含超细金属/蛇纹石粉液压油的摩擦学性能研究

黄俊杰，武黎明，杨 霁，张振忠，赵芳霞

(南京工业大学材料科学与工程学院，南京 210009)

含超细金属/蛇纹石粉液压油的摩擦学性能研究

黄俊杰，武黎明，杨 霁，张振忠，赵芳霞

(南京工业大学材料科学与工程学院，南京 210009)

采用四球试验机研究了纳米镍粉、镍锡粉复配和纳米金属粉与超细蛇纹石粉复配情况下粉体加入量及复配比例对68号液压油摩擦学性能的影响；采用SEMEDS对磨斑形貌进行表征。结果表明：含纳米金属蛇纹石粉液压油具有良好的综合摩擦学性能，当纳米镍与锡粉质量比为3∶1、纳米金属与蛇纹石复合粉[m(纳米金属)m(蛇纹石)=2∶1]添加量(w)为0.10%时，与68号液压油试验相比，摩擦因数和磨斑直径分别降低37.0%和35.4%；加入二烷基二硫代磷酸钼有助于提高超细金属蛇纹石液压油的抗磨减摩性能，且两者具有协同作用；超细金属蛇纹石粉加入到液压油中能够起到填平犁沟、修复磨痕表面的作用。

68号液压油 纳米镍粉 纳米锡粉 超细蛇纹石粉 摩擦学性能

工业液压油在石油、化工、水泥、矿山、冶金、机械等行业具有广泛的应用[1-2]，且需求量大。研制不同黏度含纳米金属/超细蛇纹石粉自修复液压油不仅有利于大幅度提高其抗磨减摩性能，还使液压油具有摩擦自修复特性[3-5]，对提高工业设备的寿命、延长维修期和实现机械设备的节能减排具有重要意义。纳米金属粉如铜粉、锡粉等作为润滑自修复添加剂能够起到较好的抗磨减摩作用[6-8]，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，在低载荷下起到磨粒磨损的作用；蛇纹石粉和纳米二氧化硅等无机材料[9-11]的膨胀系数与黑色金属相近且干摩擦因数极低，该材料加至液压油中，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，但这类粉体的自修复能量高且减摩作用相对较差。因此，其发展趋势是制备高性能金属/陶瓷纳米复合液压油。目前国内外有关含超细金属/陶瓷复合粉体自修复工业液压油的研究鲜有报道。本研究在纳米金属及超细蛇纹石粉体分散工艺的基础上[12-16]，以大型工业设备中应用最多的黏度级别68的实际工业液压油(简称68号液压油)为研究对象，考察含超细镍、锡粉/蛇纹石粉工业液压油的抗磨减摩性能，为研发和推广高性能、自修复型工业液压油提供依据。

1 实 验

1.1 实验材料

一次颗粒平均粒径为80 nm的镍粉和锡粉、一次颗粒平均粒径为100 nm的蛇纹石粉，均为昆山密友集团生产；68号液压油，型号长城LH-M 68；二烷基二硫代磷酸钼(MoDDP)、石油醚，分析纯，无锡亚盛化工生产。四球试验所用钢球为GCr15轴承钢球，上海钢球厂有限公司生产，直径为12.7 mm，硬度为61～64 HRC，化学组成(质量分数)为：Si 0.55%，Mn 0.51%，Cr 1.74%，Fe 97.20%。

1.2 实验仪器和设备

清洗钢球用KH-700DE型超声波清洗器，昆山禾创公司制造；BS 224S型电子天平，德国赛多利斯公司生产；SFS-S400型高速分散机，上海汗诺仪器有限公司制造；WMM-1万能摩擦磨损试验机及配套磨斑测量显微镜，时代试金集团制造；JSM-5900型扫描电镜仪，日本电子公司制造。

1.3 复合添加剂

1.3.1纳米镍锡复合粉将纳米镍粉与纳米锡粉以一定比例复配均匀混合，得到纳米镍锡复合粉。

1.3.2纳米金属与蛇纹石复合粉将纳米镍锡复合金属粉(镍、锡质量比为3∶1)与蛇纹石粉按一定比例复配混合均匀，得到纳米金属与蛇纹石复合粉。

1.4实验方法

通过高速剪切机以3 000 r/min的转速高速剪切30 min，将各类粉体均匀分散到68号液压油中，制成含超细粉体的液压油。采用四球摩擦磨损试验机考察液压油的摩擦学性能，用显微镜观测磨斑后，利用配套软件求得钢球的平均磨斑直径，按照SH/T 0189润滑油抗磨损性能测定标准(1 200 r/min)进行测试。通过SEM/EDS对钢球磨斑表面进行表征。

