張 哲，陳國(guó)需，程 鵬，劉 巖

（1.后勤工程學(xué)院油料應(yīng)用與管理工程系，重慶401311；2.河南省軍區(qū)戰(zhàn)勤處）

在線自修復(fù)技術(shù)是近年來發(fā)展的一種新型技術(shù)，是指在摩擦條件下由于潤(rùn)滑介質(zhì)及環(huán)境的摩擦物理化學(xué)作用對(duì)磨損表面的微損傷進(jìn)行不拆卸原位動(dòng)態(tài)修復(fù)，在磨損表面形成具有一定厚度、與金屬基體具有一定結(jié)合強(qiáng)度和良好力學(xué)性能的修復(fù)層，從而達(dá)到預(yù)防或抑制部件失效、延長(zhǎng)機(jī)械設(shè)備使用壽命的目的［1－3］。而修復(fù)型的添加劑是實(shí)現(xiàn)這種作用的關(guān)鍵，一旦金屬表面由于摩擦產(chǎn)生輕微的劃痕、裂紋、犁溝等，添加劑就會(huì)滲鍍到磨損表面的微損傷處，對(duì)金屬基體進(jìn)行修復(fù)。文獻(xiàn)［4］報(bào)道了一種新型的層狀硅酸鹽材料——層狀二硅酸鈉，它是二氧化硅與氧化鈉的摩爾比接近于2的硅酸鈉，其網(wǎng)格由單層的硅氧四面體組成，金屬離子處于層間的柱撐物，單個(gè)片層的厚度約為1nm，橫向尺寸在30nm到幾微米之間。本研究選用層狀二硅酸鈉與傳統(tǒng)添加劑復(fù)配，利用四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)考察它們?cè)跐?rùn)滑脂中的自修復(fù)性能，借助光學(xué)顯微鏡（OM）、能量色散譜儀（EDX）、電子天平等對(duì)自修復(fù)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料及儀器

層狀二硅酸鈉（A），太原精細(xì)化工研究所提供；二硫化鉬粉體（B），河南開拓者鉬業(yè)有限公司生產(chǎn)；石墨（C），上海晶純實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)；油酸，化學(xué)純；石油醚，沸程90～120℃，分析純；500SN基礎(chǔ)油，蘭州煉油廠提供。

采用島津Lab XRD－6100型X射線衍射儀對(duì)粉體的晶態(tài)進(jìn)行表征，Cu靶輻射，按定時(shí)階梯掃描方式收集衍射峰，掃描電壓40kV，電流30mA，階寬0.2°，步速5（°）/min；采用中國(guó)科學(xué)院東方集成Microtrac公司生產(chǎn)的S3500激光粒度儀測(cè)試粉體的粒徑分布；采用日立S－3700掃描電子顯微鏡自帶的AMETEK能譜儀檢測(cè)摩擦副的表面元素，燈絲電壓25kV，發(fā)射電流70μA，采用Apple－Ⅱ分析軟件采集數(shù)據(jù)；利用德國(guó)FRITSCH6球磨機(jī)對(duì)粉體進(jìn)行細(xì)化和改性處理；摩擦學(xué)性能試驗(yàn)采用MMW－1P立式萬能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)定，采用FA2004電子天平評(píng)價(jià)自修復(fù)效果。

1.2 潤(rùn)滑脂的制備

首先將2/3的500SN基礎(chǔ)油加入到煉制釜內(nèi)攪拌升溫，同時(shí)加入十二羥基硬脂酸鋰皂，繼續(xù)攪拌升溫，直至預(yù)制皂和基礎(chǔ)油完全熔化，此時(shí)溫度約為200℃，高溫膨化5～10min。待釜內(nèi)物料呈真溶液狀態(tài)時(shí)，加入剩余的500SN冷油，使其與皂混合物形成稠化劑晶核，保持溫度在170℃，繼續(xù)攪拌5min，得到鋰基潤(rùn)滑脂作為基礎(chǔ)脂。將基礎(chǔ)脂迅速分為6份，在溫度降至120℃時(shí)，加入計(jì)量的添加劑，制備出基礎(chǔ)脂及不同組合的功能型潤(rùn)滑脂備用。

