劉李繁星 盛晨興 饒 響

（1.武漢理工大學(xué)船海與能源動力工程學(xué)院 湖北武漢 430063；2.武漢理工大學(xué)水路交通控制全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖北武漢 430063；3.國家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心，可靠性工程研究所 湖北武漢 430063）

船舶運(yùn)輸已成為國際貿(mào)易的主要方式，我國90%以上的國際貿(mào)易都是依靠水路運(yùn)輸完成的［1］。船舶柴油機(jī)作為船舶的主要動力源在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，其運(yùn)行狀態(tài)決定著船舶能否高效可靠運(yùn)行。缸套－活塞環(huán)（Cylinder Liner－Piston Ring，CLPR）是保證船舶柴油機(jī)可靠性的最重要的組件之一，其能源消耗占總消耗的很大一部分［2］。因此，應(yīng)采取合適的解決方法，改善CLPR 在摩擦過程在產(chǎn)生的額外能源消耗，提高CLPR 的可靠性。CLPR 等機(jī)械部件的減摩抗磨研究表明，使用優(yōu)質(zhì)潤滑油優(yōu)化機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的潤滑效果，是提高其摩擦學(xué)性能的有效方式之一［3］。

近年來，隨著人們環(huán)境保護(hù)意識的增強(qiáng)和納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，綠色、低污染和優(yōu)良潤滑性能的潤滑油添加劑成為新的研究發(fā)展趨勢。SHEN 等［4］基于電解微紋理和電化學(xué)沉積方法，將填充固體潤滑劑的微凹坑分別應(yīng)用于CLPR 表面，結(jié)果表明，在不同強(qiáng)化載荷和溫度下，CLPR 的雙面織構(gòu)設(shè)計表現(xiàn)出比非凹陷CLPR 更低的摩擦因數(shù)和磨損深度；試驗(yàn)過程中固體潤滑劑從雙面紋理中釋放出來，在滑動表面上形成了可相互轉(zhuǎn)移的固體潤滑劑膜。侯獻(xiàn)軍等［5］以5W－30潤滑油為基礎(chǔ)油，制備了質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的Al2O3／TiO2納米添加劑并進(jìn)行缸套－活塞環(huán)摩擦學(xué)試驗(yàn)，結(jié)果表明，潤滑油中加入Al2O3／TiO2納米添加劑后，明顯改善了缸套－活塞環(huán)摩擦副的摩擦學(xué)性能，摩擦因數(shù)和活塞環(huán)磨損率顯著下降，摩擦因數(shù)最大下降50.6%，平均下降42%，活塞環(huán)磨損率最大下降34.8%，平均下降27.2%；活塞環(huán)的表面微觀形貌也得到明顯改善，磨損表面得到修復(fù)，劃痕顯著減少；在轉(zhuǎn)速為4 400 r／min 時隨著負(fù)荷逐漸增大，發(fā)動機(jī)臺架實(shí)驗(yàn)輸出功率最高提升24.2%，低負(fù)荷功率增幅顯著，高負(fù)荷范圍內(nèi)功率平均提升3.3%，動力性能也得到提升。YIN 等［6］將納米銅顆粒加入到潤滑油中以探究納米銅潤滑油添加劑含量對缸套－活塞環(huán)摩擦學(xué)性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，添加劑的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%；此外在摩擦過程中，銅納米顆粒在磨損表面上的沉積有助于修補(bǔ)層的形成。

六方氮化 硼（Hexagonal boron nitride，簡 稱：h－BN）是一種與二維石墨烯相似的納米材料，因?yàn)槠鋬?yōu)良的熱穩(wěn)定性、良好的導(dǎo)熱性、高抗氧化性、耐髙溫性以及良好的機(jī)械強(qiáng)度等，在摩擦學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注［7］。CHEN 等［8］在球－盤摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上研究了微米h－BN 和納米h－BN 作為潤滑添加劑對5CB 液晶潤滑性能的影響，通過鋼／鋼摩擦副摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，納米h－BN 比微米h－BN 具有更優(yōu)良的潤滑效果；當(dāng)納米h－BN 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%時，與純5CB 相比，摩擦因數(shù)和磨痕直徑分別降低了15.5%和33.8%；拉曼光譜分析表明，納米h－BN 進(jìn)入了滑動界面，在磨損表面形成了低剪切阻力的保護(hù)層。MENG 等［9］采用一種新的水熱包覆方法制備了BN 包覆碳層（BN＠ C），采用油酸（OA）作為表面活性劑對BN＠C 進(jìn)行了改性，并在MRS－10A 四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了摩擦磨損試驗(yàn)。結(jié)果表明，由于BN＠C－OA 穩(wěn)定的分散性、超小的粒徑和表面碳層，BN＠C 的潤滑性能得到了顯著改善，使其可以進(jìn)入摩擦副的界面，同時層間滑移的發(fā)生也提高了復(fù)合材料的抗磨減摩性能。然而現(xiàn)有文獻(xiàn)中使用納米h－BN添加劑應(yīng)用于船舶柴油機(jī)缸套－活塞環(huán)摩擦磨損研究較少。同時基于“雙碳” 戰(zhàn)略和海洋環(huán)境保護(hù)背景下，使用不含S、P 等元素的納米添加劑材料，可減少潛在的環(huán)境污染，帶來更好的生態(tài)效益［10－11］。

