硅铝型天然陶瓷矿物添加剂对柴油机油润滑性能的影响

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Effect of Si/AI natural ceramic mineral additive on tribologicalproperties of diesel engine oilYU He.1ong ，YANG Hong-jun ，QIAN Yao.chuan ，ZHAO Chun.feng ，XU Bin.shi(1.National Key Laboratory for Remanufacturing，Academy ofAxmored Force Engineering，Beijing 100072，China；2.Troop at No.76327 ofPLA，Chenzhou 423026，China；3.Military representative ofice at No.5137 factory，Xiangyang 441003，China；4.Department ofTraining，Academy ofArmored Forces，Bengbu 233013，China)Abstract：Tribological properties of aluminum silicate(A14[Si4010](0H)8)mineral micro-powders，with an average sizeof lpm，as diesel engine oil(50CC lubricating oil)additive were evaluated on an end-face friction and wear tester.Themorphologies，element distributions and micro mechan ical properties of the worn surface were investigated by means ofscanning electron microscopy(SEM)，energy dispersive spectrometry(EDS)and nano-indentation tester，respectively。

Results indicate that friction reduction and wear resistance properties of 50CC oil improve efectively by adding naturalmineral micro-powder.The minimal value of the coeficient and wear rate can be obtained when the micro·-powdersconcentration is 0.75%(mass fraction).It can be inferred that a protective film composed of Si.Al and O forms on theworn surface.The film exhibits an average hardness(H)of 7.05 GPa，which is 69.8%higher than that of wom surfacelubricated with base oil.Whereas its average modulus( is about 237.4 GPa，as is stil with steel substrate leve1。

Key words：silicate；mineral micro-powder；additive；tribological property；nano-hardn ess随着机械装备高效化发展步伐的加快，重载车辆发动机单位质量承受的载荷越来越重，其高速、高温和重载的工作条件使传统的润滑油添加剂难以满足新型机械装备发展的需求。尤其是装备的关键运动部件，基金项目收稿日期通讯作者如发动机、传动箱等因磨损严重而导致失效，最终致使装备维修时间和整体服役寿命大大缩短 1。为此，急需发展具有良好抗磨性能、高承载能力、对磨损表面的微损伤具有-定修复功能的新型润滑材料，以国家重点基础研究发展规划(973计划)资助项目(2OllcBOl34O5)；国家自然科学基金资助项目(5l0O5243， 50904072)2012-03.14；修订日期：2012.04-24于鹤龙，讲师，博士生。电话：010-66718580；E-mail：helong.yu###163 tom第l - 6 于鹤龙，等：硅铝型天然陶瓷矿物添加剂对柴油机油润滑性能的影响 725满足重载装备苛刻服役工况下的使用需求。

近年来，以硅酸盐为主要成分的天然矿物微粉作为润滑油添加剂和金属表面修复材料的研究受到了摩擦学工作者的广泛关注2-41。在目前的研究中，无论是作为添加剂还是金属磨损表面修复材料，都是将硅酸盐粉末添加到各种润滑油、脂中，减轻金属问的摩擦，改善材料的磨损 ]。研究表明[8-9]，以羟基硅酸铝(A12[Si2O5](0H)4)为主要成分的 Si/A1型陶瓷颗粒作为润滑油添加剂对钢/钢、钢/铸铁摩擦副具有较好的减摩修复效果，具有广阔的应用前景。本文研究硅酸铝矿物微粉作为重载车辆柴油机油添加剂的摩擦学性能及其对金属表面的修复改性作用，以期有助于指导矿物微粉类添加剂的开发及其在重载车辆装备上的应用。

1 实验1.1 摩擦学性能测试试验用基础油为某军用重载车辆柴油机油50CC，添加剂为平均粒径为 1.0 gin的硅酸铝天然矿物微粉(主要成分 Al2[Si2O5](OH)4，以下简称 Si/A1添加剂)。

为保证粉体在润滑油中具有良好的分散稳定性，以分析纯油酸作为修饰剂，采用高能球磨机对粉体和50CC润滑油的混合物进行表面修饰与分散，将得到粉体添加质量分数分别为0.25、0.5、0.75、1.0和 1.25%的待测油样。摩擦磨损试验在济南产端面试验机上进行，上下试样均为45 钢材料，硬度为29～31HRC。试验所采用的主要参数为：载荷200 N，时间 120 min，转速 500 r/min，温度为室温(25士2)℃，端面回转半径11.25 mm。采用精度为0.1 mg的电子天平测量下试样钢盘的磨损量，并计算磨损率，将3次试验的平均值作为试验结果。

1.2 摩擦表面分析将摩擦试验后的上试样分别在石油醚和丙酮中超声波清洗 10 min后进行分析。采用 Quanta.200型SEM观察摩擦表面形貌；采用 Genesis型EDS分析摩擦表面的元素组成及含量；采用Nano Test 600型多功能纳米材料性能测试系统测定基体与 Si/A1添加剂作用下摩擦表面的纳米硬度。纳米压痕试验采用三棱锥型金刚石压头，其半径约 50 nm，用定载荷法进行测量，试验参数为：压头初始载荷 0.03 mN，最大载荷15 mN，加载和卸载速率均为03 mN·S～，在最大载荷处持续加压 10 S。计算机自动记录加载-卸载过程，并计算得到金属表面的纳米硬度。在每个样品上取 5个点，取 5次试验的平均值为试验结果。

