□楊磊 □胡華華 □王文

上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院 上海 200072

納米金剛石油精添加劑摩擦學(xué)性能評(píng)價(jià)*

□楊磊 □胡華華 □王文

上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院 上海 200072

對(duì)含納米金剛石顆粒的機(jī)油添加劑進(jìn)行了摩擦磨損性能的試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，含納米金剛石顆粒添加劑的潤滑油與基礎(chǔ)油相比，具有良好的摩擦學(xué)性能。在基礎(chǔ)油中，加入納米金剛石機(jī)油油精，可以提高潤滑劑的抗磨性能、減摩性能、承載能力。通過添加劑的物理性質(zhì)分析、摩擦學(xué)性能分析及潤滑劑的理化性能分析等，驗(yàn)證了含納米金剛石顆粒添加劑摩擦磨損性能的影響機(jī)理，即表面的吸附、滾珠和自潤滑的特性。

納米金剛石顆粒 摩擦學(xué)性能 潤滑油 添加劑

近年來，為了獲得性能更好的潤滑油添加劑，納米級(jí)固體顆粒添加劑逐漸受到了摩擦學(xué)研究的重視［1］，將納米微粒作為添加劑添加到潤滑油中制成納米固液二相流體潤滑劑，可以明顯改善潤滑油的性能［2］，特別是納米金剛石微粒的潤滑效應(yīng)，突破了傳統(tǒng)的固體潤滑概念，引起了人們極大的興趣。喬玉林等［3］對(duì)含有納米金剛石微粒的潤滑油滑動(dòng)摩擦磨損和潤滑性能進(jìn)行了研 究，筆者針對(duì)臺(tái)灣某大學(xué)提供的含納米類金剛石顆粒的機(jī)油添加劑進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和評(píng)價(jià)。

1 實(shí)驗(yàn)過程

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

通過試驗(yàn)檢測(cè)納米金剛石機(jī)油潤滑油精的摩擦磨損性能，具體分為三個(gè)方面來體現(xiàn)。

1）通過測(cè)量摩擦因數(shù)的大小考察減摩性能；

2）通過試驗(yàn)后的磨斑直徑大小判斷抗磨性能；

3）通過最大無卡咬負(fù)荷PB值的大小來考察承載能力。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本研究采用MMW-1型微機(jī)控制立式萬能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，本試驗(yàn)機(jī)可以做四球摩擦副試驗(yàn)，也可以做銷盤摩擦副試驗(yàn)，通過銷盤摩擦副試驗(yàn)測(cè)量摩擦因數(shù)，通過四球摩擦副試驗(yàn)檢測(cè)鋼球磨斑直徑和PB值大小。

四球式的摩擦副由4個(gè)鋼球組成，下面3個(gè)鋼球被卡在錐環(huán)內(nèi)互相擠緊而彼此間不發(fā)生滾動(dòng)，潤滑油添加劑倒入錐環(huán)中并淹沒下面3個(gè)鋼球。加載時(shí)，加載系統(tǒng)自下而上對(duì)鋼球施加載荷，上面1個(gè)鋼球由彈簧夾頭固定在轉(zhuǎn)軸上，試驗(yàn)時(shí)由主軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，上面1個(gè)鋼球與下面3個(gè)鋼球之間成點(diǎn)接觸，并進(jìn)行滑動(dòng)摩擦。

銷盤式的摩擦副由試樣銷和大試環(huán)組成，3個(gè)試樣銷分別呈120°均布在銷夾頭上，并用緊定螺釘固定，大試環(huán)固定在下部，在整體外部有1個(gè)套杯，潤滑油添加劑倒入套杯內(nèi)并淹沒3個(gè)試樣銷。加載時(shí)，加載系統(tǒng)自下而上對(duì)試樣銷施加載荷。試樣銷由彈簧夾頭固定在轉(zhuǎn)軸上，試驗(yàn)時(shí)由主軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。上面的3個(gè)試樣銷與下面的大試環(huán)之間成點(diǎn)接觸，并進(jìn)行滑動(dòng)摩擦。

觀察采用的設(shè)備是共聚焦掃描透射式電子顯微鏡（型號(hào)是Nano Focus Usurf Explorer Revolver）。觀察試驗(yàn)試樣表面形貌和測(cè)量磨斑直徑，該設(shè)備能觀察物體形貌的最大范圍是0.8 mm×0.8 mm，在觀察中使用放大倍數(shù)為200倍的鏡頭。

打開設(shè)備時(shí)，首先選擇初始化歸零，Z軸會(huì)先移動(dòng)到零點(diǎn)位置（最高點(diǎn)），接著XY軸同時(shí)移動(dòng)到零點(diǎn)（完整歸零），其次，將需要觀察的鋼球放置在試驗(yàn)臺(tái)上，然后轉(zhuǎn)動(dòng)3D搖桿聚焦，選擇合適的亮度，得到需要的表面形貌圖片。在共聚焦的模式下，進(jìn)行掃描，在Usoft Analysis分析軟件中，進(jìn)行直徑和深度的測(cè)量。

