張歡歡，馬飛,賈佳佳，岳鵬，張玉娟，楊廣彬，張晟卯，張治軍

(1.河南大學(xué)納米材料工程研究中心，河南 開(kāi)封 475004;2.濰柴控股集團(tuán)有限公司，山東 濰坊 261061)

0 引言

工信部發(fā)布了《乘用車企業(yè)平均燃料消耗量與新能源汽車積分并行管理辦法》，要求2025年乘用車新車平均燃料消耗量達(dá)到百千米耗油4 L[1]。為此各類發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)紛紛出臺(tái)，其中低黏度潤(rùn)滑油節(jié)能技術(shù)由于其簡(jiǎn)便、直接、高效的特點(diǎn)成為潤(rùn)滑油研究領(lǐng)域最受追捧的研究熱點(diǎn)[2-4]。低黏度潤(rùn)滑油有利于減少燃油消耗，降低摩擦功，提高燃油經(jīng)濟(jì)性[5]。然而隨著潤(rùn)滑油黏度級(jí)別的逐漸降低，使得發(fā)動(dòng)機(jī)工況從流體潤(rùn)滑向邊界潤(rùn)滑偏移，摩擦磨損大大加劇，使低黏度潤(rùn)滑油的燃油經(jīng)濟(jì)性大打折扣甚至消失[6-7]。高性能減摩劑與低黏度潤(rùn)滑油相結(jié)合，同時(shí)降低邊界區(qū)和流體區(qū)摩擦成為目前提高潤(rùn)滑油燃油經(jīng)濟(jì)性的普遍解決方案。

眾所周知，有機(jī)鉬潤(rùn)滑油添加劑，例如二烷基二硫代氨基甲酸鉬( MoDTC)具有良好的減摩作用，廣泛用做汽車機(jī)油的減摩劑，以降低發(fā)動(dòng)機(jī)邊界區(qū)摩擦。然而，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多種的固體潤(rùn)滑材料應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)零部件，尤其是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，僅僅氣缸內(nèi)就包含鑄鐵、滲氮、DLC涂層等多種摩擦副材料，由于有機(jī)鉬添加劑與含碳量較高的材料，如鑄鐵和DLC涂層發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)形成鉬碳化合物顆粒引起磨粒磨損[8]，從而使磨損加重。課題組研究發(fā)現(xiàn)納米添加劑在邊界潤(rùn)滑區(qū)，對(duì)多種特殊摩擦副表現(xiàn)出顯著的減摩抗磨性能。原因在于納米顆粒進(jìn)入摩擦接觸區(qū)域，填充表面上的犁槽，形成剪切強(qiáng)度較低的摩擦膜，隔離摩擦副從而產(chǎn)生顯著的減摩抗磨效果[9-10]。同時(shí)發(fā)現(xiàn)納米添加劑在混合和流體潤(rùn)滑區(qū)由于導(dǎo)致油膜黏度降低，從而減少潤(rùn)滑油分子層之間的摩擦以產(chǎn)生顯著的減摩性能[11]。

論文利用納米添加劑與柴機(jī)油5W-20 FE復(fù)配，以柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中滲氮、DLC涂層活塞環(huán)與鑄鐵缸套配副，系統(tǒng)研究復(fù)合潤(rùn)滑油對(duì)所述配副材料的減摩抗磨性能。同時(shí)考察納米添加劑對(duì)柴機(jī)油從邊界到彈流整個(gè)潤(rùn)滑區(qū)間的潤(rùn)滑性能以及其從低溫啟動(dòng)到高溫高剪切整個(gè)工作溫度區(qū)間的黏溫性能的影響，評(píng)價(jià)納米添加劑對(duì)柴機(jī)油摩擦學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料

潤(rùn)滑油為某節(jié)能型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油5W-20 FE, 添加劑為河南大學(xué)研制的納米添加劑HD-D2001(簡(jiǎn)稱為HD2)，以及市售減摩劑二烷基二硫代氨基甲酸鉬( MoDTC)(錦州康泰潤(rùn)滑油添加劑有限公司)，添加濃度均為0.5%(質(zhì)量百分比濃度)。 活塞環(huán)和缸套材料取自某型號(hào)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸套活塞環(huán)。上壓縮環(huán)為滲氮鋼環(huán)，中壓縮環(huán)為DLC涂層環(huán)，油環(huán)由DLC涂層環(huán)和彈簧環(huán)組成，彈簧不參與摩擦，所以說(shuō)油環(huán)也是DLC涂層環(huán)。缸套為鑄鐵缸套?；钊h(huán)如圖1所示。

