含纳米金属/蛇纹石粉齿轮油的摩擦学性能研究

王林燕，张振忠，黄俊杰，赵芳霞

(南京工业大学材料科学与工程学院，南京 210009)

含纳米金属/蛇纹石粉齿轮油的摩擦学性能研究

王林燕，张振忠，黄俊杰，赵芳霞

(南京工业大学材料科学与工程学院，南京 210009)

为提高传统齿轮油的摩擦学性能，采用四球试验机研究了加入纳米镍粉、镍铜粉复配粉体和纳米金属粉与超细蛇纹石粉复配粉体的情况下粉体加入量及复配比例对齿轮油摩擦学性能的影响，并研究了其载荷特性。结果表明：含纳米镍铜粉复配粉体的齿轮油比含单一粉体齿轮油的摩擦学性能更好，当纳米镍粉与铜粉的质量比为3∶1、粉体总加入量(w)为0.1%时，试验摩擦因数和磨斑直径比基础齿轮油分别减小了37.8%和30.2%；含纳米金属蛇纹石粉的齿轮油具有更好的综合摩擦学性能，且具有良好的载荷特性，当纳米镍粉与铜粉的质量比为3∶1、金属粉体与蛇纹石粉的质量比为2∶1、粉体总加入量(w)为0.2%时，试验摩擦因数和磨斑直径比基础齿轮油分别减小了37.4%和34.0%；钢球磨痕形貌及能谱分析结果表明，纳米金属、蛇纹石粉体加入到齿轮油中能起到填平犁沟、修复磨痕表面的作用。

L-CKD ISO320齿轮油 纳米金属粉 超细蛇纹石粉 摩擦学性能

工业齿轮油广泛应用于冶金、矿山、金属加工等行业。随着工业设备的发展，齿轮传动向着高速、重载和大功率方向发展，对齿轮油的品质要求也越来越苛刻。纳米金属粉，如铜粉、锡粉、铋粉等作为润滑油添加剂能够起到较好的抗磨减摩作用，并提高其承载能力，但所形成的自修复膜硬度低、易发生脱落，在低载荷下容易起到磨粒磨损的作用[1-5]；蛇纹石是具有纳米层状结构的含水镁硅酸盐，其膨胀系数与黑色金属相近且干摩擦因数极低，将该材料加至润滑油中，在摩擦能作用下形成的金属陶瓷修复膜不易脱落，有利于摩擦副抗磨性能的提高，但蛇纹石粉的自修复能量高、且减摩作用相对较差[6-7]。赵芳霞[2]的研究结果表明，在润滑油中添加质量分数1.2%～1.5%的经过分散包覆处理的金属纳米粉体和矿石粉时，对其黏度、黏度指数、氧化安定性等理化性能指标基本无影响。因此，本课题研究纳米金属粉体与超细蛇纹石粉复配及其加入量对齿轮油摩擦学性能的影响，为研发高性能、自修复齿轮油及其实际应用提供依据。

1 实 验

1.1 实验材料

镍粉和铜粉，其一次颗粒平均粒径为80 nm；蛇纹石粉，其一次颗粒平均粒径为100 nm；L-CKD ISO320黏度等级的重负荷齿轮油，其运动黏度(40 ℃)为324.8 mm2s，黏度指数为103，闪点为238 ℃，倾点为-18 ℃；硅烷偶联剂KH560；石油醚；GCr15轴承钢球，其直径为12.7 mm，硬度为61～64 HRC，化学组成(w)为：Si 0.55%，Mn 0.51%，Cr 1.74%，Fe 97.20%。

1.2 实验仪器和设备

KH-700DE型超声波清洗器，用于清洗钢球；BS 224S型电子天平；SFS-S400型高速分散机；WMM-1万能摩擦磨损试验机及配套的磨斑测量显微镜。

1.3 实验过程

2 结果与讨论

2.1 纳米镍粉添加量对齿轮油摩擦学性能的影响

在载荷为392 N时，纳米镍粉加入量对齿轮油摩擦学性能的影响见图1。由图1可知：随着纳米镍粉加入量的增加，摩擦因数和磨斑直径均呈先减小后增大的变化趋势；当镍粉加入量(w)为0.5%时，摩擦因数最小，摩擦因数和磨斑直径比基础齿轮油分别降低了25.5%和22.6%；当镍粉加入量(w)为0.1%时，磨斑直径最小，摩擦因数和磨斑直径分别比基础齿轮油降低了16.0%和32.1%。

