù)，當(dāng)IG/I2D<0.7時，為單層；IG/I2D在0.7～1.0之間是雙層；當(dāng)IG/I2D>1 時，石墨烯為多層[14]。從圖2可以看出G峰強度比2D峰高，說明試驗所用303#石墨烯是少層石墨烯。

圖2 303#石墨烯結(jié)構(gòu)圖(a)和拉曼譜圖(b)

1.3 石墨烯潤滑脂的制備

試驗所用基礎(chǔ)脂為3號復(fù)合磺酸鈣基潤滑脂， 其基本理化指標見表1。石墨烯潤滑脂制備步驟為:用電子天平稱取基礎(chǔ)脂100.0 g于燒杯中，按配方稱取一定量的石墨烯加入燒杯中并初步機械混合均勻，然后將10 mL石油醚倒入燒杯中并同時用玻璃棒緩慢攪拌；將潤滑脂放進干燥箱中于60 ℃下干燥30 min，以使石油醚快速揮發(fā)完全，然后采用JP-040S分散儀在70 ℃下超聲分散1 h；為使石墨烯與潤滑脂混合均勻，最后將制得的潤滑脂經(jīng)S65型三輥機研磨3遍，制得膏狀潤滑脂試樣。采用上述的方法依次制備了石墨烯質(zhì)量分數(shù)為0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%的潤滑脂。

表1 基礎(chǔ)脂基本理化指標

圖3所示為303#石墨烯、基礎(chǔ)脂及石墨烯潤滑脂外觀。可以看到，復(fù)合磺酸鈣基潤滑脂為棕褐色狀，而加入石墨烯后，潤滑脂呈亮黑色，且石墨烯添加量越大潤滑脂顏色越黑。石墨烯在潤滑脂中不易發(fā)生流動，能保持良好的分散穩(wěn)定性，不易團聚。

圖3 303#石墨烯(a)、基礎(chǔ)脂(b)及石墨烯潤滑脂(c) 外觀

1.4 性能測試

錐入度和滴點是潤滑脂非常重要的指標，分別表征潤滑脂軟硬程度和使用的溫度范圍。為此，采用SD-2801A 測定儀測定所制備的潤滑脂樣品的不工作錐入度，3次測量取平均值。潤滑脂的滴點根據(jù)ASTM D217—2017標準，使用KA-502測定儀測量。

使用MRS-10A四球試驗機對潤滑脂的摩擦學(xué)性能進行測試，試驗原理如圖4所示。試驗過程中，上鋼球不斷旋轉(zhuǎn)，在一定載荷下以點接觸的方式與3個固定的下鋼球接觸。將制備的潤滑脂試樣加入球盒中，并使?jié)櫥瑳]過鋼球，主軸帶動試樣旋轉(zhuǎn)。使用GCr15小鋼球為試驗用球(直徑12.7 mm， 硬度為65HRC)。試驗載荷為392 N，轉(zhuǎn)速為1 200 r/min。試驗結(jié)束后用光學(xué)顯微鏡測量每個鋼球2個方向的磨斑直徑(精確到 0.01 mm)， 取算數(shù)平均值作為磨斑直徑。重復(fù)3次實驗，取平均值為作為最終結(jié)果。

標準GB/T 3142—82 測定潤滑脂承載能力，根據(jù)標準SH/T 0202—92測定潤滑脂極壓性能。根據(jù)四球試驗中最大無卡咬負荷pB值和燒結(jié)負荷pD值與綜合磨損值(ZMZ)D的相關(guān)性[15]，在95%的置信水平下

D=0.184 1pB+0.091 7pD+4.9

(1)

