容學德

(廣西民族大學 預科教育學院，廣西 南寧 530008)

ZnS納米微粒在潤滑油減摩擦上的應用*

容學德

(廣西民族大學 預科教育學院，廣西 南寧 530008)

室溫下采用MM-W1立式萬能摩擦磨損試驗機研究了ZnS納米顆粒作為基礎油添加劑的摩擦學性能，文章考察了納米ZnS添加量、試驗參數(shù)(載荷、轉(zhuǎn)速)對摩擦系數(shù)的影響，簡單探討了摩擦機理.結果表明：添加劑納米ZnS在摩擦磨損試驗機中表現(xiàn)出良好的減摩抗磨性能，其在摩擦過程中形成的沉積膜起到了非常重要的作用，可以作為減摩涂層和潤滑油減摩添加劑使用.

納米硫化鋅；摩擦學性能；潤滑油添加劑

近年來，有關納米微粒材料作為潤滑油添加劑的研究已成為國內(nèi)外關注的焦點之一.目前硫化物顆粒其減磨耐磨性能的研究和應用更是不斷深入和發(fā)展，主要是由于硫化物具有疏松多孔的層片狀結構，有利于存貯潤滑油，因此無論在干摩擦或油潤滑條件下，均具有良好的減摩抗咬合作用；同時由于硫化物中的高空位濃度有利于氧的擴散和氧化膜的形成，從而對避免粘著、膠合并能進一步提高邊界潤滑和耐磨性.[1-2]硫化物中以FeS和MoS2的抗摩耐磨性能的研究應用最為廣泛，而納米ZnS微粒作為潤滑油添加劑，它在摩擦物質(zhì)中間可以隔絕金屬的直接接觸，且和基體材料的結合力較弱，剪切強度較低，因此，它在提高基礎油的減摩耐磨性能方面具有一定的研究價值及應用前景.[3-6]

本研究在礦物油中添加不同質(zhì)量百分數(shù)的ZnS納米粒子，通過在摩擦磨損試驗機上的測試試驗，考察納米ZnS添加量、載荷、轉(zhuǎn)速等實驗參數(shù)對摩擦系數(shù)的影響，探究ZnS納米粒添加到潤滑油中后其減摩抗磨的性能和機制，為實現(xiàn)提高摩擦副摩擦學性能的目的做一個有益的探索.

1 實驗部分

1.1 硫化鋅納米粒子的制備

以硫化鈉和乙酸鋅為原料，通過反相微乳液法合成平均粒徑約為25 nm的ZnS納米粒子.這部分實驗在我們的前期研究工作已有報道.[7]

1.2 硫化鋅納米微粒的減摩性能測試

試驗選用不含任何潤滑添加劑的礦物油作為基礎油，將所合成的ZnS納米粒子作為添加劑添加到基礎油中，使用立式萬能摩擦磨損試驗機測試在不同條件下的摩擦系數(shù)，摩擦系數(shù)隨時間變化的曲線將被自動記錄下來.

在室溫條件和試驗室環(huán)境下，稱取適量的納米ZnS超聲分散(30 min)于基礎油中，形成穩(wěn)定的分散體系，得到納米ZnS質(zhì)量百分數(shù)分別為1.0%、2.0%和3.0%的復合潤滑油樣品.實驗使用濟南試金集團制造的MM-W1立式萬能摩擦磨損試驗機進行，摩擦磨損實驗材料為T10鋼，外徑35 mm，厚度5 mm，實驗測試的摩擦半徑為14 mm.測試時間均為20分鐘，對比分析各個樣品的潤滑分別在載荷一定轉(zhuǎn)速不同和轉(zhuǎn)速一定載荷不同的條件下，其摩擦系數(shù)的變化，并與未添加納米ZnS的礦物油進行比照.

2 結果與討論

在轉(zhuǎn)速相同而載荷不同和載荷相同而轉(zhuǎn)速不同的條件下，探究了潤滑油中納米ZnS添加量對摩擦系數(shù)的影響.

