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        蒙脫土在酯類合成基礎(chǔ)油中的摩擦學(xué)性能研究

        2017-01-06 18:55:38晁先泉朱仁發(fā)黃飛胡坤宏
        潤滑油 2016年5期
        關(guān)鍵詞:蒙脫土

        晁先泉++朱仁發(fā)++黃飛++胡坤宏

        摘要:以癸二酸二異辛酯(DOS)為基礎(chǔ)油,在高頻往復(fù)試驗機上考察了蒙脫土K10、蒙脫土KSF與工業(yè)蒙脫土的潤滑性能。結(jié)果表明:三種蒙脫土不能降低DOS的摩擦系數(shù),KSF與工業(yè)蒙脫土對DOS的抗磨損性能改善也不夠明顯,但質(zhì)量分數(shù)為0.2%的蒙脫土K10在DOS中具有較好的抗磨性能,與純的DOS相比,可使鋼球磨斑直徑降低22%,磨損體積下降約63%;與KSF及工業(yè)蒙脫土相比,K10尺寸小,比表面積大,容易吸附在摩擦接觸表面,形成具有抗磨作用的摩擦膜。

        關(guān)鍵詞:蒙脫土;酯類基礎(chǔ)油;潤滑性能;摩擦磨損

        中圖分類號:TE624.82文獻標識碼:A

        0引言

        一些固體納米微粒在潤滑油中能表現(xiàn)出優(yōu)異的減摩與抗磨性能,包括MS2(M=W與Mo)、金屬納米微粒與碳納米管等。但這些納米微粒往往制備成本高,從而限制其作為潤滑添加劑的應(yīng)用[1]。硅酸鹽礦物微粉具有類似于石墨的層狀結(jié)構(gòu),在基礎(chǔ)油中也能表現(xiàn)出較好的潤滑性能[2-3]。蒙脫土是高黏土與膨潤土等層狀硅酸鹽礦的主要成分,它由兩層Si-O四面體和一層八面體組成,片層的厚度可達納米級,其層狀結(jié)構(gòu)和較大的比表面積,在摩擦潤滑的過程中能吸附金屬離子,對摩擦副的承載能力有所提高[4]。近年來,蒙脫土微粒在潤滑油中的潤滑性能越來越受到重視[5-8]。與礦物油相比,合成酯不但有較好的潤滑性能,還具有良好的生物降解性[9-11],因此,合成酯在許多領(lǐng)域被用來替代礦物基礎(chǔ)油。本論文主要探討了三種不同結(jié)構(gòu)的蒙脫土微粒在合成酯癸二酸二異辛酯(DOS)中的摩擦學(xué)性能,并對相關(guān)摩擦機理進行了表征與分析。

        1實驗

        1.1實驗材料和儀器設(shè)備

        材料和試劑:蒙脫土K10(Al2O9Si3;比表面積240 m2/g,阿拉丁試劑)、蒙脫土KSF(Al2O9Si3;比表面積20~40 m2/g,阿拉丁試劑)、癸二酸二異辛酯(C26H50O4;DOS;阿拉丁試劑)、市售工業(yè)蒙脫土、丙酮。

        儀器設(shè)備:濟南益華摩擦學(xué)測試技術(shù)有限公司生產(chǎn)的MGW-001型高頻往復(fù)試驗機(HFRR;控溫精度為±1 ℃;球-盤摩擦副,材料為GCr15鋼,鋼球直徑6.0 mm,洛氏硬度HRC58~66,Ra<0.05 μm,圓盤直徑10 mm,厚度6 mm,維氏硬度為190~210 HV30,表面粗糙度Ra<0.02μm),詳見圖1;基恩士VK-X100形狀測量激光顯微鏡(LM);日立SU8010掃描電鏡(SEM);UV-6300PC紫外可見分光光度計。

