鄭 威，張振忠，趙芳霞，徐丹丹

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

蛇紋石是一種三八面體納米層狀結(jié)構(gòu)材料，分子式為 Mg6［Si4O10］（OH）8，理想的結(jié)構(gòu)單元層由“氫氧鎂石”片與“硅氧四面體”片組成。蛇紋石中存在許多活性基團，其中O—Si—O鍵易發(fā)生斷裂，產(chǎn)生出兩種氧：O和O＊（＊表示一個未偶電子），能與金屬形成共價形的高氧化態(tài)氧化物［1］，其熱膨脹系數(shù)與黑色金屬相近，沉積在金屬摩擦副表面時具有超低的干摩擦因數(shù)和高硬度，從而大幅度提高摩擦副的抗磨、減摩性能［2］。研究結(jié)果表明，超細蛇紋石粉體是一種優(yōu)質(zhì)潤滑油、脂自修復(fù)材料［3－6］。但由于天然蛇紋石中存在少量的吸附水及結(jié)構(gòu)水，在摩擦過程中，吸附水及晶格破壞時溢出的層間水會影響蛇紋石作為潤滑油添加劑的摩擦學(xué)性能及其與基體的結(jié)合強度。為此，本課題對超細蛇紋石粉體進行熱處理，分別制備了脫去吸附水、結(jié)構(gòu)水和層間水的3種超細蛇紋石粉體樣品，并將其添加到潤滑油基礎(chǔ)油中，研究其作為潤滑油添加劑的摩擦學(xué)性能。

1 實 驗

1.1 原 料

天然蛇紋石（400目），出自東海蛇紋石礦，其化學(xué)組成 （w）為：MgO 39.60%，SiO238.20%，CaO 0.56%，F(xiàn)e2O37.21%，Al2O31.20%，NiO 0.28%，H2O 12.95%；油酸。

1.2 儀 器

QM－1SP2行星式高能球磨機；KH－700DE型超聲波清洗器；BS 224S型電子天平；80－2B型臺式離心機；WMM－1萬能摩擦磨損試驗機及配套磨斑測量顯微鏡；JSM－5900掃描電子顯微鏡（SEM）；SFS－S實驗室高速分散機；可編程氣氛保護箱式爐；STA449C綜熱分析儀；Dmax/RBX射線衍射儀。

1.3 實驗過程

先采用高能球磨法制備超細蛇紋石粉體（具體方法參見文獻［7］），根據(jù)粉體的差熱－熱重（DSC－TG）曲線制定熱處理工藝，將粉體由可編程氣氛保護箱式爐加熱3h，制備出經(jīng)不同溫度下熱處理的超細粉體樣品。對樣品進行XRD分析，研究其組成及晶體結(jié)構(gòu)的變化。

采用油酸作為分散劑，將制備出的蛇紋石粉體通過高速剪切分散機（轉(zhuǎn)速4 000r/min，時間30min）分散到500SN基礎(chǔ)油中，再超聲分散30min，得到試驗用油樣。使用 MMW－1型摩擦磨損試驗機，依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SH/T 0189—1992測試油樣的摩擦學(xué)性能。試驗結(jié)束后，用顯微鏡觀察磨斑，用配套磨斑測量系統(tǒng)求得平均磨斑直徑，并對磨斑表面進行能譜分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱處理對超細蛇紋石粉體組成及晶體結(jié)構(gòu)的影響

圖1為經(jīng)30h高能球磨制備的超細蛇紋石粉體的SEM照片。通過Simple－PCI分析軟件得到粉體的平均直徑為0.33μm，粉體粒徑分布較窄，適合用作潤滑油添加劑。

圖1 超細蛇紋石粉體的SEM照片

圖2為蛇紋石粉體的DSC－TG曲線。由圖2可見，差熱曲線在室溫至200℃間有一段較窄的吸熱谷，結(jié)合熱重曲線，可以判定在此階段蛇紋石迅速脫去吸附水；在200～500℃間熱重曲線變化較平緩，說明殘存的少量吸附水及層間水被脫去；在599.1℃時，差熱曲線上出現(xiàn)一個大而深的吸熱谷，且熱重曲線變化較大，溫度高于650℃后質(zhì)量的下降重新趨于平緩，說明500～650℃之間為蛇紋石粉體結(jié)構(gòu)水的主要脫除區(qū)間。結(jié)構(gòu)水主要以羥基的形式存在于蛇紋石晶體結(jié)構(gòu)中，隨著結(jié)構(gòu)水的脫去，晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞重組，出現(xiàn)新的物相。

圖2 蛇紋石粉體的DSC－TG曲線

圖3為不同溫度下熱處理3h后制得的蛇紋石粉體的XRD圖譜。由圖3可見：與未經(jīng)熱處理的蛇紋石粉體相比，經(jīng)200℃和500℃熱處理粉體的衍射峰變化較小，其主要組成為 Mg3Si2O5（OH）4；經(jīng)600℃熱處理粉體的XRD圖譜中只有少數(shù)鎂橄欖石（Mg2SiO4）的衍射峰，且峰強度較弱，說明其晶體結(jié)構(gòu)受到破壞，樣品大部分處于非晶狀態(tài)；經(jīng)800℃熱處理粉體的衍射圖譜與鎂橄欖石基本一致，含少量SiO2。說明隨處理溫度的升高，蛇紋石粉體先失去結(jié)晶水使晶格破壞變成非晶，然后粉體再次結(jié)晶生成鎂橄欖石，其變化方程式為：2Mg3Si2O5（OH）4—→3Mg2SiO4＋4H2O＋SiO2。

