黃俊杰，武黎明，楊 霽，張振忠，趙芳霞

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

含超細(xì)金屬/蛇紋石粉液壓油的摩擦學(xué)性能研究

黃俊杰，武黎明，楊 霽，張振忠，趙芳霞

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

采用四球試驗機研究了納米鎳粉、鎳錫粉復(fù)配和納米金屬粉與超細(xì)蛇紋石粉復(fù)配情況下粉體加入量及復(fù)配比例對68號液壓油摩擦學(xué)性能的影響；采用SEMEDS對磨斑形貌進(jìn)行表征。結(jié)果表明：含納米金屬蛇紋石粉液壓油具有良好的綜合摩擦學(xué)性能，當(dāng)納米鎳與錫粉質(zhì)量比為3∶1、納米金屬與蛇紋石復(fù)合粉[m(納米金屬)m(蛇紋石)=2∶1]添加量(w)為0.10%時，與68號液壓油試驗相比，摩擦因數(shù)和磨斑直徑分別降低37.0%和35.4%；加入二烷基二硫代磷酸鉬有助于提高超細(xì)金屬蛇紋石液壓油的抗磨減摩性能，且兩者具有協(xié)同作用；超細(xì)金屬蛇紋石粉加入到液壓油中能夠起到填平犁溝、修復(fù)磨痕表面的作用。

68號液壓油 納米鎳粉 納米錫粉 超細(xì)蛇紋石粉 摩擦學(xué)性能

工業(yè)液壓油在石油、化工、水泥、礦山、冶金、機械等行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用[1-2]，且需求量大。研制不同黏度含納米金屬/超細(xì)蛇紋石粉自修復(fù)液壓油不僅有利于大幅度提高其抗磨減摩性能，還使液壓油具有摩擦自修復(fù)特性[3-5]，對提高工業(yè)設(shè)備的壽命、延長維修期和實現(xiàn)機械設(shè)備的節(jié)能減排具有重要意義。納米金屬粉如銅粉、錫粉等作為潤滑自修復(fù)添加劑能夠起到較好的抗磨減摩作用[6-8]，并提高其承載能力，但所形成的自修復(fù)膜硬度低、易發(fā)生脫落，在低載荷下起到磨粒磨損的作用；蛇紋石粉和納米二氧化硅等無機材料[9-11]的膨脹系數(shù)與黑色金屬相近且干摩擦因數(shù)極低，該材料加至液壓油中，在摩擦能作用下形成的金屬陶瓷修復(fù)膜不易脫落，有利于摩擦副抗磨性能的提高，但這類粉體的自修復(fù)能量高且減摩作用相對較差。因此，其發(fā)展趨勢是制備高性能金屬/陶瓷納米復(fù)合液壓油。目前國內(nèi)外有關(guān)含超細(xì)金屬/陶瓷復(fù)合粉體自修復(fù)工業(yè)液壓油的研究鮮有報道。本研究在納米金屬及超細(xì)蛇紋石粉體分散工藝的基礎(chǔ)上[12-16]，以大型工業(yè)設(shè)備中應(yīng)用最多的黏度級別68的實際工業(yè)液壓油(簡稱68號液壓油)為研究對象，考察含超細(xì)鎳、錫粉/蛇紋石粉工業(yè)液壓油的抗磨減摩性能，為研發(fā)和推廣高性能、自修復(fù)型工業(yè)液壓油提供依據(jù)。

1 實 驗

1.1 實驗材料

一次顆粒平均粒徑為80 nm的鎳粉和錫粉、一次顆粒平均粒徑為100 nm的蛇紋石粉，均為昆山密友集團(tuán)生產(chǎn)；68號液壓油，型號長城LH-M 68；二烷基二硫代磷酸鉬(MoDDP)、石油醚，分析純，無錫亞盛化工生產(chǎn)。四球試驗所用鋼球為GCr15軸承鋼球，上海鋼球廠有限公司生產(chǎn)，直徑為12.7 mm，硬度為61～64 HRC，化學(xué)組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：Si 0.55%，Mn 0.51%，Cr 1.74%，F(xiàn)e 97.20%。