圖1 活塞環(huán)

1.2 試驗(yàn)方法

活塞環(huán)與缸套的配副磨損試驗(yàn)由 UMT tribolab (Tribolab,Bruker, USA)摩擦試驗(yàn)機(jī)的往復(fù)活塞環(huán)模式進(jìn)行，如圖2所示，試驗(yàn)前，活塞環(huán)和鑄鐵塊在石油醚中超聲清洗15 min。然后首先在50 N下預(yù)摩5 min，再進(jìn)行試驗(yàn)，詳細(xì)試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。

使用三維光學(xué)輪廓儀(Bruker Contour CT-I 3D, USA) 測(cè)量磨痕和痕跡的寬度、深度和磨損量，磨損率使用下式計(jì)算：

W=V/F×L

此處V表示磨損體積，F(xiàn)表示載荷，L表示總滑動(dòng)距離。

圖2 摩擦試驗(yàn)機(jī)摩擦副接觸示意

表1 活塞環(huán)與缸套的配副磨損試驗(yàn)參數(shù)

全潤(rùn)滑區(qū)間的摩擦試驗(yàn)，由UMT tribolab (Tribolab,Bruker, USA)摩擦試驗(yàn)機(jī)的球盤(pán)旋轉(zhuǎn)模式進(jìn)行，試驗(yàn)用鋼球GCr15(直徑4 mm)，鋼盤(pán)洛氏硬度(HRC)60為GCr15鋼盤(pán)，直徑為70 mm，厚度為6.2 mm，鋼盤(pán)轉(zhuǎn)速為6～4800 r/min(對(duì)應(yīng)線速度為0.01～10 m/s)，載荷為1～5 N，分別測(cè)試不同添加劑下的潤(rùn)滑油的摩擦系數(shù)。

為了考察添加劑對(duì)柴機(jī)油5W-20 FE黏溫性能的影響，首先使用流變儀(DHR-2)檢測(cè)不同溫度下納米添加劑對(duì)柴機(jī)油黏度的影響。測(cè)試條件為：剪切速率為5～24000 s-1，溫度分別為20 ℃、40 ℃、100 ℃、150 ℃。其次采用標(biāo)準(zhǔn)方法即GB/T 265-1998《石油產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)黏度測(cè)定法和動(dòng)力黏度計(jì)算法》，使用GB/T 265運(yùn)動(dòng)黏度測(cè)定器(大連智能儀器儀表有限公司)測(cè)試-35 ℃、-30 ℃、40 ℃、100 ℃下的運(yùn)動(dòng)黏度。相對(duì)黏度與黏度指數(shù)(VI)采用下式計(jì)算：

相對(duì)黏度(%)=(B-A)/A×100

其中A為5W-20 FE的黏度，B為添加添加劑的潤(rùn)滑油黏度

VI=[(L-U)/(L-H)]×100

分別測(cè)試40 ℃和100 ℃下的運(yùn)動(dòng)黏度，式中U為40 ℃下運(yùn)動(dòng)黏度，通過(guò)國(guó)標(biāo)GB/T 1995-1998查取L，H參數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 HD2對(duì)活塞環(huán)-缸套配副摩擦學(xué)性能的影響

依據(jù)第一汽車集團(tuán)公司2006年發(fā)布的發(fā)動(dòng)機(jī)缸套(缸體)-活塞環(huán)配副磨損試驗(yàn)方法(Q/CAYJ-16-2006)，評(píng)價(jià)HD2以及MoDTC對(duì)于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)-缸套配副摩擦學(xué)性能的影響，如圖3所示，從圖3(a)的結(jié)果可以看出，對(duì)比三種不同的活塞環(huán)，添加MoDTC和HD2納米微粒不會(huì)顯著降低柴機(jī)油5W-20 FE的摩擦系數(shù)，說(shuō)明在活塞環(huán)-缸套配副磨損試驗(yàn)的極端邊界摩擦條件下，兩種添加劑對(duì)柴機(jī)油的摩擦系數(shù)沒(méi)有顯著影響。

由圖3(b)的結(jié)果可以看出，對(duì)于三種活塞環(huán)：滲氮上壓縮鋼環(huán)、DLC涂層中壓縮環(huán)和DLC涂層油環(huán)與鑄鐵缸套配副，HD2分別使鑄鐵的磨損率降低了52%、27%和55%，對(duì)于滲氮上壓縮環(huán)和DLC油環(huán)，MoDTC分別使鑄鐵缸套的磨損率增大了34%、408%，對(duì)于DLC涂層中壓縮環(huán)缸套磨損率減小了5%。

