化學合成與機械球磨制備的納米顆粒潤滑性能對比*

孫潤哲 王正權 端仁杰 朱晨勃 高建哲 王維偉

(1.中國船級社天津分社 天津 300457; 2.煙臺中集來福士海洋工程有限公司山東煙臺 264005; 3.煙臺大學海洋學院 山東煙臺 264005)

隨著艦船對機動性能需求的提升，柴油機的強化程度逐漸提高。高強化柴油機爆發壓力高，轉速快，對缸套-活塞環、主軸承等關鍵摩擦副的抗磨減摩性能提出了苛刻的要求。傳統潤滑油在高溫高載下油膜較薄，使得零部件的磨損量顯著增加。納米礦物顆粒具有降低摩擦因數、提高抗磨性、實現摩擦自修復的性能[1-2]，對高強化柴油機的潤滑性能具有重要的意義。

目前，納米蛇紋石和納米高嶺土顆粒是應用較為廣泛的摩擦自修復添加劑[3-4]。納米蛇紋石顆粒主要成分是Mg6[Si4O10](OH)8，納米高嶺土的主要成分是2SiO2·Al2O3·2H2O，在機械摩擦過程中它可以自動修復和填補磨損部位，提升承載能力降低摩擦因數[5]。

納米礦物顆粒的制備方式主要包括機械球磨和化學合成。機械球磨通過磨球與粉體原料的撞擊，獲得顆粒度更低的礦物顆粒。機械球磨法制備的顆粒具有成本低的優點，但顆粒直徑較大，粒徑分布不均勻，部分顆粒直徑處于亞微米級[6-8]?；瘜W合成主要通過水熱合成方法獲得納米級的礦物顆粒[9]。化學合成方法的優點是顆粒直徑較小，粒徑分布均勻，可達到納米級[10-12]。但制備成本高，水熱合成制備時間長。

機械球磨和化學合成法制備的礦物納米顆粒在化學組成、粒徑分布和顆粒形狀等方面存在顯著不同，為研究2種方法制備的納米顆粒對抗磨減摩性能的影響，本文作者采用環塊式摩擦磨損試驗機，對比了球磨納米顆粒與合成納米顆粒在低載荷下的摩擦學性能，并分析了抗磨減摩機制。

1 實驗材料與實驗方法

1.1 納米顆粒制備

球磨顆粒采用機械球磨法，以礦物顆粒為原料制備而成。球磨時采用氧化鋯球磨罐，配以直徑2 mm氧化鋯磨球，以油酸作為溶劑，磨球、礦物顆粒、溶劑質量比為8∶2∶1。采用弗卡斯高能振動球磨機F-VC200間歇性球磨360次，累計球磨時間10 h。合成顆粒由北京摩圣科技股份有限公司提供。球磨與合成顆粒在掃描電子顯微鏡下的形貌如圖1所示。球磨蛇紋石和球磨高嶺土的顆粒較大，粒徑分布不均勻，最大顆粒直徑約1 000 nm，最小顆粒約200 nm。此外，球磨蛇紋石和球磨高嶺土的顆粒棱角較為明顯。合成蛇紋石顆粒表面較為圓潤，粒徑均勻，均為300～400 nm。合成高嶺土粒徑最小，部分顆粒有團聚現象，最小粒徑約為100 nm，團聚的大顆粒約為500 nm。

圖1 納米顆粒電鏡照片

試驗基礎油采用PAO5合成基礎油，其40和100 ℃黏度分別為31.00和5.88 mm2/s，黏度指數為135。為促進顆粒在潤滑油中的分散，加入質量分數2%的聚異丁烯丁二酰亞胺作為分散劑。

潤滑油添加劑中，有機鉬減摩劑(MoDTC)由杭州施特安化工有限公司提供。MoDTC的加入量對潤滑性能有重要影響，參照現有研究和試驗結果，選擇MoDTC的質量分數均為0.5%[13]，以保證其發揮有效的抗磨減摩性能；納米蛇紋石顆粒的質量分數為0.1%[14]，使納米礦物顆粒起到良好的潤滑性能。實驗油樣簡稱及組成如表1所示。

表1 實驗油樣簡稱與組分質量分數 單位：%

1.2 實驗設備

摩擦學性能測試采用研制的環塊式摩擦磨損試驗機，如圖2所示。實驗時，摩擦環安裝在轉軸端部，通過伺服電機驅動轉軸轉動與摩擦環旋轉。摩擦環與摩擦塊之間的摩擦力通過拉壓力傳感器檢測。摩擦環底部安裝有溫控油槽，在摩擦環旋轉過程中將潤滑油卷吸至摩擦表面。