1.2 實驗儀器和設(shè)備

清洗鋼球用KH-700DE型超聲波清洗器，昆山禾創(chuàng)公司制造；BS 224S型電子天平，德國賽多利斯公司生產(chǎn)；SFS-S400型高速分散機，上海汗諾儀器有限公司制造；WMM-1萬能摩擦磨損試驗機及配套磨斑測量顯微鏡，時代試金集團(tuán)制造；JSM-5900型掃描電鏡儀，日本電子公司制造。

1.3 復(fù)合添加劑

1.3.1納米鎳錫復(fù)合粉將納米鎳粉與納米錫粉以一定比例復(fù)配均勻混合，得到納米鎳錫復(fù)合粉。

1.3.2納米金屬與蛇紋石復(fù)合粉將納米鎳錫復(fù)合金屬粉(鎳、錫質(zhì)量比為3∶1)與蛇紋石粉按一定比例復(fù)配混合均勻，得到納米金屬與蛇紋石復(fù)合粉。

1.4實驗方法

通過高速剪切機以3 000 r/min的轉(zhuǎn)速高速剪切30 min，將各類粉體均勻分散到68號液壓油中，制成含超細(xì)粉體的液壓油。采用四球摩擦磨損試驗機考察液壓油的摩擦學(xué)性能，用顯微鏡觀測磨斑后，利用配套軟件求得鋼球的平均磨斑直徑，按照SH/T 0189潤滑油抗磨損性能測定標(biāo)準(zhǔn)(1 200 r/min)進(jìn)行測試。通過SEM/EDS對鋼球磨斑表面進(jìn)行表征。

2 結(jié)果與討論

2.1 納米鎳粉添加量對68號液壓油摩擦學(xué)性能的影響

在392 N載荷條件下，納米鎳粉添加量對68號液壓油試驗?zāi)Σ烈驍?shù)和鋼球磨斑直徑的影響見圖1。由圖1可見，隨納米鎳粉添加量的增加，摩擦因數(shù)和磨斑直徑先減小后增大，當(dāng)納米鎳粉添加量(w)為0.05%時，摩擦因數(shù)和磨斑直徑最小，與68號液壓油試驗相比，摩擦因數(shù)和磨斑直徑分別降低30.8%和22.9%。

圖1 納米鎳粉添加量對68號液壓油摩擦學(xué)性能的影響■—磨斑直徑; ●—摩擦因數(shù)。圖2～圖4同

2.2 納米鎳錫復(fù)合粉添加量對68號液壓油摩擦學(xué)性能的影響

在392 N載荷條件下，納米鎳錫復(fù)合粉[m(鎳)/m(錫)=2∶1]添加量對68號液壓油試驗?zāi)Σ烈驍?shù)和鋼球磨斑直徑的影響見圖2。由圖2可見，隨納米鎳錫復(fù)合粉添加量的增加，摩擦因數(shù)和磨斑直徑先減小后增大，當(dāng)納米鎳錫復(fù)合粉添加量(w)為0.15%時，摩擦因數(shù)和磨斑直徑最小，分別為0.058 mm和0.38 mm，與68號液壓油試驗相比，摩擦因數(shù)和磨斑直徑分別降低36.0%和20.8%。

圖2 納米鎳錫復(fù)合粉添加量對68號液壓油摩擦學(xué)性能的影響

在納米鎳錫復(fù)合粉添加量(w)為0.15%時，納米鎳粉與錫粉質(zhì)量比對68號液壓油摩擦學(xué)性能的影響見表1。由表1可見，與68號液壓油試驗相比，含納米鎳錫復(fù)合粉的68號液壓油試驗的摩擦因數(shù)和鋼球的磨斑直徑明顯降低，當(dāng)m(鎳)/m(錫)分別為4∶1，3∶1，2∶1，1∶1時，摩擦因數(shù)分別減小8.8%，45.2%，36.0%，39.7%，磨斑直徑分別減小6.25%，29.2%，20.8%，22.9%。綜合分析，在m(鎳)/m(錫)為3∶1時，摩擦因數(shù)和磨斑直徑最小，分別為0.049 6和0.34 mm。