1.3 基礎(chǔ)油與添加劑的選擇

試驗(yàn)使用的基礎(chǔ)油為32號(hào)礦物油 （黏度牌號(hào)為150SN，在40℃時(shí)黏度為32 mm2/s），添加劑選擇：納米金剛石機(jī)油潤滑油精、極壓T202（硫磷丁辛伯烷基鋅鹽），分別按一定的質(zhì)量分?jǐn)?shù)加入試樣油中。本次試驗(yàn)共有3組試驗(yàn)，每組測(cè)試5次，第1組中的潤滑油是32號(hào)礦物油，第2組中的潤滑油是32號(hào)礦物油+5%油精，第3組中的潤滑油是32號(hào)礦物油+2%T202。

1.4 試件和試驗(yàn)參數(shù)

四球式試驗(yàn)中鋼球試件選用GCr15鋼球，硬度為58～62 HRC，尺寸及精度為：球徑DW=12.7 mm，表面粗

糙度Ra=0.16 μm。銷盤式試驗(yàn)中試樣銷的材料為45號(hào)鋼，淬火硬度為44～46 HRC，尺寸長度及精度為：長為12.7 mm，公差0.003 mm，包裝每組3件。大試環(huán)材料為45號(hào)鋼，淬火硬度為44～46 HRC。

試驗(yàn)參數(shù)：四球式試驗(yàn)，載荷W=30 kg（294 N），最大赫茲接觸應(yīng)力6.18 GPa，轉(zhuǎn)速1 450 r/min，每次試驗(yàn)時(shí)間30 min；銷盤式試驗(yàn)，載荷W=20.41 kg（200 N），最大赫茲接觸應(yīng)力為2.21 GPa，轉(zhuǎn)速460 r/min（保證與四球式試樣的線速度相同），每次試驗(yàn)時(shí)間30 min。

1.5 磨斑尺寸計(jì)算

計(jì)算鋼球表面磨斑直徑時(shí)，采用下面的公式計(jì)算其平均值：

式中：x為沿著滑動(dòng)軌跡的方向；y為垂直滑動(dòng)軌跡的方向。

同樣條件下，每種試驗(yàn)重復(fù)五次，計(jì)算平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 減摩性能（摩擦因數(shù)-時(shí)間曲線）

3種試樣的摩擦因數(shù)數(shù)據(jù)見表1～表3，并據(jù)此繪出3種試樣的摩擦因數(shù)曲線，如圖1所示。

▲圖1 3種試樣的摩擦因數(shù)對(duì)比圖

表1 32號(hào)礦物油試驗(yàn)?zāi)Σ烈驍?shù)數(shù)據(jù)

表2 32號(hào)礦物油+5%油精試驗(yàn)?zāi)Σ烈驍?shù)數(shù)據(jù)

表3 32號(hào)油+2%T202試驗(yàn)?zāi)Σ烈驍?shù)數(shù)據(jù)

觀察圖1的摩擦因數(shù)曲線得知，摩擦因數(shù)隨時(shí)間在變化。在試驗(yàn)初期，3種試樣的摩擦因數(shù)均在上升，32號(hào)礦物油上升時(shí)間最短，其次是加入油精的試樣，加入T202的試樣上升時(shí)間最長，用了100 s左右。說明試驗(yàn)初期，3種試樣都處于磨合狀態(tài)，而且，32號(hào)礦物油試樣上升最快，曲線斜率最大，說明磨損最劇烈；加有T202的試樣，上升最慢，曲線斜率最小，但上升的過程最長；加有油精的試樣在30 s后，曲線已經(jīng)進(jìn)入平穩(wěn)狀態(tài)。在試驗(yàn)中期和后期，兩種加入添加劑的試樣摩擦因數(shù)變化曲線均比較平穩(wěn)，而32號(hào)基礎(chǔ)油試樣，摩擦因數(shù)波動(dòng)比較明顯。同時(shí)，加入油精添加劑之后的潤滑油與基礎(chǔ)油相比，摩擦因數(shù)有一定的降低，從0.097左右下降到0.092；而含有添加劑T202油樣的摩擦因數(shù)與32號(hào)礦物油相比，變化不明顯。故納米金剛石顆粒對(duì)降低潤滑油的摩擦因數(shù)，提高減摩性能方面有明顯效果。

在本試驗(yàn)條件下，對(duì)比基礎(chǔ)油的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，含有納米金剛石顆粒的試驗(yàn)數(shù)據(jù)中摩擦因數(shù)減少較明顯。驗(yàn)證了哈爾濱工業(yè)大學(xué)宋寶玉［4］的理論中納米金剛石的滾珠作用，由于納米金剛石顆粒吸附在摩擦表面上，類

