含超細(xì)金屬/蛇紋石粉液壓油的摩擦學(xué)性能研究

黃俊杰，武黎明，楊 霽，張振忠，趙芳霞

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

含超細(xì)金屬/蛇紋石粉液壓油的摩擦學(xué)性能研究

黃俊杰，武黎明，楊 霽，張振忠，趙芳霞

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

采用四球試驗(yàn)機(jī)研究了納米鎳粉、鎳錫粉復(fù)配和納米金屬粉與超細(xì)蛇紋石粉復(fù)配情況下粉體加入量及復(fù)配比例對(duì)68號(hào)液壓油摩擦學(xué)性能的影響；采用SEMEDS對(duì)磨斑形貌進(jìn)行表征。結(jié)果表明：含納米金屬蛇紋石粉液壓油具有良好的綜合摩擦學(xué)性能，當(dāng)納米鎳與錫粉質(zhì)量比為3∶1、納米金屬與蛇紋石復(fù)合粉[m(納米金屬)m(蛇紋石)=2∶1]添加量(w)為0.10%時(shí)，與68號(hào)液壓油試驗(yàn)相比，摩擦因數(shù)和磨斑直徑分別降低37.0%和35.4%；加入二烷基二硫代磷酸鉬有助于提高超細(xì)金屬蛇紋石液壓油的抗磨減摩性能，且兩者具有協(xié)同作用；超細(xì)金屬蛇紋石粉加入到液壓油中能夠起到填平犁溝、修復(fù)磨痕表面的作用。

68號(hào)液壓油 納米鎳粉 納米錫粉 超細(xì)蛇紋石粉 摩擦學(xué)性能

工業(yè)液壓油在石油、化工、水泥、礦山、冶金、機(jī)械等行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用[1-2]，且需求量大。研制不同黏度含納米金屬/超細(xì)蛇紋石粉自修復(fù)液壓油不僅有利于大幅度提高其抗磨減摩性能，還使液壓油具有摩擦自修復(fù)特性[3-5]，對(duì)提高工業(yè)設(shè)備的壽命、延長(zhǎng)維修期和實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備的節(jié)能減排具有重要意義。納米金屬粉如銅粉、錫粉等作為潤(rùn)滑自修復(fù)添加劑能夠起到較好的抗磨減摩作用[6-8]，并提高其承載能力，但所形成的自修復(fù)膜硬度低、易發(fā)生脫落，在低載荷下起到磨粒磨損的作用；蛇紋石粉和納米二氧化硅等無(wú)機(jī)材料[9-11]的膨脹系數(shù)與黑色金屬相近且干摩擦因數(shù)極低，該材料加至液壓油中，在摩擦能作用下形成的金屬陶瓷修復(fù)膜不易脫落，有利于摩擦副抗磨性能的提高，但這類粉體的自修復(fù)能量高且減摩作用相對(duì)較差。因此，其發(fā)展趨勢(shì)是制備高性能金屬/陶瓷納米復(fù)合液壓油。目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)含超細(xì)金屬/陶瓷復(fù)合粉體自修復(fù)工業(yè)液壓油的研究鮮有報(bào)道。本研究在納米金屬及超細(xì)蛇紋石粉體分散工藝的基礎(chǔ)上[12-16]，以大型工業(yè)設(shè)備中應(yīng)用最多的黏度級(jí)別68的實(shí)際工業(yè)液壓油(簡(jiǎn)稱68號(hào)液壓油)為研究對(duì)象，考察含超細(xì)鎳、錫粉/蛇紋石粉工業(yè)液壓油的抗磨減摩性能，為研發(fā)和推廣高性能、自修復(fù)型工業(yè)液壓油提供依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

一次顆粒平均粒徑為80 nm的鎳粉和錫粉、一次顆粒平均粒徑為100 nm的蛇紋石粉，均為昆山密友集團(tuán)生產(chǎn)；68號(hào)液壓油，型號(hào)長(zhǎng)城LH-M 68；二烷基二硫代磷酸鉬(MoDDP)、石油醚，分析純，無(wú)錫亞盛化工生產(chǎn)。四球試驗(yàn)所用鋼球?yàn)镚Cr15軸承鋼球，上海鋼球廠有限公司生產(chǎn)，直徑為12.7 mm，硬度為61～64 HRC，化學(xué)組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：Si 0.55%，Mn 0.51%，Cr 1.74%，F(xiàn)e 97.20%。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備