本文作者選用納米h－BN 作為潤滑油添加劑，并用油酸進(jìn)行表面修飾，使其在基礎(chǔ)油中具有較好的分散穩(wěn)定性，同時包覆在表面的油酸長鏈可使納米添加劑在往復(fù)摩擦過程中更好地吸附在摩擦副表面。以含納米h－BN 添加劑潤滑油為潤滑介質(zhì)，在R－tec 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上對缸套－活塞環(huán)試樣進(jìn)行往復(fù)摩擦學(xué)試驗(yàn)，從摩擦因數(shù)、磨損量和缸套試樣表面微觀形貌、元素及輪廓參數(shù)深入分析納米h－BN 添加劑對缸套－活塞環(huán)摩擦學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)材料及設(shè)計

1.1 改性納米h－BN 潤滑油添加劑制備

試驗(yàn)選用油酸作為表面修飾劑對納米h－BN 進(jìn)行改性。油酸具有長鏈結(jié)構(gòu)，在改性制備過程中可以通過吸附作用包裹在納米顆粒表面，提高了納米顆粒的油溶性，而且起到空間位阻作用，增強(qiáng)了納米顆粒之間的排斥力，防止團(tuán)聚，從而提高了納米顆粒在潤滑油中的分散穩(wěn)定性。

將2 g 納米h－BN 顆粒（99.9%，上海超威納米科技有限公司生產(chǎn)）加入200 mL 無水乙醇（AR，國藥化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)）中，人工攪拌10 min，然后在室溫下超聲分散；加入適量油酸溶液（AR，上海阿拉丁生化科技股份有限公司生產(chǎn)），磁力攪拌10 h，超聲分散30 min，再倒入離心管中，在2 000 r／min轉(zhuǎn)速下離心10 min；除去離心管上部的清液，保留離心管底部的沉淀；向沉淀物中加入無水乙醇，磁力攪拌沉淀物，直至沉淀物均勻分散在溶液中；將所得溶液在超聲分散儀中分散10 min，然后離心10 min 以除去上層離心液，然后將沉淀在干燥箱中在80℃溫度下干燥10 h，得到油酸改性納米h－BN 顆粒［6］。

試驗(yàn)用基礎(chǔ)油為PAO 10 基礎(chǔ)油，其理化性質(zhì)見表1。將制備的改性納米顆粒加入到PAO 10 基礎(chǔ)油中，磁力攪拌1 h，然后超聲分散30 min，得到納米h－BN 潤滑油。文中分別制備了0.05%、0.25%、0.5%和1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米h－BN 潤滑油。

表1 PAO 10 基礎(chǔ)油理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of PAO 10 base oils

1.2 缸套－活塞環(huán)試樣制備

缸套試樣選用船舶柴油機(jī)缸套－活塞環(huán)常用材料QT500－7 鑄鐵，活塞環(huán)試樣選用HT3000 鑄鐵，材料詳細(xì)元素組成見表2。將缸套試樣加工成尺寸為?38.1 mm×8 mm 的圓盤試樣，用砂紙打磨至摩擦表面粗糙度Ra約為0.8 μm。將活塞環(huán)試樣加工成尺寸為?6.36 mm、長度為16 mm 的圓柱體銷試樣。

表2 缸套－活塞環(huán)材料元素配比Table 2 Material element ratio of cylinder liner－piston ring

