（轮机工程专业论文）基于油液的自修复剂评价方法的研究.pdf

， j ， 嚯 。 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：j 二a 纰日期：o 卫业且j 。 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生c ：讯引：弦秒m 2 j l 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 自修复剂作为新型的油品添加剂， 摩擦改进剂和极压抗磨剂的测试标准， 其性能的评定方法大多是沿用润滑剂中 难以对自修复剂本身的特殊性能进行评 价说明，同时也在一定程度上限制了自修复剂的应用发展。因此，以国家和行 业的润滑油品和添加剂检测标准为条件，对自修复剂性能评价的方法进行研究 分析。文中以3 种不同类型的自修复复合添加剂为研究对象，并以润滑油品和 添加剂检测标准为条件，考察了自修复剂摩擦磨损、自修复特性以及自修复剂 对油品的适应性能，并根据以上试验结果对自修复剂性能评价的试验方法进行 了研究分析。 利用四球试验机、s r v 试验机，以国家和行业的相关标准为试验条件，分 别考察了3 种自修复剂对油品的承载能力和抗磨损性能的影响。采用f a l e x 试验 机主要考察了3 种自修复剂的自修复性能。并结合s e m 电镜、e d s 能谱和三维 白光干涉等检测技术，对以上试验的摩擦副表面进行了检测分析。试验结果表 明：3 种自修复剂均使油品的尸b 下降；3 种自修复剂均没有改变试验过程中的润 滑状态；但与比对油样相比较，自修复剂的摩擦系数以及减摩抗磨性能在四球 试验和s r v 试验表现不一致；由s e m 和e d s 以及三维白光干涉等检测结果， 可知自修复剂没有对摩擦副表面进行修饰，反而增大了表面粗糙度。同时未检 测出自修复剂的特征元素，磨斑表面存在以o 、s 、p 和f e 为主要元素的表面膜； 从而推断油样中的o 、s 和p 等活性元素在磨斑表面的竞争吸附性大于自修复剂。 综合上述试验结果，可以推断出，润滑油品的国家和行业标准不适用于自修复 剂的减摩抗磨以及自修复性能的检测评价。 通过润滑油品的国家和行业标准考察了3 种自修复剂对油品的适应性：自 修复剂s j s 的加入使得油品的粘度降低，但氧化安定性下降，说明s j s 使得油 品具有较好的发动机冷启动性，但却降低了抗氧化能力；自修复剂s s y 、s k d 对油品的粘温特性、使用特性以及理化性能等也有不同程度的影响。考虑到3 种自修复剂本身的特性，并结合试验结果，推断出润滑油品的国家和行业标准 适用于自修复剂对油品适应性能的评定。 关键词：适应性；减摩抗磨；表面形貌；自修复；竞争吸附性 - r v ， 薯 扩 、 _ 、 一 武汉理t 大学硕士学位论文 a b s t r a c t s e l f - r e p a i r i n ga d d i c t i v ei sa ni n n o v a t i o nt e c h n o l o g yi nt h el u b r i c a n tf i e l d b u t t h ee v a l u a t i o na n dt e s t i n gm e t h o d si sa d o p t i n ga n t i w e a ra d d i t i v e s ，w h i c hi sd i f f i c u l t t oe x p l a i ni t sp a r t i c u l a r i t y , a p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n t t h e r e f o r e ，i ti su r g e n tt o s o l v et h ep r o b l e mt h a tt e s t i n gt h ep r o p e r t i e so fs e l f - r e p a i r i n ga d d i c t i v ea n dt r y i n gt o b u i l dam e t h o do fe v a l u a t i n g t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e st h ea d o p t e d ，f r i c t i o nw e a l a n ds e l f - r e p a i r i n gp r o p e r t i e so ft h e3s e l f - r e p a i r i n ga d d i c t i v e s ，w h i c hi ss u b j e c t e do n t h es