2 结果与讨论

2.1 纳米镍粉添加量对68号液压油摩擦学性能的影响

在392 N载荷条件下，纳米镍粉添加量对68号液压油试验摩擦因数和钢球磨斑直径的影响见图1。由图1可见，随纳米镍粉添加量的增加，摩擦因数和磨斑直径先减小后增大，当纳米镍粉添加量(w)为0.05%时，摩擦因数和磨斑直径最小，与68号液压油试验相比，摩擦因数和磨斑直径分别降低30.8%和22.9%。

图1 纳米镍粉添加量对68号液压油摩擦学性能的影响■—磨斑直径; ●—摩擦因数。图2～图4同

2.2 纳米镍锡复合粉添加量对68号液压油摩擦学性能的影响

在392 N载荷条件下，纳米镍锡复合粉[m(镍)/m(锡)=2∶1]添加量对68号液压油试验摩擦因数和钢球磨斑直径的影响见图2。由图2可见，随纳米镍锡复合粉添加量的增加，摩擦因数和磨斑直径先减小后增大，当纳米镍锡复合粉添加量(w)为0.15%时，摩擦因数和磨斑直径最小，分别为0.058 mm和0.38 mm，与68号液压油试验相比，摩擦因数和磨斑直径分别降低36.0%和20.8%。

图2 纳米镍锡复合粉添加量对68号液压油摩擦学性能的影响

在纳米镍锡复合粉添加量(w)为0.15%时，纳米镍粉与锡粉质量比对68号液压油摩擦学性能的影响见表1。由表1可见，与68号液压油试验相比，含纳米镍锡复合粉的68号液压油试验的摩擦因数和钢球的磨斑直径明显降低，当m(镍)/m(锡)分别为4∶1，3∶1，2∶1，1∶1时，摩擦因数分别减小8.8%，45.2%，36.0%，39.7%，磨斑直径分别减小6.25%，29.2%，20.8%，22.9%。综合分析，在m(镍)/m(锡)为3∶1时，摩擦因数和磨斑直径最小，分别为0.049 6和0.34 mm。

表1 纳米镍粉与锡粉质量比对68号液压油摩擦学性能的影响

2.3 纳米金属与蛇纹石复合粉对68号液压油摩擦学性能的影响

在392 N载荷条件下，纳米金属与蛇纹石复合粉[m(纳米金属)/m(蛇纹石)=2∶1]添加量对68号液压油试验摩擦因数和钢球磨斑直径的影响见图3。由图3可见，随纳米金属与蛇纹石复合粉添加量的增加，摩擦因数和磨斑直径呈先减小后增大的趋势，当纳米金属与蛇纹石复合粉添加量(w)为0.10%时，摩擦因数和磨斑直径最小，分别为0.057和0.31 mm，与68号液压油试验相比，摩擦因数和磨斑直径分别降低37.0%和35.4%。

图3 纳米金属与蛇纹石复合粉添加量对68号液压油摩擦学性能的影响

在纳米金属与蛇纹石复合粉添加量(w)为0.1%、m(镍)/m(锡)为3∶1时，纳米金属与蛇纹石质量比对68号液压油摩擦学性能的影响见表2。由表2可见：与68号液压油试验相比，m(纳米金属)/m(蛇纹石)分别为3∶1，2∶1，1∶1，1∶2时，摩擦因数分别减小33.6%，37.0%，26.2%，25.3%，磨斑直径分别减小20.8%，35.4%，20.8%，22.9%。综合分析，在纳米金属与蛇纹石复合粉添加量(w)为0.1%、m(纳米金属)/m(蛇纹石)为2∶1时，摩擦因数和磨斑直径最小，分别为0.057 0和0.31 mm。说明加入蛇纹石粉更有利于提高68号液压油的抗磨性能。

表2 纳米金属与蛇纹石质量比对68号液压油摩擦学性能的影响

2.4 MoDDP添加量对含纳米金属/蛇纹石复合粉68号液压油摩擦学性能的影响

图4 MoDDP添加量对含纳米金属/蛇纹石复合粉68号液压油摩擦学性能的影响

在392 N载荷条件下，加入0.25%～1.25%MoDDP对含0.1%金属/蛇纹石复合粉68号液压油摩擦学性能的影响见图4。由图4可见，随MoDDP加入量增加，摩擦因数呈先减小后增加的趋势，钢球磨斑直径变化不大，当MoDDP添加量(w)为0.75%时，摩擦因数和磨斑直径最小，与含0.1%金属/蛇纹石复合粉68号液压油试验相比，摩擦因数和磨斑直径分别降低43.5%和9.7%。说明加入MoDDP有助于提高超细金属/蛇纹石液压油的抗磨减摩性能，且两者具有协同作用。

