ZnS纳米微粒在润滑油减摩擦上的应用*

容学德

(广西民族大学 预科教育学院，广西 南宁 530008)

ZnS纳米微粒在润滑油减摩擦上的应用*

容学德

(广西民族大学 预科教育学院，广西 南宁 530008)

室温下采用MM-W1立式万能摩擦磨损试验机研究了ZnS纳米颗粒作为基础油添加剂的摩擦学性能，文章考察了纳米ZnS添加量、试验参数(载荷、转速)对摩擦系数的影响，简单探讨了摩擦机理.结果表明：添加剂纳米ZnS在摩擦磨损试验机中表现出良好的减摩抗磨性能，其在摩擦过程中形成的沉积膜起到了非常重要的作用，可以作为减摩涂层和润滑油减摩添加剂使用.

纳米硫化锌；摩擦学性能；润滑油添加剂

近年来，有关纳米微粒材料作为润滑油添加剂的研究已成为国内外关注的焦点之一.目前硫化物颗粒其减磨耐磨性能的研究和应用更是不断深入和发展，主要是由于硫化物具有疏松多孔的层片状结构，有利于存贮润滑油，因此无论在干摩擦或油润滑条件下，均具有良好的减摩抗咬合作用；同时由于硫化物中的高空位浓度有利于氧的扩散和氧化膜的形成，从而对避免粘着、胶合并能进一步提高边界润滑和耐磨性.[1-2]硫化物中以FeS和MoS2的抗摩耐磨性能的研究应用最为广泛，而纳米ZnS微粒作为润滑油添加剂，它在摩擦物质中间可以隔绝金属的直接接触，且和基体材料的结合力较弱，剪切强度较低，因此，它在提高基础油的减摩耐磨性能方面具有一定的研究价值及应用前景.[3-6]

本研究在矿物油中添加不同质量百分数的ZnS纳米粒子，通过在摩擦磨损试验机上的测试试验，考察纳米ZnS添加量、载荷、转速等实验参数对摩擦系数的影响，探究ZnS纳米粒添加到润滑油中后其减摩抗磨的性能和机制，为实现提高摩擦副摩擦学性能的目的做一个有益的探索.

1 实验部分

1.1 硫化锌纳米粒子的制备

以硫化钠和乙酸锌为原料，通过反相微乳液法合成平均粒径约为25 nm的ZnS纳米粒子.这部分实验在我们的前期研究工作已有报道.[7]

1.2 硫化锌纳米微粒的减摩性能测试

试验选用不含任何润滑添加剂的矿物油作为基础油，将所合成的ZnS纳米粒子作为添加剂添加到基础油中，使用立式万能摩擦磨损试验机测试在不同条件下的摩擦系数，摩擦系数随时间变化的曲线将被自动记录下来.

在室温条件和试验室环境下，称取适量的纳米ZnS超声分散(30 min)于基础油中，形成稳定的分散体系，得到纳米ZnS质量百分数分别为1.0%、2.0%和3.0%的复合润滑油样品.实验使用济南试金集团制造的MM-W1立式万能摩擦磨损试验机进行，摩擦磨损实验材料为T10钢，外径35 mm，厚度5 mm，实验测试的摩擦半径为14 mm.测试时间均为20分钟，对比分析各个样品的润滑分别在载荷一定转速不同和转速一定载荷不同的条件下，其摩擦系数的变化，并与未添加纳米ZnS的矿物油进行比照.

2 结果与讨论

在转速相同而载荷不同和载荷相同而转速不同的条件下，探究了润滑油中纳米ZnS添加量对摩擦系数的影响.

2.1 转速相同、载荷量不同条件下，纳米ZnS添加量对摩擦系数影响

2.1.1 150 rpm条件下摩擦系数的变化

图1(a)、(b)和(c)给出了在150rpm的相同转速及载荷分别为50 N、100 N和150 N的条件下，纳米ZnS不同添加量的润滑油其摩擦系数随时间的变化关系曲线.图1的结果显示：未添加纳米ZnS的基础油在所试验的时间段内摩擦系数均为最大，此时的曲线振幅最高，波动也较大，而添加了纳米ZnS的样品油其摩擦系数曲线均有不同程度的降低.究其原因，这是纳米ZnS的减摩抗磨作用的结果，由于小尺寸的纳米ZnS微粒在压应力作用下黏附于摩擦表面和沉积于磨损表面微观缺陷区域，渗入到摩擦表面的纳米ZnS形成一层润滑膜，起到减摩抗磨作用.[8]

当转速固定为150 rpm时，随着载荷量与添加量的增加，在测试时间内摩擦系数也都较平稳，且摩擦系数呈现出下降的趋势.在50 N的最低载荷下，纳米ZnS质量百分数为1%的润滑油可以更好起到减摩的功效，而当载荷增加至150 N时，添加剂的质量分数为3%才能更好起到降低摩擦系数的作用，显然，在不同工况中，应从实际出发在基础油中添加适量的纳米ZnS润滑剂.