1.3 試驗(yàn)方法及分組

缸套－活塞環(huán)試樣的往復(fù)摩擦試驗(yàn)在R－tec 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)（MFT－5000，R－tec 儀器有限公司，美國）上進(jìn)行。試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)過程示意圖見圖1 和圖2。

圖1 R－tec 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)Fig.1 R－tec friction and wear testing machine

圖2 實(shí)驗(yàn)過程示意Fig.2 Schematic of the experimental process

試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，分為試驗(yàn)組、對照組。試驗(yàn)組是不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米h－BN 潤滑油（PAO 10 基礎(chǔ)油＋h－BN 納米顆粒），對照組是PAO 10 基礎(chǔ)油。載荷為30 N（0.94 MPa）和50 N（1.57 MPa），往復(fù)頻率為3 Hz，對應(yīng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速180 r／min。試驗(yàn)時，活塞環(huán)銷試樣由夾具固定不動，缸套盤試樣固定在底座上，隨底座往復(fù)運(yùn)動。

測試前，所有CLPR 試樣均用無水乙醇清洗。將CLPR 試樣裝入R－tec 摩擦試驗(yàn)機(jī)上，然后將制備的納米h－BN 潤滑油施加到CLPR 上。設(shè)定預(yù)加載載荷值、預(yù)加載時長、試驗(yàn)載荷值、試驗(yàn)時長及頻率等工況參數(shù)后，開始試驗(yàn)測試。在測試過程中，觀察載荷和摩擦因數(shù)變化趨勢。往復(fù)試驗(yàn)完成后，停機(jī)，取下缸套試樣，用無水乙醇再次清洗后進(jìn)行測量。

1.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集及處理

摩擦因數(shù)由R－tec 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)傳感器自動采集，采集頻率為0.01 s／次；磨損量使用VK－X3000（Keyence，Japan）激光共聚焦顯微鏡測量；使用Tescan 公司的VEGA 3 XMU 掃描電鏡及配套的EDS（Oxford，UK）觀測磨損區(qū)域形貌及進(jìn)行磨損元素分析；利用三維表面輪廓儀（華中科技大學(xué)生產(chǎn)）測量缸套試樣的磨損表面形貌，輪廓儀三維表面形貌采樣范圍為0.8 mm×0.8 mm，每個缸套采集3 個樣點(diǎn)并取平均值獲得三維形貌參數(shù)，包括表面均方根偏差Sq、最大高度Sz、偏斜度Ssk以及谷區(qū)液體滯留指數(shù)Svi等［12］。

2 摩擦學(xué)試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 摩擦因數(shù)分析

摩擦因數(shù)是評價納米h－BN 添加劑減摩效果的最佳表征參數(shù)。圖3 和圖4 分別示出了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米h－BN 潤滑油在30 和50 N 載荷下的摩擦因數(shù)曲線和平均摩擦因數(shù)。

圖3 30 N 載荷下不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米h－BN 潤滑油摩擦因數(shù)變化Fig.3 Changes of friction coefficient of the lubricating oils with different mass fraction of h－BN under 30 N load：（a）friction coefficient curves；（b）average friction coefficient

圖4 50 N 載荷下不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米h－BN 潤滑油摩擦因數(shù)變化Fig.4 Changes of friction coefficient of the lubricating oils with different mass fraction of h－BN under 50 N load：（a）friction coefficient curves；（b）average friction coefficient

從圖3（a）可以看出，在測試載荷加載階段，基礎(chǔ)油的摩擦因數(shù)隨著載荷的逐漸增大到工況設(shè)定值期間會出現(xiàn)一個峰值，這可能是因?yàn)樵谠囼?yàn)初期未形成穩(wěn)定油膜，同時伴隨著磨粒生成，都會造成摩擦因數(shù)急劇增大。而在磨合期結(jié)束進(jìn)入定載階段，在缸套試樣的摩擦接觸面形成了摩擦保護(hù)膜，避免了摩擦副的直接接觸，從而降低了摩擦因數(shù)且摩擦因數(shù)保持相對穩(wěn)定。在定載階段，加入納米添加劑的潤滑油的摩擦因數(shù)均低于基礎(chǔ)油，不同納米h－BN 顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的減摩效果不同。在30 N 載荷下，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%、0.25%、0.5%和1%的納米h－BN 添加劑摩擦因數(shù)分別降低了4.27%、13.68%、9.4% 和5.13%。這表明相比于基礎(chǔ)油，納米h－BN 顆粒作為潤滑油添加劑可以有效降低摩擦因數(shù)，且隨著納米h－BN添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，其平均摩擦因數(shù)呈現(xiàn)先減小再增大的變化趨勢。這是因?yàn)楫?dāng)納米h－BN 質(zhì)量分?jǐn)?shù)過小時，納米h－BN 顆粒對摩擦副的保護(hù)作用不足；而當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)過大時，顆粒之間的距離會變得很短，這就容易在摩擦副表面發(fā)生團(tuán)聚，從而將油路堵住，使得潤滑油不能順暢進(jìn)入摩擦接觸面形成保護(hù)膜，同時團(tuán)聚的添加劑顆粒還會以磨粒的形式存在于摩擦副中，進(jìn)一步加大了缸套－活塞環(huán)的磨損。

