纳米添加剂与几种常用添加剂的复配性研究

周钊，夏延秋，侯冲，乔鹏，吴浩

（华北电力大学，北京 102206）

0 引言

与传统的润滑油减摩抗磨添加剂相比，纳米铜因其优异的极压、抗磨性能和环境友好特性，作为润滑添加剂被广泛研究。纳米铜微粒具有良好减摩抗磨的原因是纳米铜在摩擦表面形成边界润滑膜而降低摩擦，并能在划痕和犁沟处沉积，增大接触面积来提高承载能力，从而显著地提高了润滑油的抗磨和减摩性能［1-2］。羟基硅酸盐等微米尺寸的层状硅酸盐作为润滑油添加剂时，同样具有较好的摩擦学性能，其在改善润滑介质抗磨、减摩性能的同时，可显著改善铁基摩擦表面的微观力学性能，应用前景广阔［3-4］。有研究表明:纳米铜能够促进蛇纹石微粉与摩擦表面的相互作用，形成富含Fe、Si元素的摩擦保护膜，较为致密、平整、光滑，具有较高的力学性能，能够有效地改善摩擦副的表面状态及磨损抗力，降低摩擦磨损［5-6］。

本文所用纳米添加剂主要成分为纳米铜与超细蛇纹石微粉，由于该纳米添加剂在分散性和减摩性上存在诸多问题，因此本文探讨了纳米添加剂与摩擦改进剂和清净分散剂的复配性能，研究其协同作用机制，为实际应用提供理论依据。

1 实验部分

1．1 实验材料

试验所用基础油为聚α-烯烃，其密度为0.82 g/cm3，运动黏度为16.9mm2/s（40℃），黏度指数为123，闪点为219℃。实验所用纳米添加剂主要成分为纳米铜粉和超细蛇纹石微粉（由装甲兵工程学院提供），其制备如下:采用长城CD 15W-40柴油机润滑油为基液;将蛇纹石微粉和纳米铜以19∶1的比例混合并添至其中，按照粉体的5%（质量分数，下同）加入油酸作为表面改性剂，经机械研磨制成10%的浓缩液［5］。摩擦改进剂选用的是二烷基二硫代氨基甲酸钼（MoDTC），清净分散剂选用的是高碱值石油磺酸钙（T106）。表1给出了添加剂MoDTC与T106的部分理化性能。

表1 添加剂M oDTC与T106的理化性能

1．2 实验过程

实验在MFT-R4000高速往复摩擦磨损试验机上进行。摩擦副的接触形式采用球盘点接触，实验用钢球为标准GCr15钢球、直径为5 mm，下试样为GCr15钢块，直径为24 mm，厚度为7.8 mm，摩擦表面粗糙度 Ra为0.08μm，钢块硬度为350～450 HV。实验条件为:载荷100 N，温度为室温，频率5 Hz，摩擦时间30 min，划痕长度为5 mm。所有试件在实验前后均在丙酮溶液中超声波清洗10 min。通过在润滑油中添加不同组合的添加剂考察该纳米添加剂与其他添加剂复配后润滑油的抗磨减摩性能，所有配制的样品在实验前均进行超声分散。采用FEI公司生产的NoVa NanoSEM 450/650环境扫描电子显微镜对钢块磨痕表面形貌进行观察。观察前用丙酮对钢块进行超声波清洗。

2 实验结果与分析

2．1 纳米添加剂的摩擦学性能

图1给出了不同质量分数的纳米添加剂加入同一种润滑油后的摩擦系数曲线图和磨痕宽度对比图。由图1（a）可以看出，当纳米添加剂质量分数为0.5%和2%时，其摩擦系数最小，具有更好的减摩性能。从图1（b）中可以看出，当纳米添加剂质量分数为1.5%时，其磨痕宽度最小，抗磨性能最优。但从综合角度来看，当纳米添加质量分数为0.5%时，具有更好的摩擦学性能。已有的研究表明［4-7］，纳米铜作为一种“软质金属”，易沉积在摩擦表面，除降低摩擦并对磨损表面微损伤作用;纳米蛇纹石颗粒易吸附在摩擦表面，起到抛光研磨作用，同时自身发生研磨细化和羟基脱除反应，释放大量的活性氧、自由水、细小的二次粒子等，诱发其与摩擦表面活性铁的反应，形成Si-O结构掺杂氧化膜，具有较高的强度及自润滑能力。纳米铜能增强摩擦界面对蛇纹石颗粒的机械捕捉能力，促进二者的相互增效作用。