t a n d a r do fl u b r i c a n t sa n da d d i c t i v e s 1 1 1 e4 一b a l lt e s ta n ds r vt e s tw e r ea p p l i e dt os e e i n ga b o u tb e a r i n gc a p a c i t ya n d a n t i w e a rp r o p e r t yo ft h ea d d i c t i v e si nt h ec o n d i t i o no ft h es t a n d a r do fl u b r i c a n t sa n d a d d i c t i v e s n er e p a i r i n gp r o p e r t yo ft h ea d d i c t i v e sw a sv a l i d a t e db yt h ef a l e xt e s t m a c h i n e a f t e rt h et e s t ，t h eg r i n d i n gc r a c k sw e r ea n a l y z e db yu s i n gp h a s es 1 1 i rm i c r o x a m 一3 d ，s e m ( f e iq u a n t a2 0 0 ) a n de d s t h er e s u l tp r e s e n t sad e c l i n eo fp a ， w h i c hm e a n st h a tt h ea d d i t i v e sp o s s e s st h ep e r f o r m a n c eo fa n t i f r i c t i o na n da n t i w e a r t h el u b r i c a n ts t a t ew a sn o tc h a n g e d ，h o w e v e r 1 1 1 ep e r f o r m a n c eo fa n t i f r i c t i o n ， a n t i w e a ra n df r i c t i o nc o e f f i c i e n to ft h e3s e l f - r e p a i r i n ga d d i c t i v e sw e r eu n a n i m o u s c o m p a r e dw i t ht h es a m p l eo i l i tw a sf o u n dt h a tt h eg r i n d i n gc r a c k sw e r en o tp o l i s h e d b yt h ea d d i c t i v e s ，ah i g hr o u g h n e s si n s t e a d t h e r ew e r en o tc h a r a c t e re l e m e n t so ft h e a d d i c t i v e si nt h eg r i n d i n gc r a c k se t h e r s t u d yc o n s i d e r st h a tt h ep r i m ec a u s a t i o ni s t h a tt h ec o m p e t i t i v ea d s o r p t i o no ft h eo ，sa n dpr e p r e s e n tab e r e rb e h a v e st h a nt h e s e l f - r e p a i r i n gp a r t i c l e s 1 1 1 eo ，sa n dpg e n e r a t eas p e c i a ls u r f a c ef i l mw i t ht h e m e l t i n gf ep a r t i c l e s ，w h i c hc a na t t r i b u t ea ne x c e l l e n ta n t i f r i c t i o na n da n t i w e a r b e h a v i o r t h ea n a l y s i so ft h eg r i n d i n gc r a c k ss h o wt h a ts e l f - r e p a i r i n gc o a t i n g sa r en o t f o u n d ，w h i c ha c c o u n t sf o rt h es t a n d a r do fl u b r i c a n t sa n da d d i c