圖3 不同溫度下熱處理蛇紋石粉體的XRD圖譜

2.2 含蛇紋石粉體基礎(chǔ)油的摩擦學(xué)性能

表1為加入不同溫度熱處理蛇紋石粉體的基礎(chǔ)油的摩擦學(xué)性能測試結(jié)果。為了確保實驗數(shù)據(jù)的可靠性，每個樣品進行了4次重復(fù)測定，取其平均值作為結(jié)果。由表1可見：基礎(chǔ)油中加入超細蛇紋石粉后，其摩擦因數(shù)均明顯減小，抗磨性能也有一定程度的改善；含200℃熱處理蛇紋石粉體的基礎(chǔ)油具有最低的摩擦因數(shù)，并且鋼球磨斑直徑最小；隨著蛇紋石粉體處理溫度的升高，基礎(chǔ)油的摩擦因數(shù)及鋼球磨斑直徑均增大。產(chǎn)生以上實驗結(jié)果的原因，一方面與蛇紋石粉體的晶體結(jié)構(gòu)變化有關(guān)，另一方面則可能是因為高溫處理使得超細粉體產(chǎn)生團聚，形成大顆粒，起到了磨損磨粒的作用。

表1 含蛇紋石粉體基礎(chǔ)油的摩擦學(xué)性能

表1中對應(yīng)試樣的摩擦因數(shù)曲線如圖4所示。由圖4可見，除基礎(chǔ)油的摩擦因數(shù)隨著摩擦?xí)r間的延長不斷增加外，含超細蛇紋石粉體基礎(chǔ)油的摩擦因數(shù)均隨時間的延長而下降，在摩擦進行到15min后保持相對穩(wěn)定。說明含蛇紋石粉體的試樣能夠在摩擦副表面形成保護膜，起到隔絕摩擦表面相互接觸、填補修復(fù)摩擦表面的作用。蛇紋石層狀結(jié)構(gòu)間有較弱的層間力，使其能夠輕松地產(chǎn)生滑移，代替金屬之間的直接接觸，大大降低摩擦阻力。

圖4 含蛇紋石粉體試樣的摩擦因數(shù)曲線

圖5為采用表1中試樣潤滑時在相同放大倍數(shù)下的鋼球磨斑照片。由圖5可見：1號磨斑的表面具有明顯的金屬光澤，磨痕較深，說明磨損較為嚴(yán)重；2～4號磨斑的表面呈現(xiàn)暗黑色，金屬光澤幾乎被掩蓋，磨痕紋理細且淺，說明表面覆蓋了一層減磨抗摩的自修復(fù)膜；5號、6號磨斑的中間部分有明顯的磨痕，并且表面呈金屬色，說明自修復(fù)膜沒有完全覆蓋磨斑表面，蛇紋石粉體與摩擦副之間的作用不足以使粉體形成牢固的自修復(fù)膜。這一方面可能是蛇紋石粉體經(jīng)過高溫處理后降低了其表面活性，另一方面可能是高溫下粉體的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，使其不容易與基體結(jié)合在一起。

圖6為含200℃熱處理超細蛇紋石粉體試樣潤滑下的鋼球磨斑表面的能譜。由圖6可見，磨斑表面出現(xiàn)了蛇紋石的特征元素Si，Mg，Ca，O，說明磨斑表面有超細蛇紋石粉添加劑的修復(fù)鍍層。蛇紋石成膜機理為［8］：羥基硅酸鎂屬三八面體層狀結(jié)構(gòu)，片層之間易于滑動，可以在磨損的犁溝處沿金屬表面鋪展；羥基硅酸鎂存在許多活性基團，可以在摩擦產(chǎn)生的金屬表面發(fā)生反應(yīng)，形成化學(xué)鍵合，從而在金屬摩擦副表面生成金屬陶瓷保護膜。

圖5 在含蛇紋石粉體試樣潤滑下的鋼球磨斑照片

圖6 含200℃處理超細蛇紋石粉試樣的磨斑表面能譜

3 結(jié) 論

（1）隨熱處理溫度的升高，蛇紋石粉體會逐漸脫除吸附水、層間水和結(jié)構(gòu)水。吸附水及層間水的脫除不改變蛇紋石的晶體結(jié)構(gòu)，但伴隨結(jié)構(gòu)水的脫除，蛇紋石會分解生成鎂橄欖石及二氧化硅。

（2）潤滑油基礎(chǔ)油中加入蛇紋石粉體有利于降低其摩擦因數(shù)，含1%（w）不同溫度熱處理蛇紋石粉體的基礎(chǔ)油與基礎(chǔ)油相比，其摩擦因數(shù)和鋼球磨斑直徑均明顯降低，其中含200℃熱處理蛇紋石粉體的基礎(chǔ)油的摩擦因數(shù)最低，鋼球磨斑直徑最小。

（3）含蛇紋石粉體的基礎(chǔ)油具有自修復(fù)作用，能夠在摩擦表面形成一層金屬陶瓷自修復(fù)膜。

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