載荷條件對缸套－活塞環(huán)的摩擦因數(shù)也有影響。如圖4（a）所示，在50 N 載荷下，試驗(yàn)初期的磨合時間更久，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%、0.25%、0.5%和1%的納米h－BN 添加劑摩擦因數(shù)分別降低了14.52%、33.87%、17.74%和11.29%。當(dāng)載荷增大后，基礎(chǔ)油摩擦因數(shù)增大，而加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%、0.5%和1%的納米h－BN 添加劑后摩擦因數(shù)變化穩(wěn)定，說明在潤滑油中加入添加劑可以使得摩擦因數(shù)相對穩(wěn)定。當(dāng)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.25%的納米h－BN 添加劑時，摩擦因數(shù)達(dá)到最小，可以認(rèn)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.25%為該工況下的最佳添加量。造成這種現(xiàn)象的原因可能是在30 N 載荷下，缸套－活塞環(huán)試件摩擦副接觸面油膜較厚，此時起到減摩作用的是摩擦接觸面之間形成的潤滑油膜，使納米添加劑參與摩擦接觸面的概率減少，僅起到輔助減摩作用。在50 N 載荷下，摩擦接觸面潤滑油膜變薄，納米添加劑在外力作用下，擠壓吸附在缸套－活塞環(huán)試件的表面生成摩擦保護(hù)膜，從而降低了摩擦因數(shù)［13］。同時0.25%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米h－BN顆粒分散性較好，可以充當(dāng)球軸承，起到“微球” 效應(yīng)以達(dá)到減摩的效果。

2.2 磨損量分析

通過激光共聚焦顯微鏡（LSCM）測量缸套試樣磨損體積來評價納米h－BN 添加劑的抗磨性能。圖5和圖6 分別示出了30 和50 N 載荷下缸套試樣的磨損體積。

圖5 30 N 載荷下不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米h－BN 潤滑油潤滑下缸套試樣磨損體積Fig.5 Wear volume of liner specimenlubricated by the lubricating oils with different mass fraction of h－BN under 30 N load

圖6 50 N 載荷下不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米h－BN 潤滑油潤滑下缸套試樣磨損體積Fig.6 Wear volume of cylinder liner specimen lubricated by the lubricating oils with different mass fraction of h－BN under 50 N load

從圖5 可見，在30 N 載荷下，質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.25%和1%納米h－BN 潤滑油潤滑下的缸套試樣磨損體積小于基礎(chǔ)油潤滑下的磨損體積，其中納米h－BN 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時缸套試樣磨損體積降低了9.61%。而加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%和0.5%納米h－BN 潤滑油潤滑下的缸套試樣磨損體積大于基礎(chǔ)油潤滑下的磨損體積，說明在30 N 載荷下納米h－BN 添加劑的抗磨性能并不明顯。其原因可能是載荷較小，只有高含量的納米顆粒能進(jìn)入磨痕中進(jìn)行填充修復(fù)，而低含量的納米顆粒并不能起到一定的修復(fù)作用。

從圖6 可以看到，在50 N 載荷下，加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米h－BN 后缸套試樣的磨損體積大大降低，特別是加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%納米添加劑后缸套試樣磨損體積降低了24.53%，而質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.25%、0.5%、1%下磨損體積分別降低了23.32%、21.27%和17.67%?？梢姡{米h－BN 添加劑的加入有助于降低缸套試樣磨損量，這與摩擦因數(shù)的變化趨勢基本一致。油酸改性后的納米粒子由于空間位阻效應(yīng)和納米顆粒間的靜電排斥作用，在基礎(chǔ)油中有著更好的分散穩(wěn)定性，在摩擦磨損過程中更穩(wěn)定，這也是導(dǎo)致摩擦因數(shù)和磨損體積降低的原因之一。同時油酸作為表面修飾劑在與納米顆粒共混時，其長鏈結(jié)構(gòu)緊密地包裹著納米顆粒，在摩擦過程中具有更好的黏附能力，能填充摩擦表面凹坑，起到更好的潤滑作用［14］。

