Sm2O3，BN和Si3N4納米添加劑潤滑油的減摩抗磨性能

李 征，李 楊，張春佳，魏云玲，羅仁杰，丁昊昊

(1.青島理工大學(臨沂) 機械與電子工程系，臨沂 273400；2.西南交通大學 摩擦學研究所，成都 610031)

機械設備的摩擦磨損給社會帶來巨大的材料損失和能源消耗。通過加入納米添加劑可以減少機械設備的磨損，從而降低維修成本，提高經濟效益[1]。減摩抗磨特性是衡量潤滑油最重要、最基本的性能指標，為了減少每年因摩擦磨損等問題造成的巨大經濟損失，提高潤滑油的減摩抗磨性能并研究相關高性能摩擦材料是摩擦學工作者一直致力于的研究方向[2]。

王文清[3]分析了納米添加劑作為潤滑油添加劑的應用前景；羅金瓊等[4]比較系統地論述了納米添加劑潤滑油研究現狀以及在實際應用中取得的效果；阮少軍等[5]分析了多種納米粒子的潤滑機制；劉元才等[6]研究了BN對TB8鈦合金材料表面的摩擦學性能影響；寧洪濤[7]研究發現向油液中加入2%的BN后抗磨減摩性能明顯提高；魏萬鑫等[8]將Si3N4燒結成陶瓷球多用于高精度軸承中；易雙等[9]將Si3N4應用在了液體超滑技術中；譚秋虹[10]通過添加Sm2O3增強cBN砂輪用陶瓷結合劑。然而，現階段關于納米氧化釤添加劑減摩抗磨性能的研究尚不清晰。

本文利用納米態Sm2O3，BN和Si3N4作為添加劑制備了3種潤滑油分散系，研究了3種不同的納米添加劑的減摩抗磨性能，得出了最佳納米添加劑，研究結果可為納米添加劑潤滑油的優化應用提供技術指導。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

試驗選用3種納米添加劑，分別為：納米氮化硼(BN，平均粒徑100 nm，純度99.9%)、納米氧化釤(Sm2O3，平均粒徑50 nm，純度99.99%)、納米氮化硅(Si3N4，平均粒徑20 nm，純度99.9%)。納米添加劑的微觀形貌如圖1所示，可以看出：納米BN是片狀納米材料，納米Sm2O3和納米Si3N4是球狀納米材料。采用的基礎油為500SN基礎油，表面改性劑為油酸(OA)。

圖1 納米添加劑微觀形貌

1.2 納米油制備

將納米材料粉末與油酸按照質量比例1∶2混合，加入到500SN基礎油中，配制納米添加劑質量分數為1.0%的納米潤滑油，并進行充分的機械攪拌，使用超聲波清洗機超聲處理30 min，使納米添加劑在基礎油中分散均勻穩定。分散5 d后，上層液為清液，下層液為濁液，如圖2所示。

1.3 試驗方法

利用往復摩擦磨損試驗機進行摩擦磨損試驗，摩擦副為φ6 mm的GCr15[11]鋼球和10 mm×10 mm×20 mm的#45鋼[12]試塊。將摩擦副浸在不同納米添加劑潤滑油中進行試驗，試驗參數如表1所示。鋼球和試塊分布如圖3所示。

試驗中對摩擦系數進行實時記錄，試驗結束后使用光鏡(OM，KEYENCE VHX-6000)觀察磨斑表面形貌。每種納米添加劑分散系摩擦磨損試驗重復3次。

圖2 納米潤滑油添加劑分散

2 試驗結果及分析

2.1 摩擦力和摩擦系數

使用500SN基礎油介質進行試驗，得到的摩擦系數(摩擦力與載荷之比)如圖4所示。

表1 試驗參數

圖3 鋼球、試塊試驗分布

圖4 500SN基礎油摩擦系數

從圖4中可以看出，基礎油試驗可分為跑合階段和磨損階段，前800次摩擦系數穩定上升，即是跑合階段，摩擦力如圖5所示，在跑合階段摩擦力曲線比較平滑，進程和返程的曲線基本對稱。直到摩擦系數達到0.22左右，開始穩定進入磨損階段，摩擦力曲線展現出齒牙線的特點，且進程和返程的曲線不再對稱，如圖6所示，進入劇烈磨損階段后，摩擦力波動較大。可以看出摩擦力隨循環次數呈現周期性變化，但在跑合階段和磨損階段摩擦力的波形表現完全不同。