圖3 不同潤(rùn)滑油在三種活塞環(huán)-缸套配副磨損試驗(yàn)(載荷200 N，頻率20 Hz，時(shí)間180 min，溫度120 ℃)

由此可見(jiàn)，在活塞環(huán)-缸套配副磨損試驗(yàn)這種極端邊界摩擦條件下，添加HD2納米微粒的油品對(duì)于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的多種活塞環(huán)與鑄鐵缸套材料配副都表現(xiàn)出了顯著的抗磨作用，MoDTC普遍表現(xiàn)出了增大磨損的結(jié)果。MoDTC磨損率增加主要是其中的活性鉬與含碳量較高的材料，如鑄鐵和DLC涂層種的碳發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)形成的鉬碳化物引起的化學(xué)磨損，以及化學(xué)反應(yīng)生成的鉬碳化物顆粒引起的磨粒磨損[8]。而HD2納米微?？鼓バЧ@著，主要是因?yàn)榧{米顆粒進(jìn)入摩擦接觸區(qū)域，填充表面上的犁槽，形成剪切強(qiáng)度較低的沉積摩擦膜，隔離摩擦副從而產(chǎn)生顯著的減摩抗磨效果[9-10]。

使用三維輪廓儀獲得了5W-20 FE，5W-20 FE+MoDTC和5W-20 FE+HD2納米微粒潤(rùn)滑下的鑄鐵的磨損表面形貌和磨損表面典型位置的二維圖像數(shù)據(jù)，如圖4～圖6和表2所示，比較了三種潤(rùn)滑條件下的鑄鐵磨損表面，5W-20 FE+MoDTC潤(rùn)滑條件下,磨痕的寬度和深度最高且磨損表面比較粗糙，表明摩擦副表面存在典型的磨粒磨損。而在5W-20 FE潤(rùn)滑條件下，磨痕的寬度和深度稍低，摩擦副直接接觸，會(huì)發(fā)生典型的黏著磨損。對(duì)于5W-20 FE+HD2潤(rùn)滑條件下，磨痕深度和寬度最小，且磨痕最光滑，推測(cè)在HD2潤(rùn)滑下，摩擦表面有大量沉積物堆積，阻止了活塞環(huán)與鑄鐵之間的黏著磨損，大大降低了摩擦副的磨損。主要是形成化學(xué)沉積膜，阻止了摩擦副之間的黏著磨損，避免摩擦副直接接觸，大大降低了摩擦副的磨損。

圖4 載荷200 N，溫度120 ℃，摩擦?xí)r間180 min條件下滲氮上壓縮環(huán)對(duì)鑄鐵缸套配副試驗(yàn)中鑄鐵磨損三維形貌與磨痕二維曲線

圖5 載荷200 N，溫度120 ℃，摩擦?xí)r間180 min條件下DLC涂層中壓縮環(huán)對(duì)鑄鐵缸套配副試驗(yàn)中鑄鐵磨損三維形貌與磨痕二維曲線

圖6 載荷200 N，溫度120 ℃，摩擦?xí)r間180 min條件下DLC涂層油環(huán)對(duì)鑄鐵缸套配副試驗(yàn)中鑄鐵磨損三維形貌與磨痕二維曲線

表2 活塞環(huán)與缸套的配副磨痕寬度

對(duì)于DLC涂層油環(huán)，由于接觸面積小，同樣的載荷下，壓強(qiáng)更大，MoDTC的加入不僅使鑄鐵磨痕深度加深，同時(shí)導(dǎo)致磨痕長(zhǎng)度增大，對(duì)于DLC涂層中壓縮環(huán)來(lái)說(shuō)，相較于滲氮環(huán)和DLC油環(huán)接觸面積最大，致使相同載荷下的壓強(qiáng)變小，MoDTC對(duì)鑄鐵的磨損也相應(yīng)減弱。由此可見(jiàn)，對(duì)于不同形狀和材質(zhì)的活塞環(huán)，形成不同的接觸壓強(qiáng)下，壓強(qiáng)越大，MoDTC對(duì)鑄鐵缸套的磨損越大。對(duì)于HD2都可以對(duì)鑄鐵產(chǎn)生很好的保護(hù)作用，主要是因?yàn)樘砑蛹{米微粒HD2可以在摩擦副表面形成化學(xué)沉積膜從而隔離摩擦副，進(jìn)而產(chǎn)生顯著的抗磨效果。

