李 征，李 楊，張春佳，魏云玲，羅仁杰，丁昊昊

(1.青島理工大學(xué)(臨沂) 機械與電子工程系，臨沂 273400；2.西南交通大學(xué) 摩擦學(xué)研究所，成都 610031)

機械設(shè)備的摩擦磨損給社會帶來巨大的材料損失和能源消耗。通過加入納米添加劑可以減少機械設(shè)備的磨損，從而降低維修成本，提高經(jīng)濟效益[1]。減摩抗磨特性是衡量潤滑油最重要、最基本的性能指標(biāo)，為了減少每年因摩擦磨損等問題造成的巨大經(jīng)濟損失，提高潤滑油的減摩抗磨性能并研究相關(guān)高性能摩擦材料是摩擦學(xué)工作者一直致力于的研究方向[2]。

王文清[3]分析了納米添加劑作為潤滑油添加劑的應(yīng)用前景；羅金瓊等[4]比較系統(tǒng)地論述了納米添加劑潤滑油研究現(xiàn)狀以及在實際應(yīng)用中取得的效果；阮少軍等[5]分析了多種納米粒子的潤滑機制；劉元才等[6]研究了BN對TB8鈦合金材料表面的摩擦學(xué)性能影響；寧洪濤[7]研究發(fā)現(xiàn)向油液中加入2%的BN后抗磨減摩性能明顯提高；魏萬鑫等[8]將Si3N4燒結(jié)成陶瓷球多用于高精度軸承中；易雙等[9]將Si3N4應(yīng)用在了液體超滑技術(shù)中；譚秋虹[10]通過添加Sm2O3增強cBN砂輪用陶瓷結(jié)合劑。然而，現(xiàn)階段關(guān)于納米氧化釤添加劑減摩抗磨性能的研究尚不清晰。

本文利用納米態(tài)Sm2O3，BN和Si3N4作為添加劑制備了3種潤滑油分散系，研究了3種不同的納米添加劑的減摩抗磨性能，得出了最佳納米添加劑，研究結(jié)果可為納米添加劑潤滑油的優(yōu)化應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

試驗選用3種納米添加劑，分別為：納米氮化硼(BN，平均粒徑100 nm，純度99.9%)、納米氧化釤(Sm2O3，平均粒徑50 nm，純度99.99%)、納米氮化硅(Si3N4，平均粒徑20 nm，純度99.9%)。納米添加劑的微觀形貌如圖1所示，可以看出：納米BN是片狀納米材料，納米Sm2O3和納米Si3N4是球狀納米材料。采用的基礎(chǔ)油為500SN基礎(chǔ)油，表面改性劑為油酸(OA)。

圖1 納米添加劑微觀形貌

1.2 納米油制備

將納米材料粉末與油酸按照質(zhì)量比例1∶2混合，加入到500SN基礎(chǔ)油中，配制納米添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的納米潤滑油，并進行充分的機械攪拌，使用超聲波清洗機超聲處理30 min，使納米添加劑在基礎(chǔ)油中分散均勻穩(wěn)定。分散5 d后，上層液為清液，下層液為濁液，如圖2所示。

1.3 試驗方法

利用往復(fù)摩擦磨損試驗機進行摩擦磨損試驗，摩擦副為φ6 mm的GCr15[11]鋼球和10 mm×10 mm×20 mm的#45鋼[12]試塊。將摩擦副浸在不同納米添加劑潤滑油中進行試驗，試驗參數(shù)如表1所示。鋼球和試塊分布如圖3所示。

試驗中對摩擦系數(shù)進行實時記錄，試驗結(jié)束后使用光鏡(OM，KEYENCE VHX-6000)觀察磨斑表面形貌。每種納米添加劑分散系摩擦磨損試驗重復(fù)3次。

圖2 納米潤滑油添加劑分散

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 摩擦力和摩擦系數(shù)

使用500SN基礎(chǔ)油介質(zhì)進行試驗，得到的摩擦系數(shù)(摩擦力與載荷之比)如圖4所示。

表1 試驗參數(shù)

圖3 鋼球、試塊試驗分布

圖4 500SN基礎(chǔ)油摩擦系數(shù)

從圖4中可以看出，基礎(chǔ)油試驗可分為跑合階段和磨損階段，前800次摩擦系數(shù)穩(wěn)定上升，即是跑合階段，摩擦力如圖5所示，在跑合階段摩擦力曲線比較平滑，進程和返程的曲線基本對稱。直到摩擦系數(shù)達到0.22左右，開始穩(wěn)定進入磨損階段，摩擦力曲線展現(xiàn)出齒牙線的特點，且進程和返程的曲線不再對稱，如圖6所示，進入劇烈磨損階段后，摩擦力波動較大?？梢钥闯瞿Σ亮﹄S循環(huán)次數(shù)呈現(xiàn)周期性變化，但在跑合階段和磨損階段摩擦力的波形表現(xiàn)完全不同。

使用3種不同種類的納米添加劑得到的摩擦系數(shù)如圖7所示。摩擦系數(shù)經(jīng)過跑合階段后逐漸穩(wěn)定。磨損階段的摩擦力如圖8所示。從圖中可以看出：基礎(chǔ)油磨損產(chǎn)生的齒牙線特點消失，進程和返程曲線基本對稱，曲線形狀與基礎(chǔ)油的跑合階段摩擦力曲線相似，摩擦力平穩(wěn)。

