李 征 周俊龍2 孟凡善2 王文健2 李 揚

(1.青島理工大學(臨沂)機電工程系 山東臨沂 273400；2.西南交通大學摩擦學研究所 四川成都 610031)

減摩抗磨特性是衡量潤滑油的最重要、最基本的性能指標，如何提高潤滑油的減摩抗磨特性是摩擦學工作者一直致力于的研究方向。近些年新興的納米材料在很多方面，尤其是在摩擦特性上展現(xiàn)出了優(yōu)越于傳統(tǒng)材料的特點，為摩擦學研究拓展了新的研究領域。羅金瓊等[1]系統(tǒng)論述了納米潤滑油的研究現(xiàn)狀及在實際應用中所取得的重大效果。阮少軍等[2]對多種納米粒子潤滑機制進行分析，并對潤滑機制的實質(zhì)進行闡述。石琛等人[3]的研究表明，添加有納米WS2粒子的潤滑油液可以有效改善黏著磨損表面形貌，使磨損表面粗糙度降低46.5%，磨損量降低82.3%，并證明納米WS2與基體材料發(fā)生化學反應，在磨損表面形成修復層。羅仁芝等[4]將添加有納米WS2的潤滑油液應用在臺架試驗和行車試驗上，發(fā)現(xiàn)不論在低速和高速、低載和高載情況下，納米WS2添加劑均有良好的節(jié)能減排效果。戴琴等人[5]從WS2的分子結(jié)構(gòu)及成鍵類型角度對其優(yōu)異的潤滑性能進行解釋，認為層狀二維材料WS2層間由較弱的范德華力結(jié)合，在摩擦過程中較低的鍵能極易發(fā)生位移，導致摩擦因數(shù)較低。阮亭剛和WU等[6-7]對鈦基納米潤滑添加劑在SH-T0762-2005標準潤滑油測定工況下進行試驗，表明鈦基納米添加劑的加入可以有效改善潤滑油的抗磨減摩性能，并證明納米TiO2添加劑具有較好的減摩抗磨性能，納米TiN添加劑具有較好的自修復效果。本文作者設計試驗對比研究了納米WS2和納米TiN在基礎油500SN中的減摩抗磨特性。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

采用北京德科島津科技有限公司生產(chǎn)的粒徑為50 nm的納米態(tài)WS2和粒徑為20 nm的納米態(tài)TiN作為抗磨添加劑；選取廣東中海南聯(lián)能源有限公司生產(chǎn)的500SN型潤滑油作為基礎油。

1.2 納米TiN、WS2油樣制備

使用分析天平秤取一定質(zhì)量的納米粒子和油酸，加入到基礎油500SN中，配制油酸質(zhì)量分數(shù)為1.0%，納米粒子質(zhì)量分數(shù)分別為0(基礎油)、0.3%、0.5%、0.7%、1%的WS2和TiN油樣。對油樣進行機械攪拌，并用超聲波清洗儀超聲處理30 min，使油樣中納米粒子分散穩(wěn)定。

1.3 試驗方法

利用MRS-10A型四球摩擦磨損試驗機進行摩擦磨損試驗，試驗鋼球為φ12.7 mm GCr15鋼球，硬度為HRC64～66。將試驗鋼球浸入配制的不同納米粒子含量的油樣中，在載荷392 N、油溫40 ℃、轉(zhuǎn)速600 r/min進行試驗，試驗時間為60 min。試驗過程中，每隔10 s對摩擦因數(shù)進行采樣。試驗后使用無水乙醇超聲清洗鋼球并干燥，使用激光共聚焦顯微鏡(LSCM OLS1100，Japan)觀察磨斑表面形貌，并對試驗鋼球的磨斑直徑進行測量。每個油樣重復試驗3次，取平均值。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 納米TiN、WS2含量對潤滑性能的影響