2.2 HD2對(duì)柴機(jī)油5W-20 FE黏溫性能的影響

潤(rùn)滑油的黏度隨著溫度的升高而降低，黏指劑作為潤(rùn)滑油添加劑可改善潤(rùn)滑油黏度隨溫度升高而降低的弊端，是提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的核心技術(shù)?，F(xiàn)有黏指劑均為增黏型高聚物，添加量受到一定限制，同時(shí)無(wú)法保證高溫工況下的潤(rùn)滑，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)高溫工況從流體潤(rùn)滑向邊界摩擦偏移，摩擦磨損大大加劇，使低黏度潤(rùn)滑油的燃油經(jīng)濟(jì)性大打折扣甚至消失[12]，而直接采用低黏度基礎(chǔ)油與增黏型黏指劑調(diào)配又會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)加劇，使?jié)櫥偷姆蹓勖s短[13-14]，由此，開(kāi)發(fā)降黏型黏指劑是實(shí)現(xiàn)低黏度潤(rùn)滑油節(jié)能技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題。

隨著節(jié)能降耗需求的逐步凸顯，納米微粒在彈流、流體區(qū)間對(duì)潤(rùn)滑油降黏行為的研究受到廣泛關(guān)注。課題組發(fā)現(xiàn)鎳納米微?？梢栽谶吔纭⒒旌?、彈流、流體，整個(gè)潤(rùn)滑區(qū)間都產(chǎn)生顯著減摩作用[15]。Hong Liang[16]課題組發(fā)現(xiàn)氧化釔納米片可以降低潤(rùn)滑油的黏度，使其在彈流潤(rùn)滑區(qū)產(chǎn)生減摩作用，隨后多種納米微粒在多種潤(rùn)滑油中都表現(xiàn)出了降黏作用[17-21]。因此，納米微粒這種能夠通過(guò)降低潤(rùn)滑油黏度使其在彈流、流體區(qū)產(chǎn)生減摩作用的特點(diǎn)，使其有望成為降黏型黏指劑。發(fā)動(dòng)機(jī)的工作范圍涉及多種溫度與剪切速率，所以需要全面考察發(fā)動(dòng)機(jī)所涉及的工作溫度與剪切速率。首先，利用流變儀考察添加劑HD2和MoDTC對(duì)柴機(jī)油5W-20 FE不同溫度和剪切速率下相對(duì)黏度的影響。HD2和MoDTC對(duì)柴機(jī)油5W-20 FE不同溫度和剪切速率下的影響見(jiàn)圖7，不同添加劑的潤(rùn)滑油的黏度指數(shù)見(jiàn)圖8。

圖7 HD2和MoDTC對(duì)柴機(jī)油5W-20 FE不同溫度和剪切速率下動(dòng)力黏度的影響

從圖7可知，在四個(gè)檢測(cè)溫度下，添加MoDTC的潤(rùn)滑油黏度提高了5%，而添加HD2納米微粒的潤(rùn)滑油在20 ℃時(shí)黏度降低了30%，在40℃時(shí)降低了20%，在100 ℃時(shí)降低了10%，在150 ℃時(shí)降低了5%。因此，HD2納米微粒表現(xiàn)出了降黏型黏指劑的特征。

圖8 不同添加劑的潤(rùn)滑油的黏度指數(shù)

從圖8可知，添加MoDTC的潤(rùn)滑油黏度指數(shù)降低了5%，而添加HD2納米微粒的潤(rùn)滑油黏度指數(shù)提高了10%，由此可見(jiàn) 納米添加劑HD2使柴機(jī)油總體黏度降低的同時(shí)，使其黏溫特性得到進(jìn)一步提高。