圖2 環塊式摩擦磨損試驗機

摩擦環與摩擦塊材料均為軸承鋼，摩擦環內徑45 mm，外徑50 mm。摩擦塊為圓柱形，底面直徑為10 mm，高10 mm。摩擦環與摩擦塊表面粗糙度分別為0.06和0.02 mm，硬度均為751.0HV。

1.3 實驗方法與步驟

實驗時，首先安裝摩擦環塊試樣，隨后向油槽中加入油樣，設定實驗溫度為50、70、90、110、130、150 ℃?？刂圃囼灆C轉速為100 r/min，控制載荷為150 N，實驗時間為12 h，每組摩擦實驗重復3次。實驗后，分別用石油醚和無水乙醇超聲清洗摩擦試樣，采用ZEISS Axio Observer光學顯微鏡觀察摩擦表面宏觀形貌并測量磨痕寬度，采用JEOL JSM-7610F掃描電子顯微鏡分析摩擦表面元素組成。

2 結果與分析

2.1 摩擦學性能

不同潤滑油試樣的摩擦因數隨溫度的變化如圖3所示。總體規律顯示，基礎油中加入納米顆粒后，摩擦因數均有所下降;納米顆粒與MoDTC復配后，摩擦因數進一步下降。其中，基礎油的摩擦因數最高，在實驗溫度下始終保持在0.125～0.132。基礎油與納米顆粒復配時，基礎油與球磨蛇紋石的摩擦因數最低，50～110 ℃摩擦因數保持在0.098左右，隨著實驗溫度上升，摩擦因數逐漸增加至0.11左右。球磨高嶺土的摩擦因數在低溫下低于合成高嶺土，但隨著溫度進一步升高，兩者在130 ℃實驗溫度下獲得相近的摩擦因數，在150 ℃實驗溫度下球磨高嶺土的摩擦因數高于合成高嶺土。

圖3 不同潤滑油在不同溫度下的摩擦因數

基礎油加入MoDTC之后，50～130 ℃下摩擦因數保持在0.06左右，150 ℃時摩擦因數增加至0.08左右，主要原因是高溫下潤滑油的黏度急劇下降，降低了潤滑油的承載能力，導致摩擦因數上升。

基礎油和納米顆粒、MoDTC復配后，整體摩擦因數進一步降低。4種復配潤滑油中，球磨蛇紋石+MC復配潤滑油的摩擦因數在50 ℃溫度下最高，約為0.09；隨著實驗溫度升高，摩擦因數在70～110 ℃溫度下迅速降低至0.055左右，并在150 ℃溫度下升高至0.07。合成蛇紋石+MC復配潤滑油的摩擦因數在整個實驗溫度范圍內保持在0.05～0.055，相比純合成納米蛇紋石潤滑油，復配后的潤滑油摩擦因數降低約52%。合成高嶺土+MC復配潤滑油的摩擦因數隨著實驗溫度先降低后增加，50 ℃溫度下摩擦因數約為0.085，隨后在90～110 ℃溫度下穩定在0.055左右，在130～150 ℃溫度下線性增加至0.075。球磨高嶺土+MC復配潤滑油的摩擦因數則偏高，隨著實驗溫度變化從0.08逐漸上升至0.10。

圖4展示了不同潤滑油試樣潤滑下的摩擦表面磨痕寬度。實驗條件為：轉速100 r/min，載荷150 N，試驗時間12 h，溫度150 ℃。基礎油的磨痕寬度最寬，約為2 343 μm?；A油中加入MoDTC之后，磨痕寬度迅速降低至937.4 μm。合成蛇紋石與MoDTC復配后，磨痕寬度降低至820.2 μm，相比MoDTC減少約13%，能夠有效地減少磨損。球磨蛇紋石、球磨高嶺土、合成高嶺土與MoDTC復配后，磨痕寬度下降至1 000 μm左右，合成蛇紋石粉末與MoDTC復配后的磨痕寬度僅為820.2 μm，說明球磨蛇紋石、球磨高嶺土、合成高嶺土的抗磨性能低于合成蛇紋石粉末。

圖4 不同潤滑油潤滑下的磨痕寬度

圖5展示了不同潤滑油試樣潤滑下的摩擦表面形貌。實驗條件為：轉速100 r/min，載荷150 N，試驗時間12 h，溫度150 ℃?？芍?，球磨蛇紋石、球磨高嶺土潤滑油潤滑的表面被一層灰白色物質覆蓋，且磨痕寬度較大，而球磨蛇紋石、球磨高嶺土與MoDTC復配后，磨痕寬度減小，表面呈現光亮的狀態。合成蛇紋石顆粒潤滑油潤滑下的摩擦表面具有長短不一的磨痕線條，復配MoDTC后磨痕變為平滑狀態，磨痕寬度最小。合成高嶺土顆粒的磨痕表面出現不規則藍色塊狀，復配MoDTC后磨痕表面變均勻，且磨痕寬度減小。

