纳米MMT/In添加含量对钢球摩擦副的影响
2016-12-13杨桃月曹阳
杨桃月,曹阳
(1.贵州广播电视大学实训中心,贵州贵阳550023;2.贵州大学机械工程学院,贵州贵阳550025)
纳米MMT/In添加含量对钢球摩擦副的影响
杨桃月1,曹阳2
(1.贵州广播电视大学实训中心,贵州贵阳550023;2.贵州大学机械工程学院,贵州贵阳550025)
将经修饰后的蒙脱石(MMT)/铟(In)复合纳米粉体按质量百分比1%、2%、3%、4%添加到150N基础油中,制备成四种分散体系,用MS-10A四球摩擦试验机机测试了各种润滑体系对钢球试样的摩擦性能,用SEM和EDX等分析了钢球样表面成分与形貌的变化,对比分析了影响摩擦学性能的机理。结果表明:添加有MMT/In纳米粉体对应的试样磨斑直径均比基础油中的小,特别是3%含量的HMM3I7-3相对基础油减小了18.73%;所有试样表面均形成了以MMT特征元素和In元素为主体组成的自修复膜层,使磨损失重获得补偿,分析结果表明HMM3I7-3试样中MMT和In特征元素的含量最高,故磨损率最小;添加有纳米MMT/In润滑体系的试样平均摩擦因数均低于纯基础油的试样,3%含量对应的MCM3I7-3试样的摩擦因数最小,相对基础油降低了52.11%,这是由膜层完整度决定的。
纳米MMT-In;润滑油添加剂;添加量;钢球摩擦副
在机械系统及其装置中,摩擦高副广泛存在,如齿轮传动、滚珠轴承等。润滑油添加剂在摩擦高副环境的性能是润滑油添加剂的一项重要指标,纳米矿物[1-2]、纳米金属[3-4]和复合纳米材料[5]在四球摩擦磨损试验机的摩擦学性能都有较多研究,都获得了较好的减摩抗磨效果。本文主要在MMT与In配比为3:7的条件下,研究MMT/In在润滑体系的添加量对摩擦学性能的影响。
1 试验条件与方法
1.1试验条件
材料和试剂有:自制纳米MMT/In复合粉体;基础润滑油(150N,江苏昆山);四球摩擦试验机专用GCr15钢球),直径12.70 mm,洛氏硬度HRC64~66;石油醚(分析纯,市购)。
仪器设备有:85-2(A)磁力搅拌器;MS-10A杠杆式四球摩擦试验机(厦门天机自动化有限公司);JSM-6490LV扫描电镜;INCA-350 X射线能谱仪;SW-101Z超声波清洗机。
1.2润滑体系的制备
按照吴雪梅等人[5]叙述的纳米粉体制备和表面修饰方法,共混制备一定量的纳米MMT3In7复合粉体,按照1%、2%、3%、4%的添加量,添加到基础油中,充分搅拌30 min,然后再在超声波分散仪中分散30 min制成试验用油样体系,各体系代号见表1.
表1 润滑油样及摩擦试样代号
1.3试验过程
将摩擦试样分成五组,分别在油样HBO、HM3I7O-1、HM3I7O-2、HM3I7O-3、HM3I7O-4中进行摩擦磨损性能对比,对应的摩擦试样分别称为HMB、HMM3I7-1、HMM3I7-2、HMM3I7-3、HMM3I7-4试样。
将以上五种油样分别在四球摩擦试验机上进行抗磨损性能测试,获得平均磨斑直径和摩擦因数。摩擦磨损试验完成后,用JSM-6490LV SEM分别对试样进行形貌分析,用EDX进行表面成分分析,以此分析摩擦学性能变化的作用机制。
2 试验结果与机理分析
2.1抗磨性分析
2.1.1磨损量测试结果与数据分析
图1是MMT:In为3:7,添加量分别为1%、2%、3%和4%的纳米MMT/In添加剂在钢球摩擦副下部静止钢球(即HMB、HMM3I7-1、HMM3I7-2、HMM3I7-3、HMM3I7-4试样)的磨斑的光学照片,表2是各个试样磨斑的平均直径。
图1 不同含量复合粉体试件磨损表面磨斑的光学照片
表2 不同含量的纳米MMT/In粉体在钢球摩擦副中的磨斑直径统计表(15kg,60min,1200r/min,75℃)
从测试结果来看,添加有1%~4%的纳米粉体润滑体系中的摩擦试样磨斑直径均比基础油中的小,而且在含量较小时,随着含量的增加,磨斑直径逐渐减小,但含量达到4%时,其磨斑直径又有所增大。
2.1.2抗磨性形貌及表面分析
图2是各摩擦试样试验后表面的SEM形貌。(a)图HMM3I7-1试样摩擦中心区域磨痕深而宽,沟痕密集,沟痕边缘虽较(e)图中HMB圆润,但仍显得较锐利被犁沟物质转移较强烈。(b)图HMM3I7-2试样摩擦中心区域磨痕较明显,但沟痕的密集程度有所下降,谷峰差有所减小,而且中心区域的较深沟痕中有覆盖填充物被犁沟物质转移缓和了许多,似有覆盖物补偿磨损。(c)图HMM3I7-3试样摩擦区域表面光洁,有少量较浅划痕,整个表面有被物质覆盖的膜层,一方面,表面被犁沟粘着磨损轻微,另一方面表面形成了修复膜层,补偿效果较好。(d)图HMM3I7-4试样摩擦痕迹非常明显,磨痕较宽与HMM3I7-1相似,少数较浅的沟痕中留下碾压涂覆物质的痕迹,磨损加重。
图2 不同含量复合粉体试件磨损表面SEM形貌
为了弄清表面物质的组成,在扫描电镜下进行EDX元素分析,表3为各试样摩擦表面EDX分析结果。从测试数据可以分析,复合纳米粉体的添加量直接影响摩擦试样表面所含特征元素的量,摩擦表面涂覆层完整程度也与之直接相关。之前的研究[6]中分析得出复合纳米粉体抗磨性能的好坏主要受表面层中纳米In含量的主导,本研究结果其抗磨机理也类似,也是In含量起重要作用,对照表2和3,可知表层中In原子浓度越多,其抗磨性能越好。
表3 摩擦表面各主要元素原子分数对比表(At%)
由于当其材料延展和涂覆性能越明显,其抗磨性越好,但是较高含量时,纳米MMT/In中添加量是在较小范围内变动,磨粒磨损较微弱,当该物质添加量增加时,将促进化学反应向右移动,有利于反应成膜而不被磨耗,故随之表面检测中In的浓度呈上升状态。但添加入过多的纳米MMT硬质粉体,会使表面的磨粒磨损加剧,不利于表面膜层的生成和In原子的渗入,故In浓度很低,抗磨性也不好。
2.2减摩性分析
2.2.1摩擦因数测试结果与数据分析
各摩擦试样摩擦因数随时间变化如表4所示。试验所涉及的四种含量添加剂的润滑体系中平均摩擦因数均明显比基础油摩擦试样的平均摩擦因数值小,特别是HMM3I7-3试样的摩擦因数最低,说明复合纳米添加剂的减摩效果显著。而且当含量较小时随着含量增加,摩擦因数降低,含量增加到4%时,反而又增大,这与磨损率的变化趋势一致。