2.1 轉(zhuǎn)速相同、載荷量不同條件下，納米ZnS添加量對摩擦系數(shù)影響

2.1.1 150 rpm條件下摩擦系數(shù)的變化

圖1(a)、(b)和(c)給出了在150rpm的相同轉(zhuǎn)速及載荷分別為50 N、100 N和150 N的條件下，納米ZnS不同添加量的潤滑油其摩擦系數(shù)隨時間的變化關系曲線.圖1的結果顯示：未添加納米ZnS的基礎油在所試驗的時間段內(nèi)摩擦系數(shù)均為最大，此時的曲線振幅最高，波動也較大，而添加了納米ZnS的樣品油其摩擦系數(shù)曲線均有不同程度的降低.究其原因，這是納米ZnS的減摩抗磨作用的結果，由于小尺寸的納米ZnS微粒在壓應力作用下黏附于摩擦表面和沉積于磨損表面微觀缺陷區(qū)域，滲入到摩擦表面的納米ZnS形成一層潤滑膜，起到減摩抗磨作用.[8]

當轉(zhuǎn)速固定為150 rpm時，隨著載荷量與添加量的增加，在測試時間內(nèi)摩擦系數(shù)也都較平穩(wěn)，且摩擦系數(shù)呈現(xiàn)出下降的趨勢.在50 N的最低載荷下，納米ZnS質(zhì)量百分數(shù)為1%的潤滑油可以更好起到減摩的功效，而當載荷增加至150 N時，添加劑的質(zhì)量分數(shù)為3%才能更好起到降低摩擦系數(shù)的作用，顯然，在不同工況中，應從實際出發(fā)在基礎油中添加適量的納米ZnS潤滑劑.

圖1 轉(zhuǎn)速為150 rpm不同載荷下含不同納米ZnS添加量的摩擦系數(shù)隨時間變化

2.1.2 200 rpm條件下摩擦系數(shù)的變化

圖2(a)、(b)和(c)給出了在200 rpm的相同轉(zhuǎn)速和不同載荷下，納米ZnS不同添加量的潤滑油其摩擦系數(shù)隨時間的變化關系曲線.對比圖1、圖2的試驗結果呈現(xiàn)出新的變化趨勢，在200 rpm的轉(zhuǎn)速下，添加了納米ZnS的潤滑油其摩擦系數(shù)與150 rpm的情況相比呈下降趨勢且波動更為平穩(wěn).圖2的結果還顯示，仍然是在載荷較小的情況下，納米ZnS質(zhì)量百分數(shù)為1%、2%的減摩性能較好，摩擦系數(shù)的波動也較小且較平穩(wěn)，隨著載荷的增大，納米ZnS質(zhì)量百分數(shù)為3%的樣品顯現(xiàn)了優(yōu)勢，特別是當載荷為150 N時，納米ZnS含量為3%的樣品其摩擦系數(shù)下降較明顯，起到優(yōu)勢的減摩性能.

圖2 轉(zhuǎn)速為200 rpm不同載荷下含不同納米ZnS添加量的摩擦系數(shù)隨時間變化

2.1.3 250rpm條件下摩擦系數(shù)的變化

在250rpm的相同轉(zhuǎn)速和不同載荷下，不同添加量納米ZnS的潤滑油其摩擦系數(shù)隨試驗時間的變化情況，如圖3所示.由圖3可知，在250 rpm的相同轉(zhuǎn)度及不同載荷下，納米ZnS的含量分別為 1%、2%、3%的樣品以及未添加納米ZnS微粒的基礎油其摩擦系數(shù)的變化總體上仍然呈現(xiàn)前面的規(guī)律.通過對比分析圖3中的摩擦系數(shù)曲線后發(fā)現(xiàn)，在250 rpm的較高轉(zhuǎn)動速度下，摩擦系數(shù)隨載荷增大呈現(xiàn)出先差距明顯后逐漸相當?shù)目傮w趨勢，表明了載荷與納米ZnS添加量對摩擦系數(shù)的影響剛好呈相反態(tài)勢.該轉(zhuǎn)動速度下，摩擦磨損機測試樣品油所得的摩擦曲線其波動隨著載荷的增加而逐漸減小，實驗結果表明，未添加納米ZnS粒子的基礎油其摩擦系數(shù)仍是最高，而納米ZnS添加量為3%的情況突顯出了優(yōu)勢.

