吳 帆,王丙旭,胡 明,楊金林,胡子瑞,崔威威,張 宇
(浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院,杭州 310018)
隨著納米技術(shù)的快速發(fā)展,納米材料在摩擦學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景越來越廣闊[1-2]。其中,高性能納米潤滑油(添加一定量納米顆粒的潤滑油)的相關(guān)研究得到了廣泛關(guān)注,納米顆粒的添加顯著提高了傳統(tǒng)潤滑油的摩擦學(xué)性能。常用的納米顆粒材料包括銅、銀等軟金屬,ZnO、ZrO2等氧化物,WS2、MoS2等硫化物,LaF3、CeO2等稀土化合物,以及Cu/SiO2、Al2O3/TiO2等納米復(fù)合材料[3-12]。通過對(duì)納米潤滑油摩擦學(xué)特性的研究和分析,發(fā)現(xiàn)其減摩抗磨機(jī)理包括納米顆粒的軸承效應(yīng)、表面修補(bǔ)作用、表面拋光效應(yīng)以及形成物理吸附層和化學(xué)反應(yīng)膜等[13-17]。
近年來,納米SnO2顆粒已經(jīng)被證實(shí)能夠有效提高潤滑油/基礎(chǔ)油的減摩抗磨能力[18-19]。但是當(dāng)前納米SnO2潤滑油(添加納米SnO2顆粒的潤滑油)摩擦學(xué)性能測(cè)試所使用的摩擦副大多是鋼-鋼或鋼-鑄鐵,而硬度相差較大的摩擦副如鋼軸與黃銅軸瓦同樣需要高性能潤滑油以降低接觸面的摩擦因數(shù)和磨損量,但這方面的研究很少。為此,作者將等質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米SnO2顆粒和油酸加入到聚α-烯烴(PAO6)基礎(chǔ)油中制備了納米潤滑油,通過往復(fù)滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)研究了納米SnO2潤滑油在鋼球-黃銅塊摩擦副中的摩擦學(xué)性能,并探討了納米SnO2顆粒作為潤滑油添加劑的減摩抗磨機(jī)理,為納米潤滑油的深入研究和實(shí)際應(yīng)用提供理論和試驗(yàn)基礎(chǔ)。
試驗(yàn)用納米SnO2顆粒由上海超威納米科技有限公司提供,粒徑在10~20 nm,密度為0.63 g·cm-3,純度為99.99%,比表面積在80 m2·g-1,微觀形貌見圖1,形狀近球形;PAO6基礎(chǔ)油由上海七惜國際貿(mào)易公司提供,20 ℃下運(yùn)動(dòng)黏度為55.4 mm2·s-1,密度為827 kg·m-3;油酸由安徽芃遠(yuǎn)生物科技有限公司提供,純度為98%,摩爾質(zhì)量為284.62 g·mol-1。
圖1 納米SnO2顆粒的微觀形貌Fig.1 Micromorphology of SnO2 nanoparticles
按照表1稱取原料,納米SnO2潤滑油中油酸與納米SnO2顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)保持一致。將納米SnO2顆粒和油酸加入到PAO6基礎(chǔ)油中,使用超聲波清洗機(jī)進(jìn)行預(yù)分散處理,功率50 W,頻率40 kHz,時(shí)間5 min,再使用SM-1000C型超聲波分散儀進(jìn)行強(qiáng)分散處理,功率400 W,時(shí)間15 min,一個(gè)強(qiáng)分散處理周期包括混合2 s和停止4 s。
表1 潤滑油原料配比
如圖2所示,使用MXW-1型多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行球-盤往復(fù)滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)。摩擦副上試樣為GCr15鋼球,直徑為6 mm,硬度為65 HRC,表面粗糙度Ra為10 nm;下試樣為H59黃銅塊,尺寸為30 mm×20 mm×6 mm,硬度為56 HRB,表面粗糙度Ra在100~200 nm。試驗(yàn)中黃銅塊完全浸沒在潤滑油中,潤滑油包括PAO6基礎(chǔ)油、僅添加油酸制備的潤滑油、同時(shí)添加油酸和納米SnO2顆粒制備的納米潤滑油。試驗(yàn)前后均使用丙酮清洗黃銅塊磨損表面。使用JB-5C型探針式表面輪廓儀測(cè)試黃銅磨損表面磨痕的寬度和深度。使用S-4800型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察磨損表面形貌,使用附帶的X-Max20型能譜儀(EDS)分析微區(qū)成分。
