（机械设计及理论专业论文）发动机碳烟对润滑油摩擦磨损特性的影响.pdf

发动机碳烟对润滑油摩擦磨损特性的影响 摘要 近年来，随着严格的排放法规陆续推出，柴油机制造商不断采用新的发动 机技术，比如电控共轨、废气循环( e g r ) 系统等，这些技术的应用使得柴油 机在运行过程中产生更多的碳烟颗粒。尽管大部分碳烟通过发动机尾气管排出， 但是残留在柴油机油中的碳烟含量越来越高，严重影响了发动机摩擦磨损特性。 本学位论文使用碳黑替代碳烟，研究了碳烟对不同油品的耐磨减摩特性的影响 和磨损机理，以提高对发动机碳烟影响其摩擦学特性的认识，促进发动机摩擦 学系统设计及其磨损模型的发展。 ( 1 ) 碳烟降低了3 2 捍机械油的减摩特性，但其对耐磨性变化的影响依赖于工 况条件。碳黑在无分散剂的作用下易发生团聚，阻碍油品的流动，油品剪切力 增大，四球摩擦的摩擦系数从0 0 5 5 上升至0 0 7 5 。不同载荷条件下碳黑的添加 量对3 2 稃机械油耐磨性变化均不同。当载荷为10 0 2 0 0 n 时，碳黑的添加量对油 品的耐磨性影响最小。当载荷为1 4 7 n ，转速为1 4 5 0 r p m 时，碳黑添加量超过 6 w t 时，钢球磨斑直径变化不明显。使用扫描电子显微镜观察钢球表面形貌， 发现添加碳黑使得磨损钢球的磨斑表面犁沟变宽，呈现典型的磨粒磨损特征， 同时，局部也存在粘着磨损特征，部分碳黑沉积在沟壑里。 ( 2 ) 碳烟严重影响了15 w 4 0 c d 机油的抗磨特性。四球摩擦条件下，随着 碳黑添加量增加，1 5 w 4 0 c d 机油润滑下的钢球磨斑直径有增大的趋势，但其 摩擦系数变化并不大。碳黑微粒对润滑油品耐磨减摩性能的影响与油品本身的 理化性能和添加剂有关。e d s 能谱表明碳黑阻碍了边界膜的形成，但并未发现 碳黑吸附z d d p 膜现象。 ( 3 ) 缸套活塞环往复摩擦实验条件下，碳黑的添加量对1 5 w 4 0 c d 发动机 油的减摩特性影响很大。当碳黑量为2 w t 时，缸套表面温度骤升至5 0 左右， 表面抗磨薄膜被削弱。但是，石墨化程度高的碳黑具有一定的导热性和抗磨性， 通过拉曼光谱测得，在4 w t 碳黑量时，摩擦表面的碳结构具有更高程度石墨 化，引起温度的降低。在该实验条件下一部分碳黑削弱了抗磨层，但摩擦表面 的混层石墨结构也减小了磨损。 ( 4 ) 添加碳烟后油品粘度呈非线性增长，添加到8 w t 碳黑量时油品粘度增 长了l 倍。当处于边界润滑时，粘度升高应当引起摩擦力的减少，由于碳黑微 粒的反应，更可能由于抗磨膜层的破裂而造成摩擦力增加。当处于流体动压润 滑状态，碳黑的加入使得摩擦表面磨损加剧，这说明碳黑的磨损机制主要是磨 粒磨损。碳黑充当了第三体磨粒。 关键词：碳烟颗粒；摩擦；磨损；发动机；机油 i v e f f e c to f e n g i n e s o o to nt h ew e a ra n df r i c t i o np e r f o r m a n c e so f l u b r i c a t i n go i l a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，d i e s e le n g i n em a n u f a c t u r e r sh a dt oa d o p tn e w e n g i n et e c h n o l o g y 、析t l l s t r i c tr e g u l a t i o nr e l e a s i n g ，s u c ha se l e c t r i cc o m m o nr a i l ，w a s t eg a sc i r c u l a t i o n ( e g r ) s y s t e ma n ds oo n t h ea p p l i c a t i o no ft h e s et e c h n o l o g yp r o d u c e dm o r es o o tp a r t i c l e sd u r i n g d i e s e le n g i n eo p e r a t i o n a l t h o u g hm o r es o o tw a sd i s c h a r g e dt h r o u g ht h ee n g i n ee x h a u s t p i p e ，b u th i g h e rc o n t e n t so fs o o ts t i l lr e m a i n e di nd i e s e le n g i n eo i l t h r o u g ht h ed i e s e l e n g i n ec o m b u s t i o np r o c e s s ，ap a r to fs o o tp a r t i c l e sw e r ee x p e l l e df r o mt h ea t m o