含納米鉍粉鋰基潤滑脂抗磨減摩性能研究

趙芳霞，湯玉飛，王鵬，張振忠，楊江海

(南京工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210009)

納米鉍粉體由于具有小尺寸效應(yīng)、表面界面效應(yīng)、低熔點(diǎn)以及良好的懸浮穩(wěn)定性等特性，在納米潤滑添加劑的開發(fā)和應(yīng)用中日益擴(kuò)大。研究表明，在油潤滑條件下，與納米銅、鎳等相比，納米鉍粉具有熔點(diǎn)低，在較低的能量下就能填充、焊合在摩擦副表面，同時(shí)也可能形成液體鉍膜，因此含納米鉍粉的潤滑油減摩性能較好[1-2]，是一種性能優(yōu)良的軟金屬潤滑油添加劑[1,3-4]。納米鉍粉的研究目前主要集中在油潤滑添加劑上，針對脂潤滑添加劑的研究和應(yīng)用還相對較少。本案主要研究含納米鉍粉鋰基潤滑脂的抗磨減摩性能，為含納米鉍粉潤滑脂的進(jìn)一步研究和實(shí)際應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)方法

1.1 材料與儀器

采用等離子體蒸發(fā)法制備不同粒徑的鉍粉，其中平均粒徑為45 nm的納米鉍粉透射電鏡照片(TEM)如圖1所示。選500SN基礎(chǔ)油和12-羥基硬脂酸鋰皂稠化劑，采用直接皂化法制備鋰基潤滑脂，其過程主要包括皂化、脫水、膨化、冷卻和均化5個(gè)階段。

圖1 平均粒徑為45 nm鉍粉(TEM)

試驗(yàn)主要使用儀器為：BS 224S型電子天平、S型三輥研磨機(jī)和WMM-1萬能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)。

1.2 潤滑脂摩擦磨損性能測試

采用MMW-1型四球式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，按照國家標(biāo)準(zhǔn)要求的試驗(yàn)步驟分別測定潤滑脂摩擦系數(shù)μ和磨斑直徑WSD等參數(shù)。試驗(yàn)使用GCr15鋼球，直徑為12.7 mm，硬度為61～64 HRC。

2 結(jié)果與討論

2.1 鉍粉粒徑對鋰基潤滑脂抗磨減摩性能的影響

加入量固定為2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)時(shí)，鉍粉粒徑對鋰基潤滑脂摩擦系數(shù)和磨斑直徑的影響規(guī)律如圖2所示。圖3為鋼球表面的磨斑形貌，試驗(yàn)測得不添加任何添加劑的鋰基潤滑脂的摩擦系數(shù)和磨斑直徑分別為0.084 3和0.67 mm?？梢?，添加鉍粉的潤滑脂摩擦系數(shù)和磨斑直徑均比基礎(chǔ)脂的小，說明添加鉍粉可提高鋰基潤滑脂的抗磨減摩性能。而且隨著鉍粉平均粒徑的減小，潤滑脂的摩擦系數(shù)和磨斑直徑均減小，即其抗磨減摩性能有所提高。

圖2 鉍粉粒徑對鋰基潤滑脂摩擦系數(shù)和磨斑直徑的影響

由圖3可以看出，鉍粉平均粒徑為180 nm試樣的磨斑表面(圖3f)存在大而深的犁溝，隨著平均粒徑的減小，磨痕表面的犁溝逐漸變細(xì)(圖3b～f)。當(dāng)平均粒徑為45 nm時(shí)，磨斑表面的犁溝最細(xì)，此時(shí)潤滑脂的抗磨能力最強(qiáng)。分析認(rèn)為，隨著鉍粉粒徑的減小，粉體表面的懸空鍵越多，表面活性越大，越易于沉積在摩擦副表面，在較低的載荷下就能形成金屬潤滑膜，隔開微凸體間的接觸，有效減小摩擦副的磨損。另外，由于納米鉍粉體粒徑越小，特別是當(dāng)其粒徑小于20 nm時(shí)產(chǎn)量很低，生產(chǎn)成本會(huì)大大增加，因此確定合適的鉍粉平均粒徑為45 nm。