2 结果与讨论2.1 Si/Al添加剂的减摩性能图 1所示为含不同质量分数Si/A1添加剂的50CC润滑油摩擦因数及其润滑下钢盘磨损率曲线∩以看出，50CC润滑油的摩擦因数约为 0.096，加入 Si/Al添加剂后，摩擦因数显著降低，在添加量为 0.75%时取得最小摩擦因数，约为0.045，较 50CC降低约53%。

而后，随粉体添加量增大，油样摩擦因数有所升高，但在整个添加量范围内，含 Si/AI添加剂油样的摩擦因数均低于基础油。钢盘磨损率的变化趋势与摩擦因数相同，同样在添加量为 0.75%时取得最小值。以上结果表明，Si/A1添加剂可显著改善润滑油的抗磨减摩性能，且存在最佳的添加量，添加过多或过少均会削弱其摩擦学性能。

Concentration of additive/%图1 不同Si/A1添加剂含量润滑油的摩擦因数和钢盘磨损率随时间的变化曲线Fig.1 Variation of friction coefi cient and wear rate of steeldisc with sliding time for base oil and oi1 with various amountsof Si/Aadditive2.2 摩擦表面分析图2所示为50CC和含0.75%si/A1添加剂润滑油作用下摩擦表面形貌的 SEM 照片∩见，基础油润滑下的金属表面擦伤严重，并发生了轻微的粘着磨损；而 Si/A1添加剂作用下的摩擦表面完全不同于单纯50CC润滑下的表面形貌，摩擦表面较为平整，未见严重的划痕，并如图 2(b)中方框所示有大量的颗粒状表面及空隙。为了研究摩擦表面的元素组成，图3分-Ⅲ IIt0/。 I JB0 ! 第 期 于鹤龙，等：硅铝型天然陶瓷矿物添加剂对柴油机油润滑性能的影响 727三号0鲁0昌在 Si/A1添加剂的作用下的金属表面的硬度显著提高，而弹性模量与金属材料接近。这与以往的研究中，对蛇纹石天然矿物材料(Mg6[Si4O10](OH)8)作润滑油添加剂时形成的磨损表面微观力学特征相类似，即具有较高的硬度，同时兼具金属的弹性模量l l。现代摩擦学理论认为l ，高硬度能使摩擦表面有效抵制磨屑的压入及材料表层的塑性变形，从而减少磨粒切削；而较低的弹性模量可改善摩擦副对偶表面的贴合情况，降低接触应力，同时当接触表面间有磨粒时，会因弹性变形而允许其通过。以上两方面均有利于减少磨损，从而使 Si/A1添加剂表现出优异的摩擦学性能，显著改善了50CC机油的润滑性能。

图 5 45 钢基体与不同摩擦表面的微观力学性能Micro mechanical prop，erties of45 steel and m。w。m3 结论 surface with diferent lubricating conditions 属表面硬度及当量弹性模量的平均值及标准偏差∩见，含0.75%Si/A1添加剂的润滑油作用下金属表面的纳米硬度较基体 45 钢和基础油润滑下摩擦表面的硬度明显提高，其较45 钢提高约93.2%，较 50CC润滑油提高约 69.8%。而三者的当量弹性模量值相近，表明 Si/A1添加剂在摩擦表面形成的富集 Si、A1元素的表面膜是高纳米硬度、低弹性模量的摩擦反应膜。

Yu 对硅酸铝天然矿物材料作为润滑油添加剂的研究发现，添加了稀土元素及次石墨的硅酸铝可在摩擦表面形成Si或 Si-O掺杂的类金刚石(DLC)薄膜，其中C元素主要源自添加的次石墨及润滑油中碳链的分解产物，而 Si、O等元素主要源自硅酸盐矿物。根据本文试验结果可知，硅酸铝矿物在 45 钢摩擦表面形成了-层富集 si、0、Al元素的摩擦反应膜。以羟基硅酸铝(A12[Si205](0H)4)为主要成分的 Si/AI添加剂具有由Si.O四面体层与 A1-O八面体层构成的层状晶体结构，由于层间主要靠微弱的分子键或氢键相连，易于解理断裂。因此，在摩擦过程中润滑油中均匀分散的 Si/A1添加剂首先吸附并沉积在摩擦表面，并在局部压力和微区瞬时高温的作用下发生分解，形成的si.O、A1.0结构与磨损过程中产生的铁基磨屑共同构筑形成了富含 Si、Al、O元素的摩擦反应膜。摩擦反应膜中未见异常含量的C元素，推测可能的原因在于Si/AI添加剂中未添加稀土元素及次石墨，无法导致润滑油中大量碳链的分解 ， 。此外，下-步研究中需采取 X射线光电子能谱仪(XPS)和透射电镜(TEM)等其他的表征分析手段，以便进-步揭示摩擦反应膜的相结构与形成机理。

另-方面，对摩擦反应膜的纳米压痕测试表明，l1以硅酸铝基矿物微粉作为添加剂，可显著改善柴油机油 50CC 的抗磨减摩性能。Si/Al添加剂在50CC中添加的质量分数达到0.75%时，表现出最佳的摩擦学性能，可将50CC润滑油的摩擦因数降低53%。

2)添加剂在摩擦的过程中，在接触压力和瞬时高温的作用下发生分解，形成的Si-0、Al-0结构与磨损过程中产生的铁基磨屑共同构筑形成了富含 Si、Al、0元素的摩擦反应膜，该摩擦反应膜具有高硬度、低弹性模型的特征，从而显著降低摩擦和磨损，提升50CC润滑油的性能。

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