s p h e r ea f t e r g e n e r a t e d ，t h eo t h e rp a r tw e r ea b s o r p ti nt h ee n g i n eo i l r e l e v a n tl i t e r a t u r ep o i n t e do u tt h a t t h eo i lc o n t a i n i n gs o o tw i l lg e n e r a t eo b v i o u sw e a l i nt h ee n g i n e i nt h i st h e s i st h ee f f e c to f s o o to nt h ea n t i f r i c t i o na n da n t i w e a rp r o p e r t yo fd i f f e r e n tl u b r i c a t i o na n dw e a l m e c h a n i s m w e r ee x p l o r e d ，t ou n d e r s t a n dt h ee n g i n es o o ti n t e r n a la r e a , t oh e l pp r e d i c tt h ew e a rm o d e l d e v e l o p m e n to ff u t u r ee n g i n ef r i c t i o np a r t sd e s i g n ( 1 ) s o o td e c r e a s e da n t i f r i c t i o np r o p e r t yo f3 2 8o i l s o o tw a se a s yt oa g g l o m e r a t e w i t h o u td i s p e r s a n t , t ob l o c kt h eo i lf l o w , t oi n c r e a s eo i ls h e a rf o r c e ，f r i c t i o nc o e f f i c i e n tr o s e f r o m0 0 5 5t o0 0 7 5 t h ei n f l u e n c eo ft h es o o ta m o u n t so nt h ea n t i w e a rp r o p e r t yo f3 2 4o i l w a sd e p e n d e n to nt h el o a dc h a n g e w h e nl o a dw a s10 0 - 2 0 0n ，t h ei n f l u e n c ew a sm i n i m u m w h e nt h ea m o u n to fs o o tw a sm o r et h a n6 ，( 1 4 7 n ，1 4 5 0 r p m ) w e a ro ft h es t e e lb a l l d i a m e t e r ( w s d ) v a r i a t i o nw a sn ol o n g e ro b v i o u s u s i n gs c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) t h es t e e lb a l ls u r f a c em o r p h o l o g yw a so b s e r v e d w i d e rr a v i n e si nt h eb a l ls u r f a c e t h a ta d d e dc a r b o nb l a c kw a sv i e w e d l o c a la r e a sh a dg e l l i n gs i g n s ，a n dc a r b o nb l a c k s u b s i d e n c ei nt h er a v i n e sw a sf o u n d ( 2 ) s o o ti m p a c t e do nt h ea n t i f r i c t i o no f15 w 4 0c do i lv e r ys e r i o u s l y a l o n g 砸t 1 1 c a r b o nb l a c kc o n t e n t si n c r e a s e d ，t h ew s do f15 w 4 0c do i lh a da s c e n d i n gt e n d e n c y ，b u t t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n tc h a n g ew a sn o to b v i o u s t h ee f f e c to fs o o to nt h ea n t i