圖3 鉍粉粒徑對鋼球磨斑形貌的影響

2.2 鉍粉加入方式和加入量對鋰基潤滑脂摩擦學(xué)性能的影響

納米粉體比表面積大，表面能高，粉體間存在各種吸附力，極易產(chǎn)生團(tuán)聚，生成粒徑較大的二次顆粒，從而失去超細(xì)粉體本身具有的優(yōu)異性能。當(dāng)潤滑脂中的納米粉體處于團(tuán)聚狀態(tài)時(shí)，粒徑過大的團(tuán)聚體可能引起磨粒磨損，反而加速摩擦表面的磨損[5-6]。為更好地發(fā)揮納米鉍粉的性能，研究了兩種粉體加入方式對潤滑脂摩擦學(xué)性能的影響。一種方法是將鉍粉直接加入到鋰基潤滑脂中(簡稱直接加入)，其方法是先手工攪拌，再用三輥輾磨機(jī)擠壓攪拌30 min；另一種方法是先用分散效果優(yōu)秀的油酸將鉍粉分散[7]，在鋰基潤滑脂制備過程中將分散后的鉍粉加入(簡稱分散加入)，然后均化。

圖4為兩種加入方式下納米鉍粉加入量對潤滑脂摩擦系數(shù)和磨斑直徑的影響曲線，圖5為不同含量鉍粉直接加入和分散加入時(shí)摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化；圖6為圖4中各試驗(yàn)鋼球磨斑表面形貌。由圖可見：(1)采用直接加入方式，隨著鉍粉含量的增加，鋰基脂的摩擦系數(shù)先減小后增大，當(dāng)其含量為3%時(shí)，摩擦系數(shù)最低為0.065 7，比鋰基脂降低了近22%，減摩性能有了很大的提高。隨著粉體含量的增加，磨斑直徑呈現(xiàn)先減小后增大再減小的變化規(guī)律，當(dāng)加入量為2%時(shí)磨斑表面溝槽淺而窄，且直徑最小為0.58 mm，比基礎(chǔ)脂減小了13.4%。(2)采用分散加入，隨著鉍粉含量的增加，鋰基脂的摩擦系數(shù)先減小后增大，當(dāng)其含量為2%時(shí)，摩擦系數(shù)最低為0.070 7，比鋰基脂降低了近16.1%，減摩性能有了較大提高。隨著粉體含量的增加，磨斑直徑變化不大。其最佳濃度為2%，此時(shí)磨斑直徑為0.58 mm，比基礎(chǔ)脂減小了13.4%。根據(jù)對含鉍粉潤滑脂摩擦磨損試驗(yàn)鋼球磨斑表面的掃描電鏡、能譜及其表面元素的分析可知：納米鉍粉在磨斑表面起填充和焊合作用，鉍粉含量太少難以填滿溝槽，也難以發(fā)揮焊合作用，磨斑直徑較大；鉍粉含量增加到2 %時(shí)，磨斑表面的溝槽被填滿，也有足夠的鉍粉發(fā)揮焊合作用；而超過2%時(shí)，磨斑表面的溝槽被填滿，多余的鉍粉不再起填充和焊合作用，因此磨斑直徑變化不大[8]?？傊?，對于兩種加入方式，當(dāng)納米鉍粉加入量為2%時(shí)潤滑脂的抗磨減摩性能較好。

進(jìn)一步分析圖4、圖5和圖6可以看出，在加入量相同的條件下，直接加入鉍粉的潤滑脂的摩擦系數(shù)和磨斑直徑均小于分散加入的潤滑脂。由圖5可知，隨著時(shí)間的延長，直接加入鉍粉的潤滑脂具有更低的摩擦系數(shù)，減摩抗磨效果更好。而分散后的粉體反而摩擦學(xué)性能變差，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是未經(jīng)分散的粉體，因表面活性高，更易于在摩擦機(jī)械能的作用下物理焊合在摩擦表面上(鉍的熔點(diǎn)為271.3 ℃)，形成有效的液體金屬膜，阻止摩擦表面微凸體的接觸；而經(jīng)分散劑分散的粉體因表面包覆有分散劑，降低了鉍粉的表面活性[3,9]，反而使其不易于沉積在摩擦表面上，因此，其減摩效果比直接加入鉍粉的潤滑脂差。

