王秋月，張麗麗，張正瑞

(四川輕化工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 四川 自貢 643000)

0 前 言

微納米粒子作為潤(rùn)滑材料的研究始于20世紀(jì)90年代，尤其是納米摩擦學(xué)，主要研究摩擦、磨損、潤(rùn)滑現(xiàn)象和材料摩擦學(xué)特性的關(guān)系，是材料科學(xué)和摩擦學(xué)交叉領(lǐng)域最前沿的分支學(xué)科之一。

近年來(lái)，納米材料作為潤(rùn)滑油添加劑的應(yīng)用得到了廣泛研究，并被證明能夠在潤(rùn)滑油中發(fā)揮顯著的摩擦學(xué)性能。但納米添加劑的生產(chǎn)工藝復(fù)雜、價(jià)格昂貴。因此，探索并研究具有摩擦學(xué)性能且價(jià)格低廉的潤(rùn)滑添加劑具有十分重要的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)效益。

粉煤灰是燃煤電廠排放的廢棄物，會(huì)帶來(lái)環(huán)境污染、水質(zhì)污染及堆積占地等問(wèn)題。合理有效地利用粉煤灰，不僅能改善其對(duì)環(huán)境的污染問(wèn)題，而且可以實(shí)現(xiàn)二次利用，并帶來(lái)非?？捎^的經(jīng)濟(jì)效益。最近，粉煤灰已成功用于金屬基復(fù)合材料以減輕整體重量，并且這些復(fù)合材料已成功用于汽車和航空航天應(yīng)用。使用粉煤灰開(kāi)發(fā)的聚合物基復(fù)合材料可用作低成本的綠色摩擦材料。

粉煤灰主要是通過(guò)在電廠燃燒煤炭來(lái)產(chǎn)生的，目前處理粉煤灰最常用的方法包括：①放置在垃圾填埋場(chǎng)中；②作為水泥原材料[1]；③通過(guò)物理或化學(xué)方法分離出重金屬[2]；④熱處理。其中填埋處理和水泥混合材料使用存在重金屬二次污染的風(fēng)險(xiǎn)，物理化學(xué)處理方法從粉煤灰中分離重金屬也可能需要額外添加其他成分。所以，需要對(duì)粉煤灰的應(yīng)用方面進(jìn)行更多的研究。

粉煤灰呈灰褐色，外觀類似水泥，粉煤灰顆粒因高溫和表面張力的作用呈球形或微珠狀，直徑在1～200 μm，比表面積大，表面疏松多孔，具有一定的吸附特性。粉煤灰主要含有 SiO2、A12O3、Fe2O，這些成分均為現(xiàn)有摩擦材料中的主要組分材料[3]，這樣看來(lái)粉煤灰具有作為摩擦材料組分的潛質(zhì)。粉煤灰具有均勻的物相組成及穩(wěn)定的工程特性，它是經(jīng)過(guò)1 200oC的高溫煅燒而形成的。因此，它作為摩擦組分應(yīng)該會(huì)具有良好的熱穩(wěn)定性。與常見(jiàn)摩擦材料中的金屬組分相比，粉煤灰具有很低的密度(2 000～3 000 kg/m3)，若可用于生產(chǎn)摩擦材料，制得的產(chǎn)品質(zhì)量較輕。粉煤灰還具有高的比熱(約 800 kJ/kg·K)，這個(gè)特性可望能貯存剎車片或離合器面片在使用時(shí)的摩擦熱，從而避免其過(guò)熱。粉煤灰的這些特性，使其可望成為摩擦材料的組分材料。湯瑞清等[4]對(duì)粉煤灰填充樹(shù)脂基摩擦材料進(jìn)行了硬度和抗沖擊強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，分析了不同等級(jí)、不同摻量的粉煤灰對(duì)摩擦材料硬度及沖擊強(qiáng)度的影響，觀察了其晶相組織，結(jié)果表明: 在同等級(jí)不同摻量情況下，摩擦材料的硬度隨粉煤灰摻量的增加而增加，在粉煤灰摻量為50%時(shí)摩擦材料的硬度達(dá)到極大值;摩擦材料的抗沖擊強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的增加而下降。Samrat Mohanty等[5]將粉煤灰添加到剎車片復(fù)合材料中，發(fā)現(xiàn)高溫時(shí)粉煤灰熱穩(wěn)定性較好，摩擦系數(shù)穩(wěn)定且磨損率降低。

研究表明粉煤灰可以作為良好的摩擦材料改性劑[6]，但粉煤灰作為潤(rùn)滑油添加劑的研究至今無(wú)報(bào)道。在本文中利用球-盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)粉煤灰粉體作為潤(rùn)滑油PAO固體添加劑的摩擦特性進(jìn)行了測(cè)試?？疾炝朔勖夯覍?duì)潤(rùn)滑油摩擦磨損性能的影響，并通過(guò)微觀測(cè)試進(jìn)行進(jìn)一步研究。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材 料