f r i c t i o na n d a n t i w e a rp r o p e r t yo fl u b r i c a t i o nw a sr e l a t e dt ot h 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 so ft h e o i li t s e l fa n dt h ea d d i t i v e s e n e r g yd i s p e r s i v es p e c t r o m e t e r ( e d s ) o b s e r v e dt h a tc a r b o n b l a c kh i n d e r e dt h ef o r m a t i o no fb o u n d a r yf i l m s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a t v z d d pf i l ma d s o r p t i o nb yc a r b o nb l a c kw a sn o tf o u n d ( 3 ) u n d e re x p e r i m e n t a lc o n d r i o n so ft h ep i s t o nr i n g - c y l i n d e rb o r eb e n c ht e s t , s o o t d e c r e a s e da n t i f r i c t i o np r o p e r t yo fl u b r i c a t i o n w h e nt h ec o n t e n t so fc a r b o nb l a c kw a s2 ， o i ls u r f a c et e m p e r a t u r er o s et oa b o u t5 0 r a p i d l y , a n t i - w e a rf i l mw a sw e a k e n h o w e v e r , c a r b o nb l a c ko fh i g hg r a p h i t i z a t i o nd e g r e eh a ss o m eo ft h et h e r m a lc o n d u c t i v i t ya n d a b r a s i o nr e s i s t a n c e n l er a m a ns p e c t r am e a s u r e m e n ts h o w e dt h a tt h ec a r b o ns t r u c t u r eo f t h ef r i c t i o ns u r f a c eh a dah i g h e rd e g r e eo fc a r b o ng r a p h i t i z a t i o ni n4w t c a r b o nb l a c k , t h a t c a u s e dt e m p e r a t u r ed e c r e a s e d i nt h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n st h ea n t i w e a rl a y e rw a s w e a k e nb yc a r b o nb l a c k ，b u tm b d n gl a y e rg r a p h i t es t r u c t u r ei nt h ef r i c t i o ns u r f a c ea l s o r e d u c e dw e a r ( 4 ) o i lv i s c o s i t yh a san o n l i n e a rg r o wd u r i n gt h es o o ta m o u n ti n c r e a s i n g ，a n do i l v i s c o s i t yi n c r e a s e do n et i m e sw h e n8 c a r b o nb l a c kc o n t e n t s t h em a i ns o o t - w e a r m e c h a n i s mi sa b r a s i v ew e a l , b u tu n d e rd i f f e r e n tl u b r i c a t i o ns t a t e s ，t h ei m p a c to fc a r b o n b l a c ka m o u n to na n t i f r i c t i o na n da n t i w e a rp r o p e r t yo fl u b r i c a t i o nw a sa l s od i f f e