Zn及Zn/SiO2复合添加剂的摩擦学性能

-0-第29卷第6期后勤工程学院学报Vol. 29 No. 62013年11月JOURNAL OF L0OGISTICAL ENGINEERING UNIVERSITYNov. 2013文章编号:1672 - 7843(2013)06 - 0054 - 06doi: 10.3969/j. issn. 1672 - 7843. 2013. 06. 010Zn及Zn/SiO2复合添加剂的摩擦学性能陈.力,陈国需,赵立涛,张 哲(后勤工程学院军事油料应用与管理工程系，重庆401311)摘要实验室自制了锂基润滑脂,通过四球试验研究Zn作为锂基润滑脂添加剂在不同工沉条件的摩擦学性能,利用光学显微镜和EDX分析了磨斑表面形貌及元素组成，探讨了Zn的润滑作用机理,并对Zn与SiO2不同复配方案的摩擦学性能进行了研究。结果表明:在低载荷条件,Zn能更显著地提高锂基润滑脂的抗磨性能;在中高载荷条件,Zn同时具有减摩抗磨性能,但对P。值的提高没有太大帮助。EDX 能谱分析表明磨斑表面存在特征Zn元素,说明Zn能够在摩擦表面沉积,形成摩擦学性能显著的表面润滑层;同时,Zn与硬质颗粒SiO2在适宜的复配比例时具有一定的协同效应,能提高锂基润滑脂的摩擦学性能。关键词锂基润滑脂;锌;摩擦学性能;复配添加剂中图分类号:TH117文献标志码:A .The Tribological Properties of Zn and Zn/Si02 Composite Lubricant AdditivesChen Li,Chen Guo-xu,Zhao Li-tao,Zhang Zhe(Dept. of Oil Application & Management Engineering, LEU ,Chongqing 401311 , China)Abstract Lithiumbase grease was prepared in laboratory , and the tribological properties of the zine powder in lithium greasewere investigated in four-ball friction tester under different working conditions. The morphologies and the elements of the worn sur-face were analyzed by means of optical microscope and EDX (energy dispersive X -ray detector). The antiwear mechanism was anal-ysed, and then, the antiwear properties of Zn/SiO2 composite lubricant additives were studied. The results showed that antiwearcould be improved more notably by Zn under low pressure , and Zn could provide both antifriction and antiwear , while, the Pg wasn”timproved. Results of the EDX showed that there were characteristic Zn elements on the surface of the ball, indicating that the zinepowder could react with the iron ball, created lubricating film, the tribological properties of which were more excellent. The compos-ite additives showed synergstie effect under suitable proportion. Therefore , the tribological properties of the zine powder in lithiumgrease can be improved.Keywords lithium base grease ;zinc ;tribological properties ;composite lubricant additives近年来,随着微纳米材料制备技术的飞速发展,其在润滑体系中的应用得到了深人研究。