1.3 層狀二硅酸鈉的改性

自修復(fù)效果評(píng)價(jià)試驗(yàn)在點(diǎn)接觸方式下進(jìn)行，通過前期試驗(yàn)［5］得到5種添加劑配方：①基礎(chǔ)脂＋0.5%A；②基礎(chǔ)脂＋1.0%B；③基礎(chǔ)脂＋1.0%C；④基礎(chǔ)脂 ＋1.25%A＋3.0%C；⑤基礎(chǔ)脂 ＋2.5%B＋2.75%C。其中改性的層狀二硅酸鈉具有優(yōu)異的摩擦學(xué)性能，而改性的石墨和二硫化鉬的摩擦學(xué)性能反而劣于未改性的粉體。因此，使用前先對(duì)層狀二硅酸鈉粉體進(jìn)行改性。改性方法［6］：將一定量層狀二硅酸鈉超聲分散于石油醚中，同時(shí)將一定量的油酸也加入石油醚中分散均勻，再將其倒入球磨機(jī)中，球磨30min后抽濾，用石油醚洗滌3遍，經(jīng)真空干燥箱在80℃下干燥24h后，研磨得到淡黃色的粉末，即為改性的層狀二硅酸鈉粉體。

2 結(jié)果與討論

2.1 X射線衍射分析

層狀二硅酸鈉、二硫化鉬、石墨粉體的X射線衍射圖譜見圖1。從圖1可以看出：石墨和二硫化鉬的衍射峰清晰明顯，且雜峰較少，說明這兩種粉體的晶體較純凈；而層狀二硅酸鈉的衍射峰較復(fù)雜，除幾條清晰的主峰外，還存在一些雜峰，說明層狀二硅酸鈉在儲(chǔ)存過程中有少量的變質(zhì)，但質(zhì)量非常少。所有的衍射峰在改性前后均相互一一對(duì)應(yīng)，說明改性并沒有對(duì)晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。

圖1 3種粉體的XRD圖譜

2.2 粒徑分布

改性層狀二硅酸鈉、二硫化鉬、石墨粉體的粒徑分布見圖2。其中曲線代表粒徑的累積分布，直方圖代表各個(gè)粒徑所占的比例。從圖2可以看出，石墨和改性層狀二硅酸鈉的粒徑分布類似，呈現(xiàn)“兩邊低，中間高”的分布狀況，且粒徑分布具有一定的范圍，在1～10μm之間，統(tǒng)計(jì)其中位直徑（指顆粒的粒度分布中累積質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到50%時(shí)所對(duì)應(yīng)的粒徑，用D50表示），石墨的D50為3.87 μm，層狀二硅酸鈉的D50為3.74μm；二硫化鉬的粒徑分布范圍窄，粒度單一均勻，所有粉體的粒徑均在4μm以下，D50為1.48μm。據(jù)文獻(xiàn)［7］所述，磨粒磨損作用不應(yīng)成為限制微米顆粒作為潤(rùn)滑添加劑的理由，粒徑大于0.5μm的粉體同樣可以作為潤(rùn)滑添加劑使用。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，本實(shí)驗(yàn)所用的3種粉體粒徑均屬微米級(jí)，符合相應(yīng)的粒徑要求。

2.3 添加劑對(duì)潤(rùn)滑脂理化指標(biāo)的影響

將5組添加劑加入到基礎(chǔ)脂中，測(cè)定潤(rùn)滑脂的滴點(diǎn)和錐入度，結(jié)果見表1。從表1可以看出，添加劑加入到基礎(chǔ)脂中，并沒有大幅改變潤(rùn)滑脂的滴點(diǎn)和錐入度，但（基礎(chǔ)脂＋2.5%B＋2.75%C）配方潤(rùn)滑脂的滴點(diǎn)小于基礎(chǔ)脂的滴點(diǎn)，可能是由于添加劑被吸附到皂纖維的極性基團(tuán)間，擴(kuò)大了極性基團(tuán)之間的空間，所以比基礎(chǔ)脂更加容易分油，因此滴點(diǎn)較低。