表4 各试样平均摩擦因数(μ)
2.2.2机理分析
本项研究试验运转的时间与摩擦低副相比要短得多,仅60 min,在该时间内,接触面上难以形成对减摩性有效而完整的反应膜层。含量较低时,纳米粒子的滚珠效应和软金属In纳米粒子铺展后的低剪切效应使摩擦因数普遍较纯基础油有所下降。由于随润滑油体系中MMT/In纳米微粒含量的增加,其成分的沉积和改性作用增强,使摩擦因数呈下降趋势。当体系中含量为3%时减摩性最好,也是摩擦试样表面MMT/In中的特征元素浓度最高体系中的HMM3I7-3试样。从表面形貌来看该HMM3I7-3试样表面粗糙度最低,也是减摩性好的原因之一。当润滑油体系中MMT/In含量增大到4%时,纳米MMT/In中的硬相MMT粒子对接触区研磨加剧,导致沉积膜难以正常进行。另一方面,MMT的活化作用,提高了钢-钢摩擦副接触区的表面能,促进了粘着倾向,尤其在高副接触应力和比压大的条件下这种倾向更明显,硬相磨粒对球表面的切削和犁沟,导致粗糙度增大,也是摩擦因数上升的原因。
3 结束语
(1)添加有1%~4%含量的四中润滑体系对应的摩擦试样磨斑直径均小于基础油润滑体系中HMB试样的磨斑直径,并且3%含量的HMM3I7-3试样磨斑直径最小,相对于HMB试样的减小了18.73%;
(2)经过摩擦试验后,四种试样表面均形成了以MMT特征元素和In元素为主体组成的自修复膜层,而HMM3I7-3试样中特征元素的含量高于其他试样中特征元素的含量,说明相对于3%添加量在润滑体系中起到的自修复作用最大。
(3)添加有1%~4%含量的四中润滑体系摩擦因数均小于基础油润滑体系的摩擦因数,并且3%含量的润滑体系摩擦因数最小,相对于基础油减小了52.11%.
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[6]Cao Yang,Yang Taoyue,Zhang Dabin et al.Friction mecha nism of nano-mmt/In composite on steelball higher pair,Chemical Engineering Transactions,2015,(46):1177-1182.
Effect of Nano MMT/In Content on Friction Pairs of Steel Balls
YANG Tao-yue1,CAO Yang2
(1.Guizhou Radio and TV University,Guiyang Guizhou 550023,China;2.College of Mechanical Engineering,Guizhou University,Guiyang Guizhou 550025)
Modified montmorillonite(MMT)/In composite nano-powders were mixed with 150N base oil,with respective 1%,2%,3%and 4%mass percentages,to prepare four dispersion systems.The MS-10Aabrasion wear tester was used to measure tribological properties of steel ball samples under five different lubrication systems.What is more,the change of morphology and components of the sample surface were analyzed through SEM and EDX,to the advantage of a comparative analysis on how tribological properties are affected.The test results show that wear scar diameter of samples in test oil due to abrasive wear is less than the one in base oil.Noticeably,the HMM3I7-3 sample has the minimum diameter which decreases by 18.73%compared to the one in base oil.EDX test results show that on the surfaces of all samples form self-healing coatings with MMT characteristic elements and In as the main body,which reduce the diameter caused by abrasive wear.Also,the friction coefficient of samples in test oil is smaller than the one in base oil.The HMM3I7-3 sample has the minimum friction coefficient which decreases by 52.11%compared to the one in base oil.This phenomenon is caused by the degree of coating integrity.
nano-MMT/In;lubricant additive;mass percentage;steel ball tribo-pair
TH117.2
A
1672-545X(2016)10-0140-03
2016-07-06
贵州省科学技术基金项目(No.黔科合J字[2012]2118号/[2011]2011号);贵州大学青年科学技术基金(No.贵大自青基合字[2010]053号/[2010]020号);贵州大学人才引进基金项目(No.贵大人基合字(2015)31号)
杨桃月(1982-),女,贵州天柱人,本科,实验师,主要从事机械设计方面的研究。