清洗鋼球用KH-700DE型超聲波清洗器，昆山禾創(chuàng)公司制造；BS 224S型電子天平，德國(guó)賽多利斯公司生產(chǎn)；SFS-S400型高速分散機(jī)，上海汗諾儀器有限公司制造；WMM-1萬(wàn)能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)及配套磨斑測(cè)量顯微鏡，時(shí)代試金集團(tuán)制造；JSM-5900型掃描電鏡儀，日本電子公司制造。

1.3 復(fù)合添加劑

1.3.1納米鎳錫復(fù)合粉將納米鎳粉與納米錫粉以一定比例復(fù)配均勻混合，得到納米鎳錫復(fù)合粉。

1.3.2納米金屬與蛇紋石復(fù)合粉將納米鎳錫復(fù)合金屬粉(鎳、錫質(zhì)量比為3∶1)與蛇紋石粉按一定比例復(fù)配混合均勻，得到納米金屬與蛇紋石復(fù)合粉。

1.4實(shí)驗(yàn)方法

通過(guò)高速剪切機(jī)以3 000 r/min的轉(zhuǎn)速高速剪切30 min，將各類粉體均勻分散到68號(hào)液壓油中，制成含超細(xì)粉體的液壓油。采用四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)考察液壓油的摩擦學(xué)性能，用顯微鏡觀測(cè)磨斑后，利用配套軟件求得鋼球的平均磨斑直徑，按照SH/T 0189潤(rùn)滑油抗磨損性能測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)(1 200 r/min)進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)SEM/EDS對(duì)鋼球磨斑表面進(jìn)行表征。

2 結(jié)果與討論

2.1 納米鎳粉添加量對(duì)68號(hào)液壓油摩擦學(xué)性能的影響

在392 N載荷條件下，納米鎳粉添加量對(duì)68號(hào)液壓油試驗(yàn)?zāi)Σ烈驍?shù)和鋼球磨斑直徑的影響見(jiàn)圖1。由圖1可見(jiàn)，隨納米鎳粉添加量的增加，摩擦因數(shù)和磨斑直徑先減小后增大，當(dāng)納米鎳粉添加量(w)為0.05%時(shí)，摩擦因數(shù)和磨斑直徑最小，與68號(hào)液壓油試驗(yàn)相比，摩擦因數(shù)和磨斑直徑分別降低30.8%和22.9%。

圖1 納米鎳粉添加量對(duì)68號(hào)液壓油摩擦學(xué)性能的影響■—磨斑直徑; ●—摩擦因數(shù)。圖2～圖4同

2.2 納米鎳錫復(fù)合粉添加量對(duì)68號(hào)液壓油摩擦學(xué)性能的影響

在392 N載荷條件下，納米鎳錫復(fù)合粉[m(鎳)/m(錫)=2∶1]添加量對(duì)68號(hào)液壓油試驗(yàn)?zāi)Σ烈驍?shù)和鋼球磨斑直徑的影響見(jiàn)圖2。由圖2可見(jiàn)，隨納米鎳錫復(fù)合粉添加量的增加，摩擦因數(shù)和磨斑直徑先減小后增大，當(dāng)納米鎳錫復(fù)合粉添加量(w)為0.15%時(shí)，摩擦因數(shù)和磨斑直徑最小，分別為0.058 mm和0.38 mm，與68號(hào)液壓油試驗(yàn)相比，摩擦因數(shù)和磨斑直徑分別降低36.0%和20.8%。

圖2 納米鎳錫復(fù)合粉添加量對(duì)68號(hào)液壓油摩擦學(xué)性能的影響

在納米鎳錫復(fù)合粉添加量(w)為0.15%時(shí)，納米鎳粉與錫粉質(zhì)量比對(duì)68號(hào)液壓油摩擦學(xué)性能的影響見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，與68號(hào)液壓油試驗(yàn)相比，含納米鎳錫復(fù)合粉的68號(hào)液壓油試驗(yàn)的摩擦因數(shù)和鋼球的磨斑直徑明顯降低，當(dāng)m(鎳)/m(錫)分別為4∶1，3∶1，2∶1，1∶1時(shí)，摩擦因數(shù)分別減小8.8%，45.2%，36.0%，39.7%，磨斑直徑分別減小6.25%，29.2%，20.8%，22.9%。綜合分析，在m(鎳)/m(錫)為3∶1時(shí)，摩擦因數(shù)和磨斑直徑最小，分別為0.049 6和0.34 mm。