使用3種不同種類的納米添加劑得到的摩擦系數如圖7所示。摩擦系數經過跑合階段后逐漸穩定。磨損階段的摩擦力如圖8所示。從圖中可以看出：基礎油磨損產生的齒牙線特點消失，進程和返程曲線基本對稱，曲線形狀與基礎油的跑合階段摩擦力曲線相似，摩擦力平穩。

圖5 基礎油試驗跑合階段摩擦力曲線

圖6 基礎油試驗磨損階段摩擦力曲線

得到不同種類的納米添加劑摩擦系數后，選取穩定階段的3次試驗摩擦系數求得平均摩擦系數，如圖9所示。可以看出：500SN基礎油的摩擦系數最大，穩定在0.22左右；加入納米添加劑后，摩擦系數明顯下降；Sm2O3濁液的摩擦系數最小，大約穩定在0.144左右，相比于基礎油下降了34.55%。

圖9 不同種類納米潤滑油下試塊的摩擦系數

2.2 磨斑表面形貌

試驗后觀測塊試樣磨斑的二維形貌和三維形貌。磨斑大致是橢圓型，按磨損程度大致可以分為2個區域：中間區域磨損嚴重，產生磨粒磨損[13]，稱為磨斑核心區域；四周部分磨損較輕，是磨料磨損[14]和黏著磨損[13]的復合區域，原光滑表面斷裂處和隆起處所圍成的整體區域稱為磨斑整體，如圖10所示。

圖10 磨斑區域劃分

在基礎油介質中得到的磨斑形貌如圖11所示，深色的為磨損的溝槽。從圖中可以看出溝槽和突起分布不均勻，主要分布在磨斑兩側，中間部分比較均勻。通過分析可以看出這是磨粒磨損，因為試驗中磨屑沒有及時排出而劃傷表面；磨斑四周因試驗力擠壓鋼球和試塊產生隆起。

圖11 基礎油試驗后試塊磨斑形貌

對不同種類納米添加劑下試塊的磨斑進行觀測，磨斑二維形貌如圖12所示。

圖12 不同種類添加劑的試塊磨斑二維形貌

從圖12可以看出：加入納米添加劑后，雖然磨斑直徑和面積變化不大，但是磨痕分布比較均勻，沒有較大的溝槽。磨斑中間產生剝落和點蝕[15]，這是黏著磨損[16]現象，可能是因為納米顆粒的團聚，破壞摩擦副表面的油膜，刮傷表面。分析磨斑面積，Si3N4濁液的磨斑面積較小，且磨痕分布比較均勻，沒有太多的點蝕剝落。這可能是因為納米顆粒在摩擦副之間形成類球軸承[17]減摩作用，可迅速排屑，防止刮傷表面。而當加入Sm2O3，BN納米添加劑時，磨斑形貌變為磨粒磨損和黏著磨損共存。通過分析得到的試塊三維形貌(圖13)可以看出，磨坑的最大深度和面積基本不變。

磨斑形貌表征的是納米潤滑油的抗磨特性，幾種納米添加劑的試塊磨斑數據如表2所示。從表中可以看出Sm2O3清液和濁液下的磨斑最大磨損深度和磨斑投影面積相差不大，但是Sm2O3清液的核心區域面積最小，相比基礎油降低50.7%，且試塊磨斑表面相較于其他組試驗最為光滑均勻；BN清液和濁液的試塊磨斑數據也相差不大；Si3N4清液和濁液的試塊磨損深度相對于基礎油下的試塊磨損深度略有下降，但是對比Si3N4清液和濁液的試塊核心區域面積可以看出，Si3N4濁液下的試塊核心區域面積明顯較大，但最大磨損深度比Si3N4清液下的最大磨損深度要小。因此，通過分析比較二維和三維形貌可以看出3種納米添加劑中Sm2O3清液的抗磨特性較好。

表2 潤滑介質為不同納米潤滑油時試塊的穩定摩擦系數及磨斑尺寸數據

3 結論

1) 納米Sm2O3，BN和Si3N4作為添加劑均有一定的減摩特性，其中Sm2O3濁液的減摩性能最好，摩擦系數穩定，相比于500SN基礎油下降了34.55%。

2) 3種納米添加劑都能在一定程度上減緩磨損，Sm2O3清液的抗磨特性最好，磨痕分布最為均勻平整，核心磨損面積相比基礎油降低50.7%，此時主要是黏著磨損和磨粒磨損共存。

3) 納米態Sm2O3作為添加劑具有非常優異的減摩抗磨特性，但分散進500SN基礎油后所得的不同的清、濁液的摩擦學性能有所不同，其中，Sm2O3濁液的減摩性能最好，Sm2O3清液的抗磨性能最好。