圖5 基礎(chǔ)油試驗跑合階段摩擦力曲線

圖6 基礎(chǔ)油試驗?zāi)p階段摩擦力曲線

得到不同種類的納米添加劑摩擦系數(shù)后，選取穩(wěn)定階段的3次試驗?zāi)Σ料禂?shù)求得平均摩擦系數(shù)，如圖9所示?？梢钥闯觯?00SN基礎(chǔ)油的摩擦系數(shù)最大，穩(wěn)定在0.22左右；加入納米添加劑后，摩擦系數(shù)明顯下降；Sm2O3濁液的摩擦系數(shù)最小，大約穩(wěn)定在0.144左右，相比于基礎(chǔ)油下降了34.55%。

圖9 不同種類納米潤滑油下試塊的摩擦系數(shù)

2.2 磨斑表面形貌

試驗后觀測塊試樣磨斑的二維形貌和三維形貌。磨斑大致是橢圓型，按磨損程度大致可以分為2個區(qū)域：中間區(qū)域磨損嚴(yán)重，產(chǎn)生磨粒磨損[13]，稱為磨斑核心區(qū)域；四周部分磨損較輕，是磨料磨損[14]和黏著磨損[13]的復(fù)合區(qū)域，原光滑表面斷裂處和隆起處所圍成的整體區(qū)域稱為磨斑整體，如圖10所示。

圖10 磨斑區(qū)域劃分

在基礎(chǔ)油介質(zhì)中得到的磨斑形貌如圖11所示，深色的為磨損的溝槽。從圖中可以看出溝槽和突起分布不均勻，主要分布在磨斑兩側(cè)，中間部分比較均勻。通過分析可以看出這是磨粒磨損，因為試驗中磨屑沒有及時排出而劃傷表面；磨斑四周因試驗力擠壓鋼球和試塊產(chǎn)生隆起。

圖11 基礎(chǔ)油試驗后試塊磨斑形貌

對不同種類納米添加劑下試塊的磨斑進行觀測，磨斑二維形貌如圖12所示。

圖12 不同種類添加劑的試塊磨斑二維形貌

從圖12可以看出：加入納米添加劑后，雖然磨斑直徑和面積變化不大，但是磨痕分布比較均勻，沒有較大的溝槽。磨斑中間產(chǎn)生剝落和點蝕[15]，這是黏著磨損[16]現(xiàn)象，可能是因為納米顆粒的團聚，破壞摩擦副表面的油膜，刮傷表面。分析磨斑面積，Si3N4濁液的磨斑面積較小，且磨痕分布比較均勻，沒有太多的點蝕剝落。這可能是因為納米顆粒在摩擦副之間形成類球軸承[17]減摩作用，可迅速排屑，防止刮傷表面。而當(dāng)加入Sm2O3，BN納米添加劑時，磨斑形貌變?yōu)槟チＤp和黏著磨損共存。通過分析得到的試塊三維形貌(圖13)可以看出，磨坑的最大深度和面積基本不變。

磨斑形貌表征的是納米潤滑油的抗磨特性，幾種納米添加劑的試塊磨斑數(shù)據(jù)如表2所示。從表中可以看出Sm2O3清液和濁液下的磨斑最大磨損深度和磨斑投影面積相差不大，但是Sm2O3清液的核心區(qū)域面積最小，相比基礎(chǔ)油降低50.7%，且試塊磨斑表面相較于其他組試驗最為光滑均勻；BN清液和濁液的試塊磨斑數(shù)據(jù)也相差不大；Si3N4清液和濁液的試塊磨損深度相對于基礎(chǔ)油下的試塊磨損深度略有下降，但是對比Si3N4清液和濁液的試塊核心區(qū)域面積可以看出，Si3N4濁液下的試塊核心區(qū)域面積明顯較大，但最大磨損深度比Si3N4清液下的最大磨損深度要小。因此，通過分析比較二維和三維形貌可以看出3種納米添加劑中Sm2O3清液的抗磨特性較好。

表2 潤滑介質(zhì)為不同納米潤滑油時試塊的穩(wěn)定摩擦系數(shù)及磨斑尺寸數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

1) 納米Sm2O3，BN和Si3N4作為添加劑均有一定的減摩特性，其中Sm2O3濁液的減摩性能最好，摩擦系數(shù)穩(wěn)定，相比于500SN基礎(chǔ)油下降了34.55%。

2) 3種納米添加劑都能在一定程度上減緩磨損，Sm2O3清液的抗磨特性最好，磨痕分布最為均勻平整，核心磨損面積相比基礎(chǔ)油降低50.7%，此時主要是黏著磨損和磨粒磨損共存。

3) 納米態(tài)Sm2O3作為添加劑具有非常優(yōu)異的減摩抗磨特性，但分散進500SN基礎(chǔ)油后所得的不同的清、濁液的摩擦學(xué)性能有所不同，其中，Sm2O3濁液的減摩性能最好，Sm2O3清液的抗磨性能最好。