t i v e sn o tb e i n gs u i t a b l e f o rs j s ，s s ya n ds l t oe v a l u a t et h es e l f - r e p a i r i n gp r o p e r t y t h e p r o p e r t yo fa d o p t e do ft h ea d d i c t i v e si st e s t e db yt h es t a n d a r do f l u b r i c a n t s a n da d d i c t i v e s t h er e s u l ts h o w st h es j sa d d i c t i v em a d et h ev i s c o s i t ya n do x i d a t i o n s t a b i l i t yd e c l i n e d n ep h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e sa r ea f f e c t e db yt h eo t h e r2 h - l v ； ? c 武汉理工大学硕+ 学位论文 a d d i c t i v e s t h es t a n d a r do fl u b r i c a n t sa n da d d i c t i v e sa r ef i t t i n gf o rt h e3s e l f - r e p a i r i n g a d d i c t i v e s t h ep r o p e r t i e so fs e l f - r e p a i r i n ga d d i c t i v ea r et a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n k e y w o r d s ：a d o p t e dp r o p e r t y ；a n t i f r i c t i o na n da n t i w e a r ；s u r f a c em o r p h o l o g i e s ； s e l f - r e p a i r i n g ；c o m p e t i t i v ea d s o r p t i o n i i i 童_ 武汉理工大学硕士学位论文 目录 第1 章绪论一1 1 1 课题研究的目的和意义1 1 2 自修复剂的主要类型及其特点3 1 2 1 复合添加剂s j s 的基本特性3 1 2 2 复合添加剂s s y 的基本特性4 1 2 3 复合添加剂s k d 的基本特性5 1 3s jl o w 4 0 汽油机油的成分及特性6 1 4自修复剂性能评价方法的研究进展6 1 。4 1 实验室方法对自修复剂性能的评价7 1 4 2 行车试验对自修复剂的性能评价8 1 5 课题研究的主要内容9 1 5 1 实验室方法对自修复剂性能的研究9 1 5 2 行车试验对自修复剂性能的研究1 0 1 5 3自修复剂与润滑油品的适应性能l o 第2 章自修复剂在四球机上的摩擦学性能研究” ，2 1 试验设备与试验条件一一1 l 2 1 1 试验设备及工作原理11 2 1 2 试验材料1 2 2 1 3 试验条件1 2 2 1 4 试验步骤1 3 2 2 试验结果与分析1 3 2 2 1 油膜承载能力分析1 3 2 2 2 减磨、抗磨性能分析1 4 2 2 3 磨斑表面的s e m 电镜分析1 5 2 2 4 磨斑表面的三维形貌观测1 6 2 2 5 磨斑表面的e d s 能谱分析1 8 2 3 本章小结1 9 i v 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章自修复剂在s r v 试验机上的摩擦学性能研究2 0 3 1 试验设备及条件2 0 3 1 1s r v 摩擦磨损试验机2 0 3 1 2 试验过程及原理 2 1 3 1 3 试验材料2 1 3 。1 4 试验条件2 l 3 2 试验结果与分析2 2 3 2 1 摩擦系数2 2 3 2 2 磨斑表面的s e m 分析2 3 3 2 3 磨斑表面的e d s 能谱分析2 5 3 3 本章小结2 6 第4 章自修复剂在f ale x 试验机上的摩擦学性能研究2 7 4 1 试验设备与试验条件2 7 4 1 1f a l e x 摩擦磨损试验机2 7 4 1 2 工作原理2 8 4 1 3 油样配比2 8 4 1 4f a l e x 标准止推环2 8 4 i 5 试验条件2 9 4 1 6 试验步骤；i 一；一二一j 。j i 一i ；一一2 9 4 。