對不同納米TiN、WS2含量下摩擦因數(shù)試驗數(shù)據(jù)進行處理后，得出的平均摩擦因數(shù)如圖1所示?？梢钥闯觯夯A油油樣(納米添加劑質(zhì)量分數(shù)為0)的摩擦因數(shù)值最大；隨著納米添加劑質(zhì)量分數(shù)的增加，油樣的摩擦因數(shù)均開始下降，并均在質(zhì)量分數(shù)為0.3%時達到最低值，而含納米TiN油樣的摩擦因數(shù)要低于含納米WS2油樣；隨著納米添加劑質(zhì)量分數(shù)的繼續(xù)增大，油樣的摩擦因數(shù)又開始逐漸上升。相比基礎油，納米TiN添加劑可使摩擦因數(shù)降低5%～8%，納米WS2添加劑可使摩擦因數(shù)降低2%～3%，即納米TiN添加劑的減摩性能相比納米WS2添加劑提高了3%～5%。

圖1 不同質(zhì)量分數(shù)下納米油樣的摩擦因數(shù)

對試驗后鋼球的磨斑直徑進行測量，得到的磨斑直徑隨納米粒子質(zhì)量分數(shù)的關(guān)系曲線如圖2所示?？梢钥闯觯耗グ咧睆诫S納米粒子質(zhì)量分數(shù)的增加先降低后升高，2種納米粒子均在質(zhì)量分數(shù)為0.3%時磨斑直徑最小。磨斑直徑隨添加劑質(zhì)量分數(shù)的變化趨勢與摩擦因數(shù)的變化趨勢相一致。

圖2 不同質(zhì)量分數(shù)下納米油樣潤滑下的鋼球磨斑直徑

在基礎油中試驗的鋼球的磨斑直徑最大，達到0.54 mm；隨納米粒子質(zhì)量分數(shù)增加，磨斑直徑迅速減小，到達0.3%質(zhì)量分數(shù)時均降至最低值，且納米TiN對應的鋼球磨斑直徑只有0.375 mm，小于納米WS2對應的最小磨斑直徑0.425 mm；之后隨著納米粒子質(zhì)量分數(shù)繼續(xù)增加，磨斑直徑開始緩慢變大。相比基礎油，含納米TiN潤滑油潤滑下的磨斑直徑下降了26%～32%，含納米WS2潤滑油潤滑下的磨斑直徑下降了19%～22%，即納米TiN添加劑相比納米WS2添加劑，可使鋼球磨斑直徑降低10%～14%。

2.2 磨斑表面形貌

在試驗后利用激光共聚焦電子顯微鏡觀測磨斑的二維形貌和三維形貌，得到在基礎油潤滑下鋼球磨斑形貌如圖3所示，圖中的深色代表溝槽，亮色代表突起。從圖3(a)中可以看出磨斑形貌較大，磨斑中間區(qū)域存在大面積劃痕，左右兩邊主要是壓痕。從圖3(b)中可以看出中心區(qū)域的犁溝和突起相間分布，極不均勻。從圖3(c)中可以看出犁溝和突起的三維形貌，是典型的磨粒磨損，原因是試驗過程中磨屑無法及時排出劃傷摩擦副表面，同時增大了摩擦阻力使摩擦因數(shù)變大。

對不同質(zhì)量分數(shù)納米TiN潤滑油潤滑下的磨斑形貌進行觀測，結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯觯杭{米TiN質(zhì)量分數(shù)為0.3%時磨斑直徑具有最小值，隨著納米TiN質(zhì)量分數(shù)的升高，磨斑略微變大；納米TiN質(zhì)量分數(shù)為0.3%時，磨痕在整個磨斑上均勻分布，整個磨斑展現(xiàn)出深色的溝槽，極少有亮色的突起；而在其他質(zhì)量分數(shù)下的磨斑，都不同比例地存在成片的深色溝槽和亮色突起。