根據(jù)得到的最大無卡咬負荷pB值和燒結(jié)負荷pD值可求出綜合磨損值ZMZ。

2 結(jié)果與討論

2.1 石墨烯對滴點和錐入度的影響

圖4示出了石墨烯對潤滑脂的滴點和錐入度的影響。可知，含石墨烯的潤滑脂滴點均高于基礎(chǔ)脂，隨著石墨烯質(zhì)量分數(shù)增加，滴點總體呈上升的趨勢，可能原因是石墨烯分布于潤滑脂的三維骨架結(jié)構(gòu)中，本身耐高溫，起到了阻抗基礎(chǔ)油滴落的作用；錐入度較基礎(chǔ)脂略微變大但不明顯(變化范圍在1 mm 內(nèi))，推測可能是攪拌過程中潤滑脂受到剪切作用導(dǎo)致亦或是測定過程的誤差所致。以上說明石墨烯的加入提高了潤滑脂滴點，對錐入度的影響不大。

圖4 石墨烯對潤滑脂滴點(a)和錐入度(b)的影響

2.2 石墨烯對承載能力的影響

由圖5(a)可以看出，隨著潤滑脂中石墨烯質(zhì)量分數(shù)增加，最大無卡咬負荷pB值先增大后減小，其中石墨烯質(zhì)量分數(shù)為0.3%時pB值最大，為1 236 N，比基礎(chǔ)脂提高了21.2%。從圖5(b)可以看出，當(dāng)石墨烯質(zhì)量分數(shù)為0.2%時pD值最大，為7 845 N，比基礎(chǔ)脂提高了29.0%。從圖5(c)可以看出，當(dāng)石墨烯質(zhì)量分數(shù)為0.2%時，潤滑脂的ZMZ值最大，隨著質(zhì)量分數(shù)繼續(xù)地增大，ZMZ值呈遞減趨勢。

圖5 石墨烯對潤滑脂的pB值(a)、pD值(b)及ZMZ值(c)的影響

綜上，石墨烯能提高潤滑脂的承載能力和極壓性能，且石墨烯質(zhì)量分數(shù)為0.2%左右時，改善效果最為明顯，ZMZ值最大，較基礎(chǔ)脂增加約24.0%。

2.3 石墨烯對減摩抗磨性能的影響

圖6示出了潤滑脂的摩擦因數(shù)和石墨烯質(zhì)量分數(shù)的關(guān)系。可以看出，在摩擦過程中，含有石墨烯的潤滑脂的摩擦因數(shù)較基礎(chǔ)脂都有所降低，且摩擦后期明顯減緩了摩擦因數(shù)升高的趨勢。可見，石墨烯作為軋鋼專用脂添加劑能有效地提升其減摩性能。其中，當(dāng)石墨烯質(zhì)量分數(shù)為0.3%時，潤滑脂的摩擦因數(shù)最小,減摩效果最好，相比基礎(chǔ)脂摩擦因數(shù)降低了約22.4%。

圖6 各潤滑脂樣品的摩擦因數(shù)隨時間的變化

圖7示出了不同潤滑脂樣品潤滑下鋼球的磨斑直徑和穩(wěn)定摩擦后的平均摩擦因數(shù)。可以看到，基礎(chǔ)脂潤滑時的平均磨斑直徑為0.46 mm，而在含有石墨烯的潤滑脂潤滑下，鋼球磨斑直徑都明顯減小；當(dāng)石墨烯質(zhì)量分數(shù)為0.3%時，鋼球磨斑直徑最小，為0.40 mm，相比基礎(chǔ)脂減小了約13.0%，這和圖 7中摩擦因數(shù)曲線一致。

圖7 不同石墨烯質(zhì)量分數(shù)下的摩擦因數(shù)和平均磨斑直徑

計算得到的不同石墨烯質(zhì)量分數(shù)下鋼球的磨損體積如圖8所示。石墨烯質(zhì)量分數(shù)為0.3%時磨損體積最小，為3.95×10-4mm3，相比基礎(chǔ)脂的磨損體積6.92×10-4mm3，減少了約43%。