        1.2摩擦磨損試驗

        按質(zhì)量比為0.2%的比例稱取不同類型的蒙脫土粉末,添加到DOS中后在超聲波清洗器中超聲分散30 min,然后在HFRR上評價其摩擦性能,測試條件:滑動速度為0.1 m/s(根據(jù)50 Hz的頻率和1000 μm的沖程計算)、測試溫度60 ℃、載荷7.84 N、摩擦?xí)r間75 min。對摩擦學(xué)性能的影響;然后選取K10為對象,研究了蒙脫土添加量(0%、0.1%、02%、0.4%與0.6%)、測試溫度(20 ℃、40 ℃、60 ℃與80 ℃)與載荷(3.92 N、5.88 N、7.84 N與98N)等對DOS摩擦學(xué)性能的影響。測試完畢后,利用LM、SEM與EDS對磨斑進行表征。

        2結(jié)果與討論

        2.1原料表征與分散性測試

        圖2(a)為蒙脫土K10的SEM圖像,可以看出蒙脫土K10為尺寸幾百納米到幾微米大小的層狀微粒堆積而成,這種結(jié)構(gòu)具有較大的比表面積(240 m2/g),片層的厚度在納米級。圖2(b)所示的蒙脫土KSF也為層狀結(jié)構(gòu),但片層尺寸大,結(jié)構(gòu)較為致密,比表面積較?。?0~40 m2/g)。圖2(c)所示的工業(yè)蒙脫土與K10類似,具有典型的層片狀結(jié)構(gòu),但片層尺寸要遠大于K10。

        以DOS為基礎(chǔ)油,分別配制質(zhì)量分數(shù)為0.2%的三種蒙脫土樣品,超聲分散30 min,利用高速離心機,在3000 r/min轉(zhuǎn)速下離心2 min取上清液置于紫外-可見分光光度計中測定吸光度。觀察發(fā)現(xiàn),超聲30 min之后K10可以完全分散,KSF和工業(yè)蒙脫土均有少量沉淀沒有分散。離心之后三種樣品還分散著少量添加劑。K10的分散穩(wěn)定性相對較好。分別配制質(zhì)量分數(shù)為0.175%、0.15%的KSF和工業(yè)蒙脫土樣品,超聲分散30 min之后,質(zhì)量分數(shù)為0175%的兩個樣品仍有微量沉淀,質(zhì)量分數(shù)為015%的KSF和工業(yè)蒙脫土樣品可以完全分散。見表1。

        2.2摩擦學(xué)測試結(jié)果與分析

        圖3為添加不同種類蒙脫土的DOS的摩擦學(xué)測試結(jié)果。該圖顯示:添加0.2%不同蒙脫土的DOS樣品和純DOS樣品的摩擦系數(shù)非常接近,表明蒙脫土在DOS中幾乎沒有減摩作用。添加0.2%蒙脫土KSF的DOS的平均磨斑直徑為380 μm,添加0.2%工業(yè)蒙脫土的DOS的平均磨斑直徑為387 μm,它們兩者比純DOS的磨斑直徑(397 μm)略微減小,表明這兩種蒙脫土在DOS中具有一定的抗磨損作用,但效果不明顯;添加蒙脫土K10的DOS潤滑時磨斑直徑為310 μm,與純的DOS相比,上球磨斑直徑減小了22%,利用磨斑直徑可以計算出DOS潤滑時的磨損體積(即被磨損掉的球缺體積)為406522 μm3,添加K10的DOS潤滑時151483 μm3,磨損體積下降約63%。

        然后選擇K10為對象,進一步研究了摩擦條件對蒙脫土在DOS中的摩擦學(xué)性能的影響,結(jié)果顯示見圖4~圖6。

        圖4是不同K10添加量對DOS摩擦學(xué)性能的影響規(guī)律。圖4顯示,添加量對DOS的摩擦系數(shù)影響較小,當K10添加量為0.2%時,DOS的摩擦系數(shù)(μ=0.1807)和平均磨斑直徑最小,但摩擦系數(shù)與純DOS(μ=0.1832)非常接近,表明蒙脫土在DOS中的減摩效果一般;平均磨斑直徑隨著K10添加量的增加先減小后增加,與純的DOS潤滑相比,添加0.2%的K10的磨斑直徑可以下降22%左右,表明蒙脫土K10起到了較好的抗磨作用。隨著K10含量的增加,摩擦系數(shù)略有升高,但可以忽略不計;同時平均磨斑直徑變化也不大。實驗中觀察到,K10含量過高,即使超聲震蕩,也很難使K10全部分散在DOS中,不能分散的固體顆粒甚至還會干擾基礎(chǔ)油的潤滑作用,較為適宜的添加量為0.2%。

