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        MAF-6作為無(wú)水鈣基潤(rùn)滑脂添加劑的摩擦學(xué)性能研究

        2021-02-04 07:01:18王利杰田成光徐紅董晉湘
        應(yīng)用化工 2021年1期

        王利杰,田成光,徐紅,董晉湘

        (太原理工大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院,山西 太原 030024)

        沸石咪唑酯骨架材料(ZIFs)因其不僅能展現(xiàn)無(wú)機(jī)沸石良好的穩(wěn)定性,還具有比MOFs更加優(yōu)異的穩(wěn)定性能,在氣體儲(chǔ)存、藥物包藏、分離等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。由于ZIFs材料具有力學(xué)性能的多樣性[3-5],Shi等[6-8]陸續(xù)開(kāi)展了ZIFs材料的固體潤(rùn)滑性能研究,發(fā)現(xiàn)ZIFs作為固體添加劑具有較為優(yōu)異的潤(rùn)滑性能。

        本文通過(guò)模板劑法合成了粒徑400~600 nm MAF-6材料。選用流變儀表征MAF-6潤(rùn)滑脂樣品的流變性能。利用Optimol SRV-V高頻往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī),研究了運(yùn)行載荷、頻率、溫度、時(shí)間等因素對(duì)MAF-6脂潤(rùn)滑性能的影響。并選用3D光學(xué)表面輪廓儀、掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線能譜分析(EDS)對(duì)摩擦副表面磨損情況進(jìn)行分析。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 材料與儀器

        2-乙基咪唑(eIm)、Zn(OH)2、氨水溶液(25%~28%)、甲醇、乙醇、環(huán)己烷、氫氧化鈣均為分析純;聚α-烯烴PAO8,美國(guó)Mobil公司產(chǎn)品;十二羥基硬脂酸(>80%),TCI公司產(chǎn)品。

        SRV-V高頻往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī);MCR3020流變儀;3D白光干涉儀;TM-3000掃描電子顯微鏡(SEM);Quantax70 X射線能量色譜儀。

        1.2 樣品的制備

        1.2.1 MAF-6的制備 依據(jù)文獻(xiàn)[9]的方法制備MAF-6。稱取0.199 g Zn(OH)2加入到30 mL氨水溶液中,攪拌均勻。將0.288 g 2-乙基咪唑和2 mL環(huán)己烷依次加入到30 mL無(wú)水甲醇中,攪拌均勻后,將氨水溶液和甲醇溶液混合,在室溫下攪拌5 h,用無(wú)水乙醇洗滌。

        1.2.2 潤(rùn)滑脂制備 依據(jù)Yuan[8]的研究選擇MAF-6的添加量為5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。參照文獻(xiàn)[10],制備無(wú)水鈣基潤(rùn)滑脂。將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的MAF-6加入基礎(chǔ)脂中,攪拌均勻。在三輥機(jī)上研磨4次,得到均勻的潤(rùn)滑脂樣品。

        1.2.3 樣品的表征 采用X射線衍射儀,對(duì)樣品進(jìn)行粉末X射線衍射測(cè)試分析[CuKa,λ=0.154 18 nm,掃描角度3~40°,掃描速度為4(°)/min]。用掃描電子顯微鏡觀察樣品形貌。

        1.3 摩擦磨損實(shí)驗(yàn)

        在SRV-V往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了潤(rùn)滑脂摩擦磨損試驗(yàn)。摩擦副之間的接觸是通過(guò)將上試件鋼球(AISI 52100鋼,直徑10 mm,硬度為HRC 59~64,Ra 0.017 μm)壓在下試件鋼盤(pán)(AISI 52100鋼,直徑24 mm,高7.88 mm,硬度為HRC 59~61,Ra 0.068 μm)上實(shí)現(xiàn)的。每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次,體積磨損量和平均摩擦系數(shù)取3次實(shí)驗(yàn)的平均數(shù)值。每次摩擦磨損實(shí)驗(yàn)前后,摩擦副都用石油醚進(jìn)行超聲清洗。使用3D光學(xué)表面輪廓儀測(cè)量摩擦磨損實(shí)驗(yàn)后鋼盤(pán)的磨損情況,并在5 kV下通過(guò)SEM對(duì)磨損表面進(jìn)行觀察,通過(guò)EDS測(cè)定摩擦表面的化學(xué)元素分布情況。