似于許多個(gè)軸承滾動(dòng)體在滾動(dòng)，即有了滾珠的效果，變滑動(dòng)為滾動(dòng)，減小了摩擦因數(shù)，而且納米金剛石形狀近似圓形且摩擦因數(shù)低，進(jìn)一步降低了摩擦因數(shù)。

▲圖2 鋼球表面磨損的形貌

2.2 抗磨性能（磨斑大?。?/p>

鋼球磨斑直徑的大小反映了潤滑劑的抗磨性能，為了測(cè)量和分析鋼球表面發(fā)生磨損時(shí)的表面情況，使用Nano Focus掃描透射式電子顯微鏡對(duì)鋼球表面進(jìn)行觀察。該設(shè)備不僅可以觀察表面形貌，而且，可以測(cè)量出沿著滑動(dòng)軌跡方向和垂直滑動(dòng)軌跡方向的距離，即磨斑直徑。

在Usoft Analysis分析軟件中，測(cè)出磨斑直徑，并根據(jù)式（1）的計(jì)算，得到磨斑直徑見表4。

表4 磨斑直徑測(cè)量結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果：添加納米金剛石油精的試樣與沒有添加添加劑的試樣相比，磨斑直徑明顯減小，從0.56 mm減小到0.44 mm；加有T202添加劑的試樣，磨斑直徑同樣減小顯著，如圖2所示。從表面形貌和分析軟件的測(cè)量深度中，可以得到32號(hào)基礎(chǔ)油的磨痕最深，而且不均勻；加有納米金剛石油精的試樣，磨痕比T202的試樣更淺，磨損失效最少。

在本試驗(yàn)條件下，與基礎(chǔ)油相比，添加了納米金剛石添加劑的試驗(yàn)鋼球，平均磨斑直徑明顯減小。驗(yàn)證了宋寶玉等人的理論中納米金剛石的吸附作用［4］，隨著相互接觸面的不斷滑動(dòng)，使納米金剛石顆粒進(jìn)入金屬表層并吸附在金屬的表面，形成一個(gè)保護(hù)層，減少機(jī)械間的直接摩擦，提高了機(jī)械的抗磨性能。

2.3 極壓性能（PB值）

根據(jù)判斷PB點(diǎn)的數(shù)值見表5，逐級(jí)增加負(fù)荷，做系列10 s試驗(yàn)，通過測(cè)量鋼球表面磨痕，并與表5數(shù)值進(jìn)行比較，在一定負(fù)荷下測(cè)得的磨斑直徑不得大于相應(yīng)的如表5中所列的補(bǔ)償直徑，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表6。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，與32號(hào)基礎(chǔ)油相比，加有納米金剛石顆粒油精添加劑的試樣，承載能力有了一定的提升，PB值從44 kg提升到了56 kg，但極壓效果尚不及極壓添加劑T202。納米金剛石自身具有耐高溫和高壓特性，從而提高了添加劑的承載能力。

表6 PB值得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

在本研究的特定條件下，可以得出如下結(jié)論。

（1）含納米金剛石顆粒添加劑的二相流體潤滑劑與基礎(chǔ)油相比，摩擦因數(shù)明顯減小，具有良好的減摩性能，并且明顯優(yōu)于T202添加劑。

（2）含納米金剛石顆粒添加劑的試樣與基礎(chǔ)油試樣相比，磨斑直徑明顯減小，具有良好的抗磨性能，且優(yōu)于T202添加劑。

（3）加入納米金剛石添加劑后，潤滑油的承載能力得到提升，但沒有極壓添加劑T202的承載能力好。

（4）納米金剛石顆粒添加劑的綜合摩擦學(xué)性能最好，能有效地提高潤滑油的減摩性能、抗磨性能和承載能力。

［1］溫詩鑄.納米摩擦學(xué)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1998.

［2］Xu T.Study on Tribological Properties of Ultra-dispersed Diamond Containing Soot as an Oil Additive ［J］.Tribology，1997，40（3）：178-189.

［3］喬玉林，徐濱士，馬世寧，等.含納米金剛石復(fù)合潤滑油添加劑的摩擦學(xué)性能［J］.石油煉制與化工，1999（3）：14-17.

［4］宋寶玉，曲建俊，姜立標(biāo)，等.含納米金剛石微粒潤滑劑抗接觸疲勞性能的研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2004，40（9）：154-157.

（編輯 平 平）

TH117.1

A

1000-4998（2015）09-0046-04

*斯凱孚（上海）汽車技術(shù)有限公司資助項(xiàng)目（編號(hào)：71010904102）

2015年4月