图1 纳米镍粉添加量对齿轮油摩擦学性能的影响■—摩擦因数；●—磨斑直径。 图2、图3同

2.2 纳米镍铜复合粉添加量及配比对齿轮油摩擦学性能的影响

在纳米镍粉与铜粉质量比为3∶1、载荷为392 N时，复合粉体添加量对齿轮油摩擦学性能的影响见图2。由图2可知：随着复合粉体添加量的增加，摩擦因数和磨斑直径均呈先减小后增大的变化趋势；当复合粉体添加量(w)为0.1%时，摩擦因数和磨斑直径均达到最小值，分别为0.044 4和0.37 mm，比基础齿轮油分别降低了37.8%和30.2%。

图2 纳米镍铜复合粉体添加量对齿轮油摩擦学性能的影响

在纳米镍铜复合粉体加入量(w)为0.1%时，不同粉体配比对齿轮油摩擦学性能的影响见表1。由表1可知：加入纳米镍铜复合粉体后，齿轮油试验时的摩擦因数和磨斑直径大幅减小，与基础齿轮油相比，摩擦因数最大降低了37.8%，磨斑直径最大降低了32.0%；当加入单一粉体时，其对润滑油摩擦学性能的改进作用不如复合粉体，说明通过镍、铜两种粉体的复配更有利于提高齿轮油的抗磨减摩性能；与基础齿轮油相比，当纳米镍粉与铜粉质量比分别为3∶1，2∶1，1∶1，1∶2时，摩擦因数分别减小了37.8%，35.7%，33.2%，21.6%，磨斑直径分别减小了30.2%，32.0%，28.3%，30.2%，可见，摩擦因数随着铜粉在复合粉体中所占比例的减小而降低，并逐渐趋于平缓，而磨斑直径变化不太大。综合分析，纳米镍粉与铜粉质量比为3∶1时，油品的摩擦学性能较好。

表1 纳米镍粉与铜粉质量比对齿轮油摩擦学性能的影响

2.3 纳米金属粉体与蛇纹石粉复配对齿轮油摩擦学性能的影响

在纳米镍粉与铜粉质量比为3∶1、金属与蛇纹石粉质量比为2∶1、载荷为392 N时，粉体总添加量对齿轮油摩擦学性能的影响见图3。由图3可知，随着粉体总添加量的增加，摩擦因数和磨斑直径均呈先减小后增大的变化趋势，当总添加量(w)为0.2%时，摩擦因数和磨斑直径均最小，分别为0.044 7和0.35 mm，比基础齿轮油分别降低了37.4%和34.0%。

图3 纳米金属蛇纹石复合粉体总添加量对齿轮油摩擦学性能的影响

在粉体总加入量(w)为0.2%、纳米镍粉与铜粉质量比为3∶1时，不同金属粉体与蛇纹石粉体配比对齿轮油摩擦学性能的影响见表2。由表2可知：与基础齿轮油相比，在加入镍、铜和蛇纹石复合粉体后，齿轮油的摩擦因数和磨斑直径都有较大幅度的减小，当纳米金属粉体与蛇纹石质量比分别为3∶1，2∶1，1∶1，1∶2时，摩擦因数分别减小了27.1%，37.4%，19.2%，16.2%，磨斑直径分别减小了22.6%，34.0%，28.3%，24.5%；与仅添加镍铜复合粉体相比，加入镍、铜和蛇纹石复合粉体(纳米金属粉体与蛇纹石质量比为2∶1)后摩擦因数略有上升，但磨斑直径有所下降，说明加入蛇纹石粉可以提高其抗磨性能。

表2 纳米金属与蛇纹石质量比对齿轮油摩擦学性能的影响

2.4 油品在不同载荷下的摩擦学性能

图4为在不同载荷下，含不同纳米粉体的齿轮油和基础齿轮油的摩擦因数和磨斑直径变化曲线。由图4可以看出，在不同载荷下，齿轮油中加入纳米粉体后摩擦因数均明显下降，并且添加金属粉和蛇纹石粉后摩擦学性能最好，这说明含纳米金属粉与蛇纹石粉齿轮油的摩擦学性能具有很好的载荷特性，在宽载荷范围内均具有很好的抗磨减摩能力及自修复特性。