一些软金属,如Cu,Sn,Zn等,因具有熔点和剪切强度相对较低等特点,在摩擦副微凸体接触部位产生的高温高压作用下,能够沉积或者熔融铺展在摩擦副表面,形成具有--定厚度和力学性能的修复膜层,减少摩擦副之收稿日期:2013-07-21基金项目:全军后勤计划项目(油2070202)0作者简介:陈力,男 ,硕士生,主要从事润滑材料研究。中国煤化工通信作者:陈国需,男,教授,博士生导师,主要从事新型润滑材料和摩擦化学研究。MHCNMHG-φ--0-第6期陈力等Zn及Zn/SiOz 复合添加剂的摩擦学性能5:间的黏着磨损,使摩擦发生在膜层之间,从而起到减摩抗磨的作用。对该类添加剂在润滑油中的应用已进行了大量的研究工作。已有的研究表明"-):Cu,Zn, Sn等软金属在一-定 工况条件能够提高润滑油的抗磨减摩性能,且能够在摩擦过程中实现对磨损表面的原位在线自修复4"。然而,对软金属材料摩擦学性能的研究大多集中在润滑油体系,而对润滑脂体系中软金属的应用研究相对较少。由于润滑脂系半流动体系,具有与润滑油不同的性质,因而润滑脂添加剂亦具有--定的研究意义。何灼成等8"对微米Cu粉及其他添加剂在锂基润滑脂中的摩擦学性能和修复性能进行了研究,结果表明Cu粉对锂基润滑脂的摩擦学性能有- -定的提高。SiO,等纳 米材料具有硬度高、耐磨、抗高压等特点,闫玉涛等10 "研究SiO2在润滑油脂中的摩擦学性能,发现其能显著提高最大无卡咬负荷及烧结负荷,并在四球试验中降低磨斑直径及摩擦因数。软金属具有较低的熔点和较小的剪切强度,在低能量下就能填充在摩擦副表面,减小摩擦因数，而硬质材料则具有耐磨、极压能力更显著等特点,基于此,赵立涛、王鹏等1-1分别对Cu/C及纳米铋/蛇纹石粉复合润滑脂添加剂的减摩抗磨性能进行研究,结果表明软金属与硬质材料在一-定复配比例时能够起到很好的协同效应。本课题主要研究在不同载荷条件,单质Zn及Zn与Si02复配添加剂作为锂基润滑脂的摩擦学性能。1实验部分.1.1 实验材料及仪器预制皂为十二羟基硬脂酸锂皂,500SN基础油;MMW-1立式万能摩擦磨损试验机(济南舜茂试验仪器有限公司制造);四球机专用钢球(石油化工科学研究院提供),材质为GCr15,尺寸为12.700 0 mm;Zn颗粒(兰州黄河锌品有限责任公司提供),平均粒径约0.8μm;Si0,纳米粒子(杭州万景新材料有限公司提供),平均粒径30 nm。1.2 润滑脂样品配制预制皂质量分数为9%,与2/3的基础油混合,在炼制釜中加热,加速搅拌使预制皂与基础油混合均匀并完全熔化。加热至170~180C,保持温度5~10min,再继续加热。温度达到200~220C时,高温膨化5~10min,加人剩余冷油,使其与皂混合物形成稠化剂晶核,保持温度在170C左右搅拌5min,停止加热。待温度降至130C,按照预先设定的配比关系加入添加剂,搅拌均匀,冷却至室温,在三辊磨上粗磨3遍，再细磨3遍,得到添加剂不同质量分数下的润滑脂。1.3摩擦磨损试验测试Zn作为润滑脂添加剂的Pr,P,值，按照GB/T 12583- -1998《润滑 剂极压性能测定法(四球法)》6)1进行测定。磨损试验条件:载荷分别为196, 392,588 N;转速为1 200 r/min;长磨时间为60 min。2结果与讨论2.1添 加剂对润滑脂理化指标的影响添加剂对润滑脂理化指标的影响是限制其应用的因素。表1 Zn的加入对润滑 脂理化指标的影响对不同添加量下滴点和锥人度的测量发现,Zn的加入对锂基Tab.IThe influence of the zinc powder added润滑脂的理化指标没有明显影响(表1),证明添加剂并未改to physicochemical indexes of grease变皂纤维结构。润滑脂滴点/C__锥入度/10 'mm基础脂2092832.2摩擦学性能研究基础脂+0. 5%Zn2042.2.1Zn对锂基润滑脂PB,P.值的影响基础脂+1%Zn206275图1为添加剂不同质量分数下润滑脂的极压性能。从图基础脂+2%中国煤化工中可以看出,加入微粒Zn,后,润滑脂的P。值并没有提高,而P_基础脂+39YHCNMHG-φ--0-后勤工程学院学报2013年值在添加剂质量分数为1%时达到最佳值,相比基础脂提高了2 00058.6% ,之后随着添加量的增加保持不变。1 600:月2.2.2Zn添加量对锂基润滑脂减摩抗磨能力的影响图2和图3分别为转速1 200 r/min,长磨60 min后,Zn的质天R 1200量分数和不同载荷对锂基润滑脂平均摩擦因数和磨斑直径的当影响。