2.4 添加劑的自修復(fù)性能

圖2 3種粉體的粒徑分布

表1 幾種潤(rùn)滑脂的理化性能

2.4.1 產(chǎn)生磨損的條件選擇 自修復(fù)發(fā)生在磨損的金屬表面，為了考察粉體的自修復(fù)性能，首先創(chuàng)造輕微磨損。摩擦在較為溫和的條件下進(jìn)行，以500SN基礎(chǔ)油為介質(zhì)，選擇載荷分別為98，196，294N，在600，800，1 000r/min的轉(zhuǎn)速下各運(yùn)行10min，制造初始磨斑，磨斑直徑見表2。從表2可以看出，在不同的試驗(yàn)條件下，得到的初始磨斑大小不一，為了達(dá)到自修復(fù)的效果，磨斑不能太小，否則質(zhì)量變化不明顯。因此，選擇形成磨斑的條件為載荷294N、轉(zhuǎn)速1 000r/min，在室溫條件下進(jìn)行。

表2 初始條件下的磨斑直徑

2.4.2 自修復(fù)試驗(yàn)［8－10］采用均勻設(shè)計(jì)法考察各因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，從4個(gè)方面考慮，分別是載荷、轉(zhuǎn)速、溫度、時(shí)間，每個(gè)因素考慮7個(gè)水平，按照均勻設(shè)計(jì)表（74）安排試驗(yàn)，如表3所示。

在選定的條件下，首先在500SN基礎(chǔ)油潤(rùn)滑的情況下進(jìn)行10min摩擦試驗(yàn)，重復(fù)進(jìn)行3次，對(duì)所得的磨斑直徑和質(zhì)量損失求平均值，作為后期試驗(yàn)的固定參數(shù)。其中磨斑直徑為0.39mm，質(zhì)量損失為1.4mg。然后按照試驗(yàn)順序，首先在基礎(chǔ)脂環(huán)境下摩擦10min，在不拆卸鋼球的情況下，將加有添加劑的潤(rùn)滑脂填入油盒，按照表3所述方案進(jìn)行試驗(yàn)，并記錄試驗(yàn)后磨斑直徑變化和質(zhì)量損失，以此評(píng)價(jià)自修復(fù)效果。

表3 均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案

各添加劑作用下鋼球的質(zhì)量損失和磨斑直徑變化見表4和表5。從表4和表5可以看出：在不同的水平下，各組潤(rùn)滑脂性能存在差異；在水平1和水平7兩種情況下，各組潤(rùn)滑脂的整體摩擦學(xué)性能均優(yōu)于基礎(chǔ)脂，說明這兩種水平所對(duì)應(yīng)的條件有利于降低摩擦磨損，特別是在水平1的摩擦試驗(yàn)條件下，（基礎(chǔ)脂＋1.25%A＋3.0%C）和（基礎(chǔ)脂＋2.5%B＋2.75%C）作用下的鋼球磨斑直徑前后差值及質(zhì)量損失都最小，其中（基礎(chǔ)脂＋1.25%A＋3.0%C）在水平1時(shí)的磨斑在經(jīng)歷了80min長(zhǎng)磨后沒有增加，鋼球質(zhì)量沒有減小，反而增加了0.1mg，說明該配方在保證抗磨性的基礎(chǔ)上具有一定的自修復(fù)性能，而最佳的自修復(fù)條件為水平1對(duì)應(yīng)的條件，即載荷100N、轉(zhuǎn)速800r/min、溫度60℃、長(zhǎng)磨時(shí)間80min。從表4和表5還可以看出，復(fù)配組合劑的自修復(fù)性能要優(yōu)于單劑，以質(zhì)量損失為評(píng)價(jià)指標(biāo)，復(fù)配組合劑只有在水平3條件下的自修復(fù)效果不如部分單劑，在其它水平下的自修復(fù)效果均優(yōu)于單劑和基礎(chǔ)脂，說明復(fù)配組合劑中的物質(zhì)發(fā)揮了協(xié)同作用，相互促進(jìn)了彼此的自修復(fù)性能。