2.3 磨損表面顯微形貌及元素分析

為了進(jìn)一步分析缸套試樣磨損表面的磨損狀態(tài)，圖7 示出了在50 N、3 Hz 工況下不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米h－BN潤滑油潤滑下缸套試樣磨損表面SEM 顯微照片。結(jié)果表明，添加納米h－BN 顆粒的潤滑油潤滑下缸套試件的磨損表面比基礎(chǔ)油潤滑下的缸套試件的磨損表面更光滑。與圖7（a）中原始缸套試件表面相比，圖7（b）中基礎(chǔ)油潤滑下缸套試件表面嚴(yán)重剝落，同時出現(xiàn)了明顯的磨痕和長距離裂紋。在摩擦過程中，磨損表面會出現(xiàn)破損和脫落，從而形成鐵屑，當(dāng)鐵顆粒進(jìn)入到摩擦接觸面時會引起更嚴(yán)重的磨損。隨著納米h－BN 添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，磨損表面也發(fā)生了改變。如圖7（c）所示，基礎(chǔ)油中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%納米h－BN 添加劑后缸套試樣表面觀察到較小剝落和磨粒。如圖7（d）所示，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.25%納米h－BN 添加劑后缸套試樣表面僅出現(xiàn)輕微磨痕和一些拋光痕跡，表面磨痕較細(xì)、較窄，有輕微的犁溝，但沒有嚴(yán)重劃痕和凹坑等缺陷，磨損區(qū)域較均勻，表明納米h－BN 在一定程度上改善了磨損表面的磨損情況［15］。這歸因于納米h－BN 為片層結(jié)構(gòu)，易發(fā)生剪切滑移，力學(xué)性能更好所致。納米h－BN 在摩擦副滑動過程中可以起到承載和減摩作用，能更好地進(jìn)入摩擦接觸面，填補(bǔ)并修復(fù)磨痕，降低摩擦副的進(jìn)一步磨損。但納米h－BN 在高含量下卻產(chǎn)生了相反的結(jié)果。如圖7（e）（f）所示，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%和1%納米h－BN 添加劑后缸套試樣表面出現(xiàn)了明顯的磨損痕跡和剝落，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是納米顆粒的聚集，聚集后尺寸較大的納米顆粒無法快速進(jìn)入摩擦接觸面修復(fù)磨痕，從而導(dǎo)致抗磨效果下降。

圖8 所示為50 N、3 Hz 下含納米h－BN 添加劑潤滑油潤滑下的缸套試樣磨損區(qū)域的元素分布?？梢钥闯?，磨損表面出現(xiàn)了C、O、Mn 和Fe 元素，其中Mn和Fe 元素來自于缸套試樣材料，O 元素可能來自于空氣，C 元素可能來自缸套試樣材料或者添加劑中加入的油酸。同時磨損區(qū)域出現(xiàn)了明顯的B 元素，說明納米顆粒參與了銷盤試樣的摩擦過程。這是因?yàn)槭芡饬d荷及摩擦熱的影響，導(dǎo)致油膜變薄，此時納米h－BN 添加劑中的元素可能會在切應(yīng)力、速度以及溫度的影響下，迅速到達(dá)接觸區(qū)域與摩擦副表面部分元素發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)，形成BN、B2O3等保護(hù)膜［16］。摩擦膜有利于自修復(fù)，形成較光滑的磨損表面；有助于承載載荷，延緩膠合失效的出現(xiàn)；同時也可以作為涂層界面，以減輕磨損表面上金屬之間的接觸頻率。

圖8 50 N、3 Hz 下含納米h－BN 添加劑潤滑油潤滑下缸套試樣磨損表面EDS 分析結(jié)果Fig.8 EDS analysis results of wear surfaces of liner specimens lubricated by containing nano h－BN lubricating oil at 50 N and 3 Hz

