粉煤灰在PAO油中的摩擦学性能研究

2022-10-28王秋月张丽丽张正瑞

四川建材 2022年10期

关键词：磨痕摩擦学摩擦系数

王秋月，张丽丽，张正瑞

(四川轻化工大学土木工程学院，四川自贡 643000)

0 前言

微纳米粒子作为润滑材料的研究始于20世纪90年代，尤其是纳米摩擦学，主要研究摩擦、磨损、润滑现象和材料摩擦学特性的关系，是材料科学和摩擦学交叉领域最前沿的分支学科之一。

近年来，纳米材料作为润滑油添加剂的应用得到了广泛研究，并被证明能够在润滑油中发挥显著的摩擦学性能。但纳米添加剂的生产工艺复杂、价格昂贵。因此，探索并研究具有摩擦学性能且价格低廉的润滑添加剂具有十分重要的社会意义和经济效益。

粉煤灰是燃煤电厂排放的废弃物，会带来环境污染、水质污染及堆积占地等问题。合理有效地利用粉煤灰，不仅能改善其对环境的污染问题，而且可以实现二次利用，并带来非常可观的经济效益。最近，粉煤灰已成功用于金属基复合材料以减轻整体重量，并且这些复合材料已成功用于汽车和航空航天应用。使用粉煤灰开发的聚合物基复合材料可用作低成本的绿色摩擦材料。

粉煤灰主要是通过在电厂燃烧煤炭来产生的，目前处理粉煤灰最常用的方法包括：①放置在垃圾填埋场中；②作为水泥原材料[1]；③通过物理或化学方法分离出重金属[2]；④热处理。其中填埋处理和水泥混合材料使用存在重金属二次污染的风险，物理化学处理方法从粉煤灰中分离重金属也可能需要额外添加其他成分。所以，需要对粉煤灰的应用方面进行更多的研究。

粉煤灰呈灰褐色，外观类似水泥，粉煤灰颗粒因高温和表面张力的作用呈球形或微珠状，直径在1～200 μm，比表面积大，表面疏松多孔，具有一定的吸附特性。粉煤灰主要含有 SiO2、A12O3、Fe2O，这些成分均为现有摩擦材料中的主要组分材料[3]，这样看来粉煤灰具有作为摩擦材料组分的潜质。粉煤灰具有均匀的物相组成及稳定的工程特性，它是经过1 200oC的高温煅烧而形成的。因此，它作为摩擦组分应该会具有良好的热稳定性。与常见摩擦材料中的金属组分相比，粉煤灰具有很低的密度(2 000～3 000 kg/m3)，若可用于生产摩擦材料，制得的产品质量较轻。粉煤灰还具有高的比热(约 800 kJ/kg·K)，这个特性可望能贮存刹车片或离合器面片在使用时的摩擦热，从而避免其过热。粉煤灰的这些特性，使其可望成为摩擦材料的组分材料。汤瑞清等[4]对粉煤灰填充树脂基摩擦材料进行了硬度和抗冲击强度实验，分析了不同等级、不同掺量的粉煤灰对摩擦材料硬度及冲击强度的影响，观察了其晶相组织，结果表明: 在同等级不同掺量情况下，摩擦材料的硬度随粉煤灰掺量的增加而增加，在粉煤灰掺量为50%时摩擦材料的硬度达到极大值;摩擦材料的抗冲击强度随粉煤灰掺量的增加而下降。Samrat Mohanty等[5]将粉煤灰添加到刹车片复合材料中，发现高温时粉煤灰热稳定性较好，摩擦系数稳定且磨损率降低。

研究表明粉煤灰可以作为良好的摩擦材料改性剂[6]，但粉煤灰作为润滑油添加剂的研究至今无报道。在本文中利用球-盘式摩擦磨损试验机对粉煤灰粉体作为润滑油PAO固体添加剂的摩擦特性进行了测试。考察了粉煤灰对润滑油摩擦磨损性能的影响，并通过微观测试进行进一步研究。

1 试验部分

1.1 材料

试验所使用的粉煤灰购买于汇丰新材料，规格为5 000目。聚α烯烃(PAO)购买于美孚公司，黏度为10。所用试剂购买于国药公司，均为分析纯，且未经过进一步提纯；试验用水为去离子水。摩擦副为钢/钢，所用钢球为兰州轴承厂生产的二级GCr15 标准钢球，不锈钢片(30 mm×30 mm×0.8 mm)使用前依次用丙酮和酒精进行超声波清洗10 min，用干燥氮气吹干。

1.2 粉煤灰表征

通过场发射扫描电镜(SEM，FEI Inspect F50)观察粉煤灰形貌，通过粒度分析仪(马尔文 mastersizer3000)测试尺寸大小，X射线荧光光谱仪(XRF，XRF-1800，日本岛津制作所)测试粉煤灰的矿物组成。

1.3 摩擦试验方法

粉煤灰按1 wt%称取加入到PAO油中进行超声分散30 min，得到均匀分散的悬浮液体，简写为PAO-Fly ash。在中国科学院兰州化学物理研究所自行研制的摩擦试验机上分别考察了PAO和PAO-Fly ash的摩擦行为。试验在室温下进行，法向载荷分别为5 N。上试样为3 mm 的AISI-52100钢球。钢片上的磨痕通过三维轮廓仪(ADE, USA)和扫描电镜观察，通过EDS能谱测试磨痕表面成分。

2 结果与讨论

2.1 粉煤灰表征

图1显示了粉煤灰颗粒的形貌。粉煤灰颗粒受到高温及表面张力的作用大部分呈球形。根据粒度分析仪提供的数据(如图2所示)，80%的粉煤灰颗粒尺寸在30 μm以下，尺寸小于1μm的约占12%。通过XRF测试可知(如表1所示)，粉煤灰的成分主要是SiO2，Al2O3，Fe2O3的混合物。

表1 粉煤灰成分表单位：wt%

图1 粉煤灰SEM图

图2 粉煤灰粒径分布图

2.2 摩擦磨损性能测试

本文中将粉煤灰作为PAO油添加剂测试其摩擦学性能。测试结果如图3所示，只使用PAO油作润滑剂时，在实验初期摩擦系数有明显的波动，当加入粉煤灰颗粒后，摩擦系数变得更加稳定。

图3 PAO油和PAO+Fly ash的摩擦系数

为进一步研究粉煤灰对PAO油抗磨性能的改善，对磨痕表面进行了三维轮廓和SEM分析，结果如图4所示，从图4中可以看出PAO+Fly ash经过摩擦实验后磨痕表面的划痕变得细而浅，表明粉煤灰的“填充”“隔离”作用改善了磨损表面的形貌。

图4 摩擦实验后磨痕的非接触式三维轮廓图和截面轮廓图

2.3 磨损表面和磨屑的微观形貌分析

图5为钢片磨痕表面的SEM图。在图5(a)中，磨痕表面没有明显的划痕，但磨痕宽度比PAO+Fly ash宽很多。而有些磨痕区域，如图5(b)所示，有一些凹坑，这可能是由于经过反复摩擦造成磨痕表面产生磨粒磨损。加入粉煤灰后，结合三维轮廓图，如图6所示，磨痕表面出现了O、Si、Al、Ca、Ti、Mg等元素，这些元素都源于粉煤灰。由此可知粉煤灰在摩擦过程中在其表面成膜，从而降低磨损。根据文献可知粉煤灰是以含SiO2、Al2O3为主的玻璃体，这种玻璃体的硬度、多孔性质应该是其形成良好摩擦膜并改善摩擦磨损性能的本质原因[7]。