图1 不同质量分数的纳米添加剂在润滑油中的摩擦学性能

与基础油相比，加入纳米添加剂后的润滑油样具有优异的减摩和抗磨性能，但久存易沉淀，严重影响了纳米添加剂的使用。为了提高纳米添加剂在润滑油中的分散性，选择综合性能优异、纳米含量低（含0.5%纳米添加剂）的润滑油，同时添加不同含量的T106，在提高纳米添加剂分散性的同时，考察其摩擦学性能。图2为0.5%的纳米添加剂与T106复配后，其摩擦系数曲线图和磨痕宽度对比图。结果显示，加入不同质量分数的T106后，摩擦系数增加，但抗磨性能提高。这可能是因为清净剂中的磺酸盐与纳米添加剂在金属表面存在竞争吸附的作用，清净剂在摩擦环境下分解产生的 CaCO3和CaO［8-9］一方面抑制了纳米添加剂的分解产物在金属表面的吸附，降低了减摩性能，另一方面又提升了抗磨性能。

图3给出了0.5%纳米添加剂与二烷基二硫代氨基甲酸钼（MoDTC）复配时的摩擦学性能曲线，发现含0.5%纳米添加剂和不同含量MoDTC混合，抗磨和减摩性能都降低，呈现对抗效应。这可能是因为MoDTC本身是一种摩擦改进剂，具有优异的减摩和抗磨性能。当两者复配后，MoDTC在摩擦过程中，自身分解产生的硫化物［10］与纳米添加剂在金属表面存在竞争吸附，一方面阻碍了有机钼的分解产物Mo、S等元素在表面成膜，另一方面纳米添加剂的分解化学反应也受到了抑制，导致润滑性能降低。

图3 质量分数为0．5%的纳米添加剂与M oDTC复配的摩擦学性能

表2给出了油样复配比例为PAO+0.5%Nano+5%T106+0.5%MoDTC与基础油中含不同添加剂油样的摩擦和磨损比较，可以看出，三种添加剂复配后，摩擦系数大幅度降低，抗磨性明显提高。

表2示出了不同润滑油添加剂作用下的摩擦系数和磨斑宽度。可以看出，基础油中加入添加剂后摩擦系数明显变小，不同润滑油添加剂均表现出良好的减摩作用。当纳米添加剂质量分数为0.5%时，磨痕宽度相比基础油减少10%。这是因为纳米铜能够促进蛇纹石微粉与摩擦表面的相互作用，形成致密、平整、光滑的摩擦保护膜，具有较高的力学性能，能够有效地改善摩擦副的表面状态及磨损抗力，降低摩擦磨损。以纳米添加剂和MoDTC为添加剂时，磨痕宽度略有变大，这可能是因为MoDTC本身是一种多功能的添加剂，在摩擦过程中，MoDTC分解产生的硫化物与纳米添加剂在金属表面存在竞争吸附，一方面阻碍了有机物的分解产物Mo、S等元素在表面成膜，另一方面纳米添加剂的分解化学反应也受到了抑制。而当纳米添加剂与T106复配时，磺酸盐与纳米添加剂在金属表面存在竞争吸附，清净剂在高温高压环境下分解产生的CaCO3和CaO保护膜一方面抑制了纳米添加剂的分解产物在金属表面的吸附，降低了减摩性能，另一方面又提升了抗磨性能。当纳米添加剂、MoDTC和T106按一定比例复配后加入基础油中，其减摩抗磨性能得到了明显的提升。

2．2 磨损表面分析

为研究添加剂复配的抗磨作用机理，将PAO基础油和含3种添加剂复配油样润滑下钢块磨痕表面形貌进行对比分析，结果如图4所示。其中（c）、（d）为（a）、（b）的放大图。

图4 不同润滑体系下钢块磨痕表面形貌SEM照片

对比图4（a）、（b）可以看出，基础油润滑下钢块磨痕表面发生了明显的黏着和擦伤，出现了贯穿于整个摩擦表面粗而深的犁沟，并且表面分布着不连续的剥落坑，表现为典型的磨粒磨损，由磨屑的微切削作用导致。含3种添加剂复配油样润滑下钢块磨痕表面磨损比较均匀，磨损表面比较光滑。将磨痕表面形貌进一步放大观察，可以清楚看到，基础油润滑下存在层片状变形磨损，表现为铁基塑性形变导致的黏着磨损;含3种添加剂复配油样润滑下钢块磨痕表面较纯PAO4基础油润滑时平整，犁沟很浅，亦未发现层片状磨损，但有少数微点蚀和疲劳裂纹出现，说明其磨损机制以疲劳磨损为主，另有轻微的磨粒磨损。

3 结论

（1）在聚α-烯烃基础油中添加一定质量分数的纳米添加剂能有效提高基础油的摩擦学性能。

（2）质量分数为0.5%的纳米添加剂与T106复配后加入基础液后，减摩性能降低，抗磨性能提升。

（3）质量分数为0.5%的纳米添加剂和不同含量的MoDTC混合加入基础油后，抗磨和减摩性能都降低，呈现对抗效应。

（4）当该纳米添加剂、MoDTC与T106按一定质量分数的比例复配加入基础油后，其摩擦系数大幅度降低，抗磨性能得到明显提高，具有极好的摩擦学性能。

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