2.4 磨損表面形貌參數(shù)分析

使用三維表面輪廓儀測量了在30 N、3 Hz 和50 N、3 Hz 工況下，在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米h－BN 潤滑油潤滑下往復(fù)摩擦試驗(yàn)后缸套試樣磨損表面的3D 形貌參數(shù)。文中選取4 個典型表征參數(shù)，分別是表面均方根偏差（Sq）、最大高度（Sz）、偏斜度（Ssk）和谷區(qū)液體滯留指數(shù)（Svi），用于表征和評估缸套試樣的磨損表面。2 種工況下的缸套試樣表面形貌見表3、表4，其三維形貌參數(shù)如圖9 所示。

圖9 不同工況下缸套試樣三維形貌參數(shù)Fig.9 Three－dimensional morphology parameters of cylinder liner specimens under different working conditions：（a）30 N，3 Hz（b）50 N，3 Hz

表3 30 N、3 Hz 工況下不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米h－BN 潤滑油潤滑下缸套試樣表面三維形貌Table 3 Three－dimensional morphology of cylinder liner specimen surfaces lubricated by the lubricating oils with different mass fraction of nano h－BN under 30 N and 3 Hz

表4 50 N、3 Hz 工況下不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米h－BN 潤滑油潤滑下缸套試樣表面三維形貌Table 4 Three－dimensional morphology of cylinder liner specimen surfaces lubricated by the lubricating oils with different mass fraction of nano h－BN under 50 N and 3 Hz

表面均方根偏差Sq反映表面輪廓偏離基準(zhǔn)面的程度以及是否平整，可用于表征磨損表面的表面粗糙度，Sq值越小，則摩擦過程中對表面的磨損程度越?。?7－18］。從圖9 可以看出，在30 N 載荷下，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.25%、0.5%和1%納米h－BN 添加劑的潤滑油與基礎(chǔ)油潤滑下的缸套試樣Sq值沒有太大差別，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%納米h－BN 添加劑的潤滑油潤滑下缸套試樣表面Sq值還有所增大，這與前文體積磨損量變化一致。造成這一現(xiàn)象的原因可能是：在30 N載荷下，外力不足以將足夠納米顆粒壓入磨損缺陷處，填充修復(fù)能力小于摩擦磨損量；同時在3 Hz 較高往復(fù)速度下，納米顆粒只起到滾球軸承的作用以降低摩擦因數(shù)。但在50 N 載荷下，與用基礎(chǔ)油潤滑下的缸套試樣相比，添加納米h－BN 添加劑潤滑油潤滑下的缸套試樣的Sq值均降低，這與前文的摩擦因數(shù)變化相一致，也說明納米h－BN 顆粒可以改善缸套試樣摩擦表面的粗糙度。納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%、0.25%、0.5%和1%時缸套試樣表面Sq值分別降低了66.17%、54.51%、43.72%和30.55%。

最大高度Sz是用來表征磨損表面的膠合程度，它被定義為最大峰高和最大谷深之和。從圖9 可以看出，在50 N 載荷下，與基礎(chǔ)油相比，加入納米h－BN添加劑后磨損表面的Sz值均有所降低，特別是加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.25%的納米h－BN 后Sz值降低了68.52%。

偏斜度Ssk是表面形貌的幅度特征參數(shù)，反映被測量區(qū)域內(nèi)材料表面相對于中面的不對稱程度。當(dāng)Ssk＞0 時，說明被測表面有較多的尖峰，Ssk＜0 時，說明被測表面有較多深谷，若被測表面是中面對稱，則Ssk＝0。從圖9 可以看出，在30 N 載荷下，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%添加劑后磨損表面的Ssk絕對值最大，說明磨損表面產(chǎn)生了較多的深谷，而造成這種現(xiàn)象的原因可能是：在往復(fù)摩擦過程中，由于添加劑加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)和載荷較小，未能在表面生成摩擦保護(hù)膜，摩擦副產(chǎn)生的磨粒磨屑會在表面加劇磨損從而產(chǎn)生更多深谷，這也是造成其表面粗糙度較大的原因。在50 N載荷下，基礎(chǔ)油、加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.25%和0.5%添加劑的潤滑油潤滑下磨損表面的Ssk值小于0，且添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%下的Ssk值絕對值最大，說明在該添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)下缸套試樣表面存在較多的深谷，潤滑油可以儲存在其中，這也是其摩擦因數(shù)和表面粗糙度降低的原因之一。而添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%和1%時的Ssk值大于0，說明在該添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)下缸套試樣表面出現(xiàn)較多尖峰，會破壞油膜狀態(tài)，造成更多磨損。

