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        堿性復(fù)合磺酸鈣基脂的摩擦學(xué)性能及機(jī)理

        2013-01-07 12:20:22聞?wù)裰?/span>夏延秋劉志魯
        關(guān)鍵詞:潤(rùn)滑脂磺酸摩擦系數(shù)

        聞?wù)裰?,夏延秋,,劉志?/p>

        (1.華北電力大學(xué)(北京) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院,北京102206;2.中國(guó)科學(xué)院 蘭州化學(xué)物理研究所,甘肅 蘭州730000)

        高堿值復(fù)合磺酸鈣基潤(rùn)滑脂是一種新型的高性能潤(rùn)滑脂。由于其在高溫性、膠體安定性、機(jī)械安定性、抗水性、防銹性和極壓抗磨性方面的優(yōu)異特性,被廣泛應(yīng)用于冶金、礦山和航運(yùn)等行業(yè)[1]。該脂還由于不包含重金屬和對(duì)環(huán)境有害的添加劑,被稱為環(huán)保型潤(rùn)滑脂[2]。它的這些優(yōu)良性能和廣泛的使用范圍,決定了其必將是未來潤(rùn)滑脂重點(diǎn)應(yīng)用的產(chǎn)品之一。目前國(guó)內(nèi)外的研究認(rèn)為,復(fù)合磺酸鈣基潤(rùn)滑脂的結(jié)構(gòu)是球形的方解石碳酸鈣包裹著磺酸鈣和12-羥基脂的外殼[3-4],而球形結(jié)構(gòu)可提高摩擦副的接觸面積,同時(shí)形成類似滾動(dòng)和滑動(dòng)相結(jié)合的摩擦形式,從而大大提高了抗磨減摩性能[5]。對(duì)復(fù)合磺酸鈣基潤(rùn)滑脂的摩擦學(xué)機(jī)理目前尚無統(tǒng)一認(rèn)識(shí),而且也無人用X射線光電子能譜(XPS)對(duì)其進(jìn)行分析和討論。XPS可以用來分析摩擦表面的元素和化合物變化,推測(cè)摩擦過程中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng),從而揭示摩擦學(xué)機(jī)理[6-7]。筆者制備了復(fù)合磺酸鈣基潤(rùn)滑脂,評(píng)價(jià)了其在100℃和25℃下的摩擦學(xué)性能,并通過XPS對(duì)其摩擦學(xué)機(jī)理進(jìn)行了分析討論。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 堿性復(fù)合磺酸鈣基潤(rùn)滑脂的實(shí)驗(yàn)制備與基本性能測(cè)試

        將一定量的礦物基礎(chǔ)油加入燒杯中,然后加入石油磺酸鈣,置于油浴鍋中加熱,并用電動(dòng)攪拌棒攪拌。當(dāng)溫度升至70℃時(shí)恒溫,加入適量乙酸。待其充分反應(yīng)后,依次加入氫氧化鈣、硼酸、12-羥基硬脂酸,升溫進(jìn)行皂化處理。待反應(yīng)完成并自然冷卻至常溫后,使用三輥研磨機(jī)研磨成脂。

        分別按照 GB/T 269、GB/T3498、SH/T 0324、GB/T 7326和 SH/T 0109標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定和評(píng)價(jià)所制得的堿性復(fù)合磺酸鈣基潤(rùn)滑脂的錐入度、滴點(diǎn)、分油、腐蝕以及抗水淋性能。

        1.2 SRV摩擦試驗(yàn)和磨損量測(cè)定

        采用德國(guó)Optimol公司SRV-Ⅰ型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)定脂樣的摩擦磨損性能。測(cè)試溫度分別為25℃和100℃,往復(fù)頻率25Hz,試驗(yàn)時(shí)間30min,載荷分別為200、300、400和500N。試驗(yàn)選用硬度為710HV的AISI 52100鋼球,直徑10mm;選用硬度為862HV的AISI 52100鋼盤作底盤,直徑24mm。

        采用 Micro XAM 型(Yamato Company)3D 輪廓掃描儀對(duì)磨斑進(jìn)行觀察并測(cè)定試盤的磨損體積。

        1.3 XPS表面分析

        在試驗(yàn)前后對(duì)試件進(jìn)行清洗,采用Thermo Scientific Company K-ALPHA 型 X 射線光電子能譜儀,選用Al-Ka線、通過能量29.35eV,以C1s結(jié)合能284.60eV作為內(nèi)標(biāo),對(duì)載荷500N時(shí)25℃和100℃下鋼盤磨斑表面元素的化學(xué)狀態(tài)進(jìn)行分析。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 所制備的堿性復(fù)合磺酸鈣基潤(rùn)滑脂的基本性能

        所制備的堿性復(fù)合磺酸鈣潤(rùn)滑脂的基本性能列于表1。從表1可以看出,所制潤(rùn)滑脂的基本性能達(dá)到或超過了市售復(fù)合磺酸鈣基潤(rùn)滑脂水平。

        表1 所制備的堿性復(fù)合磺酸鈣基潤(rùn)滑脂的基本性能Table 1 The basic performances of synthesized overbased complex calcium sulfonate grease