圖2 球-盤往復(fù)滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)示意Fig.2 Diagram of ball-on-plate reciprocating sliding wear test
由圖3和圖4可以看出:當(dāng)使用PAO6基礎(chǔ)油潤滑時(shí),鋼-銅摩擦副的摩擦因數(shù)曲線波動(dòng)較大,可能是由于黃銅表面發(fā)生劇烈塑性變形、材料剝落和材料轉(zhuǎn)移而導(dǎo)致的[20-21],穩(wěn)定后的平均摩擦因數(shù)約為0.332。當(dāng)使用1#,3#,5#潤滑油潤滑時(shí),鋼-銅摩擦副的摩擦因數(shù)曲線波動(dòng)減小,穩(wěn)定后的平均摩擦因數(shù)明顯降低,降幅最大出現(xiàn)在油酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí),降低約29.8%;但是油酸的減摩效果與其含量不成正比。在其他相關(guān)研究中也同樣發(fā)現(xiàn)油酸具有優(yōu)良的減摩性能[22-24]。當(dāng)使用2#,4#,6#潤滑油潤滑時(shí),摩擦副的平均摩擦因數(shù)明顯低于使用PAO6基礎(chǔ)油潤滑時(shí);使用添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%納米SnO2顆粒的2#潤滑油潤滑時(shí),摩擦副的平均摩擦因數(shù)高于使用未添加納米SnO2顆粒的1#潤滑油潤滑時(shí),這可能是因?yàn)榧{米SnO2顆粒的加入促使摩擦副表面發(fā)生三體磨粒磨損,所產(chǎn)生的負(fù)面影響高于納米顆粒的減摩作用[25];當(dāng)納米SnO2顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增至2%,3%時(shí),摩擦副的平均摩擦因數(shù)低于使用未添加納米SnO2顆粒的3#,5#潤滑油潤滑時(shí)。
圖3 在不同潤滑油中往復(fù)滑動(dòng)時(shí)鋼-銅摩擦副的摩擦因數(shù)曲線Fig.3 Friction coefficient curves of steel-brass tribo-pairs during reciprocating sliding in various lubricating oils:(a) 1# and 2# lubricating oils; (b) 3# and 4# lubricating oils and (c) 5# and 6# lubricating oils
圖4 在不同潤滑油中往復(fù)滑動(dòng)時(shí)鋼-銅摩擦副的平均摩擦因數(shù)Fig.4 Average friction coefficients of steel-brass tribo-pairs during reciprocating sliding in various lubricating oils
由圖5可以看出:當(dāng)使用PAO6基礎(chǔ)油潤滑時(shí),黃銅表面磨痕寬度和深度最大,分別為630.3,34.7 μm,在基礎(chǔ)油中加入油酸(1#,3#,5#潤滑油)或同時(shí)加入等質(zhì)量分?jǐn)?shù)油酸和納米SnO2顆粒(2#,4#,6#潤滑油)后,黃銅表面磨痕寬度和磨痕深度均明顯減?。划?dāng)使用含質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%納米SnO2顆粒的2#潤滑油潤滑時(shí),黃銅表面的磨痕寬度和深度與使用不含納米SnO2顆粒的1#潤滑油潤滑時(shí)相近,當(dāng)納米SnO2顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)提升到2%,3%時(shí),黃銅表面的磨痕寬度和深度小于對(duì)應(yīng)未添加納米SnO2顆粒的3#,5#潤滑油潤滑時(shí)。這是因?yàn)橛捕认鄬?duì)較大的納米SnO2顆粒在黃銅表面形成了保護(hù)層,阻礙了鋼-銅摩擦副的直接接觸。
圖5 在不同潤滑油中往復(fù)滑動(dòng)后黃銅表面磨痕寬度和深度Fig.5 Wear scar width (a) and depth (b) on brass surface after reciprocating sliding in various lubricating oils