图1 转速为150 rpm不同载荷下含不同纳米ZnS添加量的摩擦系数随时间变化

2.1.2 200 rpm条件下摩擦系数的变化

图2(a)、(b)和(c)给出了在200 rpm的相同转速和不同载荷下，纳米ZnS不同添加量的润滑油其摩擦系数随时间的变化关系曲线.对比图1、图2的试验结果呈现出新的变化趋势，在200 rpm的转速下，添加了纳米ZnS的润滑油其摩擦系数与150 rpm的情况相比呈下降趋势且波动更为平稳.图2的结果还显示，仍然是在载荷较小的情况下，纳米ZnS质量百分数为1%、2%的减摩性能较好，摩擦系数的波动也较小且较平稳，随着载荷的增大，纳米ZnS质量百分数为3%的样品显现了优势，特别是当载荷为150 N时，纳米ZnS含量为3%的样品其摩擦系数下降较明显，起到优势的减摩性能.

图2 转速为200 rpm不同载荷下含不同纳米ZnS添加量的摩擦系数随时间变化

2.1.3 250rpm条件下摩擦系数的变化

在250rpm的相同转速和不同载荷下，不同添加量纳米ZnS的润滑油其摩擦系数随试验时间的变化情况，如图3所示.由图3可知，在250 rpm的相同转度及不同载荷下，纳米ZnS的含量分别为 1%、2%、3%的样品以及未添加纳米ZnS微粒的基础油其摩擦系数的变化总体上仍然呈现前面的规律.通过对比分析图3中的摩擦系数曲线后发现，在250 rpm的较高转动速度下，摩擦系数随载荷增大呈现出先差距明显后逐渐相当的总体趋势，表明了载荷与纳米ZnS添加量对摩擦系数的影响刚好呈相反态势.该转动速度下，摩擦磨损机测试样品油所得的摩擦曲线其波动随着载荷的增加而逐渐减小，实验结果表明，未添加纳米ZnS粒子的基础油其摩擦系数仍是最高，而纳米ZnS添加量为3%的情况突显出了优势.

图3 转速为250 rpm不同载荷下含不同纳米ZnS添加量的摩擦系数随时间变化

2.2 载荷量相同、转速不同条件下，纳米ZnS添加量对摩擦系数影响

2.2.1 50 N载荷条件下摩擦系数的变化

图4(a)、(b)和(c)给出了在50 N的相同载荷和不同转速条件下，纳米ZnS添加量与摩擦系数平均值之间的关系.由图4可知，50 N的载荷下，纳米ZnS添加量相同的润滑油样品在3个不同滑动速度下其摩擦系数平均值相差不大，摩擦系数曲线也都较平稳，但均比未添加纳米ZnS的基础油的平均摩擦系数更小，未添加纳米ZnS的基础油在3个滑动速度下的平均摩擦系数接近或略高于0.09，其摩擦系数曲线波动也都较大.

通过对试验的平均摩擦系数做进一步的比较后发现，纳米ZnS添加质量百分数为1%、2%和3%时，其摩擦系数比未添加纳米ZnS的情况分别降低了75.62%、73.71%和13%.结果表明，该试验条件下在基础油中添加1%和2%纳米ZnS的样品具有较好的减摩效果.分析认为，滑动速度对摩擦系数的影响除了与摩擦表面是否形成了润滑膜有关之外，还与摩擦温度相关，摩擦系数将随着滑动力所产生的热量对润滑膜、表面层性质和摩擦表面的相互作用的影响而发生变化.[9]

图4 载荷为50N不同转速下平均摩擦系数随纳米ZnS添加量的变化关系

2.2.2 100 N载荷的条件下摩擦系数的变化

在100 N的相同载荷和不同转速下，纳米ZnS添加量与摩擦系数平均值之间的关系示于图5中.从图5可以看出，添加了纳米ZnS的样品油和不含纳米ZnS的基础油的摩擦系数在100 N载荷下的试验结果与50 N载荷时的情况相比较其变化规律有所不同.载荷从50 N增加至100 N时，添加了纳米ZnS的样品油其摩擦系数随着转速的增加而减小.原因是根据摩擦学理论，在摩擦副表面处于弹塑性接触状态下，实际接触面积与载荷之间存在非线性关系，因此摩擦系数随载荷增加反而减小.[3]