        2.2 所制備的堿性復(fù)合磺酸鈣基潤(rùn)滑脂的摩擦磨損性能

        圖1為所制備的堿性復(fù)合磺酸鈣基潤(rùn)滑脂在不同溫度下不同載荷對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)摩擦系數(shù)。從圖1可以看出,同樣載荷時(shí),該潤(rùn)滑脂高溫下的瞬時(shí)摩擦系數(shù)較之室溫的普遍偏低;100℃時(shí)試驗(yàn)初始階段的摩擦系數(shù)(圖1(b))與25℃時(shí)的(圖1(a))基本相同,但5min以后開始下降并趨于穩(wěn)定,而且在整個(gè)試驗(yàn)階段,摩擦系數(shù)變化較為平穩(wěn),說明高溫下該堿性復(fù)合磺酸鈣基潤(rùn)滑脂的摩擦學(xué)性能更加優(yōu)異。其次,同一溫度下,載荷變化對(duì)摩擦系數(shù)的影響不大,說明該潤(rùn)滑脂具有很好的高載荷性能。高溫下摩擦表面形成的摩擦反應(yīng)膜優(yōu)于室溫條件下形成的摩擦反應(yīng)膜,高溫下更容易形成低剪切的摩擦反應(yīng)膜。

        圖2示出了25℃和100℃時(shí)所制備的堿性復(fù)合磺酸鈣基潤(rùn)滑脂在不同載荷下摩擦系數(shù)的變化。從圖2可知,當(dāng)載荷變化時(shí),該潤(rùn)滑脂的摩擦系數(shù)變化不明顯,但相同載荷下高溫時(shí)的摩擦系數(shù)要比室溫時(shí)的小,說明復(fù)合磺酸鈣基潤(rùn)滑脂在高溫下有較好的減摩性能。

        圖3示出了所制備的堿性復(fù)合磺酸鈣基潤(rùn)滑脂在不同載荷下摩擦磨損試驗(yàn)后鋼盤磨損體積的變化。由圖3可見,隨著載荷增加,鋼盤磨損體積增大;而在相同載荷下,高溫時(shí)鋼盤的磨損體積更大些。

        圖1 所制備的堿性復(fù)合磺酸鈣基潤(rùn)滑脂在不同溫度下不同載荷所對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)摩擦系數(shù)Fig.1 Friction coefficient of synthesized overbased complex calcium sulfonate grease under different loads and different temperatures

        圖2 所制備的堿性復(fù)合磺酸鈣基潤(rùn)滑脂在不同載荷下的摩擦系數(shù)Fig.2 Friction coefficient of synthesized overbased complex calcium sulfonate grease vs load

        圖3 所制備的堿性復(fù)合磺酸鈣基潤(rùn)滑脂在不同載荷下試驗(yàn)后鋼盤磨損體積的變化Fig.3 Worn volume of steel disc after test of synthesized overbased complex calcium sulfonate grease vs testing load

        圖4為摩擦磨損試驗(yàn)后鋼盤磨斑的3D照片。由圖4可以直觀地看出不同載荷和溫度下磨斑的形狀和深度。初步分析可知,高溫、高載荷條件下,快速的摩擦化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)態(tài)平衡是形成摩擦保護(hù)的原因,保證了在高溫下有更好的減摩抗磨效果。為了進(jìn)一步驗(yàn)證此推測(cè),用XPS對(duì)鋼盤磨斑表面元素的化學(xué)狀態(tài)進(jìn)行分析。

        2.3 鋼球磨斑表面的元素分析結(jié)果(XPS)

        圖4 不同載荷和溫度下摩擦磨損試驗(yàn)后磨盤磨斑的3D照片F(xiàn)ig.4 3DPhotos of worn surfaces of steel disc after test under different loads and temperatures

        圖6 復(fù)合磺酸鈣基潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑摩擦副的示意圖Fig.6 The schematic of the steel-steel contact lubricating by calcium sulfonate grease

        圖6為復(fù)合磺酸鈣基潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑摩擦副的示意圖。筆者認(rèn)為復(fù)合磺酸鈣基潤(rùn)滑脂的抗磨減摩機(jī)理是,碳酸鈣顆粒是主要的減磨介質(zhì),同時(shí)通過一系列的化學(xué)反應(yīng)在摩擦表面生成有減摩抗磨作用的覆蓋膜。

        3 結(jié) 論

        (1)堿性復(fù)合磺酸鈣基潤(rùn)滑脂在高溫下具有更好的減摩效果,但是其抗磨效果較之室溫卻略有下降。

        (2)在堿性復(fù)合磺酸鈣基潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑下,高溫時(shí)摩擦表面生成了硼酸鈣和硫化亞鐵。兩者共同作用,在摩擦表面生成覆蓋膜,從而使?jié)櫥诟邷叵戮哂懈玫臏p摩和抗磨性能。

        (3)堿性復(fù)合磺酸鈣基潤(rùn)滑脂以碳酸鈣顆粒為主要減磨介質(zhì),同時(shí)通過一系列的化學(xué)反應(yīng)在摩擦表面生成有減摩抗磨作用的覆蓋膜,從而起到抗磨減摩的作用。

        圖5 鋼盤磨斑表面典型元素的XPS譜Fig.5 XPS spectra of some typical elements of the worn surface of steel disc tested under different temperatures

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