纳米材料在轴承润滑脂中的应用.doc

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可作为润滑剂添加剂的纳米材料添加剂的种类层状无机物类软金属粉类稀土化合物无机硼酸盐纳米材料石墨、二硫化钼、二硫化钨等铜粉、镍粉、铋粉、铅粉、铝粉、银粉等三氟化铯、三氟化镧,氢氧化镧,硼酸镧,硼酸铯硼酸镧、硼酸铈、硼酸/doc/e9954410866fb84ae45c8ded.html镍、硼酸铜、硼酸锌、硼酸钛、硼酸镁、硼酸钙、硼酸钾、硼酸铝、硼酸钼、硼酸亚铁氢氧化物氧化物含活性元素化合物其他氢氧化镍、氢氧化锰、氢氧化钴等三氧化二铝、氧化锡、二氧化钛、氧化锌等硫化铜、硫化铅、硫化锌、硫化锰等碳酸钙、C60、碳化硅等1.1 纳米层状无机物质润滑添加剂石墨、二硫化钼等具有层状结构的固体添加剂是目前研究最多的纳米油品添加剂,它们具有较好的抗磨减摩特性。文献4用四球机研究含有纳米级石墨粉的20号机械油时发现,添加剂量在3%5%之间,对20号机械油摩擦特性具有较好的改进作用,而添加剂剂量低时,会使基础油的抗磨性降低;添加剂量高时也不好,其原因可能是添加剂在摩擦表面的犁沟作用增大。文献5采用二烷基二硫代磷酸(DDP)修饰技术成功实现了MoS2纳米微粒在液体石蜡中的有效分散,修饰的MoS2纳米微粒在润滑油中具有优异的减摩和抗磨性能。一般认为表面修饰剂在常温和中等温度(250e)下起润滑作用,而无机纳米材料在较高温度下起润滑作用。112 纳米软金属类润滑添加剂文献6使用纯纳米金属粉末(包括铜粉、镍粉、锡粉和铋粉)分别加到石蜡基基础油中进行抗磨减摩性能试验,在试验转速分别为500和10001 纳米材料在润滑油中的研究进展纳米润滑材料以纳米颗粒为主,其作为润滑添加剂的研究已经越来越受到重视,随着各国学者的研究,经试验室考察摩擦学性能的纳米润滑添加剂品种越来越多,均在抗磨减摩性能上表现出一定的优越性,但欲想实现低成本、规模化制备技术还尚需时日。表1为近些年来各国学者研究报道过的纳米材料作为润滑剂添加剂的种类。收稿日期:2004-09-16;修回日期:2004-11-15作者简介:刘大军(1975-),男,硕士研究生,主要从事润#36#的500SN基础油进行摩擦学研究。在转速为500r/min时,分别加镍粉和铋粉的润滑油比不加金属粉的基础油摩擦系数有更好的稳定性,加铋粉润滑油在低载荷/doc/e9954410866fb84ae45c8ded.html范围内几乎没有磨痕,减摩性最好。转速为1000r/min时,加镍粉的润滑油比基础油摩擦系数大,但随载荷的增加摩擦系数有所下降,而加铋粉的润滑油比基础油摩擦系数低,最大也仅为01075,说明铋粉可以大幅度降低摩擦系数,而且随着载荷的增加,磨痕宽度增加不明显。113 纳米无机硼酸盐类润滑添加剂文献7对纳米硼酸盐系列抗磨减摩添加剂进行了摩擦学性能试验,所用的金属有锌、钛、镁、钙、铜,结果表明:纳米硼酸盐颗粒分散在基础油中,提高了抗磨和承载能力,其机理为在摩擦剂表面生成了B2O3、FeB及Fe2B等表面保护膜,从而得出润滑油抗磨性能的提高是纳米硼酸盐颗粒在摩擦表面的沉积及其摩擦化学反应产物作用结果的结论。文献8选用金属镧、铈、镍及铜进行了常规的摩擦学性能评定,并与二烷基二硫代磷酸锌(ZDDP)进行比对,在自行设定的特殊摩擦试验中,ZDDP与4种纳米硼酸盐表现出极大的差异,证明了纳米粒子具有独特的摩擦学特性。