谷區(qū)液體滯留指數(shù)Svi反映缸套試樣表面谷區(qū)儲存潤滑油的能力，Svi越大，則表面谷區(qū)液體滯留性能越好。從圖9 可以看出，添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%下的Svi值最大，說明在該添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)下缸套試樣表面的儲油能力最佳，儲存在谷區(qū)的潤滑油較為豐富，組件在進(jìn)行往復(fù)摩擦過程中潤滑油能被及時擠壓出來，實(shí)現(xiàn)了摩擦副的二次潤滑，較好地降低了摩擦副的摩擦因數(shù)［19］。

從表面均方根偏差（Sq）、最大高度（Sz）、偏斜度（Ssk）和谷區(qū)液體滯留指數(shù)（Svi）綜合分析可以得出：在30 N 載荷下，納米h－BN 添加劑的減磨修復(fù)效果并不明顯，而加大載荷至50 N 時，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.25%的添加劑能夠降低磨損表面粗糙度，相比之下儲油能力更優(yōu)，可以創(chuàng)造更好的缸套－活塞環(huán)潤滑環(huán)境。

3 減摩抗磨機(jī)制分析

納米h－BN 顆粒的加入對不同工況下缸套－活塞環(huán)摩擦副的磨合狀態(tài)有一定的改善作用，其減摩潤滑機(jī)制如圖10 所示。在改性顆粒的制備時，油酸作為修飾劑在與納米顆粒進(jìn)行超聲共混時，油酸包覆在納米h－BN 顆粒表面，防止納米顆粒的團(tuán)聚并促進(jìn)顆粒在摩擦過程中進(jìn)入接觸區(qū)域。納米尺寸h－BN 充當(dāng)具有滾動和滑動運(yùn)動的球軸承，同時游離的油酸吸附在摩擦表面上，也可以承載一定的壓力［20］。

圖10 納米h－BN 添加劑的潤滑機(jī)制Fig.10 Lubricating mechanism of nano h－BN additive

在連續(xù)剪切過程中，垂直方向上的范德華力被削弱了，導(dǎo)致團(tuán)聚的納米h－BN 顆粒剝離成BNNs 納米片，這些納米片可能很容易平行于滑動方向。范德華力與納米片的距離成反比，納米片之間的距離較大，因此在往復(fù)摩擦過程中，納米片之間需要克服的范德華力較?。煌瑫r納米h－BN 添加劑具有大的表面能，它更容易被吸附在摩擦副界面上，沉積在磨損的表面上，形成拋光效果，從而更好地填充與修復(fù)磨損表面［21］。同時在外加載荷與溫度作用下納米h－BN 顆粒會與摩擦界面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在界面上吸附、沉積，從而改變界面的直接接觸，從而達(dá)到減少摩擦的目的。

4 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)，研究不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米h－BN潤滑油潤滑下CLPR 摩擦副的摩擦學(xué)行為。主要結(jié)論如下：

（1）在PAO 10 基礎(chǔ)油中加入改性納米h－BN 顆粒后可以顯著降低摩擦因數(shù)，且在不同載荷下不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)添加劑其減摩效果不同。質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.25%納米h－BN 添加劑，在30 N 載荷下可使摩擦因數(shù)降低13.68%，而在50 N 載荷下可使摩擦因數(shù)降低33.87%。因此質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.25%納米h－BN 添加劑在50 N 載荷下的減摩效果更佳，同時在50 N 載荷下可使缸套磨損體積最大降低24.53%。

（2）在往復(fù)摩擦過程中，納米h－BN 顆粒受切應(yīng)力作用在摩擦表面沉積并生成摩擦保護(hù)膜，具有承擔(dān)負(fù)載并起到避免摩擦副直接接觸的功能，減緩了磨粒磨損，對缸套表面起到了保護(hù)和修復(fù)作用；同時該摩擦保護(hù)膜可以改善缸套表面粗糙度，能為缸套－活塞環(huán)創(chuàng)造更好的潤滑環(huán)境。

（3）在PAO 10 基礎(chǔ)油中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.25%納米h－BN 添加劑使缸套－活塞環(huán)具有最佳的摩擦學(xué)性能。而過高的添加量會造成顆粒團(tuán)聚，阻擋油路，破壞潤滑油膜及缸套表面形貌。