复合纳米润滑油添加剂抗磨减摩性及自修复性

李文浩，鲁 易，张武龙

(1.上海海事大学，上海 201306 ； 2.上海外高桥造船有限公司，上海 200137)

摩擦磨损是材料与设备破坏和失效的最主要形式之一,我国每年因机械磨损所损耗的材料高达数千亿[1-2]。如何有效的控制摩擦、减少磨损、改良润滑性能已成为节约能源和材料，缩短维修时间的重要措施。润滑剂在减少摩擦，降低磨损方面是目前最有效的措施，而添加剂的使用是提高油品性能最重要和有效的方式。但是通常的极压抗磨添加剂含有P、S、cl等不但对机器有腐蚀而且对环境有污染的元素[3-4]。因此研制开发节能、无污染、高效的添加剂来代替原有的添加剂一直是科研人员不断探索的方向。近年来，纳米微粒作为润滑油添加剂由于其良好的减摩、抗磨、挤压、和自修复作用已受到国内外科研人员的重视[5-10]。纳米铜颗粒是一种被广泛认可的润滑添加剂，不但制作工艺简单而且它的润滑效果是一般润滑油制品及有机物添加剂所无法媲美的，同时纳米铜颗粒细且软，可以随时填充摩擦缺陷，起到自修复的作用。文通过以Cu/SiO2复合纳米颗粒作为润滑油添加剂，克服了单一纳米金属微粒的铜的氧化和团聚缺陷，通过实验对其摩擦磨损性能和自修复性能进行了研究。

1.1 盘销摩擦磨损试验

实验组基础油加入5%的添加剂与对照组分别装入布鲁克UMT TriboLab摩擦磨损试验机油盒中，设计相同的试验条件，本实验用下试样盘材料为AINSI E52100 钢，上试样销材料为416 不锈钢。

1.1.1 试验步骤

用洗涤汽油仔细清洗试验用销、盘。保证清洗后的试件无油渍。放入烘干箱60℃烘干。测量盘的表面粗糙度，称取盘和销的质量，缓缓施加150N的压力，达到150N压力后，开始以300r/min的转速开始转动盘，持续90s。缓缓施加压力，直到达到260N时，将转速提升至900r/min，持续时间10h。试验结束后，清洗盘和销，用显微镜观测盘的磨损情况。称重盘和销，计算失重。测量表面粗糙度变化，并用三维轮廓仪观察表面形貌。

1.1.2 实验结果及分析

图1、图2分别为两组油的磨斑显微照片，图3、图4分别为磨斑表面形貌图。从质量损失和摩擦系数以及粗糙度变化均反映了添加剂改善了抗磨性能，其中盘的质量损失减少30%，粗糙度降低73.4%，摩擦系数降低50%。 磨痕在三维轮廓仪器下的图像和数据显示，对照组的盘面磨痕平均深度138nm，实验组仅为0.6nm，表明抗磨剂对粗糙表面的填充作用很明显，几乎可以填平整个磨损区域；若定义磨痕的轮廓粗糙度为磨痕深度的方差，则对照组平均磨痕轮廓粗糙度为160.77，实验组为124.829；添加了抗磨剂的盘面，无论是磨痕的绝对深度和磨痕深度的起伏变化，均小于不添加抗磨剂的盘面，显示了抗磨性能的提升。磨痕的深度变化较为平缓。

图1 无添加剂磨痕形貌(X100)

图4 磨斑的纵深在250nm的表面三维形貌(填充效应明显)

1.2 添加剂自修复实验

本次实验下试样板材料为Gr15钢，上试样销材料为普通灰口铸铁HT250。本次实验先使用基础油，在300N负荷的压力下进行4h磨损试验，试验结束后，在同一块板的同一区域使用加入5%添加剂的基础油进行6h磨损试验。每隔一个小时测量一下板的质量。通过对比修复前后板的质量和摩擦形貌的变化探究自修复性能。表面形貌由BRUKER Contour GT 光学轮廓仪观测，板的质量应用电子天平BSM220.4型测量。

1.2.1 实验结果及分析

如图5 所示，当对样板区域使用添加剂的润滑油进行修复性摩擦实验时。在最初的三个小时内板的质量有缓缓的增重，这是因为复合纳米微粒添加剂在摩擦副表面逐渐沉积，对凹痕进行填充，使修复后的磨擦副表面更加光滑，形成一层比较厚的保护膜覆盖在摩擦表面。

实验前在样板非实验区域选择三个点测量粗糙度分别为2.172μm、1.971μm 、1.271μm。实验后再对三点进行测量：1.444μm 、1.688μm 、0.813μm，通过对比也可以说明摩擦副即使没有摩擦润滑的状况，抗磨添加剂仍具备自动填充摩擦表面的能力，表明复合添加剂拥有强大的自动表面修复功能。

图5 板的质量变化与实验时间变化的对应关系

通过图6试样显微表面形貌修复前(a)修复3h(b)的对比也可以直观的呈现出复合添加剂的自修复性能。修复前磨痕清晰可见，排布密集，并且摩擦表面布满磨损凹陷。由修复前三维形貌图知磨痕宽而深表面沟壑纵深500～2000nm，最大达到了5000nm。修复3h后，磨痕处表面光滑平整，磨损凹陷也被修复的平整，磨痕沟壑平均约300nm，而最大不超过2300nm，使摩擦表面相对光滑整洁。是由复合纳米微粒在摩擦副表面沉积从而在磨斑表面形成一层润滑膜，起到减小摩擦降低磨损的作用以及优良的自修复性能。

图6 试样显微表面形貌(X100)

2 结论

(1)复合纳米微粒使摩擦副的的质量损失减少30%，粗糙度降低73.4%，摩擦系数降低50%，表明复合添加剂具有明显的减摩抗磨性能。

(2)在摩擦过程中复合纳米微粒使摩擦表面平整光滑，修复过程试板增重，是由于复合纳米微粒在摩擦副表面沉积从而在磨斑表面形成一层铜润滑膜显示出复合纳米添加剂的良好自修复性能。

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