由图2可见,在载荷392,588N条件下,含Zn添加剂对锂基润滑脂都具有--定的减摩能力,而且Zn的添加有-一个最)0 L佳量,当Zn的质量分数为1%,相比基础脂摩擦因数分别降低Zn的质量分数/%了14.8%和13%,说明Zn的添加能够对润滑脂起到减摩作用。图1Zn的质量分数对润滑脂极压性能的影响当载荷为196 N,摩擦因数比基础脂大,分析其原因为在低载荷Fig.1 The influence of difference mass frcution下润滑体系主要靠润滑油膜起作用,而加人Zn后,润滑油膜的of Zn on extreme presure properties摩擦行为转化为Zn添加剂之间的摩擦,因而增大了摩擦因数。而在中、高载荷等苛刻工况条件下,润滑体系则靠金属皂分解产物或者添加剂反应产物起作用”，所以在中、高载荷条件下,超细Zn粉的添加对基础脂具有较为显著的减摩能力。由图3可见,基础脂的磨斑直径随着载荷的增大而增大,当载荷从196N增加到392N,基础脂的磨斑直径增大最为显著。加入添加剂后,磨斑直径相比基础脂有所减小，这是因为加入Zn后,在- -定的工作压力及摩擦产生的高温状态下,Zn沉积于摩擦副表面,形成具有一定摩擦学性能的膜层,这层修复膜能够减少微凸体之间的直接接触,并起到减摩抗磨作用。通过不同载荷条件下加人添加剂后磨斑直径减小的程度对比发现:在低载荷下,Zn对基础脂磨斑直径的减小更加显著。分析认为,在温和条件,Zn能够更好地沉积在磨痕表面,形成修复膜填补微坑,阻止磨斑直径进-一步增大。推测在苛刻条件,由摩擦产生的高温能够使Zn熔融铺展,在摩擦副表面形成一-定厚度的膜层,但在高压工况,Zn的膜层容易被磨掉而失去抗磨能力。0.115 t: 392N_ 588N: 9N.1100网0.105品0.州0.6菜0.100常鹤0.5).095 t0.0.090图2Zn的质量分数和载荷对润滑脂平均摩擦因数的影响图3 Zn 的质量分数和载荷对润滑脂磨斑直径的影响Fig. 2 The influence of dfferent mass fraction of Zn andFig. 3 The influence of diferent mass fraction of Zn andworking load on average friction factorworking load on wear scar diameter2.2.3磨 斑表面形貌及元素组成分析图4为不同载荷下基础脂与含添加剂的锂基脂磨斑外貌。从图中可以看出:基础脂出现了比较明显的擦伤和划痕,且擦伤纹路不规则;加入Zn后,磨斑直径有所降低,磨斑外貌更加均匀圆整平滑,磨斑表面呈现轻微擦伤迹象,划痕较浅。可以推测,加人适量Zn后,可以显著减轻摩擦副接触表面的擦伤和划痕，对于减少磨损具有- -定作用。图5为载荷196N和588N时的磨斑表面能谱。由图可知:在196N低载荷和588N高载荷下磨斑表面均出现了Zn元素,证明Zn微粒在载荷力挤压作用下,能够在磨斑表面沉积铺展,形成具有较好摩擦学性能的润滑层。中国煤化工YHCNMHG .-φ--0-第6期陈力等Zn及Zn/SiO2 复合添加剂的摩擦学性能5"(a)588N基础脂(b)392N基础脂(c)196 N基础脂(d)588 N基础脂+ 1%Zn(e)392 N基础脂+1%Zn(f)196 N基础脂+1%Zn4不同载荷磨斑外貌Fig. 4 The morphologies of the wear scar of different working load13.9 ]x10Fe9.1 1x107.33.3 1.5 t3.72.7 t1.9/Zns;Zn Znznsi123456789 1011123能量/keV56789(a)196 N(b)588N图5不同载 荷磨斑能谱Fig. 5 EDX gragh of friction surface at 196 N and 588 N , respectively2.3摩擦机理分析表2为磨斑表面元素组分。分析该表可知:在低载荷表2磨斑表面元素组分下,Zn更容易沉积于磨痕表面,这可能是因为在低载荷温Tab.2 The element composition of friction surface和条件,Zn更易于实现原位在线自修复,填补微坑,膜层质量分数1%相对原子质量分数/%也能减少微凸体之间的直接接触。由图3可知,在196 N196 N588 N3.6710.13载荷下，当Zn的质量分数为1%,其磨斑直径比基础脂降Z2.661.752.12低了24.5%。