納米二氧化鈰與蛇紋石混合物作為潤滑油添加劑的摩擦學性能研究*

(大連海事大學輪機工程學院 遼寧大連116026)

摩擦磨損是摩擦副表面的重要現(xiàn)象，是機械零件三大主要失效形式之一，據(jù)統(tǒng)計，人類使用能源的1/3～1/2以摩擦和磨損的形式被消耗[1-4]。潤滑是降低摩擦、減少磨損的重要技術措施，而通常采用添加劑的方法來提高潤滑油的潤滑性能與減摩性能。由于納米無機顆粒獨有的物理化學性質，在近幾年里，將微納米材料應用于潤滑體系中的研究已經(jīng)引起越來越多人的興趣[5-11]。隨著納米技術的發(fā)展，為納米潤滑油添加劑提供了新的契機[12]。納米材料本身具有表面積大、高擴散性、硬度大等特點，容易在摩擦副表面形成一層氧化保護層，可補償摩擦表面的磨損，從而實現(xiàn)少磨損甚至是零磨損[13-14]。

納米無機材料中，以蛇紋石為代表的潤滑油添加劑受到了極大的重視。曹娟等[15]采用球磨機制備得到蛇紋石超細粉體，在四球摩擦試驗機上研究了其對潤滑油減磨抗磨性能的影響。結果發(fā)現(xiàn)，超細蛇紋石粉質量分數(shù)為0.3%時，摩擦因數(shù)和磨斑直徑均有較大程度的下降。張宇等人[16]研究發(fā)現(xiàn)蛇紋石粉體作為潤滑油添加劑可顯著減小四球摩擦副的摩擦因數(shù)和磨斑直徑,這是由于其可通過摩擦化學作用而在磨損表面生成具有良好減磨抗摩性能的自修復層。顧卓明等[17]研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)表面改性的納米二氧化鈰在潤滑油中具有良好的分散、穩(wěn)定性；納米二氧化鈰粒子的添加量為0.6%(質量分數(shù))左右時,潤滑油在室溫與較高溫度下均具有優(yōu)良的減摩、抗磨作用。但是目前沒有關于蛇紋石和二氧化鈰混合物作為潤滑油添加劑的摩擦學性能方面的研究報道，因此本文作者在考察蛇紋石和二氧化鈰單獨作為潤滑油添加劑的摩擦學性能的基礎上，將兩者進行復配，使兩種添加劑優(yōu)勢互補，并通過實驗研究其減摩、抗磨機制。

1 實驗部分

1.1 試樣的制備

實驗選擇的潤滑油為PAO4，選擇的添加劑有蛇紋石微粒、二氧化鈰納米粒子、蛇紋石/CeO2復合顆粒，選擇的表面活性劑為吐溫80和司盤80組成的復配表面活性劑。

復配表面活性劑的配制以親水親油平衡值作為理論基礎，HLB是指表面活性劑分子中親水親油基團對水和油的綜合親和力，隨著HLB值的增大，表面活性劑由親油性向親水性轉變。HLB具有代數(shù)相加性，復配表面活性劑的HLB復配可以由公式(1)計算：

(1)

式中：HLBa和HLBb分別表示表面活性劑a和b的HLB值；wa指的是表面活性劑a的質量分數(shù)；wb指的是表面活性劑b的質量分數(shù)。

選擇吐溫80和司盤80進行復配，司盤80的HLB值為4.3，吐溫80的HLB值為15，把HLB值較小和HLB值較大的表面活性劑混合使用，不僅親油能力強，對納米粒子表面也有較強的親和力。潤滑油的HLB值在10～13之間，復配表面活性劑與潤滑油的HLB越接近，配制的納米潤滑油就越穩(wěn)定[18]。經(jīng)檢測，所用基礎油的HLB值約為12。當HLB復配值為12時，由公式(1)計算，吐溫80和司盤80的復配質量比例為w吐溫∶w司盤=77∶30。

通過前期對不同比例添加劑的實驗研究，得知單一蛇紋石添加劑在0.5%～1%(質量分數(shù)，下同)時的效果比較明顯，當大于1%時效果變化不大[15-17]。因此在考慮節(jié)省原材料的前提下，選擇蛇紋石與二氧化鈰單獨或混合添加的比例為0.5%～1%。按一定比例將添加劑加入到PAO4基礎油中，在50 ℃下機械攪拌0.5 h后得到待測油樣。