2.5 含纳米金属/蛇纹石复合粉液压油的载荷特性

含纳米金属/蛇纹石MoDDP复合粉68号液压油在196，294，392，490 N载荷下试验的摩擦因数和钢球磨斑直径见图5。由图5可见，不同载荷下，68号液压油中添加纳米金属/蛇纹石MoDDP复合粉体后，试验的摩擦因数和钢球的磨斑直径均明显下降，且摩擦因数和磨斑直径均随着载荷的增加而增大。

图5 含纳米金属/蛇纹石复合粉液压油的载荷特性■—未添加复合粉体; ●—添加复合粉体

2.6 自修复机理探索

在392 N载荷下，含0.1%纳米金属/蛇纹石粉68号液压油长磨60 min后的磨痕形貌及能谱分析结果见图6。由图6可见：钢球表面的磨痕很浅；GCr15 轴承钢球的成分主要有铁、碳、铬、硅等，含0.1%的纳米金属/蛇纹石粉68号液压油长磨试验后，磨痕的凹槽含有镍、硅、镁及少量锡元素，说明润滑油中添加超细粉体后颗粒会在摩擦过程中向摩擦表面上发生转移，在磨斑表面起到填补沟壑的作用，产生更多新生表面，表面活性较高的超细颗粒在外加压力下迅速沉积、焊合到摩擦副表面，填充磨痕表面，在摩擦副的表面形成自修复膜，提高设备的使用寿命。

图6 含0.1%超细复合粉液压油的钢球磨斑形貌及能谱分析结果

3 结 论

(1)适量纳米金属镍、锡粉体的加入有利于提高基础液压油的摩擦学性能。在68号液压油中镍粉添加量(w)为0.05%时，试验的摩擦因数和钢球的磨斑直径最小，较基础液压油试验分别降低30.8%和22.9%。在纳米镍锡复合粉添加量(w)为0.15%、镍、锡质量比为3∶1时，试验的摩擦因数和钢球的磨斑直径最小，较基础液压油试验时分别减小45.2%和29.2%。

(2)适量纳米金属粉、超细蛇纹石粉的复合，有利于进一步改善基础液压油的综合摩擦学性能。当纳米金属与蛇纹石复合粉添加量(w)为0.10%时，试验的摩擦因数和钢球的磨斑直径最小，分别为0.057和0.31 mm，与68号液压油试验相比，摩擦因数和磨斑直径分别降低37.0%和35.4%。

(3)与含0.1%金属/蛇纹石复合粉68号液压油试验相比，当MoDDP添加量(w)为0.75%时，试验的摩擦因数和钢球的磨斑直径分别降低43.5%和9.7%。说明加入MoDDP有助于提高超细金属/蛇纹石液压油的抗磨减摩性能，且两者具有协同作用。

(4)超细粉体在摩擦时，金属部分在摩擦副表面滑移形成软表面膜填补沟壑，形成软修复；蛇纹石部分在摩擦下与铁基金属反应，在摩擦副表面生成硅酸铁镁陶瓷保护层，形成一种硬修复。两者有协同作用，在摩擦副的表面形成自修复膜。

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TRIBOLOGICALPROPERTIESOFHYDRAULICOILWITHULTRAFINE-METALSERPENTINEPOWDERSWTBZ

Huang Junjie， Wu Liming， Yang Qi， Zhang Zhenzhong， Zhao Fangxia

(CollegeofMaterialsScience&Engineering，NanjingUniversityofTechnology，Nanjing210009)

To improve the tribological properties of conventional industrial hydraulic oil，the effects of amounts of nano-Ni，nano-Ni/Sn composite powders and ultrafine-metal/serpentine composite powders on tribological properties of No.68 hydraulic oil were studied by using four-ball tester；the wear scar morphology and composition were characterized by means of SEM/EDS techniques.Experimental results indicated that the hydraulic oil containing ultrafine-metal/serpentine composite powders has better tribological properties in all aspects.Compared with the basic hydraulic oil，the friction coefficient and wear scar diameter decreases by 37.0% and 35.4%，respectively，when the mass ratio of Ni and Cu is 3∶1，the mass ratio of metal and serpentine is 2∶1，and the total amount is 0.1%.The addition of MoDDP and the ultrafine-metal/serpentine greatly improves the tribological properties of hydraulic oil，indicating a synergistic effect between them.Wear scar SEM/EDS analysis showed that the ultrafine-metal/serpentine composite powders added to the hydraulic oil can fill the furrows and repair worn surface.

No.68 hydraulic oil； nano-Ni powder； nano-Sn powder； ultrafine serpentine powder； tribological property

2017-06-13；修改稿收到日期2017-07-12。

黄俊杰，硕士研究生，主要从事纳米粉体的制备及液压油润滑添加剂的研究工作。

黄俊杰，E-mail：huanghe92114@163.com。