圖4 兩種加入方式下納米鉍粉加入量對潤滑脂摩擦系數(shù)和磨斑直徑的影響

圖5 鉍粉加入量及加入方式對潤滑脂摩擦系數(shù)曲線的影響

圖6 鉍粉加入量及加入方式對鋰基潤滑脂磨斑形貌的影響

綜上所述，納米鉍粉采用直接加入的方式，且加入量為2%時(shí)，潤滑脂具有較低的摩擦系數(shù)和較小的磨斑直徑，具有良好的抗磨減摩性能。

2.3 載荷的影響

為了探討含納米鉍粉鋰基潤滑脂在不同載荷下的摩擦學(xué)性能，并且考慮到與通用鋰基潤滑脂相似的應(yīng)用場合，僅研究載荷為196，294，392和490 N時(shí)對鋰基潤滑脂和含2%納米鉍粉鋰基潤滑脂的摩擦系數(shù)和磨斑直徑的影響規(guī)律，其結(jié)果如圖7所示。圖8為鋼球表面的磨斑形貌圖。

圖7 載荷對鋰基潤滑脂和含納米鉍粉潤滑脂摩擦系數(shù)和磨斑直徑的影響

圖8 不同載荷下鋰基潤滑脂和含納米鉍粉潤滑脂的磨斑形貌

由圖可見，鋰基潤滑脂的摩擦系數(shù)在載荷為196，294和392 N時(shí)相近，在490 N時(shí)增大。含納米鉍粉的潤滑脂，其摩擦系數(shù)隨載荷的增大呈下降趨勢，并在392 N時(shí)達(dá)到最小值，比同載荷下基礎(chǔ)脂的摩擦系數(shù)減小了19.2%；當(dāng)載荷為490 N時(shí)摩擦系數(shù)略有增大，但仍比同載荷下基礎(chǔ)脂的摩擦系數(shù)降低了21.5%，說明隨著載荷的增加含鉍粉的潤滑脂減摩能力在增加。對于磨斑直徑，鋰基潤滑脂隨載荷的增大而增大，且犁溝變粗變深，在196 N時(shí)為0.54 mm，在490 N時(shí)為0.72 mm，增幅為33.3%。而含納米鉍粉潤滑脂的磨斑直徑隨載荷的增大開始變化不大，在載荷392和490 N時(shí)有減小的趨勢，尤其在490 N時(shí)的磨斑直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于基礎(chǔ)脂在294 N時(shí)的磨斑直徑，且其犁溝隨載荷的增大變細(xì)、變淺，這說明納米鉍粉在較高載荷下具有很好的抗磨性能。這與文獻(xiàn)[8]研究的納米錫粉相類似，其原因是：在低載荷時(shí)，鉍納米顆?？赡艽蟛糠忠晕⒘Ｐ问酱嬖谟谀Σ翆ε济?，而在較高載荷(490 N)時(shí)，鉍納米微粒有可能發(fā)生熔化，形成液態(tài)金屬膜。由于液態(tài)金屬膜具有很好的彈性，所以在摩擦表面滑動(dòng)摩擦?xí)r對摩擦副表面造成的磨損遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于固體微粒所引起的磨損，表現(xiàn)出在392 N和490 N較高載荷下時(shí)的抗磨性能好于196和294 N較低載荷下的性能。

3 結(jié)論

(1) 納米鉍粉粒徑大小對鋰基潤滑脂的摩擦學(xué)性能有影響，合適的納米鉍粉平均粒徑為45 nm。

(2) 納米鉍粉的加入方式和加入量對鋰基潤滑脂的摩擦學(xué)性能均有影響，鉍粉采用直接加入且加入量為2%時(shí)，潤滑脂具有良好的抗磨減摩性能。

(3) 在392 N和490 N載荷時(shí)含納米鉍粉鋰基潤滑脂比基礎(chǔ)鋰基脂具有更好的抗磨減摩性能。