圖3 轉(zhuǎn)速為250 rpm不同載荷下含不同納米ZnS添加量的摩擦系數(shù)隨時間變化

2.2 載荷量相同、轉(zhuǎn)速不同條件下，納米ZnS添加量對摩擦系數(shù)影響

2.2.1 50 N載荷條件下摩擦系數(shù)的變化

圖4(a)、(b)和(c)給出了在50 N的相同載荷和不同轉(zhuǎn)速條件下，納米ZnS添加量與摩擦系數(shù)平均值之間的關系.由圖4可知，50 N的載荷下，納米ZnS添加量相同的潤滑油樣品在3個不同滑動速度下其摩擦系數(shù)平均值相差不大，摩擦系數(shù)曲線也都較平穩(wěn)，但均比未添加納米ZnS的基礎油的平均摩擦系數(shù)更小，未添加納米ZnS的基礎油在3個滑動速度下的平均摩擦系數(shù)接近或略高于0.09，其摩擦系數(shù)曲線波動也都較大.

通過對試驗的平均摩擦系數(shù)做進一步的比較后發(fā)現(xiàn)，納米ZnS添加質(zhì)量百分數(shù)為1%、2%和3%時，其摩擦系數(shù)比未添加納米ZnS的情況分別降低了75.62%、73.71%和13%.結果表明，該試驗條件下在基礎油中添加1%和2%納米ZnS的樣品具有較好的減摩效果.分析認為，滑動速度對摩擦系數(shù)的影響除了與摩擦表面是否形成了潤滑膜有關之外，還與摩擦溫度相關，摩擦系數(shù)將隨著滑動力所產(chǎn)生的熱量對潤滑膜、表面層性質(zhì)和摩擦表面的相互作用的影響而發(fā)生變化.[9]

圖4 載荷為50N不同轉(zhuǎn)速下平均摩擦系數(shù)隨納米ZnS添加量的變化關系

2.2.2 100 N載荷的條件下摩擦系數(shù)的變化

在100 N的相同載荷和不同轉(zhuǎn)速下，納米ZnS添加量與摩擦系數(shù)平均值之間的關系示于圖5中.從圖5可以看出，添加了納米ZnS的樣品油和不含納米ZnS的基礎油的摩擦系數(shù)在100 N載荷下的試驗結果與50 N載荷時的情況相比較其變化規(guī)律有所不同.載荷從50 N增加至100 N時，添加了納米ZnS的樣品油其摩擦系數(shù)隨著轉(zhuǎn)速的增加而減小.原因是根據(jù)摩擦學理論，在摩擦副表面處于彈塑性接觸狀態(tài)下，實際接觸面積與載荷之間存在非線性關系，因此摩擦系數(shù)隨載荷增加反而減小.[3]

如圖5所示，未添加納米ZnS的基礎油其平均摩擦系數(shù)均在0.1左右，在200 rpm和250 rpm的較高轉(zhuǎn)速下，添加了納米ZnS的樣品油的平均摩擦系數(shù)降至約0.045，納米ZnS含量為1%和2%時的樣品油其摩擦性能仍為最好，3%納米ZnS添加量的樣品油其平均摩擦系數(shù)略高于1%和2%的情況，但基本相當；與50 N載荷的情況比較而言， 100 N載荷下，3%添加量的摩擦系數(shù)曲線下降，摩擦系數(shù)平均值也降低，而且3%的納米ZnS添加量的樣品油其平均摩擦系數(shù)在100 N載荷下相比50 N載荷時下降了28.5%.實驗結果表明，在較大載荷和較高轉(zhuǎn)速下，納米ZnS添加量對摩擦系數(shù)的影響相對減小，但其減摩性能仍有一定的提高.分析認為，載荷的增加使納米ZnS微粒更容易黏附于摩擦表面和填充摩擦副表面的微坑和損傷部位，起到持續(xù)的減摩抗磨作用.