2 试验结果与分析3 0 4 2 1 摩擦系数3 0 4 2 2 油温3 2 4 2 3 硬度3 4 4 2 4 粗糙度3 5 4 2 5 摩擦副横断面的s e m 观察3 6 4 2 6 摩擦副横断面的e d s 能谱分析3 7 4 3 本章小结3 9 第5 章自修复剂在行车试验中的摩擦学性能研究4 0 5 1 试验结果与分析4 0 5 1 1 缸套内壁的三维形貌分析4 0 v 武汉理t 大学硕士学位论文 5 1 2 缸套横断面的s e m 观察4 l 5 1 3 缸套横断面的e d s 分析4 1 5 2 本章小结4 2 第6 章自修复剂对油品适应性能的研究4 4 6 1自修复剂对油品理化性能的影响4 4 6 1 1自修复剂对油品1 0 0 运动粘度的影响4 4 6 1 2 自修复剂对油品低温动力粘度的影响4 5 6 1 3自修复剂对油品高剪切条件下动力粘度的影响4 6 6 1 4自修复剂对油品闪点的影响4 6 6 2自修复剂对油品使用性能的影响4 7 6 2 1 高温清净性能4 7 6 2 2 沉积物清净性能4 9 6 2 3 防腐蚀性能5 0 6 2 4 氧化安定性能5 0 6 3 本章小结5 1 第7 章结论与展望5 2 7 1 结论5 2 7 2 研究展望5 3 致 谢；一一一一一一；一5 5 参考文献5 6 攻读硕士期间发表的主要论文及参加的科研项目6 1 附录a 6 2 v l 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 磨损是相互接触的物体在相对运动中表层材料不断损伤的过程，它是伴随 摩擦而产生的必然结果，是材料与设备损坏和失效的主要形式之一【l j 。摩擦与磨 损往往同时存在，造成巨大的能源和经济损失。据估计，全世界大约有1 3 - - 1 2 的能源以各种形式消耗在摩擦上。同时，摩擦导致的磨损又是机械设备失效的 主要原因，大约有8 0 的损坏零件是由于各种形式的磨损引起的【2 1 。 节约化石能源的消耗，为新能源的普及利用提供时间保障，是现代“低碳 生活”追求的目标之一。因此，对于机械设备来说，控制摩擦减少磨损、改善 润滑性能已成为节约能源和原材料、缩短维修时间的重要措施。润滑及润滑剂 在减小摩擦、降低磨损方面具有十分重要的地位。据美国有关机构统计，世界 上的能源损耗3 0 是由于摩擦引起的，其中5 0 可以靠润滑剂的正确选用来挽 回。应用先进的润滑技术是最简单、快捷解决摩擦磨损问题，即能源环保问题 的主要措施。因此，先进润滑技术的发展，是促进国家经济长期稳定增长的重 要技术手段之一，对社会经济发展的推动作用巨大。研究表明，应用先进润滑 技术可直接节能5 1 5 ，而且更重要的是它产生的综合效益是其直接节能效益 的1 0 0 倍以上【3 1 。 ， 在实际应用中发现，润滑剂必须在流体润滑和边界润滑条件下才能发挥出 减摩抗磨的功效。其中流体润滑是液体膜将相互接触的表面分开，而边界润滑 则是两表面之间会发生更多的直接接触。对于实际中的机械摩擦副，常常会有 以上2 种润滑状态的同时存在( 流体润滑和边界润滑) ，统称为混合润滑状态。 在流体润滑中，润滑剂的物理性质如粘度、压力粘度和附着摩擦力决定了润滑 接触的性能。流体润滑是理想的润滑状态，但混合润滑是不可避免的。即使存 在流体润滑，在系统的启动停止过程中，或者运行中的偶然苛刻接触都会有混 合润滑的出现，所以混合润滑材料( 表面和润滑剂) 的特性与流体润滑是同等 重要的。在混合润滑中一般需要添加剂来减轻部件之间的摩擦和磨损。因此， 润滑剂需要添加剂来提高或给予单独基础液不能提供的性能。且当一种润滑剂 在其工作环境中被加以高温高压，可能会因为分解对润滑系统或者其他部件造 成不良的影响。因此，为了提高润滑剂的性能，或者减轻润滑剂在使用中的分 武汉理工大学硕士学位论文 解，添加剂是必需的1 4 j 。 自修复剂作为添加剂能有效地改善润滑剂的摩擦磨损性能。 通常将对摩擦副具有自补偿修复作用的添加剂称之为磨损自修复添加剂 ( w o r n d a m a g er e c o n d i t i o n e r , w d r ) ，磨损自修复技术( a u t o - r e c o n d i t i o n i n g t e c h n o l o g y , a r t 5 】) 。 研究表明，自修复剂的作用机制与润滑剂有着本质的区别。自修复剂能使 金属摩擦表面原位改性，是一种表面工程领域的创新性技术：将其加入到润滑 油中，通过润滑油在机械润滑系统中的循环将自修复剂组分运送到磨损表面。 同时在磨损区域能量场和物质场作用下，自修复剂组分与金属磨屑和润滑油降 解产物发生力化学和摩擦化学反应，于磨损区域生成具有磨损补偿作用的第三 体，以达到恢复磨损表面的配合状态和力学性能的作用。其特点是在机械装置 不解体的情况下，在线进行修复和减摩，使已经磨损的部位恢复到原来尺寸， 大幅度延长设备的使用寿命【6 l 。 