表1 納米鎳粉與錫粉質(zhì)量比對68號液壓油摩擦學(xué)性能的影響

2.3 納米金屬與蛇紋石復(fù)合粉對68號液壓油摩擦學(xué)性能的影響

在392 N載荷條件下，納米金屬與蛇紋石復(fù)合粉[m(納米金屬)/m(蛇紋石)=2∶1]添加量對68號液壓油試驗?zāi)Σ烈驍?shù)和鋼球磨斑直徑的影響見圖3。由圖3可見，隨納米金屬與蛇紋石復(fù)合粉添加量的增加，摩擦因數(shù)和磨斑直徑呈先減小后增大的趨勢，當(dāng)納米金屬與蛇紋石復(fù)合粉添加量(w)為0.10%時，摩擦因數(shù)和磨斑直徑最小，分別為0.057和0.31 mm，與68號液壓油試驗相比，摩擦因數(shù)和磨斑直徑分別降低37.0%和35.4%。

圖3 納米金屬與蛇紋石復(fù)合粉添加量對68號液壓油摩擦學(xué)性能的影響

在納米金屬與蛇紋石復(fù)合粉添加量(w)為0.1%、m(鎳)/m(錫)為3∶1時，納米金屬與蛇紋石質(zhì)量比對68號液壓油摩擦學(xué)性能的影響見表2。由表2可見：與68號液壓油試驗相比，m(納米金屬)/m(蛇紋石)分別為3∶1，2∶1，1∶1，1∶2時，摩擦因數(shù)分別減小33.6%，37.0%，26.2%，25.3%，磨斑直徑分別減小20.8%，35.4%，20.8%，22.9%。綜合分析，在納米金屬與蛇紋石復(fù)合粉添加量(w)為0.1%、m(納米金屬)/m(蛇紋石)為2∶1時，摩擦因數(shù)和磨斑直徑最小，分別為0.057 0和0.31 mm。說明加入蛇紋石粉更有利于提高68號液壓油的抗磨性能。

表2 納米金屬與蛇紋石質(zhì)量比對68號液壓油摩擦學(xué)性能的影響

2.4 MoDDP添加量對含納米金屬/蛇紋石復(fù)合粉68號液壓油摩擦學(xué)性能的影響

圖4 MoDDP添加量對含納米金屬/蛇紋石復(fù)合粉68號液壓油摩擦學(xué)性能的影響

在392 N載荷條件下，加入0.25%～1.25%MoDDP對含0.1%金屬/蛇紋石復(fù)合粉68號液壓油摩擦學(xué)性能的影響見圖4。由圖4可見，隨MoDDP加入量增加，摩擦因數(shù)呈先減小后增加的趨勢，鋼球磨斑直徑變化不大，當(dāng)MoDDP添加量(w)為0.75%時，摩擦因數(shù)和磨斑直徑最小，與含0.1%金屬/蛇紋石復(fù)合粉68號液壓油試驗相比，摩擦因數(shù)和磨斑直徑分別降低43.5%和9.7%。說明加入MoDDP有助于提高超細(xì)金屬/蛇紋石液壓油的抗磨減摩性能，且兩者具有協(xié)同作用。

2.5 含納米金屬/蛇紋石復(fù)合粉液壓油的載荷特性

含納米金屬/蛇紋石MoDDP復(fù)合粉68號液壓油在196，294，392，490 N載荷下試驗的摩擦因數(shù)和鋼球磨斑直徑見圖5。由圖5可見，不同載荷下，68號液壓油中添加納米金屬/蛇紋石MoDDP復(fù)合粉體后，試驗的摩擦因數(shù)和鋼球的磨斑直徑均明顯下降，且摩擦因數(shù)和磨斑直徑均隨著載荷的增加而增大。