圖5 載荷為100 N不同轉(zhuǎn)速下平均摩擦系數(shù)隨納米ZnS添加量的變化關系

2.2.3 150 N載荷條件下摩擦系數(shù)的變化

圖6給出了在150 N相同載荷和不同轉(zhuǎn)速下，納米ZnS添加量與摩擦系數(shù)平均值之間的關系結果顯示，進一步增大載荷至150 N時，添加3%納米ZnS的減摩效果在三個轉(zhuǎn)速下均最好，這與載荷為50 N時摩擦系數(shù)情況正好相反.在150 rpm、200 rpm和250 rpm的不同轉(zhuǎn)速下，摩擦系數(shù)隨著納米ZnS添加量的增大而逐漸減小，但未添加納米ZnS的基礎油的摩擦系數(shù)仍是最大.分析認為，這可能是由于摩擦表面的比壓隨著載荷的增加而增大，從而使更多的納米ZnS進入摩擦表面，在載荷正壓力的作用下使其黏附在摩擦表面上，起到了如離子滲硫或電解滲硫等減摩處理技術在摩擦表面形成的硫化鋅潤滑層所起到的減摩抗磨的作用，[6,10]從而使高載荷下的摩擦系數(shù)較之低載荷下的摩擦系數(shù)小，且出現(xiàn)了潤滑油樣品其摩擦系數(shù)隨納米ZnS添加量的相反變化趨勢.

圖6 載荷為150 N不同轉(zhuǎn)速下平均摩擦系數(shù)隨納米ZnS添加量的變化關系

3 結論

在試驗的載荷及轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，添加ZnS納米微粒的基礎油其摩擦系數(shù)都比未添加納米ZnS的要小，其摩擦系數(shù)曲線波動的幅度也更小，進一步對比摩擦系數(shù)曲線及摩擦系數(shù)平均值后發(fā)現(xiàn)，在100 N載荷和200 rpm轉(zhuǎn)速下的摩擦效果最佳.納米ZnS添加量為1%和2%的樣品油在試驗中其減摩效果總體上相對更好，其摩擦系數(shù)曲線的波動也較為平穩(wěn)，但在高載荷和高轉(zhuǎn)速下，納米ZnS添加量為3%的樣品油其摩擦效果顯示出了優(yōu)勢.

實驗研究表明，添加劑納米ZnS在摩擦磨損試驗機中表現(xiàn)出了良好的減摩抗磨性能，在摩擦過程中形成的納米ZnS潤滑膜膜起到了非常重要的作用，可以作為潤滑油減摩添加劑使用.

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[責任編輯 黃招揚]

[責任校對 黃祖賓]

Application of ZnS Nanoparticles in Lubricating Oil to Reduce Friction

RONG Xue-de

(CollegeofPreparatoryEducation,GuangxiUniversityforNationalities,Nanning530008,China)

At room temperature, the tribological properties of ZnS nanoparticles in base oil were evaluated with a MM-W1 friction and wear testing machine. The influence of the addition of ZnS nanoparticles and the test parameters such as loads and rotational velocity on the friction coefficient were investigated, the frictional mechanisms were also discussed. The results indicate that the additive of ZnS nanoparticles can increase the antiwear and friction reducing abilities of lubricating oil in the friction and wear machine tests. It can be concluded that the deposited films formed during friction played an important role. ZnS nanoparticles can be used as friction-reducing coating and friction-reducing additive of lubricating oil.

zinc sulfide nanoparticles; tribological property; lubricating oil additive

2016-10-11.

廣西高校科學技術研究項目(LX2014110).

容學德(1977-)，男，廣西陽朔人，碩士，廣西民族大學預科教育學院講師，研究方向：材料化工研究.

O614.24+1

A

1673-8462(2016)04-0095-06