r e n t a l o n g 、i t hs o o tl e v e li nt h el u b r i c a n te n h a n c e d ，t h ew e a k e n i n go ft h ea n t i - w e a rl a y e rw i l la p p e a r o nt h ec o n t a c ts u r f a c e ，t h i sw o u l dd e e p e nt h ef u r t h e rw e a r k e y w o r d s ：s o o tp a r t i c l e ；f r i c t i o n ；w e a r ；e n g i n e ；l u b r i c a t i n go i l v i 致谢 本课题在选题及研究过程中得到胡献国教授的悉心指导。胡老师多次询问研究进 程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。胡老师一丝不苟 的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人，虽历时 三载，却给以终生受益无穷之道。对胡老师的感激之情是无法用言语表达的。 感谢刘煜老师，焦明华老师，俞建卫老师，尹延国老师，解挺老师，王伟老师， 田明老师，孟培怀老师，尤涛老师等对我的论文提出的意见和建议。他们细心指导我 的学习与研究，在此，我要向诸位老师深深地鞠上一躬。 感谢我的博士师兄，陈金思博士，胡坤宏博士，沃恒洲博士，姚智华博士，汪向 阳博士，胡恩柱博士在工作和学习上给予我的帮助，感谢你们能够在百忙之中给我许 多建设性的意见。 感谢师兄姐们：王国丰，周健，朱坤，胡承诚，周义群，在学习和工作中给予我 指导，树立了正确的榜样。感谢王虎，程亚洲，李文东，施银燕，刘鑫等同学陪伴我 度过三年的珍贵时光，他们也在科研工作和本文的写作中给予了我很多帮助。感谢师 弟们：俞辉强，金鑫，夏善伟。 感谢我的家人，焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报，你们永远健康快乐 是我最大的心愿。 在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成， 有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意! v i i 作者：方凌 2 0 1 2 年4 月 插图清单 图1 1 柴油机油中碳烟颗粒的反射扫描电镜照片2 图1 2 含r 6 6 0 碳黑油品的透射电镜照片3 图1 3 润滑油在润滑系统中的循环3 图l - 4o t t o 碳烟磨损模型示意图【2 4 1 7 图2 1 四球机装夹部位剖面示意图1 0 图2 2 碳黑含量对3 2 “机械油p b 值的影响1 1 图2 33 2 。机械油在不同碳黑水平下的钢球磨斑直径1 1 图2 - 4 回归模型13 图2 5 不同碳黑量3 2 “机械油在不同转速条件下的平均钢球磨斑直径1 4 图2 - 6 三种碳黑量油品在不同载荷条件下的平均磨斑直径( 转速1 4 5 0 r p m ) 一1 5 图2 7 不同碳黑水平下的摩擦时间曲线( a ) ；不同碳黑水平下的平均摩擦系数( b ) 16 图2 8 三种碳黑量油品在不同载荷条件下( 1 4 5 0 r p m ) 的平均摩擦系数1 7 图2 - 93 2 # 机械油在不同碳黑量下的磨斑形貌( 载荷：1 4 7 n ，转速：1 4 5 0 r p m ) 1 8 图3 1 碳黑含量对1 5 w 4 0 c d 机油p b 值的影响2 0 图3 2 两种油品在不同碳黑水平下的钢球磨斑直径2 l 图3 3 三种碳黑量1 5 w 4 0 c d ( 1 4 7 n ) 在不同转速条件下的平均磨斑直径2 l 图3 4 三种碳黑量1 5 w 4 0 c d ( 1 4 5 0 r p m ) 在不同载荷条件下的平均磨斑直径2 2 图3 5 ( a ) 1 5 w 4 0 c d 在不同碳黑水平下的摩擦时间图：( b ) 1 5 w 4 0 c d 在不同碳黑水 平下的平均摩擦系数2 3 图3 61 5 w 4 0 c d 在不同碳黑量水平下的摩擦系数时间曲线图2 5 图3 71 5 w 4 0 c d 在不同碳烟量下的磨斑形貌( 载荷：1 4 7 n ，转速：1 4 5 0 r p m ) 一2 6 图4 1 缸套活塞环往复摩擦实验机原理示意图2 8 图4 2 下试件的尺寸2 9 图4 3 采集的部分示波器图像3 2 图4 - 4 摩擦系数随载荷的变化3 3 图4 5 摩擦系数的时变性3 3 图4 6 表面温度随载荷的变化3 4 图4 7 表面温度随时问的变化3 4 图4 8 磨损量随碳黑量的变化3 5 图4 - 9 表面粗糙度随碳黑量的变化3 5 图4 1 0 缸套表面形貌s e m 图及能谱数据3 6 图4 1 l 不同碳黑量油品缸套磨损表面拉曼光谱分析3 7 图5 一l 试验油品的在不同碳黑量下的运动粘度4 0 x 图5 - 2 四球结构几何关系4 1 图5 - 3 含碳黑油品在不同温度条件下的最小油膜厚度4 3 图5 - 4 磨损前后缸套示意图一4 4 图5 - 5 缸套下试样磨损前后的表面粗糙度对比4 4 图5 6 缸套磨损机理示意图一4 5 表格清单 表2 1 抗磨性均匀设计实验表1 2 表4 1 拉压力传感器参数表2 9 表5 1 碳黑对在用机油粘度的影响4 0 表5 2 油品粘度性能4 2 第一章绪论 1 1 发动机碳烟的形成 发动机碳烟也称烟炱，是内燃机燃油的不完全燃烧引起的。