圖8 石墨烯質(zhì)量分數(shù)對鋼球體積磨損體積和磨斑直徑的影響

綜上，當(dāng)石墨烯質(zhì)量分數(shù)為 0.3%時潤滑脂具有最小的摩擦因數(shù)、最小的磨斑直徑和最小的磨損體積。 當(dāng)石墨烯質(zhì)量分數(shù)大于0.3%時，鋼球的摩擦因數(shù)、磨斑直徑有一定的增加，推測這是由于過量的石墨烯添加劑在摩擦過程中出現(xiàn)了結(jié)塊團聚。以上結(jié)果說明適量的石墨烯作為添加劑能對潤滑脂性能起到積極的作用。

2.4 磨損表面分析

試驗后用白光干涉儀測量小球磨擦面的粗糙度Ra和最大高度差ΔZ。圖9示出了不同潤滑脂樣品潤滑下鋼球摩擦表面的形貌。5種潤滑脂潤滑下，鋼球摩擦表面粗糙度分別為2.595、1.757、2.474、1.733、1.747 μm。選取摩擦表面的最高點與最低點計算最大高度差，得到5種潤滑脂潤滑下摩擦表面最大高度差分別為3.527、2.561、2.198、1.323、1.678 μm。 可見，在含石墨烯潤滑脂潤滑下，Ra和ΔZ都低于基礎(chǔ)脂，其中石墨烯質(zhì)量分數(shù)為 0.3%時，ΔZ最小，磨痕最淺且表面粗糙度也最小。石墨烯可以有效地降低磨痕的表面粗糙度和降低磨損，可以有效地提高基礎(chǔ)脂的摩擦學(xué)性能。

圖9 不同石墨烯質(zhì)量分數(shù)潤滑脂潤滑下鋼球磨損表面三維形貌、粗糙度Ra及最大高度差ΔZ

圖10示出了基礎(chǔ)脂和石墨烯質(zhì)量分數(shù)為0.3%的潤滑脂潤滑下鋼球磨損表面的Raman譜圖和局部譜圖。可看出，在波長 2 850 cm-1附近，質(zhì)量分數(shù)0.3%的石墨烯潤滑脂潤滑下的摩擦表面出現(xiàn)了亞甲基(CH2)峰，可能在摩擦過程中潤滑脂中的基礎(chǔ)油在摩擦表面形成了保護油膜。在640 cm-1處都檢測出了衍射峰，該衍射峰為含F(xiàn)e的氧化物的峰，說明在摩擦過程中在摩擦界面發(fā)生氧化反應(yīng)生成了氧化產(chǎn)物。石墨烯質(zhì)量分數(shù)為0.3%的脂樣品潤滑下，在波長為1 350和1 580 cm-1附近出現(xiàn)了衍射峰，這為石墨烯典型的D峰和G峰，說明石墨烯在摩擦過程中在摩擦表面上生成了保護薄膜。該薄膜吸附于表面，阻止了摩擦副材料的直接接觸和摩擦，從而減少了摩擦表面的磨損。

圖10 基礎(chǔ)脂和石墨烯質(zhì)量分數(shù)為0.3%的潤滑脂潤滑下鋼球磨損表面的Raman譜圖(a)和局部譜圖(b)

3 結(jié)論

(1)少層石墨烯作為潤滑脂添加劑可以提高潤滑脂的滴點，能有效地提高其極壓性能。其中，石墨烯質(zhì)量分數(shù)為0.2%時潤滑脂的pD值最大，比基礎(chǔ)脂提高約29.0%,潤滑脂的ZMZ值也最大，較基礎(chǔ)脂提高了24.0%，且潤滑脂承載能力優(yōu)良。

(2)少層石墨烯作為潤滑脂添加劑均可以有效地提高其潤滑性能。 其中，石墨烯質(zhì)量分數(shù)為0.3%時，潤滑脂的摩擦因數(shù)、磨斑直徑和磨損體積均最小，分別較基礎(chǔ)脂降低了22.4%、13%和43%。

(3)摩擦過程中，石墨烯在摩擦表面形成保護薄膜吸附于表面，阻止摩擦副材料的直接接觸，因而減少了摩擦表面的磨損，并且在摩擦表面發(fā)生了氧化反應(yīng)生成 Fe 的氧化物來保護摩擦表面，使?jié)櫥臉O壓承載能力提高。