        圖5顯示了測試溫度對添加0.2% K10的DOS的摩擦學(xué)性能的影響。數(shù)據(jù)顯示:40 ℃前的摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.17左右,沒有隨著溫度的升高呈現(xiàn)出明顯的變化,但40 ℃后,隨著溫度的升高摩擦系數(shù)出現(xiàn)明顯的上升趨勢;平均磨損直徑則隨著溫度的升高呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢,表明低溫有利于蒙脫土K10改性DOS的摩擦學(xué)性能。

        圖6顯示了測試載荷對含有蒙脫土K10的DOS的摩擦學(xué)性能的影響。結(jié)果表明隨著載荷的增加,平均摩擦系數(shù)略微減小,變化不大。平均磨斑直徑在7.84 N前基本沒有變化,穩(wěn)定在310 μm左右,表明載荷不高于7.84 N時,K10在DOS中的抗磨損性能能得到充分發(fā)揮,但載荷上升到9.80 N時,磨斑直徑明顯增加,表明過高的載荷不利于K10的抗磨損性能的發(fā)揮。

        2.3磨斑表征

        測試完成后,分別選擇添加0.2%的三種蒙脫土DOS潤滑后的磨斑進行微觀表征,包括磨斑顯微圖、三維圖與輪廓曲線,結(jié)果顯示見圖7。圖7(a)顯示,工業(yè)蒙脫土改性DOS潤滑時,磨痕較深,材料表面出現(xiàn)了較為明顯的剝落,說明黏著和磨粒磨損均較劇烈;用KSF取代工業(yè)蒙脫土后,磨斑表面受破壞也較嚴重(圖7(b)),磨損量接近工業(yè)蒙脫土改性DOS潤滑時的磨損量。圖7(c)為含有0.2%K10的DOS的磨斑,三維圖像可以看出,磨斑表面較為平整,沒有出現(xiàn)剝落,與工業(yè)蒙脫土相比,磨損面積從1346 μm2降到960 μm2,降低約28.7%。這再次證實了K10可改善DOS的抗磨損性能。

        表面元素EDS分析結(jié)果顯示在圖8。圖8表明,純的DOS潤滑時,磨斑表面主要元素為鐵、氧、碳、鉻,當0.2% K10改性DOS時,摩擦表面出現(xiàn)了Si、Mg與Al等元素,它們均來自蒙脫土K10,表明K10改性DOS潤滑時,K10進入到了摩擦接觸區(qū)域,參與了潤滑,并通過摩擦化學(xué)反應(yīng)形成含有Si、Al與Mg等元素組成的摩擦膜,從而磨損得到降低;當用工業(yè)蒙脫土與KSF時,由于微粒尺寸大,很難進入到摩擦接觸區(qū)域,因而對DOS的性能基本沒有影響。

        3結(jié)論

        (1)三種蒙脫土相比,尺寸更小的K10比蒙脫土KSF和工業(yè)蒙脫土擁有更加優(yōu)越的抗磨性能,但三種蒙脫土幾乎不影響DOS的摩擦系數(shù)。

        (2)與純的DOS潤滑時相比,含0.2% K10的DOS潤滑時,磨斑直徑可減小22%。K10的潤滑功能主要原因在于小尺寸的K10微粒容易進入摩擦接觸面,形成含有Si、Al與Mg的摩擦膜,從而抗磨能力增強。

        (3)摩擦條件對K10在DOS中的抗磨性能有一定影響,K10添加量增加時,磨斑直徑先降低后增加,適宜的添加量在0.2%,但添加量對摩擦系數(shù)的影響較?。浑S著溫度的升高,磨斑直徑與摩擦系數(shù)逐漸增大;載荷增加時,摩擦系數(shù)呈下降趨勢,但變化較小,磨斑直徑在7.84 N前變化較小,隨后明顯增加。

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