研究者们已通过大量的研究工作，先后发现了蛇纹石等矿物质粉体、纳米 铜钼等金属颗粒，以及有机金属化合物等在机械设备运行过程中产生较好的自 修复效果。但是，无论何种技术在应用上都存在相当大的问题：自修复剂在 金属摩擦副表面修饰或修复的原理性机理尚未得到科学的验证；自修复剂不 能与油品有良好的相溶性，不能称之为真正意义上的油品添加剂。因而极大的 限制了该项技术在工业界的推广应用，这也是自修复技术还未能在工业界，尤 其是在油品行业大面积推广应用的最重要韵原因之一。 一， -， 当前对于润滑油品中摩擦改进剂和极压抗磨剂的检测评定都有相应的测试 标准，为添加剂的研究丌发提供了较好的评价依据。但是对于自修复剂性能的 评价方法大多沿用抗磨剂性能的评定标准，不能满足自修复剂的评定要求，所 以在一定程度上限制了自修复剂的应用发展。因此，对于自修复剂评价方法的 研究是一个亟待解决的问题。在实际应用中，通常将自修复剂加至润滑剂中实 现对磨损表面在线自修复，而润滑剂的理化性能和使用性能指标都是根据机械 设备的工作条件和性能确定的，如为满足发动机润滑系统的工作要求，汽油机 油中含有十余种性能不同的添加剂，同时对油提出了数十项质量指标要求，如 清净分散性( 润滑油抑制积炭、漆膜和油泥形成的性能，是发动机润滑油的一 个重要指标) ，清净分散性变差会发生粘环现象，造成发动机功率下降，严重时 会导致拉缸现象。自修复剂的加入是否会影响这一性能指标，是否会影响油品 的其他相关性能，这都需要作系统深入的研究。综上所述，对于自修复剂评价 2 武汉理工大学硕士学位论文 方法的研究可以为建立科学合理的自修复性能评价方法提供理论依据，能促进 低成本修复剂的研发及推广应用，实现润滑条件下磨损表面的在线自修复，及 时控制、修复机械零部件早期出现的磨损，保持和恢复机械设备良好的工作状 态，对解决我国目前存在的量大面广的磨损失效问题具有重要的理论意义和应 用价值【7 1 。 1 2 自修复剂的主要类型及其特点 本文所采用的自修复剂为s j s 、s s y 、s k d 等3 种，主要成分分别为 m 9 6 ( s i 4 0 l o ) ( o h ) 8 矿石粉，铝镁有机金属化合物及纳米铜钼金属粉体。其中1 号样 为s j1 0 w 4 0 汽油机油；2 号样为以s j1 0 w 4 0 汽油机油为母液，加入2 的s j s 自 修复剂；3 号样为以s j1 0 w 4 0 汽油机油为母液，加入2 的s s y 自修复剂；4 号样 为以s j1 0 w 4 0 汽油机油为母液，加入4 的s k d 自修复剂。试验油样编号和调配 质量分数如表1 1 所列。 表1 1 油样编号及调配比例 在调和的过程中，所选定的调和温度在5 5 , - - 6 0 * ( 2 之间( 过高的温度可能会 引起油品和添加剂的氧化或者热降解，温度偏低则易使组分的流动性变差而磁 响调和结果) 。 1 2 1复合添加剂s j s 的基本特性 复合添加剂s j s 的主要成分为微米级的蛇纹石矿石粉体( m 9 6 s i 4 0 i o ( o h ) 8 ) 以 及稠化剂等。该自修复剂可以添加到所有类型的油品和润滑脂中使用，适用于 汽车发动机和传动系统。 该自修复复合添加剂具有以下基本特性：利用润滑剂作载体，将含有特 定修复作用的s j s 修复剂送入金属表面摩擦接触区，通过制剂与摩擦副表面以 及与磨粒等第三体之间的力化学反应，使摩擦副表面获得原位合金化强化，生 成s j s 自修复保护层；s j s 自修复保护层的相结构由f e 、c 和。三元素为主 成分的纳米晶系构成；s j s 自修复保护层的纳米晶系表面极光滑( g a _ 7 0 h m ) ， 可以减少两个表面微凸体的互锁，从而消除引发高摩擦的诱因；s j s 保护层 3 武汉理工大学硕士学位论文 具有与金属陶瓷表面同量级的高硬度，与优质合金钢同量级的弹性模量，最佳 的h e 比值( o 0 5 5 o 0 6 5 ) 使得摩擦表面的剪切弹性变形限制在表面晶系的纳米 尺度内，有效地消除了由于塑性犁沟和粘着引起的高摩擦和磨损；自修复保 护层具有层状结构模型，底层是f e 3 0 4 纳米晶粒弥散分布在形变细化的f e 晶体 上的承载层，项层为含大量纳米微孔的f e 3 0 4 纳米晶系润滑保护层，表层是含富 碳物质的超薄润滑层m j 。 2 号油样( 以s j1 0 w 4 0 汽油机油为母液，加入2 的s j s 自修复剂) 的光 谱数据如表1 2 所示。 表1 - 22 号油样的光谱数据 1 2 2 复合添加剂s s y 的基本特性 复合添加剂s s y 的主要成分为有机金属( m g 、a 1 ) 化合物。该自修复剂的适 用范围：发动机、齿轮箱和轴承等润滑系统。 该自修复复合添加剂具有以下基本特性：该有机金属化合物自修复剂的主 要成分为陶瓷化耦合剂。