完全燃烧 需要非常精益的空燃比，但是一般的情况是混合燃油的数量偏多些，而空 气的比例偏少些，这就导致碳烟的积累。由于燃油喷射和点燃的方式不同， 柴油机比汽油机更容易产生碳烟。在汽油机中燃油在进气冲程中喷射然后 火花点燃，而柴油机中燃油是在压缩冲程中喷射后压燃。汽油机中燃烧更 加充分和彻底，而柴油机中由于喷射压缩在燃烧室中形成了一个油囊，从 而点燃后产生了碳烟。现在大多数柴油机使用直喷和燃烧室涡流来协助油 气混合。从喷射点开始，燃烧以火焰扩散的形式发生得非常迅速。在这个 点上，空气和燃油混合得非常好，但是混合过程中燃油是过量的，因此产 生了高浓度的碳烟。扩散燃烧后，燃烧通过热解形式在燃烧室中继续，缓 慢的消耗大部分剩余燃油。这种缓慢燃烧在燃烧结束时产生了更多的碳烟 微粒和未燃烧的碳氢化合物。 在整个燃烧过程中，碳粒产生后又被破坏。他们通过上述的进程而产 生又因为氧化而破坏。氧化是一种碳烟或者原生颗粒与各种氧化物接触时 的反应机制。反应发生时，包裹在碳烟里的碳氢化合物烧尽，微粒尺寸降 低。通过燃烧过程中的扩散燃烧阶段，碳粒在碳烟进程初期产生，并随着 更高的空燃比，更多碳粒被氧化l l j 。 油品中产生过量碳烟的因素有很多。失效的活塞环或喷油器，空转过 量，燃油喷雾形态有误，空燃比不正确都是碳烟形成的重要原因。喷嘴出 了故障，可能会雾化更多的燃油，减小了空燃比从而引起不完全燃烧和碳 烟的积累。阻塞了空气滤清器，降低了空气供应，也会引起同样的效果。 随着更新型的e g r 柴油机的出现，碳烟问题就更加明显了。 柴油机缸内形成的最早期的基本碳烟颗粒直径非常小( 直径d f ；l 。( 6 ，4 ) = 4 5 3 。说明回归方程与抗磨性均匀设计试验结果相关性较 好，回归方程显著、可信。 将回归方程中各因素偏回归系数进行标准化后，分别得到载荷x l 的标 准偏回归系数为0 0 0 15 ，转速x 2 的标准偏回归系数为0 0 0 0 18 6 ，载荷和 转速交互项的标准偏回归系数为5 12 l0 ，各因素对磨斑直径变化影响 程度由大到小的顺序是：载荷、转速、载荷和转速的交互作用。因此，对 回归方程各因素偏回归系数标准化后，就能够将各因素对磨斑直径变化的 影响作用量化。标准化后的结果显示：载荷和转速的交互作用对磨斑直径 的变化影响较小，基本可以忽略。单从回归方程作用项来看：其作用与磨 斑直径的变化是负相关的，即作用值增大，磨斑直径增大，碳黑的影响越 大，油品耐磨性减弱。从回归方程整体来看：磨斑直径增大是否明显，不 是由交互作用决定的，而是要受综合回归方程中其它各项的影响作用。 使用o r i g i n 软件，对回归方程进行三维绘图，可以看到：回归方程中 的两项因子对磨斑直径变化的影响。从图2 4 中能够得出：在大多数工况 条件下，碳黑的进入都会引起磨斑直径的增大，影响润滑油的耐磨性。载 荷为15 0 n 到2 5 0 n 之问，磨斑直径变化不明显，碳黑的磨损效果最弱。转 速对磨斑直径变化的影响趋势是：当载荷固定且值不是很大时，磨斑直径 变化随转速增加而减小，碳黑磨损效果略微减弱：当载荷较大时，磨损效 果突然减弱；当载荷固定且值很大时，磨斑直径变化随转速增加而增大。 因此可见：载荷的变化容易影响油品添加碳黑后的耐磨性，这与后面的单 因素实验结果也是相一致的。因此以上影响趋势是对标准偏回归系数得到 的各因素影响作用量化排序的直观解释。 莒 = 三= 兽 纠 量 耋三 4 0 0 图2 4 回归模型 2 2 4 不同工况条件下含碳烟油品的抗磨性( 单因素实验) 为了把回归模型得到的数据和不同真实工况下机油添加碳黑后的耐磨 性变化相对应，通过单因素实验法在拟合方程工况范围内对含碳黑油品的 耐磨性影响进行讨论。 分别选取7 5 n 和1 4 7 n 作为试验载荷，在两种试验载荷下逐渐增加主 轴转速，并测量三种不同碳黑量油品所产生的平均磨斑直径，每一个工况 重复3 次。 g 旨 、 迢 佃 蜜 监 g g 聪 佃 蜜 墩 转速r p m ( a ) 7 5 n 转速r p m ( b ) 1 4 7 n 图2 5 不同碳黑量3 2 4 机械油在不同转速条件下的平均钢球磨斑直径 图2 - 5 ( a ) 给出了三种碳黑量油品( 7 5 n ) 在不同转速条件下的平均磨 斑直径。在该载荷范围内，碳黑的加入减弱了油品的耐磨性。随着转速的 升高，含碳黑的3 2 4 机械油的钢球的磨斑直径变化加剧，而纯3 2 4 机械油下 钢球的磨斑直径变化则相对平缓。