1.2 摩擦磨損實驗

摩擦磨損實驗采用濟南益華試驗機廠生產的MMW-1A型立式萬能摩擦磨損試驗機，利用四球摩擦副按照SH/T0189-92考察各潤滑油油樣的的減摩抗磨性能。實驗采用鋼球為一級GCr15標準鋼球，硬度為HRC61～65。實驗前后鋼球及所有夾具均用石油醚超聲清洗干凈。實驗時間設定為60 min，溫度控制在75 ℃，主軸轉速為1 200 r/min，加載負荷為147 N。實驗結束后再次用石油醚超聲清洗鋼球，烘干后放入樣品袋備測。為減少誤差影響，每組實驗均進行3次，取平均值。

1.3 磨損表面形貌分析

采用奧巴斯林GX51金相顯微鏡觀察磨斑形貌并測量磨斑直徑，采用410-M型X射線能譜儀(EDS)觀察摩擦表面的微觀磨痕形貌并分析表面的元素組成。

2 結果與討論

2.1 不同成分潤滑油添加劑的減摩抗磨性能

為考察單一蛇紋石與二氧化鈰添加劑和蛇紋石/CeO2復合添加劑的減摩抗磨性能，按表1所示潤滑油組成制備4組油樣，并考察其摩擦學性能。

表1 潤滑油試樣組成

圖1示出了PAO4基礎油和3組添加不同成分添加劑的潤滑油潤滑下摩擦因數(shù)隨時間的變化關系?；A油潤滑時摩擦因數(shù)隨著時間的增加一直在增大，最終達到0.11并趨于穩(wěn)定?；A油潤滑時摩擦因數(shù)較大，表明其減摩性能不太好。用含蛇紋石微粒潤滑、含二氧化鈰納米粒子潤滑、含蛇紋石/CeO2復合顆粒潤滑時的摩擦因數(shù)最后都趨近于較小值。

圖1 不同油樣摩擦因數(shù)隨時間的變化曲線

圖2示出了PAO4基礎油和3組添加不同成分添加劑的潤滑油潤滑下鋼球磨斑表面形貌。可以看出：基礎油潤滑時鋼球表面磨斑直徑相對較大，在磨損表面上還存在一些較深的劃痕和塑性變形，這表明鋼球磨損相當嚴重；采用含有蛇紋石或者二氧化鈰顆粒的潤滑油潤滑時，磨損表面相對平滑，只存在少量的較淺劃痕，而且磨斑直徑相對減??；采用含有蛇紋石/CeO2復合顆粒的潤滑油潤滑時，磨損表面更加平滑，磨痕更加少?？梢姡趸嫼蜕呒y石均可以顯著提高基礎潤滑油的抗磨能力，雖然單一添加劑的摩擦因數(shù)較蛇紋石/CeO2復合顆粒略低，但相差不大，反而在磨斑直徑以及表面劃痕上，蛇紋石/CeO2復合顆粒的潤滑油效果更優(yōu)，綜合而言蛇紋石/CeO2復合顆粒的效果更佳。因此，可以推斷出蛇紋石/CeO2復合顆粒中的Ce元素有利于提高蛇紋石在潤滑油中的摩擦學性能。

圖2 不同油樣潤滑下鋼球表面磨斑形貌

2.2 復配添加劑最佳配比研究

前面的研究表明，蛇紋石/CeO2復合顆粒相比蛇紋石和CeO2單一添加劑具有更佳的抗磨效果。為進一步了解蛇紋石和CeO2的最佳配比和添加量，選擇蛇紋石和CeO2總的添加量為0.5%～1%，設計了如表2所示的5組實驗，其中第1、2、3組實驗和第4、5組實驗是在固定蛇紋石添加量分別為0.25%和0.5%的情況下，探究氧化鈰添加量對抗磨減摩性能的影響。第1、5組實驗和第2、4組實驗是在加固定氧化鈰添加量分別為0.25%和0.5%的情況下，探究蛇紋石添加量對抗磨減摩性能的影響。

表2 復合添加劑配方設計

圖3示出了5組油樣的摩擦因數(shù)隨時間變化關系?？梢钥闯觯?組油樣的摩擦因數(shù)都隨著時間的增加而逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定；其中當蛇紋石微粒添加量為0.25%，二氧化鈰納米粒子添加量為0.25%時，最后的穩(wěn)定摩擦因數(shù)最小，為0.064 2，其減摩效果是5組油樣中最好的。