它是由有机分子与陶瓷合金原子经过化学耦合技术制 备的油溶性化合物，其化学组成类似界面活性剂，为一长链结构，结构的一端 为带硅氧长链结构( s i ( o e t ) 3 ) ，具有极好油溶性，另一端为化学耦合的陶瓷金属 原子，极易与金属表层之金属羟基( m o h ) 进行耦合反应而形成化学共价键 ( c o v a l e n tb o n d ) ，稳定而坚固的根植于金属表层。当耦合剂通过润滑油( 脂) 进 入摩擦部件后，利用金属摩擦表面产生的高温和高压，借由化学耦合反应，并 以化学键接耦合方式，在金属摩擦表面尤其是尖峰突起部分化学生成共价键结 构，形成具有超硬、超滑、耐高温、抗腐蚀等特性的陶瓷合金材料层【9 】o 同时永 久性地键结于金属表层，使金属摩擦表面尤其是尖端突起部分表面陶瓷化，具 有消除金属摩擦表面突起点位的作用，同时表现出自修复功能和极压减磨、抗 4 武汉理工大学硕士学位论文 磨性能，体现出机械在运行中自修复、自润滑、自保养。可实现了节能环保的 功效。 该自修复剂的功效：摩擦系数可降至0 0 0 1 ；平均节约燃油1 0 以上；增加 发动机有效功率1 0 以上；延长润滑油使用寿命2 倍以上；平均减少尾气排放 4 0 以上，噪声能力降低5 0 以上；陶瓷金属膜与油膜的双重保护，可大幅度延 长发动机的寿命。 3 号油样( 以s j1 0 w 4 0 汽油机油为母液，加入2 的s s y 自修复剂) 的光 谱数据如表l 一3 所示。 表1 - 33 号油样的光谱数据 1 2 3复合添加剂s k d 的基本特性 复合添加剂s k d 是一种利用金属纳米润滑油的配方和生产工艺、技术生产 的，以铜钼为主要元素的纳米级( 成品为1 0 0n m 以下的球状粒子) 金属自修复剂。 基本特性如下：通过纳米颗粒在发动机摩擦副表面形成无数个“微型滚动 轴承 【1 0 1 ，极大的减少摩擦阻力，降低摩擦系数。另外纳米颗粒可不断填充到 摩擦副表面的磨损微坑，即修复了副表面的损伤，有在副表面形成了一个保护 膜，尽可能的实现了“零 磨损。在高温，高压，失油等恶劣情况下，均能保 持良好的润滑性能。主要功效：通过金属纳米材料对发动机的保护和修补，实 现“零”磨损，延长发动机寿命3 - - 一4 倍，大大减少维修与保养成本；降低2 0 3 0 摩擦系数，减少发动机动力损耗，提升发动机动力，改善发动机无力的表现； 提高低温启动性能，3 0 时能够正常启动。 4 号油样( 以s j1 0 w 4 0 汽油机油为母液，加入4 的s k d 自修复剂) 的光 潜数据如表1 4 所示。 5 武汉理工大学硕士学位论文 1 3s j1 0 w 4 0 汽油机油的成分及特性 试验用对比油样为s jl o w 4 0 汽油机油。该油品是以加氢矿物油作为基础 油，加入适量的粘度指数改进剂、清净分散剂、抗氧抗腐剂、抗磨剂等功能添 加剂调配而成。s jl o w 4 0 汽油机油属高档汽油机油，具有优异的清净分散性、 抗氧抗腐性和抗磨性。其具体理化性能参数见附表1 a 。 l 号油样( s j1 0 w 4 0 汽油机油) 的光谱数据分析如表1 5 所示。 表l 一51 号油样的光谱数据分析 1 4自修复剂性能评价方法的研究进展 目前对于自修复剂性能的评价方法，一般采用摩擦改进剂和极压抗磨剂的 国家或者行业的检测标准。而对于上述方法是否满足于自修复剂性能的评价要 求，尚未有系统的理论或者标准可供参考。因此，对于自修复剂性能评价的方 法应做进一步的研究。研究者对于该问题的探讨方法，大致可以归纳为以下几 6 武汉理工大学硕+ 学位论文 种。 1 4 1 实验室方法对自修复剂性能的评价 目前实验室方法对于自修复剂性能的评价大多沿用抗磨剂性能的评定标 准，而抗磨剂的评定一般采用四球机法、端面试验机法、f a l e x 试验机以及s r v 试验机等方法。因此，实验室方法对于自修复剂性能的评价一般采用上述方法。 以蛇纹石矿石粉体自修复剂为例：曹娟，张振忠，安少华【l i 】利用四球摩擦 磨损试验机，考察了蛇纹石矿石粉体润滑添加剂的减摩抗磨性能( 工况为自行 设定) 。试验结果表明，自修复剂在不同浓度下表现出不同效果的减摩抗磨性 能，并根据e d s 能谱推断表面有以c 、o 为主要元素的自修复镀层生成。 许一，于鹤龙【1 2 】采用端面摩擦磨损试验机( 试验工况为自行设定) ，考察 了蛇纹石矿石粉体的摩擦学性能，并利用s e m 、e d s 和纳米压痕仪对摩擦表面进 行了形貌、元素和微观力学性能分析。结果发现，层状硅酸盐自修复材料能够 显著降低摩擦副表面粗糙度，改善摩擦副的润滑状态而减少摩擦阻力，可使摩 擦系数均值由o 0 9 降低至0 0 3 ，并能够在摩擦表面形成一层富含c 、o 、s i 、a 1 、 m g 等元素的高硬度表面改性修复层，从而表现出良好的减摩抗磨性能，可以有 效的延长摩擦零部件的使用寿命。 