不同碳黑量的3 2 捍机械油的钢球的磨斑直 径变化曲线几乎重合。主轴转速增大意味着在相同时间内主轴转过的线距 离增大，所以磨损量随时间增大。低载条件下容易形成流体润滑膜，转速 增大，卷吸入接触表面的含碳黑油液也增多，钢球表面所产生的磨粒磨损 加剧。当转速为1 0 0 r p m 时，由于卷吸入接触表面的碳黑量比较少，三种油 品中钢球的磨斑直径变化不大：当转速为l9 0 0 r p m 时，含碳黑的3 2 ”机械油 的钢球磨斑直径增长了0 2 2 5 m m ( 实验误差一般在0 0 4 m m 左右浮动) 。 图2 5 ( b ) 给出了三种碳黑量油品( 1 4 7 n ) 在不同转速条件下的平均磨 斑直径。在该载荷范围内，碳黑的加入使得油品在不同的转速区间内呈现 了不一样的耐磨特性。当转速为0 到1 2 0 0 r p m 范围内，3 2 4 机械油的钢球磨 斑直径随碳黑量的增大不断增大；当转速超过1 2 0 0 r p m 时，超过4 w t 碳黑 量的油品磨斑直径开始下降，且随着转速增大下降幅度也增大。当转速为 1 9 0 0 r p m 时，含8 w t 碳黑相对4 w t 碳黑的3 2 4 机械油的钢球磨斑直径减小 了0 1 m m 。这表明随着转速继续升高，尽管卷吸入摩擦表面的碳黑增多， 但形成了类似颗粒流的润滑膜层，这在一定程度上阻碍了两球直接接触 3 2 1 o 由于载荷在不同转速下的趋势基本一致，这里仅取1 4 5 0 r p m 作为试验转 速，在该试验转速下改变轴向载荷，并测量三种不同碳黑量油品所产生的 平均磨斑直径，每一个工况重复3 次。 载荷肘 图2 - 6 三种碳黑量油品在不同载荷条件下的平均磨斑直径( 转速1 4 5 0 r p m ) 图2 6 给出了1 4 5 0 r p m = _ 种碳黑量油品在不同载荷条件下的平均磨斑直 径。在所给的载荷范围内，3 2 4 机械油下的钢球的磨斑直径呈线性增长。载 g姜迥佃蜜恤 荷为l0 0 n 一15 0 n 之间，含4 w t 碳黑的3 2 掸机械油的钢球的磨斑直径增长幅度 不明显。随着载荷继续增大，温度也开始升高，粘度降低，油膜强度会减 小，碳黑的磨粒磨损效果加剧。当载荷超过3 0 0 n 时，含4 w t 碳黑的3 2 4 机 械油的钢球磨损变化相对变得平缓，这可能是由于载荷的加剧使得磨斑表 面沟壑变大，使得一部分碳粒嵌在了钢球磨斑沟壑表面，碳黑对于3 2 4 机械 油耐磨性影响减弱。8 w t 碳黑的油品下磨斑直径仍然和4 w t 碳黑油品相 似。 2 2 5 含碳黑油品的摩擦系数 图2 7 是转速1 4 5 0 r p m ，载荷1 4 7 n 工况下，3 2 “机械油在不同碳黑量 下的摩擦系数曲线。 黎 倏 蜒 世 时间，r a i n 添加量w t 图2 7 不同碳黑水平下的摩擦时间曲线( a ) ；不同碳黑水平下的平均摩擦系数( b ) 1 6 如图2 - 7 ( a ) 所示，摩擦系数随时间不断上升，这和四球机的摩擦系 数测试设置有关，随着时间变化，磨斑直径越来越大，单位面积的载荷量 越来越小，摩擦系数为摩擦力除以单位面积载荷，故摩擦系数会变大。图 2 7 ( b ) 中可以看出不同添加量的碳黑使得3 2 4 润滑油的摩擦系数增加；结 合图2 3 ，3 2 “机械油随碳黑量的增多摩擦系数增大，但是磨斑直径减小。 一种油品的耐磨性减弱并不一定意味着该油品的减摩性减弱，当有碳烟颗 粒存在时，容易阻碍流体运动，会使油品的有效粘度增大，摩擦表面难以 补充油膜，油膜厚度反而变小，剪切力增大，摩擦系数升高。 如图2 8 所示，在不同载荷条件( 1 4 5 0 r p m ) 下，摩擦系数随着碳黑量 的增大均有所升高。加入质量分数为4 w t 的碳黑后，在载荷在1 4 7 n 以下 时，4 碳黑量的摩擦系数变化不明显，表明低载条件下摩擦表面容易形成 流体膜，低含量碳黑颗粒对油品的剪切性能影响不大。当载荷在1 4 7 n 以上 时，摩擦系数随碳黑量的不断增多而增大，碳黑阻碍流体运动的作用增大， 剪切力增大，摩擦系数升高。 粲 髅 迷 避 曩 1 斗 载荷n 图2 8 三种碳黑量油品在不同载荷条件t ( 1 4 5 0 r p m ) 的平均摩擦系数 2 2 6 磨斑表面形貌表征 将实验结束后的钢球用丙酮和石油醚清洗吹干，采用扫描电镜附带的 e d s f l e 谱仪对摩擦后的钢球表面进行形貌分析，如图2 - 9 所示。不添加碳黑 时，钢球表面由于金属件对磨，留下了均匀的磨痕；而添力1 1 4 w t 碳黑微粒， 由于碳黑微粒的磨粒磨损作用，摩擦后发现钢球表面由于润滑油的缺失， 局部产生高温导致塑性变形的出现。3 2 4 机械油是石油润滑油馏分经脱蜡、 溶剂精制及白土处理而得的一般质量的润滑油，通常只加抗氧化剂等少数 添加剂。由于没有分散剂的作用，碳黑微粒在卷入钢球摩擦面后容易团聚， 团聚的碳黑阻碍了局部摩擦面上油膜的形成，使得钢球摩擦面之间或者摩 擦面与金属碎屑之间直接接触1 33 1 。