圖5 含納米金屬/蛇紋石復(fù)合粉液壓油的載荷特性■—未添加復(fù)合粉體; ●—添加復(fù)合粉體

2.6 自修復(fù)機理探索

在392 N載荷下，含0.1%納米金屬/蛇紋石粉68號液壓油長磨60 min后的磨痕形貌及能譜分析結(jié)果見圖6。由圖6可見：鋼球表面的磨痕很淺；GCr15 軸承鋼球的成分主要有鐵、碳、鉻、硅等，含0.1%的納米金屬/蛇紋石粉68號液壓油長磨試驗后，磨痕的凹槽含有鎳、硅、鎂及少量錫元素，說明潤滑油中添加超細(xì)粉體后顆粒會在摩擦過程中向摩擦表面上發(fā)生轉(zhuǎn)移，在磨斑表面起到填補溝壑的作用，產(chǎn)生更多新生表面，表面活性較高的超細(xì)顆粒在外加壓力下迅速沉積、焊合到摩擦副表面，填充磨痕表面，在摩擦副的表面形成自修復(fù)膜，提高設(shè)備的使用壽命。

圖6 含0.1%超細(xì)復(fù)合粉液壓油的鋼球磨斑形貌及能譜分析結(jié)果

3 結(jié) 論

(1)適量納米金屬鎳、錫粉體的加入有利于提高基礎(chǔ)液壓油的摩擦學(xué)性能。在68號液壓油中鎳粉添加量(w)為0.05%時，試驗的摩擦因數(shù)和鋼球的磨斑直徑最小，較基礎(chǔ)液壓油試驗分別降低30.8%和22.9%。在納米鎳錫復(fù)合粉添加量(w)為0.15%、鎳、錫質(zhì)量比為3∶1時，試驗的摩擦因數(shù)和鋼球的磨斑直徑最小，較基礎(chǔ)液壓油試驗時分別減小45.2%和29.2%。

(2)適量納米金屬粉、超細(xì)蛇紋石粉的復(fù)合，有利于進(jìn)一步改善基礎(chǔ)液壓油的綜合摩擦學(xué)性能。當(dāng)納米金屬與蛇紋石復(fù)合粉添加量(w)為0.10%時，試驗的摩擦因數(shù)和鋼球的磨斑直徑最小，分別為0.057和0.31 mm，與68號液壓油試驗相比，摩擦因數(shù)和磨斑直徑分別降低37.0%和35.4%。

(3)與含0.1%金屬/蛇紋石復(fù)合粉68號液壓油試驗相比，當(dāng)MoDDP添加量(w)為0.75%時，試驗的摩擦因數(shù)和鋼球的磨斑直徑分別降低43.5%和9.7%。說明加入MoDDP有助于提高超細(xì)金屬/蛇紋石液壓油的抗磨減摩性能，且兩者具有協(xié)同作用。

(4)超細(xì)粉體在摩擦?xí)r，金屬部分在摩擦副表面滑移形成軟表面膜填補溝壑，形成軟修復(fù)；蛇紋石部分在摩擦下與鐵基金屬反應(yīng)，在摩擦副表面生成硅酸鐵鎂陶瓷保護(hù)層，形成一種硬修復(fù)。兩者有協(xié)同作用，在摩擦副的表面形成自修復(fù)膜。

[1] 胡紀(jì)根.我國液壓油標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀及發(fā)展設(shè)想[J].合成潤滑材料，2011，38(2)：19-20

[2] 陳惠卿.工程機械用液壓油的選擇[J].液壓氣動與密封，2012，12：46-51

[3] 趙立濤，陳國需，高永建，等.摩擦磨損自修復(fù)原理及納米自修復(fù)添加劑研究進(jìn)展[J].潤滑與密封，2007，32(8)：152-155