表4 各組潤(rùn)滑脂在不同水平下的鋼球質(zhì)量損失

表5 各組潤(rùn)滑脂在不同水平下的鋼球磨斑直徑變化

2.4.3 自修復(fù)原理及表征 圖3和表6分別為（基礎(chǔ)脂＋1.25%A＋3.0%C）配方潤(rùn)滑脂在水平1條件下長(zhǎng)磨后鋼球表面的EDX元素譜圖和元素含量，檢測(cè)范圍取自鋼球磨斑表面部分區(qū)域。從圖4可以看出，鋼球表面存在添加劑的特征元素Si和Na，說明添加劑與鋼球表面發(fā)生了相互作用。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，推測(cè)是由于層狀二硅酸鈉和石墨的復(fù)合粉體在摩擦產(chǎn)生的高溫、高應(yīng)力及剪切力作用下發(fā)生了分解，生成了反應(yīng)活性很高的氧負(fù)離子、二氧化硅等，這些物質(zhì)在摩擦的能量作用下與金屬表面發(fā)生反應(yīng)，生成了一層類似金屬的陶瓷保護(hù)層，這種保護(hù)層的生長(zhǎng)度與摩擦能成正比，磨損得到補(bǔ)償后能量降低，保護(hù)層生長(zhǎng)速率逐漸減緩直至停止生長(zhǎng)，形成了自修復(fù)層［11］。

圖3 鋼球磨斑表面的EDX圖譜

表6 鋼球磨斑表面的元素含量

3 結(jié) 論

（1）自修復(fù)前期，產(chǎn)生磨斑的最佳條件為載荷294N、轉(zhuǎn)速1 000r/min、時(shí)間10min。此時(shí)產(chǎn)生的磨斑大小合適，磨損較輕，適合作為自修復(fù)考察的前體。

（2）采用四球機(jī)考察添加劑自修復(fù)性能，摩擦需在較為溫和的條件下進(jìn)行。試驗(yàn)得到的最佳自修復(fù)條件為載荷100N、轉(zhuǎn)速800r/min、溫度60℃、長(zhǎng)磨時(shí)間80min。選用（基礎(chǔ)脂＋1.25%層狀二硅酸鈉＋3%石墨）配方潤(rùn)滑脂時(shí)，能夠取得較好的自修復(fù)效果，鋼球的磨斑直徑?jīng)]有發(fā)生變化，鋼球質(zhì)量沒有減小，反而增加了0.1mg，說明添加劑與鋼球發(fā)生了作用，在鋼球表面生成了沉積層，修復(fù)了磨損較輕的區(qū)域。

［1］李華峰，陳國(guó)需.磨損表面在線自修復(fù)研究［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2004，18（8A）：288－290

［2］楊長(zhǎng)江，陳國(guó)需，宋世遠(yuǎn).測(cè)試評(píng)定自修復(fù)效果方法的探討［J］.潤(rùn)滑與密封，2007，32（9）：56－59

［3］姜秉新，陳波水，董浚修.銅型添加劑摩擦修復(fù)作用的可行性研究［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，1999，18（3）：445－447

［4］何灼成，郭小川，李建華，等.層狀二硅酸鹽在潤(rùn)滑脂中的摩擦學(xué)性能研究［J］.潤(rùn)滑與密封，2005，30（6）：100－102

［5］張哲，陳國(guó)需，趙立濤，等.石墨和層狀二硅酸鈉的復(fù)配體系作為潤(rùn)滑脂添加劑的摩擦學(xué)性能［J］.潤(rùn)滑與密封，2014，39（1）：17－23

［6］楊皛，李華峰，陳國(guó)需，等.α－層狀硅酸鈉作為潤(rùn)滑添加劑的減摩抗磨性能［J］.石油學(xué)報(bào)（石油加工），2009，25（S）：22－25

［7］陳文剛.硅酸鹽粉體作為添加劑對(duì)金屬摩擦副磨損特性影響的研究［D］.遼寧：大連海事大學(xué)，2000

［8］何灼成，郭小川.自修復(fù)添加劑在潤(rùn)滑脂中應(yīng)用和作用機(jī)理初步探討［D］.重慶：后勤工程學(xué)院，2004

［9］孫玉秋，郭小川.自修復(fù)添加劑在潤(rùn)滑脂中的應(yīng)用研究［D］.重慶：后勤工程學(xué)院，2005

［10］楊長(zhǎng)江，陳國(guó)需.納米鋅添加劑對(duì)磨損表面的在線修復(fù)性能影響［D］.重慶：后勤工程學(xué)院，2010

［11］劉晴.含層狀硅酸鹽磨損自修復(fù)劑的減摩性能研究［D］.北京：北京交通大學(xué)，2011