        1.4 潤(rùn)滑脂流變學(xué)表征

        選擇PP25-SN3020轉(zhuǎn)子測(cè)試系統(tǒng)。 距底板的距離默認(rèn)設(shè)置為1 mm,頻率為1 Hz,測(cè)試溫度0~100 ℃,溫度測(cè)試精度為±0.1 ℃。在流變測(cè)試之前,所有潤(rùn)滑脂樣品均經(jīng)過(guò)預(yù)熱10 min后,開(kāi)始測(cè)試,每個(gè)測(cè)試至少重復(fù)3次。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 MAF-6的XRD和SEM

        見(jiàn)圖1和圖2。

        圖1 MAF-6的XRD譜圖Fig.1 X-ray diffraction pattern of MAF-6 sample

        圖2 MAF-6的SEM圖Fig.2 SEM image of MAF-6 sample

        由圖1可知,MAF-6樣品的X射線衍射圖與文獻(xiàn)[9]報(bào)道的一致,表明所得產(chǎn)物為純相。由圖2可知,MAF-6樣品為粒徑在400~600 nm的球形顆粒。

        2.2 流變學(xué)表征

        2.2.1 黏彈性 圖3為基礎(chǔ)脂和MAF-6脂恒溫變剪切速率下的黏彈性曲線。

        圖3 25 ℃下基礎(chǔ)脂和MAF-6脂的模量曲線Fig.3 Modulus curve of base grease andMAF-6 grease at 25 ℃

        由圖3可知,MAF-6脂的模量曲線均在基礎(chǔ)脂的模量曲線之上,整體趨勢(shì)沒(méi)有產(chǎn)生顯著的變化,對(duì)潤(rùn)滑脂的黏彈性基本沒(méi)有影響。

        2.2.2 黏溫性 圖4為基礎(chǔ)脂和MAF-6脂表觀黏度隨溫度的變化情況。

        由圖4可知,MAF-6脂和基礎(chǔ)脂的表觀黏度都隨著溫度的升高而降低,變化趨勢(shì)一致。在0~50 ℃ 下,表觀黏度隨剪切速率的增大變化很大;而在50~100 ℃表觀黏度與剪切速率的梯度很小,但MAF-6脂的表觀黏度始終位于基礎(chǔ)脂之上。

        圖4 基礎(chǔ)脂和MAF-6脂的黏溫曲線Fig.4 Viscosity-temperature curve of base grease andMAF-6 grease

        由圖3和圖4可以說(shuō)明,MAF-6的加入沒(méi)有破壞潤(rùn)滑脂的結(jié)構(gòu)。

        2.3 摩擦學(xué)性能

        2.3.1 溫度對(duì)摩擦學(xué)性能的影響 基于上述對(duì)基礎(chǔ)脂和MAF-6脂黏溫性質(zhì)的表征,選擇在載荷 300 N、頻率50 Hz、步長(zhǎng)1 mm的條件下研究溫度對(duì)潤(rùn)滑脂樣品摩擦學(xué)性能的影響。表1展示了溫度變化對(duì)體積磨損量和平均摩擦系數(shù)的影響。

        表1 不同溫度下基礎(chǔ)脂和MAF-6脂的體積磨損量和平均摩擦系數(shù)Table 1 Wear volume and mean frictioncoefficient under different temperatures forbase grease and MAF-6 grease