表1 納米鎳粉與錫粉質(zhì)量比對(duì)68號(hào)液壓油摩擦學(xué)性能的影響

2.3 納米金屬與蛇紋石復(fù)合粉對(duì)68號(hào)液壓油摩擦學(xué)性能的影響

在392 N載荷條件下，納米金屬與蛇紋石復(fù)合粉[m(納米金屬)/m(蛇紋石)=2∶1]添加量對(duì)68號(hào)液壓油試驗(yàn)?zāi)Σ烈驍?shù)和鋼球磨斑直徑的影響見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn)，隨納米金屬與蛇紋石復(fù)合粉添加量的增加，摩擦因數(shù)和磨斑直徑呈先減小后增大的趨勢(shì)，當(dāng)納米金屬與蛇紋石復(fù)合粉添加量(w)為0.10%時(shí)，摩擦因數(shù)和磨斑直徑最小，分別為0.057和0.31 mm，與68號(hào)液壓油試驗(yàn)相比，摩擦因數(shù)和磨斑直徑分別降低37.0%和35.4%。

圖3 納米金屬與蛇紋石復(fù)合粉添加量對(duì)68號(hào)液壓油摩擦學(xué)性能的影響

在納米金屬與蛇紋石復(fù)合粉添加量(w)為0.1%、m(鎳)/m(錫)為3∶1時(shí)，納米金屬與蛇紋石質(zhì)量比對(duì)68號(hào)液壓油摩擦學(xué)性能的影響見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn)：與68號(hào)液壓油試驗(yàn)相比，m(納米金屬)/m(蛇紋石)分別為3∶1，2∶1，1∶1，1∶2時(shí)，摩擦因數(shù)分別減小33.6%，37.0%，26.2%，25.3%，磨斑直徑分別減小20.8%，35.4%，20.8%，22.9%。綜合分析，在納米金屬與蛇紋石復(fù)合粉添加量(w)為0.1%、m(納米金屬)/m(蛇紋石)為2∶1時(shí)，摩擦因數(shù)和磨斑直徑最小，分別為0.057 0和0.31 mm。說(shuō)明加入蛇紋石粉更有利于提高68號(hào)液壓油的抗磨性能。

表2 納米金屬與蛇紋石質(zhì)量比對(duì)68號(hào)液壓油摩擦學(xué)性能的影響

2.4 MoDDP添加量對(duì)含納米金屬/蛇紋石復(fù)合粉68號(hào)液壓油摩擦學(xué)性能的影響

圖4 MoDDP添加量對(duì)含納米金屬/蛇紋石復(fù)合粉68號(hào)液壓油摩擦學(xué)性能的影響

在392 N載荷條件下，加入0.25%～1.25%MoDDP對(duì)含0.1%金屬/蛇紋石復(fù)合粉68號(hào)液壓油摩擦學(xué)性能的影響見(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn)，隨MoDDP加入量增加，摩擦因數(shù)呈先減小后增加的趨勢(shì)，鋼球磨斑直徑變化不大，當(dāng)MoDDP添加量(w)為0.75%時(shí)，摩擦因數(shù)和磨斑直徑最小，與含0.1%金屬/蛇紋石復(fù)合粉68號(hào)液壓油試驗(yàn)相比，摩擦因數(shù)和磨斑直徑分別降低43.5%和9.7%。說(shuō)明加入MoDDP有助于提高超細(xì)金屬/蛇紋石液壓油的抗磨減摩性能，且兩者具有協(xié)同作用。

2.5 含納米金屬/蛇紋石復(fù)合粉液壓油的載荷特性

含納米金屬/蛇紋石MoDDP復(fù)合粉68號(hào)液壓油在196，294，392，490 N載荷下試驗(yàn)的摩擦因數(shù)和鋼球磨斑直徑見(jiàn)圖5。由圖5可見(jiàn)，不同載荷下，68號(hào)液壓油中添加納米金屬/蛇紋石MoDDP復(fù)合粉體后，試驗(yàn)的摩擦因數(shù)和鋼球的磨斑直徑均明顯下降，且摩擦因數(shù)和磨斑直徑均隨著載荷的增加而增大。

圖5 含納米金屬/蛇紋石復(fù)合粉液壓油的載荷特性■—未添加復(fù)合粉體; ●—添加復(fù)合粉體

2.6 自修復(fù)機(jī)理探索

在392 N載荷下，含0.1%納米金屬/蛇紋石粉68號(hào)液壓油長(zhǎng)磨60 min后的磨痕形貌及能譜分析結(jié)果見(jiàn)圖6。由圖6可見(jiàn)：鋼球表面的磨痕很淺；GCr15 軸承鋼球的成分主要有鐵、碳、鉻、硅等，含0.1%的納米金屬/蛇紋石粉68號(hào)液壓油長(zhǎng)磨試驗(yàn)后，磨痕的凹槽含有鎳、硅、鎂及少量錫元素，說(shuō)明潤(rùn)滑油中添加超細(xì)粉體后顆粒會(huì)在摩擦過(guò)程中向摩擦表面上發(fā)生轉(zhuǎn)移，在磨斑表面起到填補(bǔ)溝壑的作用，產(chǎn)生更多新生表面，表面活性較高的超細(xì)顆粒在外加壓力下迅速沉積、焊合到摩擦副表面，填充磨痕表面，在摩擦副的表面形成自修復(fù)膜，提高設(shè)備的使用壽命。