添加碳黑微粒的钢球表面形貌变得粗 糙，通过e d s 表征，发现添加4 w t 碳黑的钢球磨斑中除了铁元素和铬元素 之外，还分布有少量的碳元素，该碳元素很可能来源于所加入的碳黑。因 为3 2 4 机械油加入碳黑后的碳黑微粒团聚尺寸一般在0 1 o 2l am 之问，结合 钢球磨斑表面的沟壑宽度，说明碳黑微粒团聚物应该是沉陷在摩擦表面接 触区域内。 ( a ) 碳黑( o )( b ) 碳黑( 4 ) 图2 - 93 2 # 机械油在不同碳黑量f 的磨斑形貌( 载荷：1 4 7 n ，转速：1 4 5 0 r p m ) 2 3 本章小结 本章主要考察了碳烟对3 2 “机械油的极压性和耐磨减摩特性的影响。通 过均匀实验法拟合出不同工况下碳黑对3 2 “机械油的摩擦特性规律，并用单 因素实验辅助验证了不同工况下碳黑对3 2 4 机械油的摩擦特性影响。结果表 明，碳黑的加入使得3 2 4 机械油的极压性增强，减摩性减弱。碳黑在无分散 剂的作用下易发生团聚，阻碍油品的流动，造成3 2 “机械油的粘度升高，剪 切力增大，摩擦系数升高，但碳黑团聚物覆盖在摩擦表面代替油膜承载了 一部分压力。碳黑量对油品的耐磨性影响依赖于载荷的变化，载荷在 10 0 2 0 0 n 之间时，无论转速如何变化，碳黑对油品的耐磨性影响不大。当 碳黑添加量超过6 w t 时( 1 4 7 n ，1 4 5 0 r p m ) ，钢球磨斑直径不再随碳黑添 加量的增加而改变。使用扫描电子显微镜观察钢球表面形貌，发现添加过 碳黑的钢球磨斑表面沟壑变宽，局部有粘着痕迹，并且发现有碳黑沉陷在 沟壑罩。 第三章碳烟对1 5 w 4 0 c d 机油的耐磨减摩性影响 3 1 实验材料与方法 材料i 选择r 6 6 0 碳黑作为碳烟替代物；1 5 w 4 0 c d 柴油机油( 中国石化) ； 丙酮和石油醚( 分析纯) 。 仪器：m q 8 0 0 型四球磨损实验机；k q 一1 0 0 d b 超声波分散仪； j s m 一6 4 9 0 l v 扫描电子显微镜及能谱仪。采用m q 8 0 0 型四球磨损实验机， 最大加载9 8 0 0 n 。转速范围o 3 0 0 0 r p m 可调。试验钢球的精度为2 级，直径 为1 2 7 m m ，材料为g c r l 5 ；读数显微镜精度为o 0 1 m m 。按试验要求设定四 球机主轴转速，启动电机空转2 0m i n 。用溶剂汽油清洗钢球、油盒、夹具 及在试验中油液接触的零部件，再用石油醚清洗两次，然后吹干，保证清 洗后的钢球表面光洁无锈斑。将钢球分别固定在四球机上球座和油盒内， 将制备好的油品倒入油盒中，让油液盖过钢球而达到压环与螺帽的接合 处，放上压环，拧紧螺帽固紧油盒。试验后用读数显微镜测量油盒内任何 一个钢球纵横两个方向的磨痕直径，并记录在试验记录表中。调整好四球 机转速1 4 5 0 r p m ，载荷1 4 7 n ，重复上述步骤，测定摩擦过程中的平均摩擦 系数及钢球的平均磨痕直径( w s d ) 。 3 2 结果与讨论 为了更好的说明碳烟对全配方15 w 4 0 c d 机油润滑特性的影响，我们将 3 2 4 机械油与1 5 w 4 0 c d 机油的实验结果进行对比，着重阐述碳烟对不同油 品的影响。 3 2 1 碳烟量对润滑油极压性的影响 将碳黑和1 5 w 4 0 c d 机油按一定质量比混合，按照g b t 1 2 5 8 3 9 0 测 定油样的最大无卡咬负荷( p b 值) ，含不同碳黑添加量的1 5 w 4 0 c d 机油的 p b 值的关系见图3 1 。可以发现1 5 w 4 0 c d 机油的极压性能明显高于3 2 4 机械油，这和油品本身的基础构成以及添加剂构成有关。 碳黑的加入引起了15 w 4 0 c d 机油的极压性能的变化。当碳黑量在 2 w t 以下时，碳黑在一定程度上提高了油膜的极压承载能力。当碳黑量超 过2 w t 时，油品的极压性开始骤降。一方面高浓度的碳黑容易引起局部油 膜破裂，使得油品极压性下降；另一方面碳黑影响了油品的抗磨添加剂， 使得1 5 w 4 0 无法正常形成抗磨膜层。 冬 山 碳黑添加量w t 图3 1 碳黑含量对1 5 w 4 0 c d 机油p b 值的影响 3 2 2 碳烟量对润滑油耐磨性能影响 按照a s t md 4 1 7 2 9 4 润滑油抗磨损性能测定法( 四球机法) ，测得的不 同碳黑量的润滑油耐磨性结果如图3 2 所示。3 2 4 机械油的钢球磨斑直径大 于1 5 w 4 0 c d 柴油机油的磨斑直径。这说明1 5 w 4 0 c d 柴油机油本身的耐磨 性能1 ：t ：3 2 ”机械油好，其中的抗磨添加剂发挥了作用。但是随着碳黑量的增 加，3 2 。机械油的钢球磨斑直径表现出先增大后减小的趋势，说明碳黑微粒 有增强3 2 “机械油耐磨性的趋势，但总体变化不大；而1 5 w 4 0 c d 柴油机油 的钢球磨斑直径随着碳黑微粒含量的增加而增大，且增加幅度较大，表明 碳黑微粒降低了全配方润滑油的耐磨性。这可能与碳黑微粒的存在限制了 全配方润滑油中抗磨剂的作用有关。