        由表1可知,基礎(chǔ)脂和MAF-6脂的體積磨損量都隨著溫度的降低而增大,平均摩擦系數(shù)隨著溫度的降低而減小,但是 MAF-6脂在溫度30~80 ℃始終保持較小的體積磨損量和較低的平均摩擦系數(shù)。MAF-6的添加在寬溫度范圍內(nèi)有效地降低了鋼盤(pán)的體積磨損量和平均摩擦系數(shù)。

        2.3.2 頻率對(duì)摩擦學(xué)性能的影響 在固定載荷300 N,溫度80 ℃,步長(zhǎng)1 mm,研究了往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻率對(duì)潤(rùn)滑脂樣品的摩擦學(xué)性能的影響,頻率變化范圍是40~60 Hz。

        表2 不同頻率下基礎(chǔ)脂和MAF-6脂的體積磨損量和平均摩擦系數(shù)Table 2 Wear volume and mean frictioncoefficient versus various frequencies forbase grease and MAF-6 grease

        由表2可知,隨著頻率的增大,基礎(chǔ)脂的磨損體積變化較大,MAF-6脂的體積磨損量隨著頻率的增加變化不大。在頻率為60 Hz時(shí),MAF-6脂的體積磨損量較基礎(chǔ)脂下降了66.57%,且隨著頻率的增大,MAF-6脂始終保持較低的平均摩擦系數(shù)。

        2.3.3 載荷對(duì)摩擦學(xué)性能的影響 在頻率50 Hz,溫度80 ℃,時(shí)間30 min的條件下,研究載荷對(duì)潤(rùn)滑脂樣品摩擦學(xué)性能的影響,結(jié)果見(jiàn)圖5。

        圖5 500 N下基礎(chǔ)脂和MAF-6脂的即時(shí)摩擦曲線Fig.5 Dynamic friction curves for base grease andMAF-6 grease at 500 N

        由圖5可知,基礎(chǔ)脂在500 N時(shí)運(yùn)行至108 s發(fā)生了卡咬,MAF-6脂在500 N時(shí)在開(kāi)機(jī)磨合期之后能夠保持平穩(wěn)運(yùn)行。

        由表3可知,在載荷200~400 N時(shí),MAF-6脂的抗磨性能好于基礎(chǔ)脂,且始終保持較低的體積磨損量,在300 N時(shí)的體積磨損量較基礎(chǔ)脂降低了53.53%。在載荷200~400 N下,MAF-6脂的平均摩擦系數(shù)基本保持不變,且保持較低的平均摩擦系數(shù)。

        表3 不同載荷下基礎(chǔ)脂、MAF-6脂的鋼盤(pán)體積磨損量和平均摩擦系數(shù)Table 3 Wear volume and mean friction coefficientof the disks versus different applied loads forbase grease and MAF-6 grease

        2.3.4 運(yùn)行時(shí)間對(duì)摩擦學(xué)性能的影響 為了進(jìn)一步研究基礎(chǔ)脂和MAF-6脂在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行下的摩擦學(xué)性能,在300 N-50 Hz-80 ℃的條件下,將原運(yùn)行時(shí)間30 min延長(zhǎng)至150,300,450 min,結(jié)果見(jiàn)表4。

        由表4可知,在延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間的條件下,MAF-6脂始終保持較低的平均摩擦系數(shù),且變化幅度較小,在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行下,MAF-6脂依舊保持穩(wěn)定的減摩效果。在時(shí)間為450 min時(shí),MAF-6脂的體積磨損量較基礎(chǔ)脂降低了32.00%,MAF-6脂在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的條件下依舊可以保持較好的減摩抗磨效果。

        表4 不同時(shí)間下基礎(chǔ)脂和MAF-6脂試件體積磨損量和平均摩擦系數(shù)Table 4 Mean friction coefficient,wear rate of lower disks versus various time for base grease and MAF-6 grease