[4] 張哲，陳國需，程鵬，等.幾種潤滑添加劑的自修復(fù)性能研究[J].石油煉制與化工，2014，45(7)：72-76

[5] 馬玉紅，楊宏偉，楊士亮，等.摩擦磨損自修復(fù)型潤滑油添加劑的發(fā)展現(xiàn)狀[J].廣州化工，2013，41(7)：32-33，58

[6] 文瑾，李潔，劉士軍，等.表面修飾納米銅顆粒添加劑的摩擦學(xué)性能[J].化工學(xué)報，2011，62(4)：1157-1161

[7] 李晛，柳剛，范榮煥，等.納米AlSn金屬顆粒對潤滑油抗磨極壓性能的影響[J].潤滑與密封，2004(4)：60-62

[8] 趙修臣，宣瑜，劉穎，等.納米Sn粒子的制備及其作潤滑油添加劑的摩擦學(xué)性能研究[J].潤滑與密封，2007，32(1)：108-110

[9] 鄭威，張振忠，趙芳霞，等.蛇紋石粉體的熱處理及其對基礎(chǔ)油摩擦學(xué)性能的影響[J].石油煉制與化工，2013，44(3)：71-74

[10] 朱公志，高玉周，劉世永，等.羥基硅酸鎂復(fù)合粉體潤滑油添加劑對鋼-鋼摩擦副的抗磨自修復(fù)機理[J].摩擦學(xué)學(xué)報，2012，32(2)：183-188

[11] 錢建華，陰翔宇，張月，等.二氧化鈦微球合成、表面修飾及摩擦學(xué)性能[J].化工學(xué)報，2012，63(6)：1986-1991

[12] 曹娟，張振忠，趙芳霞，等.分散劑對蛇紋石在乙醇中分散性能的影響[J].潤滑與密封，2007，32(10)：83-86

[13] 曹娟，張振忠，安少華，等.超細(xì)蛇紋石的表面修飾及其在基礎(chǔ)油中的摩擦學(xué)性能[J].硅酸鹽學(xué)報，2008，36(9)：1210-1214

[14] 劉廣，張振忠，路承杰，等.納米鎳銅復(fù)合粉體在乙醇溶液中的分散性能[J].化學(xué)工程，2010，38(4)：77-80

[15] 李松林，劉務(wù)華，武治鋒，等.超細(xì)鎳粉的化學(xué)還原制備及其分散劑的作用[J].粉末冶金技術(shù)，2006，24(5)：345-348，378

[16] 趙芳霞，楊江海，吳佳，等.幾種納米固體潤滑添加劑熱穩(wěn)定性及其對基礎(chǔ)油黏度的影響[J].潤滑與密封，2009，34(6)：32-35

TRIBOLOGICALPROPERTIESOFHYDRAULICOILWITHULTRAFINE-METALSERPENTINEPOWDERSWTBZ

Huang Junjie， Wu Liming， Yang Qi， Zhang Zhenzhong， Zhao Fangxia

(CollegeofMaterialsScience&Engineering，NanjingUniversityofTechnology，Nanjing210009)

To improve the tribological properties of conventional industrial hydraulic oil，the effects of amounts of nano-Ni，nano-Ni/Sn composite powders and ultrafine-metal/serpentine composite powders on tribological properties of No.68 hydraulic oil were studied by using four-ball tester；the wear scar morphology and composition were characterized by means of SEM/EDS techniques.Experimental results indicated that the hydraulic oil containing ultrafine-metal/serpentine composite powders has better tribological properties in all aspects.Compared with the basic hydraulic oil，the friction coefficient and wear scar diameter decreases by 37.0% and 35.4%，respectively，when the mass ratio of Ni and Cu is 3∶1，the mass ratio of metal and serpentine is 2∶1，and the total amount is 0.1%.The addition of MoDDP and the ultrafine-metal/serpentine greatly improves the tribological properties of hydraulic oil，indicating a synergistic effect between them.Wear scar SEM/EDS analysis showed that the ultrafine-metal/serpentine composite powders added to the hydraulic oil can fill the furrows and repair worn surface.

No.68 hydraulic oil； nano-Ni powder； nano-Sn powder； ultrafine serpentine powder； tribological property

2017-06-13；修改稿收到日期2017-07-12。

黃俊杰，碩士研究生，主要從事納米粉體的制備及液壓油潤滑添加劑的研究工作。

黃俊杰，E-mail：huanghe92114@163.com。