有理论指出在边界润滑条件下碳烟微 粒与添加剂中的某些极性分子存在竞争吸附【3 4 1 ，碳黑微粒作为第三体磨 粒，导致摩擦表面不易形成边界膜，从而影响油品的抗磨性。相比较而言， 碳黑微粒对3 2 4 机械油的抗磨性影响较小，原因可能是碳黑微粒的团聚物具 有一定的亲油性，容易嵌在摩擦表面形成润滑薄膜，使得机械油的耐磨性 增强。然而15 w 4 0 c d 柴油机油中除了基础矿物油外，还包含各种添加剂。 分散剂使得碳黑颗粒容易分散在油品中不易形成团聚物，尽管碳黑表面含 有羧基基团，可以吸附柴油机油中一定量的碱性分散剂，但和3 2 4 机械油相 比，团聚现象要小的多。有趣的是当碳黑微粒的含量达到8 w t 时，两种油 品呈现相同的抗磨性，这表明此时柴油机油中的抗磨剂的功效与碳黑微粒 团聚物的功效相等。 2 0 吕 乓 爬 佃 蜜 恤 碳烟量w t 图3 2 两种油品在不同碳黑水平下的钢球磨斑直径 ( 载荷1 4 7 n ，转速1 4 5 0 r p m ) 3 2 3 不同工况条件下碳烟对1 5 w 4 0 c d 耐磨性的影响 为了获得真实工况下可能存在的磨损情况，分析碳烟的磨损机制，选 取1 4 7 n 作为试验载荷，逐渐增加主轴转速，并测量三种不同碳黑量油品所 产生的平均磨斑直径，每一个工况重复3 次，如图3 3 所示。 g g 、 也 涮 蜜 盥 r p m 图3 - 3 三种碳黑量1 5 w 4 0 c d ( 1 4 7 n ) 在不同转速条件下的平均磨斑直径 在该载荷范围内，随着碳黑量增大，使用1 5 w 4 0 c d 时钢球磨斑直径随 碳黑量的变化趋势明显。当碳黑量达到8 w t 时，磨斑直径在大部分转速区 2 l 间( 4 0 0 r p m 以上) 内随着碳黑量增大而增大，当1 5 w 4 0 c d 油在转速为 4 0 0 r p m 以下时，含8 w t c b 油品下的磨斑直径明显增大。结合之前3 2 。机械 油在不同转速条件下的情况，如图2 5 ( b ) 所示，使用3 2 4 机械油时钢球的 磨斑直径随碳黑量的变化趋势平缓，且当碳黑量达到8 w t 时，3 2 4 机械油 的磨斑直径随着碳黑量增大有减小趋势。这说明，如果油品的润滑仅依靠 基础油配方以及其流变特性，当碳黑被卷吸入接触表面时，碳黑颗粒填充 到了被磨损的沟壑表面，会降低磨损量，如3 2 4 机械油。而如果全配方润滑 油品中存在大量添加剂，碳黑或许会削弱油品中某些添加剂的作用，从而 引起磨损量增大，如1 5 w 4 0 c d 油。 选取1 4 5 0 r p m 作为主轴转速，逐渐增加试验载荷，并测量三种不同碳黑 量油品所产生的平均磨斑直径，每一个工况重复3 次，如图3 4 所示。 g 吕 、 q l o a d n 图3 4 三种碳黑量1 5 w 4 0 c d ( 1 4 5 0 r p m ) 在不同载荷条件下的平均磨斑直径 在不同的载荷条件下，1 5 w 4 0 c d 下钢球磨斑直径随碳黑量的增多均有 所上升，但在3 9 5 n 下碳黑对钢球表面的磨损影响不明显。从变载工况来看， 碳黑对油品耐磨性均产生了影响。相比3 2 4 机械油，磨斑直径随碳黑量的变 化幅度不大，但更为均匀。 3 2 4 碳烟对1 5 w 4 0 c d 油减摩性能的影响 图3 5 ( a ) 是转速1 4 5 0 r p m ，载荷1 4 7 n 工况下1 5 w 4 0 c d 油在不同 碳黑量下的摩擦系数时间曲线。钢球磨斑直径随着时间越来越大，单位面 积的载荷量越来越小，摩擦系数会随时间增长。图3 5 ( b ) 为不同碳黑量 下1 5 w 4 0 c d 油的平均摩擦系数。结果表明碳烟微粒对1 5 w 4 0 c d 柴油机 油的摩擦系数影响不明显，这和柴油机油中分散剂的分散效果有关，碳烟 微粒的团聚容易阻碍流体运动，然而在分散剂的作用下，碳烟颗粒悬浮在 油品中，不易团聚，增强了油品的减摩性。当添加量达到8 w t 时，尽管 分散剂的作用变弱了，但柴油机油中的润滑添加剂的减摩效果开始起作用 了，所以摩擦系数反而有所减小，这在一定程度上抑制了柴油机油中因粘 度升高而造成的摩擦系数升高的趋势。 ( a ) 燕 帕 辚 世 时间r a i n 添加量、矶 图3 5 ( a ) 1 5 w 4 0 c d 在不同碳黑水平下的摩擦时间图；( b ) 1 5 w 4 0 c d 在不同碳 黑水平下的平均摩擦系数 图3 - 6 显示的是不同转速工况下( 1 4 7 n ) 1 5 w 4 0 c d 在不同碳黑量下的 摩擦系数时间曲线。可以看出1 5 w 4 0 c d 的摩擦系数随转速增大而降低。 当转速为1 0 0 r p m 和4 0 0 r p m 时，含不同碳黑量的1 5 w 4 0 c d 的摩擦系数随时 间变化趋势相似；当转速为7 0 0 r p m 时，如图3 - 6 ( c ) ，含8 w t 碳黑的油品 的摩擦系数低于纯1 5 w 4 0 c d 的摩擦系数，其余工况均反之。综上所述， 尽管3 2 撵机械油的添加剂种类没有1