圖6 含0.1%超細(xì)復(fù)合粉液壓油的鋼球磨斑形貌及能譜分析結(jié)果

3 結(jié) 論

(1)適量納米金屬鎳、錫粉體的加入有利于提高基礎(chǔ)液壓油的摩擦學(xué)性能。在68號(hào)液壓油中鎳粉添加量(w)為0.05%時(shí)，試驗(yàn)的摩擦因數(shù)和鋼球的磨斑直徑最小，較基礎(chǔ)液壓油試驗(yàn)分別降低30.8%和22.9%。在納米鎳錫復(fù)合粉添加量(w)為0.15%、鎳、錫質(zhì)量比為3∶1時(shí)，試驗(yàn)的摩擦因數(shù)和鋼球的磨斑直徑最小，較基礎(chǔ)液壓油試驗(yàn)時(shí)分別減小45.2%和29.2%。

(2)適量納米金屬粉、超細(xì)蛇紋石粉的復(fù)合，有利于進(jìn)一步改善基礎(chǔ)液壓油的綜合摩擦學(xué)性能。當(dāng)納米金屬與蛇紋石復(fù)合粉添加量(w)為0.10%時(shí)，試驗(yàn)的摩擦因數(shù)和鋼球的磨斑直徑最小，分別為0.057和0.31 mm，與68號(hào)液壓油試驗(yàn)相比，摩擦因數(shù)和磨斑直徑分別降低37.0%和35.4%。

(3)與含0.1%金屬/蛇紋石復(fù)合粉68號(hào)液壓油試驗(yàn)相比，當(dāng)MoDDP添加量(w)為0.75%時(shí)，試驗(yàn)的摩擦因數(shù)和鋼球的磨斑直徑分別降低43.5%和9.7%。說(shuō)明加入MoDDP有助于提高超細(xì)金屬/蛇紋石液壓油的抗磨減摩性能，且兩者具有協(xié)同作用。

(4)超細(xì)粉體在摩擦?xí)r，金屬部分在摩擦副表面滑移形成軟表面膜填補(bǔ)溝壑，形成軟修復(fù)；蛇紋石部分在摩擦下與鐵基金屬反應(yīng)，在摩擦副表面生成硅酸鐵鎂陶瓷保護(hù)層，形成一種硬修復(fù)。兩者有協(xié)同作用，在摩擦副的表面形成自修復(fù)膜。

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TRIBOLOGICALPROPERTIESOFHYDRAULICOILWITHULTRAFINE-METALSERPENTINEPOWDERSWTBZ

Huang Junjie， Wu Liming， Yang Qi， Zhang Zhenzhong， Zhao Fangxia

(CollegeofMaterialsScience&Engineering，NanjingUniversityofTechnology，Nanjing210009)

To improve the tribological properties of conventional industrial hydraulic oil，the effects of amounts of nano-Ni，nano-Ni/Sn composite powders and ultrafine-metal/serpentine composite powders on tribological properties of No.68 hydraulic oil were studied by using four-ball tester；the wear scar morphology and composition were characterized by means of SEM/EDS techniques.Experimental results indicated that the hydraulic oil containing ultrafine-metal/serpentine composite powders has better tribological properties in all aspects.Compared with the basic hydraulic oil，the friction coefficient and wear scar diameter decreases by 37.0% and 35.4%，respectively，when the mass ratio of Ni and Cu is 3∶1，the mass ratio of metal and serpentine is 2∶1，and the total amount is 0.1%.The addition of MoDDP and the ultrafine-metal/serpentine greatly improves the tribological properties of hydraulic oil，indicating a synergistic effect between them.Wear scar SEM/EDS analysis showed that the ultrafine-metal/serpentine composite powders added to the hydraulic oil can fill the furrows and repair worn surface.

No.68 hydraulic oil； nano-Ni powder； nano-Sn powder； ultrafine serpentine powder； tribological property

2017-06-13；修改稿收到日期2017-07-12。

黃俊杰，碩士研究生，主要從事納米粉體的制備及液壓油潤(rùn)滑添加劑的研究工作。

黃俊杰，E-mail：huanghe92114@163.com。