在高载荷下,出现Zn元素,同时发现了0元素。推测在高载荷的苛刻条件吧，由于摩擦产生的闪温、高压等作用使单质Zn部分熔融铺展,部分被氧化,ZnO沉积在摩擦副表面与熔融铺展的单质Zn形成具有较好摩擦学性能的润滑层,同时摩擦表面,颗粒状的Zn有可能以类似于滚动轴承的形式变滑动摩擦为滚动摩擦,从而起到减摩作用。单质Zn由于熔点较低,在这种闪温作用下甚至能够熔融铺展,进而渗进亚表层,与磨痕表面形成高硬度的Zn-Fe合金层，从而显著改善基础脂油膜强度及摩擦副耐磨强度。中国煤化工MHCNMHG-φ--0-后勤工程学院学报2013年2.4 Zn 与SiO2的复配复配方案如下:0.5%Zn+0.5%Si02, 1%Zn+0.5%Si02,0.5%Zn+ 1%Si02, 1%Zn+ 1%Si02,依次编号为1,2,3,4,复配之后的摩擦学性能分别与1%Zn, 1%SiO2作比较。图6为复配添加剂P, P值。由图中数据可知,复配之后,复2 000合添加剂的P值相较于SiO的有所降低;复配4在4组复配方案中具有更为显著的综合性能,Pn,P分别为696 N和1 961 N。,1600图7,8分别为复配添加剂对润滑脂平均摩擦因数和磨斑直径的影响。从图中可以看出:在低载荷下,复配1的摩擦学装1200性能更为显著,磨斑直径降低到0.320mm,比基础脂磨斑直径英。800 t降低了34.7%;而在中、高载荷下,复配4的摩擦学性能更为显著,392N时平均摩擦因数相比基础脂减小了25%,磨斑直径减1%Zn 1%SiO2 复配1复配2复配3复配4小了21%,588N时平均摩擦因数及磨斑直径相比基础脂分别.降低了17.4%和22.8%。分析认为,高载荷下需要更多的添加图6不同复配方案润滑脂的极压性能Fig.6 The extreme pressure properties of剂,才能起到减摩抗磨的作用。对比发现,Zn与SiO2的最佳比different composite lubricant additives例为1:1,推测此复合粉体的润滑机理为:在摩擦初期,由于摩擦副微凸体接触部位产生高温高压,使Zn沉积在摩擦表面,填补摩擦表面的微坑、裂纹,并形成具有一定厚度及力学性能的修复膜层。此时,硬质SiO2颗粒镶嵌在膜层上,起到类似于微轴承的作用,并对摩擦副表面微凸体加速抛光。软质颗粒使摩擦表面具有更好的抗咬合性,并减少微凸体的直接接触;硬质颗粒以微轴承形式减摩,并起到承载作用"。而要使二者达到较好的复配效果,首先必须使软金属铺展成膜，然后添加适量的SiO,起到抗磨作用,最终使Zn与SiO2比例为1:1,以取得最好的协同效应。0.110.105.8 t。 588N菜0.100华0.0950.6 tR 0.0900.5 t0.085.4-0.080.341%Zn 1%SiO,复配1复配2复配3复配41%Zn 19%siO,复配1复配2复配3复配4添加剂图7不同复配方案对润滑脂平均摩擦系数的影响图8不同复配方案对润滑脂磨斑直径的影响Fig. 7 The influence of different composite lubricantFig.8 The influence of different compositeadditives on the average friction factorlubricant additives on the wear scar diameter3结论1)在--定工况条件,Zn的加人能够提高锂基润滑脂的摩擦学性能。当Zn粉质量分数为1%,在载荷为196,392,588N时,磨斑直径与基础脂相比分别降低了24.5%,15.8%,17.4%,摩擦因数在最佳情况下相比基础脂降低了14.8%。2)在低载荷下,加人添加剂Zn,钢球磨斑直径降低更为显著,推测在温和工况条件,含Zn的锂基润滑脂具有更显著的抗磨效果;推测在高载荷下,部分Zn发生氧化,以Zn和Zn0的混合物共同起到减摩抗磨作用。3)Zn与SiO2的复配具有一定的协同效应,其复配比例为1:1时具有最佳摩擦学性能。在196 N载荷下,最佳添加比例时,比基础脂磨斑直径降低了34.7%。中国煤化工YHCNMH G-φ--0-第6期陈力等Zn及Zn/SiO2复合添加剂的摩擦学性能59参考文献[1]张翼东,闫加省,孙磊,等.纳米铜润滑油添加剂减摩抗磨及自修复性能[J].机械工程学报,2010 ,46(5):74-79.Zhang Yi-dong, Yan Jia-sheng, Sun Lei, et al. 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