        2.4 磨損表面分析及機(jī)理討論

        為了進(jìn)一步研究MAF-6作為無(wú)水鈣基脂添加劑的摩擦學(xué)性能及潤(rùn)滑機(jī)理,選用3D表面光學(xué)輪廓儀,SEM和EDS分析手段對(duì)下試件鋼盤(pán)的磨損表面進(jìn)行分析,結(jié)果見(jiàn)圖6。

        圖6 不同時(shí)間下基礎(chǔ)脂和MAF-6脂的下試盤(pán)3D表面形貌圖Fig.6 3D micrographs of low disks under differenttime for base grease and MAF-6 grease

        由圖6可知,在延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間的條件下,基礎(chǔ)脂磨痕面積大且深,特別是在運(yùn)行時(shí)間為450 min時(shí),磨痕已經(jīng)很深;MAF-6脂在延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間的條件下磨痕面積較小且淺。由表5可知,在載荷300 N運(yùn)行時(shí)間450 min時(shí),MAF-6脂的最大磨痕深度較基礎(chǔ)脂降低了34.35%。

        表5 300 N不同時(shí)間運(yùn)行下潤(rùn)滑脂鋼盤(pán)磨痕深度Table 5 Depth of wear scar on grease steel discs at300 N with different running time

        圖7為300 N不同運(yùn)行時(shí)間下鋼盤(pán)表面SEM圖。

        圖7 不同時(shí)間下鋼盤(pán)磨損表面SEM圖Fig.7 SEM images of steel discs wear surfaceunder different time

        由圖7可知,在300 min時(shí),基礎(chǔ)脂表面鋼盤(pán)出現(xiàn)了大的犁溝;在450 min時(shí),鋼盤(pán)表面分布有深的凹槽;MAF-6脂在300 min時(shí)鋼盤(pán)表面雖然有劃痕分布,但是磨損表面比較光滑,在450 min時(shí)表面出現(xiàn)了淺的凹槽。磨損表面的EDS元素分布圖表明,含MAF-6的潤(rùn)滑脂磨損表面除Fe、Cr、C鋼盤(pán)自身元素的分布外,還有MAF-6的特征元素Zn、N,表明MAF-6在往復(fù)運(yùn)行過(guò)程中能夠黏附在鋼盤(pán)表面上,形成了一層固體保護(hù)膜。

        圖8為MAF-6脂可能的潤(rùn)滑機(jī)理圖。

        圖8 MAF-6脂潤(rùn)滑機(jī)理示意圖Fig.8 Schematic illustrations of the mechanism lubricated bythe grease containing MAF-6 as an additive

        對(duì)于MAF-6脂來(lái)說(shuō),在往復(fù)運(yùn)動(dòng)中,摩擦副表面存在著MAF-6顆粒,在摩擦副運(yùn)行中,擁有柔性晶體結(jié)構(gòu)、球狀的MAF-6會(huì)發(fā)生變形,有效地阻止了上下摩擦副試件的直接接觸,從而提高了MAF-6脂的減摩抗磨性能。

        3 結(jié)論

        (1)基礎(chǔ)脂在加入MAF-6后,基礎(chǔ)脂的減摩和抗磨性能明顯提升,在高載荷、高頻率下能保持較好的減摩抗磨效果。

        (2)MAF-6脂在載荷300 N長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行條件下,摩擦系數(shù)穩(wěn)定,磨損沒(méi)有隨著時(shí)間的延長(zhǎng)大幅增大,摩擦副表面磨痕淺,表明在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行下,MAF-6脂具有穩(wěn)定且優(yōu)異的減摩抗磨性能。

        (3)磨損表面EDS元素分析發(fā)現(xiàn),MAF-6的特征元素轉(zhuǎn)移到了摩擦副表面,這表明在往復(fù)運(yùn)動(dòng)中,柔性的MAF-6顆粒粘附在摩擦副表面,擁有柔性晶體結(jié)構(gòu)、球狀的MAF-6會(huì)發(fā)生變形,減小了上下摩擦副之間的直接接觸,從而提高了MAF-6脂的減摩抗磨性能。

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