如图5所示，未添加纳米ZnS的基础油其平均摩擦系数均在0.1左右，在200 rpm和250 rpm的较高转速下，添加了纳米ZnS的样品油的平均摩擦系数降至约0.045，纳米ZnS含量为1%和2%时的样品油其摩擦性能仍为最好，3%纳米ZnS添加量的样品油其平均摩擦系数略高于1%和2%的情况，但基本相当；与50 N载荷的情况比较而言， 100 N载荷下，3%添加量的摩擦系数曲线下降，摩擦系数平均值也降低，而且3%的纳米ZnS添加量的样品油其平均摩擦系数在100 N载荷下相比50 N载荷时下降了28.5%.实验结果表明，在较大载荷和较高转速下，纳米ZnS添加量对摩擦系数的影响相对减小，但其减摩性能仍有一定的提高.分析认为，载荷的增加使纳米ZnS微粒更容易黏附于摩擦表面和填充摩擦副表面的微坑和损伤部位，起到持续的减摩抗磨作用.

图5 载荷为100 N不同转速下平均摩擦系数随纳米ZnS添加量的变化关系

2.2.3 150 N载荷条件下摩擦系数的变化

图6给出了在150 N相同载荷和不同转速下，纳米ZnS添加量与摩擦系数平均值之间的关系结果显示，进一步增大载荷至150 N时，添加3%纳米ZnS的减摩效果在三个转速下均最好，这与载荷为50 N时摩擦系数情况正好相反.在150 rpm、200 rpm和250 rpm的不同转速下，摩擦系数随着纳米ZnS添加量的增大而逐渐减小，但未添加纳米ZnS的基础油的摩擦系数仍是最大.分析认为，这可能是由于摩擦表面的比压随着载荷的增加而增大，从而使更多的纳米ZnS进入摩擦表面，在载荷正压力的作用下使其黏附在摩擦表面上，起到了如离子渗硫或电解渗硫等减摩处理技术在摩擦表面形成的硫化锌润滑层所起到的减摩抗磨的作用，[6,10]从而使高载荷下的摩擦系数较之低载荷下的摩擦系数小，且出现了润滑油样品其摩擦系数随纳米ZnS添加量的相反变化趋势.

图6 载荷为150 N不同转速下平均摩擦系数随纳米ZnS添加量的变化关系

3 结论

在试验的载荷及转速范围内，添加ZnS纳米微粒的基础油其摩擦系数都比未添加纳米ZnS的要小，其摩擦系数曲线波动的幅度也更小，进一步对比摩擦系数曲线及摩擦系数平均值后发现，在100 N载荷和200 rpm转速下的摩擦效果最佳.纳米ZnS添加量为1%和2%的样品油在试验中其减摩效果总体上相对更好，其摩擦系数曲线的波动也较为平稳，但在高载荷和高转速下，纳米ZnS添加量为3%的样品油其摩擦效果显示出了优势.

实验研究表明，添加剂纳米ZnS在摩擦磨损试验机中表现出了良好的减摩抗磨性能，在摩擦过程中形成的纳米ZnS润滑膜膜起到了非常重要的作用，可以作为润滑油减摩添加剂使用.

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[责任编辑 黄招扬]

[责任校对 黄祖宾]

Application of ZnS Nanoparticles in Lubricating Oil to Reduce Friction

RONG Xue-de

(CollegeofPreparatoryEducation,GuangxiUniversityforNationalities,Nanning530008,China)

At room temperature, the tribological properties of ZnS nanoparticles in base oil were evaluated with a MM-W1 friction and wear testing machine. The influence of the addition of ZnS nanoparticles and the test parameters such as loads and rotational velocity on the friction coefficient were investigated, the frictional mechanisms were also discussed. The results indicate that the additive of ZnS nanoparticles can increase the antiwear and friction reducing abilities of lubricating oil in the friction and wear machine tests. It can be concluded that the deposited films formed during friction played an important role. ZnS nanoparticles can be used as friction-reducing coating and friction-reducing additive of lubricating oil.

zinc sulfide nanoparticles; tribological property; lubricating oil additive

2016-10-11.

广西高校科学技术研究项目(LX2014110).

容学德(1977-)，男，广西阳朔人，硕士，广西民族大学预科教育学院讲师，研究方向：材料化工研究.

O614.24+1

A

1673-8462(2016)04-0095-06