圖4示出了5組油樣潤滑下的鋼球表面磨斑形貌。可以看出:采用蛇紋石添加量為0.25%，二氧化鈰納米粒子添加量為0.25%的復合納米潤滑油潤滑時，磨損表面最為平滑，只存在極少的較淺痕跡，而且磨斑直徑相對最小，如圖4(a)所示。

圖3 摩擦因數(shù)隨時間的變化曲線

圖4 鋼球表面磨斑形貌

綜上，當蛇紋石添加量為0.25%，二氧化鈰納米粒子添加量為0.25%時，潤滑油的摩擦學性能最佳。

2.3 摩擦機制分析

為了進一步研究蛇紋石/CeO2復合顆粒的摩擦機制，利用能量色散譜儀(EDS)對磨斑表面進行元素組成分析。

圖5分別示出了基礎油潤滑、含有蛇紋石的潤滑油潤滑和含有蛇紋石/CeO2復合顆粒的潤滑油潤滑下磨損表面元素的能譜圖。如圖5(a)所示，基礎油潤滑時磨損表面的主要元素是C、O、Fe、Cr。如圖5(b)、(c)所示，Si元素的存在證實了摩擦過程中蛇紋石和蛇紋石/CeO2復合顆粒直接參與了物理化學相互作用，從而在磨損表面上形成了主要由O、Fe和Si元素組成的摩擦膜；此外，含有蛇紋石/CeO2復合顆粒的潤滑油潤滑時，C、O和Si元素的含量比單獨用蛇紋石作為添加劑時要高。但是在磨損表面上沒有發(fā)現(xiàn)Ce元素，這可能是因為復合顆粒中CeO2的比例比較低，以致于在磨損表面無法檢測到Ce元素。許一等[19]的研究說明了La2O3納米粒子可以降低蛇紋石的熱力學和結構穩(wěn)定性，從而加速摩擦過程中發(fā)生的物理化學反應。因為CeO2的晶體結構和化學成分與La2O3相似，而且在實驗中也發(fā)現(xiàn)添加蛇紋石/CeO2復合顆粒的減摩抗磨性能，比蛇紋石單一添加劑的減摩抗磨性能要好。因此可推測，Ce元素充當催化劑加速了蛇紋石/CeO2復合顆粒在鋼球表面的物理化學反應，從而促進摩擦表面上C、O和Si元素的分離與富集。磨損表面上高含量的C、O和Si元素元素沉積層的形成，是蛇紋石/CeO2復合顆粒具有更好的減摩抗磨性能的原因。

圖5 磨斑表面EDS譜圖

基于上面的磨損表面分析，可以得出，蛇紋石/CeO2復合顆粒優(yōu)異的減摩抗磨性能主要是由于其在磨損表面形成了吸附膜和化學反應膜。蛇紋石/CeO2復合顆粒具有高的比表面積，在其表面存在著一定量的活性因子，這些活性因子賦予蛇紋石/CeO2復合顆粒高的表面活性和吸附能力。在摩擦過程中，懸浮在潤滑油中的蛇紋石/CeO2復合顆?？梢院苋菀椎乇晃詹⒊练e在接觸表面上，其作用相當于拋光顆粒來改善摩擦表面的平整度和硬度。在摩擦過程中具有較高化學能的活性O原子與單質Fe發(fā)生化學反應，在高壓和閃點溫度下形成鐵的氧化物；與此同時，Si與O發(fā)生物理化學反應生成SiO2，在這個過程中Ce元素可能起到了催化劑的作用來加快這個物理化學反應的進行，最后在摩擦表面上形成了保護膜的誘導層，保護膜主要由蛇紋石/CeO2復合顆粒的吸附膜和SiO2與Fe2O3化學反應膜組成，這樣就可以避免摩擦副的直接接觸，從而提高潤滑油脂的減摩抗磨能力。

3 結論

(1)添加一定量蛇紋石微粒和二氧化鈰納米粒子均能夠改善潤滑油的減摩抗磨性能，而兩者混合物的作用效果更好，其中添加0.25%蛇紋石和0.25%CeO2的潤滑油減摩抗磨性能最為明顯，磨損表面最為平滑，且對磨斑表面形貌改善效果顯著。

(2)蛇紋石/CeO2復合顆粒添加劑對鋼球磨斑表面形貌的改善效果明顯，并且在磨損表面上形成了一層保護膜，并起到了減摩抗磨的作用。這個保護膜主要是由蛇紋石/CeO2復合顆粒的吸附膜和SiO2與Fe2O3化學反應膜組成,其中Ce元素可能起到了催化劑的作用。