圖5 不同潤滑油潤滑下的摩擦表面形貌

對比圖4中數據可知：除合成蛇紋石顆粒外，其他添加劑配制潤滑油潤滑下的磨痕寬度均大于基礎油與MoDTC配制潤滑油潤滑下的磨痕寬度；球磨高嶺土、球磨蛇紋石顆粒潤滑油潤滑下的磨痕寬度高于合成高嶺土、合成蛇紋石的磨痕寬度。相比顆粒尺寸形狀不均勻的球磨納米顆粒，合成納米顆粒因顆粒大小均勻、顆粒形貌近圓形，更能發揮納米顆粒微滾珠的特點，起到抗磨作用。

2.2 摩擦機制分析

采用XPS能譜分析圖5摩擦試樣表面化學產物，如圖6所示。其中，232.7 eV處為MoO3峰[15]，229.5 eV處為MoS2峰[16]。檢測結果顯示，摩擦表面生成的MoS2含量與不同潤滑油試樣的摩擦因數變化規律相符合，MoS2可顯著降低摩擦因數。合成蛇紋石、球磨蛇紋石、合成高嶺土與MoDTC復配能促進摩擦表面MoS2的生成。合成蛇紋石+MoDTC潤滑油潤滑下，摩擦表面MoS2的峰最為明顯，說明摩擦表面產生的MoS2較多，因此摩擦因數最??；球磨蛇紋石、合成高嶺土潤滑油潤滑下，摩擦表面MoS2峰值有所降低，但高于僅含MoDTC的潤滑油；球磨高嶺土+MoDTC潤滑油潤滑下，摩擦表面的MoS2峰最弱，說明摩擦表面生成的MoS2較少，因而摩擦因數最大。

圖6 不同潤滑油潤滑下的摩擦表面Mo 3d XPS能譜

圖7展示了掃描電鏡下摩擦表面形貌與凸起物，圖8展示了摩擦表面凸起物的能譜。

圖7 掃描電鏡下摩擦表面形貌與凸起物

圖8 摩擦環表面凸起物能譜

可以看出，合成蛇紋石潤滑油潤滑的摩擦表面出現團聚顆粒，并檢測到Mg、Si元素；合成高嶺土潤滑油潤滑的表面發現顯著的團聚物，并檢測到高嶺土所含的Al、Si元素。說明合成蛇紋石與合成高嶺土顆粒在摩擦過程中經摩擦與碾壓作用，產生了摩擦產物粘附在摩擦表面，與MoDTC摩擦產生的MoS2，共同起到抗磨減摩的作用。另外，在球磨蛇紋石潤滑油潤滑表面觀察到凸起物，但未檢測到Mg、Si元素；在球磨高嶺土潤滑油潤滑表面未檢測到團聚顆粒和高嶺土所含Al、Si元素，說明球磨蛇紋石與高嶺土顆粒未與摩擦基體產生摩擦化學反應，主要起到碾壓和刮擦的作用。

此外，在團聚顆粒以外的摩擦表面，合成蛇紋石與合成高嶺土潤滑表面十分平滑，未出現球磨顆粒潤滑表面上的凸起和磨屑。說明合成納米顆粒因形狀均勻，沒有尖銳棱角，對摩擦表面犁削作用小，相比球磨納米顆粒能夠更好地起到抗磨作用。

3 結論

(1)合成納米顆粒形狀圓潤，粒徑均勻，沒有尖銳棱角，對摩擦表面犁削作用小，摩擦表面光滑平整。相比球磨納米顆粒，合成納米顆粒與MoDTC混合后產生更多的MoS2，合成納米顆?？梢云鸬礁玫目鼓p摩效果。

(2)合成蛇紋石納米顆粒在摩擦表面產生了一部分團聚物，主要是合成納米顆粒經過碾壓，從小顆粒變成大顆粒。合成高嶺土納米顆粒潤滑的摩擦表面，發現了明顯的Al、Si元素，納米顆粒在摩擦表面形成團聚物。球磨蛇紋石顆粒與球磨高嶺土顆粒未發生摩擦化學反應,球磨顆粒由于尺寸形狀不均勻，且棱角明顯，在表面碾壓和刮擦的作用下使得金屬表面產生凸起。因此，合成納米顆粒相比球磨納米顆粒具有更好的抗磨作用。