試驗(yàn)所使用的粉煤灰購(gòu)買于匯豐新材料，規(guī)格為5 000目。聚α烯烴(PAO)購(gòu)買于美孚公司，黏度為10。所用試劑購(gòu)買于國(guó)藥公司，均為分析純，且未經(jīng)過(guò)進(jìn)一步提純；試驗(yàn)用水為去離子水。摩擦副為鋼/鋼，所用鋼球?yàn)樘m州軸承廠生產(chǎn)的二級(jí)GCr15 標(biāo)準(zhǔn)鋼球，不銹鋼片(30 mm×30 mm×0.8 mm)使用前依次用丙酮和酒精進(jìn)行超聲波清洗10 min，用干燥氮?dú)獯蹈伞?/p>

1.2 粉煤灰表征

通過(guò)場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM，F(xiàn)EI Inspect F50)觀察粉煤灰形貌，通過(guò)粒度分析儀(馬爾文 mastersizer3000)測(cè)試尺寸大小，X射線熒光光譜儀(XRF，XRF-1800，日本島津制作所)測(cè)試粉煤灰的礦物組成。

1.3 摩擦試驗(yàn)方法

粉煤灰按1 wt%稱取加入到PAO油中進(jìn)行超聲分散30 min，得到均勻分散的懸浮液體，簡(jiǎn)寫(xiě)為PAO-Fly ash。在中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所自行研制的摩擦試驗(yàn)機(jī)上分別考察了PAO和PAO-Fly ash的摩擦行為。試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，法向載荷分別為5 N。上試樣為3 mm 的AISI-52100鋼球。鋼片上的磨痕通過(guò)三維輪廓儀(ADE, USA)和掃描電鏡觀察，通過(guò)EDS能譜測(cè)試磨痕表面成分。

2 結(jié)果與討論

2.1 粉煤灰表征

圖1顯示了粉煤灰顆粒的形貌。粉煤灰顆粒受到高溫及表面張力的作用大部分呈球形。根據(jù)粒度分析儀提供的數(shù)據(jù)(如圖2所示)，80%的粉煤灰顆粒尺寸在30 μm以下，尺寸小于1μm的約占12%。通過(guò)XRF測(cè)試可知(如表1所示)，粉煤灰的成分主要是SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3的混合物。

表1 粉煤灰成分表 單位：wt%

圖1 粉煤灰SEM圖

圖2 粉煤灰粒徑分布圖

2.2 摩擦磨損性能測(cè)試

本文中將粉煤灰作為PAO油添加劑測(cè)試其摩擦學(xué)性能。測(cè)試結(jié)果如圖3所示，只使用PAO油作潤(rùn)滑劑時(shí)，在實(shí)驗(yàn)初期摩擦系數(shù)有明顯的波動(dòng)，當(dāng)加入粉煤灰顆粒后，摩擦系數(shù)變得更加穩(wěn)定。

圖3 PAO油和PAO+Fly ash的摩擦系數(shù)

為進(jìn)一步研究粉煤灰對(duì)PAO油抗磨性能的改善，對(duì)磨痕表面進(jìn)行了三維輪廓和SEM分析，結(jié)果如圖4所示，從圖4中可以看出PAO+Fly ash經(jīng)過(guò)摩擦實(shí)驗(yàn)后磨痕表面的劃痕變得細(xì)而淺，表明粉煤灰的“填充”“隔離”作用改善了磨損表面的形貌。

圖4 摩擦實(shí)驗(yàn)后磨痕的非接觸式三維輪廓圖和截面輪廓圖

2.3 磨損表面和磨屑的微觀形貌分析

圖5為鋼片磨痕表面的SEM圖。在圖5(a)中，磨痕表面沒(méi)有明顯的劃痕，但磨痕寬度比PAO+Fly ash寬很多。而有些磨痕區(qū)域，如圖5(b)所示，有一些凹坑，這可能是由于經(jīng)過(guò)反復(fù)摩擦造成磨痕表面產(chǎn)生磨粒磨損。加入粉煤灰后，結(jié)合三維輪廓圖，如圖6所示，磨痕表面出現(xiàn)了O、Si、Al、Ca、Ti、Mg等元素，這些元素都源于粉煤灰。由此可知粉煤灰在摩擦過(guò)程中在其表面成膜，從而降低磨損。根據(jù)文獻(xiàn)可知粉煤灰是以含SiO2、Al2O3為主的玻璃體，這種玻璃體的硬度、多孔性質(zhì)應(yīng)該是其形成良好摩擦膜并改善摩擦磨損性能的本質(zhì)原因[7]。

圖5 摩擦實(shí)驗(yàn)后鋼片上磨痕的SEM圖

圖6 不同磨痕表面EDXA分析圖

3 結(jié) 論

1)摩擦磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，用粉煤灰作為PAO油的添加劑，能穩(wěn)定摩擦系數(shù)，減小摩擦系數(shù)的波動(dòng)，降低磨損率，從而有效改善摩擦磨損性能。

2)通過(guò)磨痕表面形貌觀察和成分分析可知，粉煤灰在磨痕表面形成了摩擦膜，尺寸較小的粉煤灰顆粒填補(bǔ)磨損表面，減少磨粒磨損。

3)粉煤灰是燃煤電廠排放的廢棄物，只需簡(jiǎn)單的分離過(guò)程得到顆粒較小的粉煤灰。而且粉煤灰所具有的一些物理化學(xué)性能，使其可望成為摩擦材料的組分材料。因此，探索并研究具有摩擦學(xué)性能且價(jià)格低廉的粉煤灰添加劑具有十分重要的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)效益。

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