圖4 不同質(zhì)量分數(shù)納米TiN潤滑油潤滑下的鋼球二維磨斑形貌

對圖4中的方框部分進行放大，得到的三維形貌如圖5所示。從圖5(a)中可以看出，納米TiN質(zhì)量分數(shù)為0.3%時，整個磨斑表面出現(xiàn)均勻的剝落，且深度較小，沒有出現(xiàn)基礎油潤滑下磨斑上明顯存在的犁溝，只有極少數(shù)區(qū)域存在未剝離掉的材料成條狀突起在磨斑中，是明顯的黏著磨損。這說明納米TiN在摩擦副之間起到了類球軸承[10]的減摩作用，既能使兩接觸面充分接觸，又能夠?qū)⒛バ佳杆倥懦粫蝹Σ粮北砻妗D5(b)和(c)中，既有成片的剝落，又有較小的凹坑存在，還有一些犁溝存在，說明在納米TiN質(zhì)量分數(shù)為0.5%～0.7%時，不僅有黏著磨損，還出現(xiàn)了磨料磨損，可能的原因是納米TiN含量過大后，納米顆粒因較高的表面能容易團聚成塊，從而對摩擦副表面造成點蝕和刮傷，破壞表面油膜。從圖5(d)中可看出，當納米TiN質(zhì)量分數(shù)達到1%后，磨斑的剝落已經(jīng)很少，而出現(xiàn)了大量的犁溝，很可能是高含量的納米顆粒發(fā)生團聚，導致了不穩(wěn)定的摩擦[12-13]。

圖5 不同質(zhì)量分數(shù)納米TiN潤滑油潤滑下的鋼球磨斑中心三維形貌

同樣對不同質(zhì)量分數(shù)納米WS2潤滑油潤滑下的鋼球磨斑形貌進行觀測，結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯觯合啾然A油潤滑下的鋼球磨斑，在納米WS2潤滑油潤滑下的磨斑直徑減小較多；但是隨著納米WS2質(zhì)量分數(shù)從0.3%到1%的升高，磨斑直徑的變化不明顯。圖6所示的4幅磨斑二維形貌中均有大量的磨痕和片狀的剝落存在，極少數(shù)邊緣區(qū)域僅有壓痕出現(xiàn)，比基礎油潤滑下的磨損要輕，但是整個磨痕的分布情況并不均勻，全部都是中心區(qū)域的深色更多，而邊緣區(qū)域只是條帶狀的深色和亮色間隔出現(xiàn)。原因是中心區(qū)域應力最大，隨著向磨斑的外圍趨近，應力逐漸減小。

圖6 不同質(zhì)量分數(shù)納米WS2潤滑油潤滑下的鋼球二維磨斑形貌

對圖6中的方框部分進行放大，得到的三維形貌如圖7所示?？梢钥闯?，磨斑中心區(qū)域均具有大量的犁溝、突起和片狀的剝落，形態(tài)基本相似。這說明在納米WS2潤滑油潤滑下的摩擦磨損試驗中，既有黏著磨損，還有磨料磨損[14]，整體呈現(xiàn)出磨料磨損多于黏著磨損?？赡艿脑蚴羌{米態(tài)WS2在摩擦副中可以有效地減少摩擦副的直接接觸產(chǎn)生的黏著作用[15]，但是由于其存在一定程度的積聚作用，積聚在一起的較大尺寸的WS2顆粒和未及時排出的磨屑在外力作用下刮傷了摩擦副表面，使得片狀的剝落和磨粒犁溝共存。但是相比基礎油潤滑下的磨斑，磨損有所減輕，而與不同質(zhì)量分數(shù)納米TiN潤滑油潤滑下的磨斑相比，磨損仍較嚴重。

圖7 不同質(zhì)量分數(shù)納米WS2潤滑油潤滑下的鋼球磨斑中心三維形貌

3 結(jié)論

(1)在500SN基礎油中添加納米TiN和納米WS2均能夠在一定程度上提高其減摩抗磨特性，其中納米TiN的性能更為突出。

(2)隨著納米TiN質(zhì)量分數(shù)的增加，油樣的減摩抗磨特性先提高后降低，在大約0.3%質(zhì)量分數(shù)時減摩抗磨特性達到峰值，此時與基礎油相比，摩擦因數(shù)降低8%，磨斑直徑減小32%。納米TiN潤滑油潤滑下的主要磨損為黏著磨損。

(3)隨著納米WS2質(zhì)量分數(shù)的增加，油樣的減摩抗磨特性先降低后基本保持不變，與基礎油相比，最高能使摩擦因數(shù)降低超過3%，磨斑直徑下降22%。納米WS2潤滑油潤滑下的磨損類型為黏著磨損與磨粒磨損共存。