陈文刚，高玉周【1 3 】采用端面摩擦磨损试验机( 试验工况为自行设定) 研究 了4 5 # 钢4 5 # 钢摩擦副在含蛇纹石矿石粉体油润滑下的摩擦学行为，并利用s e m 及e d a x 测试分析了自修复膜层的表面形貌及表面成分组成。结果表明：在摩擦 副接触表面发现有以m g 、s i 、f e 为主要元素的自修复保护膜生成；自修复膜层 表面较为平整光滑，无明显的磨损划痕和犁沟，自修复膜层阻碍了金属摩擦表 面的直接接触，有效地降低了金属摩擦副的磨损；自修复膜层与金属基体结合 紧密，无明显的界面。 以上研究均认为以蛇纹石矿石粉体为主要成分的自修复剂在摩擦副表面生 成了高硬度的表面改性修复层或者自修复保护膜，而闰艳红，肖宏【1 4 】在端面摩 擦磨损试验机上，对蛇纹石矿石粉体自修复剂进行摩擦磨损特性的研究，以及 其在铸铁摩擦表面自修复膜的形成情况，并借助s e m 和e d s 分析摩擦副的表面形 貌和成分时。发现：蛇纹石矿石粉体自修复剂对铸铁起到了一定的减摩和抗磨 效果，但是铸铁铸铁摩擦副在自修复添加剂作用下对磨时，试样表面并无自修 复保护膜生成。分析认为铸铁的金相组织和机械性能是导致自修复膜无法产生 7 武汉理t 大学硕士学位论文 的根本原因，但添加剂颗粒物理作用对铸铁的减摩和耐磨效应显著。 杨鹤，李生华，金元生【1 5 】贝i j 利用f a l e x 试验机验证了主要组分为蛇纹石矿石 粉体的金属磨损自修复剂具有在试验过程中表现出准周期性衰减振荡函数的特 点；同时在4 5 # 钢摩擦副表面形成修复保护层的能力，反应层的显微硬度较4 5 # 钢基体提高l 倍；修复层的c 和o 含量较高，但不含有m g 和s i 。 以上试验方法表明，同一种自修复剂在不同的试验机、不同的试验工况以 及不同的摩擦副表面所表现出的减摩抗磨、自修复特性是不同的，且不同种类 的自修复剂在相同的试验方法条件下的自修复性能，也缺少对比性研究。同时 由此而推断出的自修复剂在摩擦副表面的作用机制也缺乏说服力。因此，作者 根据以上问题，采用3 种分别在不同的试验机，相同的试验条件下( 试验条件 均采用添加剂的国家和行业的相关标准) ，对试验结果进行对比分析。 1 4 2 行车试验对自修复剂的性能评价 对于自修复剂在实际应用中的性能评价，也通常将一定量的自修复剂加入 行车的润滑系统中。运行一段时间后，将润滑系统中的润滑剂放掉，然后启动 机器，测试润滑系统在干摩擦状态下的有效工作时间，并与未加自修复剂的做 比较。然而，在研究自修复剂在摩擦副表面的自修复行为时，则采用从润滑系 统的接触表面取样，制作金相，然后利用表面形貌设备，硬度仪等对其进行测 甚分析。 杨志强，张晟卯【1 6 l 将纳米c u 微粒添加到发动机润滑油中，在发动机运行一 段时间后，对连杆瓦的磨损表面分别进行s e m 、e d s 和x p s 分析。结果发现，经 修饰的纳米c u 微粒与润滑油有良好的相容性，可以稳定均一地分散到润滑油中； 纳米c u 微粒在连杆瓦表面上形成了沉积膜使得连杆瓦上的磨损部分得到了有效 的修复，并与表面修饰层形成的摩擦化学反应膜产生协同作用，从而表现出了 良好的修复和抗磨作用，可延长发动机的磨损部件的使用寿命。 郭延宝，徐滨士【1 7 】通过内燃机台架试验，测量了加入蛇纹石矿石粉体的润 滑油添加剂前后曲轴箱的漏气量，发现修复后漏气量明显小于修复前，各转速 下的平均漏气量下降6 5 。对缸套的摩擦表面进行s e m 观察，发现局部网纹被修 复。能谱分析表明摩擦表面发现自修复剂中的标志性元素a l 和s i 。证明蛇纹石矿 石粉体润滑油添加剂能够通过摩擦化学反应在摩擦表面生成新物质层，并增加 缸套内表面的体积，从而起到密封和修复效果。 武汉理t 大学硕士学位论文 杨鹤，金元生等【l8 】采用模拟轴承试验机，考察在设计的试验条件下金属磨 损自修复层在4 5 # 钢巴氏合金摩擦副间的原位生成及其摩擦学性能。润滑剂使用 含适量蛇纹石矿石粉体( 主要成分为m g e s h 0 1 0 ( o h ) 8 ) 修复剂的s d c c4 0 汽油机 柴油机通用油。2 7h 摩擦试验结束后，采用表面形貌仪、扫描电镜和显微硬度 计分析摩擦表面。结果表明，在4 5 # 钢表面形成了约2i n n 厚的自修复层，2 个摩 擦副表面的表面形貌均有明显改善；显微硬度均有一定的提高，金属磨损自修 复层表现出优良的抗磨粒磨损和抗粘着磨损的性能。 1 5 课题研究的主要内容 文中主要以润滑油品添加剂的检验标准( 国家和行业标准) 为试验条件， 利川实验室和行车测试手段：四球试验机、s r v 试验机、f a l e x 试验机以及实际 行车进行摩擦磨损试验，并将试验结果与未加自修复剂的结果相比较，从而评 定自修复剂的减摩抗磨以及自修复效果。并根据试验结果对自修复剂性能的评 价方法进行研究。同时为进一步探索自修复剂对润滑油品性能的影响，通过润 滑油品的相关标准，考察了自修复剂对油品的适应性。