114 纳米稀土化合物润滑添加剂文献9的研究发现,CeF3可以降低润滑脂的摩擦系数,同时提高锂基脂和铝基脂的承载能力;文献10将含氮有机物修饰的纳米LaF3加入液体石蜡中,表明其具有良好的抗磨、减摩性能及较高的承载能力。XPS分析结果表明,作用机理为在摩擦过程中,在摩擦表面生成了含碳、氮有机物的物理吸附膜,含La2O3、Fe2O3、Fe3O4等无机物的化学反应膜,由以上保护膜组成的边界润滑膜是含氮有机物修饰的纳米LaF3在液体石蜡中具有良好摩擦学性能的基础。115 纳米氧化物润滑添加剂文献11将定量的纳米ZnO及分散剂山梨醇单硬脂酸酯加入500SN基础油中考察其摩擦学性能,表明纳米ZnO可提高抗磨减摩性能及承载能力,纳米ZnO有一最佳加入量,超过此量油品最大无卡咬载荷将减小。通过SEM测磨斑表面锌的分布及XPS扫描得到的结果,认为抗磨减摩机理为吸附有分散剂的纳米ZnO在摩擦表面形成沉积而起作用。文献12对油酸修饰的PbO纳米粒子作为润5轴承62005.l.6滑添加剂的摩擦磨/doc/e9954410866fb84ae45c8ded.html损试验表明:油酸修饰的PbO纳米粒子能明显提高基础油的抗磨减摩能力,当添加质量分数为013%时,可以使摩擦系数和磨斑直径降低30%左右,其原因是在摩擦表面形成一层富含PbO的边界润滑膜。116 纳米含硫化合物润滑添加剂ChenShuang等对纳米硫属化合物如ZnS、PbS等进行了摩擦学性能研究。DDP修饰的ZnS作为润滑添加剂在很小添加浓度下即可明显提高基础油的抗磨能力(在添加浓度为0.1%的条件下,可使基础油的磨斑直径降低45%),而且使基础油的承载能力也有提高。摩擦表面分析结果表明:DDP修饰的ZnS纳米微粒作为润滑添加剂,由于摩擦表面发生摩擦化学反应而生成一层富含Zn、S、P元素的反应膜,从而使基础油抗磨能力有所提高。13-142 纳米材料在轴承润滑脂中的应用展望2.1 纳米材料在轴承中应用152.1.1 对GCr15轴承钢摩擦磨损性能的改善利用油酸修饰TiO2纳米粒子作为水基润滑添加剂,对GCr15轴承钢四球试验表明,纳米粒子能显著提高GCr15轴承钢的抗磨损能力,降低摩擦系数,含有油酸修饰的TiO2纳米粒子的最大无卡咬载荷PB、烧结载荷PD值远高于纯水。2.1.2 纳米固体润滑干膜在重载工况下的应用在重载轴承滚动表面进行纳米固体干膜处理后,涂层能有效地隔离腐蚀介质,同时起到良好的润滑作用。考察特定条件下纳米Al2O3粒子对平均磨损体积影响发现,纳米粒子润滑干膜显著地降低了磨损,和无纳米粒子相比,磨损体积减少了近4/5。2.1.3 纳米材料润滑剂对振动的影响在润滑脂中添加适量的经修饰的550nmTiO2纳米粒子,经6203-2RZ轴承试验发现,可以改善滚动轴承的振动与噪声,轴承振动值和异常声感觉均比较好。原因是纳米材料润滑脂可以在摩擦表面形成润滑薄膜,这种润滑薄膜可以减小摩擦系数、填补与修复摩擦表面的某些缺陷。2.2 纳米材料在轴承润滑脂中展望按纳米材料用于润滑介质的相态分类,纳米材料润滑可以分为纳米固体润滑、纳米脂润滑和纳米润滑油润滑。随着纳米润滑技术/doc/e9954410866fb84ae45c8ded.html的进展,纳刘大军等:纳米材料在轴承润滑脂中的应用#37#制纳米颗粒组成、粒径、修饰剂成分等对润滑性能的影响,探讨抗磨或/自修复0机制,以指导纳米润滑添加剂的开发。需要说明的是,纳米材料无论是作为润滑油或润滑脂的添加剂都还是刚刚起步,许多问题都需要进一步研究,这些问题包括:(1)不同粒度、不同种类纳米材料的摩擦学性能差异。(2)纳米微粒在一般摩擦条件下和苛刻摩擦条件下长期连续或间断工作所表现的分散、团聚、沉降、粘着、转移、消耗、时间效应等行为。