低溫動(dòng)力黏度(CCS)是油品在低溫高剪切速率下測(cè)得的內(nèi)摩擦力大小的量度，可以反應(yīng)內(nèi)燃機(jī)油低溫性能的好壞及預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)在低溫時(shí)能否順利啟動(dòng)，低溫時(shí)黏度大會(huì)引起啟動(dòng)困難且啟動(dòng)之后的潤(rùn)滑油不能很快到達(dá)摩擦界面，造成機(jī)械部件的磨損。為了避免機(jī)械部件的嚴(yán)重磨損，高溫高剪切條件下(150 ℃，1.4×106s-1剪切速率)，潤(rùn)滑油仍要具有一定的黏度值。所以高溫高剪切時(shí)的黏度不易過(guò)小。由表3的結(jié)果可以看出，添加HD2納米微粒的油品的低溫動(dòng)力黏度與高溫高剪切黏度均低于5W-20 FE。且根據(jù)潤(rùn)滑油的標(biāo)準(zhǔn)可以發(fā)現(xiàn)添加HD2納米微粒的潤(rùn)滑油的黏度級(jí)別由5W-20降為0W-16，試驗(yàn)中使用毛細(xì)管黏度計(jì)測(cè)量MoDTC的低溫動(dòng)力黏度，流動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，表明MoDTC的低溫動(dòng)力黏度比較差。由此可以說(shuō)明納米微粒HD2有望成為節(jié)能納米添加劑。

表3 低溫流動(dòng)性及高溫高剪切性能

2.3 不同添加劑對(duì)5W-20 FE不同潤(rùn)滑區(qū)間的摩擦影響

不同添加劑對(duì)5W-20 FE不同潤(rùn)滑區(qū)間的摩擦影響如圖10所示。

圖9 不同添加劑下5W-20 FE在鋼球鋼盤(pán)的摩擦系數(shù)

活塞環(huán)-缸套系統(tǒng)涵蓋了從邊界、混合到彈流的整個(gè)潤(rùn)滑區(qū)間，要想實(shí)現(xiàn)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)能降耗，需要實(shí)現(xiàn)整個(gè)潤(rùn)滑區(qū)間的減摩。由圖9(a)可以看出，在軸承鋼球和鋼盤(pán)配副的全區(qū)間摩擦試驗(yàn)中，MoDTC只在邊界區(qū)顯示出了減摩效應(yīng)，在混合區(qū)和彈流區(qū)的摩擦系數(shù)和柴機(jī)油的完全相同，由此可見(jiàn)MoDTC的減摩范圍非常有限。由圖9(b)可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于鋼球/DLC盤(pán)摩擦副，添加MoDTC之后在邊界和混合區(qū)域表現(xiàn)出優(yōu)異的減摩性能，而對(duì)于彈流區(qū)不具有減摩性能，主要原因是添加MoDTC之后，潤(rùn)滑油黏度增加，從而導(dǎo)致摩擦系數(shù)增大。對(duì)于納米添加劑HD2，由圖9(a)(b)可以看出。添加HD2之后，在邊界、混合、彈流區(qū)都具備顯著的減摩效應(yīng)，對(duì)于鋼/鋼摩擦副，使整個(gè)潤(rùn)滑區(qū)間的摩擦系數(shù)下降10%；對(duì)于鋼/DLC摩擦副，使得整個(gè)區(qū)間的摩擦系下降了25%。在邊界區(qū)主要是因?yàn)榧{米顆粒進(jìn)入摩擦接觸區(qū)域，填充表面上的犁槽，形成剪切強(qiáng)度較低的摩擦膜，隔離摩擦副從而產(chǎn)生顯著的減摩抗磨效果，在彈流區(qū)納米添加劑的降黏作用產(chǎn)生減摩效應(yīng)，混合區(qū)聯(lián)合了邊界和彈流區(qū)的減摩機(jī)制同樣使摩擦系數(shù)降低了10%。

3 結(jié)論

文章研究了納米添加劑HD2的加入使5W-20 FE在滲氮、類金剛石碳膜(DLC)涂層活塞環(huán)與鑄鐵缸套的配副磨損表現(xiàn)出了優(yōu)異的抗磨性能，缸套磨損率降低了50%，克服了MoDTC對(duì)柴油機(jī)摩擦副磨損增大的問(wèn)題。在全潤(rùn)滑區(qū)間，HD2使摩擦系數(shù)降低10%。同時(shí)，HD2的加入使得柴機(jī)油5W-20 FE在不同溫度下的黏度降低了5%～50%，黏度級(jí)別降為0W-16，黏度指數(shù)提高10%，克服了MoDTC使柴機(jī)油黏度增加、黏度指數(shù)降低的弊端。由此可見(jiàn)納米添加劑HD2對(duì)于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦副材料具有顯著的減摩抗磨效應(yīng)，同時(shí)具備優(yōu)異的黏度調(diào)節(jié)功能，有望成為節(jié)能型納米添加劑，進(jìn)一步提高柴機(jī)油的節(jié)能功效。