主要内容如下： 1 5 1实验室方法对自修复剂性能的研究 利用四球试验机进行摩擦磨损试验，将主要成分为m 9 6 ( s i 4 0 1 0 ) ( o h ) 8 ( s j s ) 、 有机金属化合物( s s y ) 和金属纳米铜钼( s k d ) 的复合添加剂分别按质量分数为 2 、2 和4 均匀分散在s j1 0 w 4 0 ( s j ) 汽油机油中，并以s j 为对比油样，考察 各自的减摩抗磨以及自修复性能。试验完成后，利用三维白光干涉表面形貌仪 测量小球磨斑的粗糙度，利用扫描电子显微镜s e m 和e d s 能谱仪，对小球磨斑 的表面形貌以及表面元素进行了分析。 为了进一步探索试验条件下对自修复剂自修复效果的可行性，采用s r v 对 所选3 种自修复剂进行摩擦磨损试验。并采用以上分析手段对试样的磨斑表面 进行观察分析，进而对自修复剂自修复效果的评测方法建立理论依据。 采用f a l e x 试验机对所选自修复剂和对比油样进行摩擦学性能的测试。在额 定转速、载荷和运转时间条件下，将试验所得参数：摩擦系数、油温、表面硬 度和粗糙度作对比分析，判断各自修复剂的摩擦学性能；试验结束后，显微硬 度计测量摩擦副表面显微硬度旧功，来判断摩擦副表面是否发生了相变；利用 二二维自光干涉表面形貌仪测量小球磨斑的粗糙度；通过扫描电镜s e m 观察腐蚀 9 武汉理工大学硕士学位论文 试样断面是否有自修复层生成；通过e d s 能谱分析检验摩擦副表面是否存在自 修复剂的主要成分元素，从而对自修复剂的作用机理作进一步分析。 1 5 2 行车试验对自修复剂性能的研究 以金属纳米铜钼自修复剂为研究对象，将其按照一定比例添加至发动机的 润滑系统。行车试验过程中，记录发动机的燃油量，润滑油的更换周期以及试 验的总里程数。试验结束，从气缸内壁上取下少许以制作金相试样。通过s e m 电镜、e d s 能谱、硬度仪以及白光干涉仪对制作的金相表面和横断面进行观察 测量。同时将行车试验结果( 燃油量，润滑油更换周期以及试验总里程数) 与 未添加该自修复剂的发动机的结果相比较，从而对自修复剂在实际行车中的性 能作出评价。 1 5 3自修复剂与润滑油品的适应性能 由于自修复粒子或者分子具有极大的较高的表面活性，在制备和使用过程 中极易发生粒子团聚，形成二次粒子，使粒径变大，从而大大影响自修复剂优 势的发挥，失去其所具备的功能【l9 1 。 目前的蛇纹石矿石粉体、有机金属化合物以及纳米铜钼等自修复技术还未 能作工业界，尤其是在油品行业大面积推广应用的最重要的原因之一是上述问 题还没有很好的解决：与油品的适应性问题，所以显著制约了其大范围的推广 应刚。因此，从探究自修复剂主要成分的特征入手，以润滑油品的国家和行业 杯准考察3 种自修复剂对油品的适应性能的影响，进一步对自修复剂的作用机 王f r 进行说明。同时检验润滑油品的检验标准是否适用于自修复剂适应性能的评 价。 l o 武汉理i t 大学硕士学位论文 第2 章自修复剂在四球机上的摩擦学性能研究 目前四球机法是检验润滑剂摩擦学性能的主要方法，其评定方法也有相应 的标准。但是否可以满足对自修复剂性能的评价有待进一步考察。本章将在考 察自修复复合添加剂在四球机上的减摩抗磨以及自修复性能的摩擦学性能的同 时，验证四球机法对自修复剂自修复性能评价的适用性。试验分别对以s j s 、s k d 和s s y 复合添加剂进行摩擦磨损试验，并将试验结果与母液s j1 0 w 4 0 汽油机油 做比对。在额定转速、载荷和运转时间条件下，将试验所得参数：磨斑直径、 摩擦系数和粗糙度作对比，同时利用表面形貌分析设备对磨损表面的进行观测 分析。并根据以上试验结果对自修复剂的作用机制进行讨论。 2 1 试验设备与试验条件 2 1 1 试验设备及工作原理 试验采用m q 一8 0 0 型和m s 1 0 j 型四球摩擦磨损试验机，2 种四球摩擦磨损 试验机均属立式磨损试验机，该机以滑动、滚动和复合的形式评定润滑剂的各 种材料的摩擦磨损性能。根据用户要求可配有销盘、四球、球一三片、销一三柱、 止推圈、球盘、模拟凸轮、齿轮等多种形式的摩擦副，可以做多种形式的摩擦 磨损实验，全程闭环微机伺服控制。其主要性能参数如表2 1 所列。 表2 - 1m s 一1 0 j 型四球摩擦磨损试验机陛能参数 轴向加载范围n试验力示值相对误差摩擦力测量范围值n 9 8 98 0 0士1 o 1 3 3 6 3 主轴转速范围r m i n _油盒加热范围。c运动形式 5 0 - 30 0 0 室温2 5 0 ， 士2滑动或滚动 试验运行时，下面的3 个小球试样在油盒中处于静止状态，上面的支承盘 在电机的驱动下转动以带动上小球试样在下小球试样上滑动，如图2 1 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 ( a ) m s 1 0 j 型四球摩擦磨