(3)纳米粒子与其他添加剂的配伍情况。(4)纳米粒子的分散稳定机制和抗磨减摩及抗极压性能的微观机理。(5)纳米微粒是否具有或在多大程度上具有摩擦微损伤的自修复、自补偿功能。(6)纳米材料能否作为突破现有温度和压力(包括真空)适用范围的润滑添加剂。(7)纳米微粒能否同时具有磁流体性能和润滑性能,从而同时实现润滑和在静态、动态,特别是旋转动态下的润滑与密封。(8)开发纳米微粒作为承受高应力的摩擦零部件如齿轮、轴承和传动机构润滑添加剂,以减少维修,甚至可以不维修。(9)开发纳米微粒作为改进的与生态相适应的润滑剂。解决这些问题仍需从基础性研究做起,虽然近些年对纳米粒子作为润滑油脂添加剂作了一定研究,但仍然处于起步阶段,许多基础理论仍须大量研究加以证明,在此基础上才谈得上应用产品的开发,因而与实际应用还有一段距离。参考文献:1 阎逢元,金芝珊.C60/C70作为润滑油添加剂的摩擦学性能研究J.摩擦学学报,1993,13(1):59.2 刘维民.纳米颗粒及其在润滑油脂中的应用J.摩擦学学报,2003,23(4):265-267.3 Mack1LubricantAdditiveP.US4204968,1980.4 曲建俊,罗云霞.含超细金刚石石墨粉润滑油摩擦磨://doc/e9954410866fb84ae45c8ded.htmlar损特性研究J.润滑与密封,1995(6):29-32.5 张治军,马同森.表面修饰MoS2纳米微粒的XPS研究J.河南大学学报(自然科学版),1995,25(4):41-45.6 夏延秋,金寿日,孙维明等.纳米级金属粉对润滑油摩擦磨损性能的影响J.润滑与密封,1999(3):33-34.17米固体润滑和纳米液体润滑的研究已经广泛的开展,基于各种润滑机理结合纳米材料的制备研究开发已经是纳米润滑研究的一个新课题,但纳米材料在脂润滑的领域中研究启动较慢,可以预测纳米材料在润滑脂中至少可以从以下两方面得到应用。2.2.1 纳米级稠化剂润滑脂基本组成为70%90%左右的基础油和10%30%的稠化剂以及少量的添加剂,其中稠化剂构成润滑脂基本骨架结构。将纳米级的硅胶和有机膨润土作为润滑脂的稠化剂将具有许多优异的特点,并将是纳米材料在润滑脂中应用较易实现的方法。文献16以纳米SiO2为稠化剂制得高温润滑脂,已证实了其可行性。胶体SiO2是用于生产润滑脂的非皂基无机稠化剂,其稠化能力与分散程度和颗粒结构有关。纳米级SiO2具有粒度小,比表面积大的优点,用作润滑脂稠化剂具有用量少、稠化效果好等特性。以粒径2040nm,比表面积达503m2/g的SiO2粉体作为稠化剂,使用量为14%时,锥入度达到4号脂的稠度等级。该文献配制的全配方润滑脂性能评定结果表明:所制得润滑脂具有高滴点(240e)、耐高温性和良好的抗水性能,四球试验结果来看其抗磨性与国外钻头脂相当。虽未见纳米有机膨润土稠化剂制备润滑脂的报道,但文献17研究改性纳米膨润土润滑液的极压性能,从四球试验结果来看,即使极低的膨润土含量也可使烧结载荷提高一级,XPS、AES分析结果未在摩擦表面膜上发现膨润土中的元素,说明膨润土并未发生摩擦化学反应,而是其极薄的片层较容易进入摩擦副之间,起着防止金属直接接触的隔离作用,从而提高极压性。因此推测纳米有机膨润土润滑脂将是一种极压性较好的润滑脂种类。/doc/e9954410866fb84ae45c8ded.html2.2.2 纳米润滑脂添加剂前述种类的无机物、软金属、氧化物、稀土化合物、硫化物等纳米颗粒作为润滑油脂添加剂极具发展潜力,尽管作为润滑油添加剂时