图4 油品在不同载荷下的摩擦学性能■—基础齿轮油；●—含镍粉齿轮油；▲—含镍铜粉齿轮油；含金属/蛇纹石粉体齿轮油

2.5 含纳米金属/蛇纹石粉体齿轮油作用下的钢球磨痕形貌与能谱分析

图5为在392 N的载荷下，经含纳米金属/蛇纹石粉体齿轮油长磨60 min后钢球的磨痕形貌。由图5可以看出，钢球表面的磨痕较浅。图6为钢球磨斑凹槽点和磨斑表面脊的能谱分析结果。GCr15轴承钢球的成分主要有铁、碳、铬、硅等，不含镍、铜、镁元素。由图6可以看出，经过含金属/蛇纹石粉体的齿轮油长磨后，钢球磨痕的脊和凹槽内均含有镍、铜、镁等元素，说明复合粉体在摩擦过程中向摩擦表面发生迁移，通过极性吸附填平摩擦副的磨痕沟壑，降低摩擦副的粗糙度，从而进一步减小摩擦功耗，并且在局部接触点的高温、高压作用下，纳米金属/蛇纹石粉体迅速沉积并焊合到摩擦副表面，在摩擦副表面形成具有一定强度的金属陶瓷自修复膜，改善齿轮油的摩擦学性能。

图5 钢球磨斑形貌a—磨斑凹槽点；b—磨斑表面脊

图6 钢球磨斑凹槽点和磨斑表面脊的能谱分析结果

3 结 论

(1) 少量纳米金属镍铜粉体的加入有利于提高齿轮油的摩擦学性能。当纳米镍粉与铜粉的质量比为3∶1、粉体总加入量(w)为0.1%时，摩擦因数和磨斑直径较未添加粉体的齿轮油分别减小了37.8%和30.2%。

[1] 文瑾，李洁，刘士军，等.表面修饰纳米铜颗粒添加剂的摩擦学性能[J].化工学报，2011，62(4)：1157-1161

[3] 赵修臣，宣瑜，刘颖，等.纳米Sn粒子的制备及其作润滑油添加剂的摩擦学性能研究[J].润滑与密封，2007，32(1)：108-110

[4] 潘传艺，余军文，李雪辉，等.铋系纳米材料在润滑中的应用[J].润滑与密封，2007，32(3)：202-206

[5] 张振忠，高建卫，殷波，等.金属纳米复合粉体改善润滑油的摩擦磨损性能研究[J].润滑与密封，2006，31(5)：81-83，87

[6] 曹娟，张振忠，安少华，等.超细蛇纹石的表面修饰及其在基础油中的摩擦学性能[J].硅酸盐学报，2008，36(9)：1210-1214

STUDY ON TRIBOLOGICAL PROPERTIES OF GEAR OIL WITH NANO-METAL/SERPENTINE POWDER

Wang Linyan，Zhang Zhenzhong，Huang Junjie，Zhao Fangxia

(CollegeofMaterialsScience&Engineering，NanjingUniversityofTechnology，Nanjing210009)

To improve the tribological properties of conventional gear oils，the effects of adding nano-Ni，nano-Ni/Cu composite powders and nano-metal/extra fine serpentine composite powders respectively on tribological properties of base gear oils as well as their load characteristics were studied by using four-ball tester and EDS technique.Experimental results indicate that the gear oils with nano-Ni/Cu composite powder achieve a better triboligical behavior than the one with single powder.The friction coefficient and wear scar diameter decreased by 37.8% and 30.2% respectively when the amount of nano-Ni/Cu composite powder (mass ratio of Ni and Cu of 3∶1) added is 0.1%.The gear oils containing nano-metal/serpentine composite powder has even better tribological properties and good load characteristics.The friction coefficient and wear scar diameter decreased by 37.4% and 34.0%，respectively when the dosage of the metal/serpentine composite powder is 0.2% with the mass ratio of metal powder (Ni and Cu ratio of 3∶1) and serpentine of 2∶1，and.The wear scar morphology and the EDS analysis show that the nano-metal/serpentine composite powder could fill the furrows and repair the worn surface.

L-CKD ISO 320 gear oil；nano-metal powder；extra fine serpentine powder；tribological property

2015-07-27；修改稿收到日期：2015-10-26。

王林燕，硕士研究生，主要从事纳米材料制备及应用等方面的研究工作。

张振忠，E-mail：15261809268@163.com。

江苏高校优势学科建设工程项目(苏政办2011-6)；广西科技成果转化与推广计划项目(1298009-15)。