由圖6可以看出:當(dāng)使用PAO6基礎(chǔ)油潤滑時(shí),黃銅表面磨痕內(nèi)部存在大量較深且較寬的劃痕,劃痕平行于滑動(dòng)方向,同時(shí)存在明顯的材料剝落和轉(zhuǎn)移現(xiàn)象;使用4#潤滑油潤滑時(shí),黃銅表面的磨痕寬度減小,磨痕內(nèi)部犁溝數(shù)量減少,沒有發(fā)現(xiàn)明顯的材料剝落和轉(zhuǎn)移現(xiàn)象,但是劃痕內(nèi)部出現(xiàn)白色小顆粒和黑色塊狀物質(zhì)。由表2可以看出,在使用4#潤滑油潤滑條件下,黃銅磨痕內(nèi)出現(xiàn)的白色顆粒為SnO2顆粒,黑色塊狀物質(zhì)主要由碳元素組成,應(yīng)是試驗(yàn)過程中產(chǎn)生的油酸潤滑膜。磨痕內(nèi)部的SnO2顆粒尺寸大于原料納米SnO2顆粒,可能是因?yàn)榧{米顆粒在摩擦副表面的擠壓作用下發(fā)生了團(tuán)聚。
圖6 在不同潤滑油中往復(fù)滑動(dòng)后黃銅表面磨痕SEM形貌Fig.6 SEM morphology of wear scar on brass surface after reciprocating sliding in different lubricating oils: (a) 0# lubricating oil, at low magnification; (b) 0# lubricating oil, at high magnification; (c) 4# lubricating oil, at low magnification and (d) 4# lubricating oil, at high magnification
表2 在4#潤滑油中往復(fù)滑動(dòng)后黃銅表面不同位置[見圖6(d)]的EDS分析結(jié)果
由摩擦因數(shù)和磨痕尺寸判斷,4#潤滑油(基礎(chǔ)油+質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%油酸+質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%納米SnO2顆粒)具有最佳的減摩抗磨性能,相比于PAO6基礎(chǔ)油,摩擦因數(shù)降低31%,黃銅表面磨痕寬度和深度分別降低42%,50%,同時(shí)摩擦因數(shù)曲線的波動(dòng)明顯減小。在球-盤往復(fù)滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)中,納米潤滑油中的油酸會(huì)在黃銅表面形成低剪切阻力的潤滑膜,從而降低摩擦因數(shù)和磨損量;同時(shí),納米SnO2顆粒會(huì)隨基礎(chǔ)油進(jìn)入到鋼球與黃銅塊接觸表面,其中部分納米顆粒會(huì)隨鋼球一同運(yùn)動(dòng)并堆積于鋼球前端,隨后在外力作用下壓入黃銅表面形成保護(hù)層,分離鋼-銅摩擦副接觸表面,如圖7所示,進(jìn)一步降低摩擦因數(shù)和磨損程度。
圖7 納米SnO2顆粒的減摩抗磨機(jī)理Fig.7 Frictional reduction and anti-wear mechanism ofSnO2 nanoparticles
(1) 使用PAO6基礎(chǔ)油潤滑時(shí),鋼球-黃銅塊摩擦副的摩擦因數(shù)曲線波動(dòng)較大,平均摩擦因數(shù)約為0.332,黃銅表面磨痕寬度和深度最大;使用非納米潤滑油(PAO6基礎(chǔ)油+質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%~3%油酸)潤滑時(shí),摩擦副的摩擦因數(shù)曲線波動(dòng)減小,平均摩擦因數(shù)以及黃銅表面磨痕寬度和深度均降低;使用納米SnO2潤滑油(PAO6基礎(chǔ)油+質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%~3%油酸+質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%~3%納米SnO2顆粒)潤滑時(shí),當(dāng)納米SnO2顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不低于2%時(shí),摩擦副的平均摩擦因數(shù)、黃銅表面磨痕寬度和深度均低于使用對(duì)應(yīng)未添加納米SnO2顆粒的潤滑油潤滑時(shí)。
(2) 當(dāng)油酸和納米SnO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為2%時(shí),納米潤滑油具有最佳的減摩抗磨性能,相比于PAO6基礎(chǔ)油,摩擦副的摩擦因數(shù)降低31%,黃銅表面磨痕寬度和深度分別降低42%,50%,同時(shí)摩擦因數(shù)曲線的波動(dòng)明顯減小;納米SnO2潤滑油優(yōu)異的減摩抗磨性能歸結(jié)于油酸形成的低剪切阻力的潤滑膜和納米SnO2顆粒形成的保護(hù)層。