含纳米铋粉锂基润滑脂抗磨减摩性能研究

赵芳霞，汤玉飞，王鹏，张振忠，杨江海

(南京工业大学 材料科学与工程学院，南京 210009)

纳米铋粉体由于具有小尺寸效应、表面界面效应、低熔点以及良好的悬浮稳定性等特性，在纳米润滑添加剂的开发和应用中日益扩大。研究表明，在油润滑条件下，与纳米铜、镍等相比，纳米铋粉具有熔点低，在较低的能量下就能填充、焊合在摩擦副表面，同时也可能形成液体铋膜，因此含纳米铋粉的润滑油减摩性能较好[1-2]，是一种性能优良的软金属润滑油添加剂[1,3-4]。纳米铋粉的研究目前主要集中在油润滑添加剂上，针对脂润滑添加剂的研究和应用还相对较少。本案主要研究含纳米铋粉锂基润滑脂的抗磨减摩性能，为含纳米铋粉润滑脂的进一步研究和实际应用提供参考。

1 试验方法

1.1 材料与仪器

采用等离子体蒸发法制备不同粒径的铋粉，其中平均粒径为45 nm的纳米铋粉透射电镜照片(TEM)如图1所示。选500SN基础油和12-羟基硬脂酸锂皂稠化剂，采用直接皂化法制备锂基润滑脂，其过程主要包括皂化、脱水、膨化、冷却和均化5个阶段。

图1 平均粒径为45 nm铋粉(TEM)

试验主要使用仪器为：BS 224S型电子天平、S型三辊研磨机和WMM-1万能摩擦磨损试验机。

1.2 润滑脂摩擦磨损性能测试

采用MMW-1型四球式摩擦磨损试验机，按照国家标准要求的试验步骤分别测定润滑脂摩擦系数μ和磨斑直径WSD等参数。试验使用GCr15钢球，直径为12.7 mm，硬度为61～64 HRC。

2 结果与讨论

2.1 铋粉粒径对锂基润滑脂抗磨减摩性能的影响

加入量固定为2%(质量分数，下同)时，铋粉粒径对锂基润滑脂摩擦系数和磨斑直径的影响规律如图2所示。图3为钢球表面的磨斑形貌，试验测得不添加任何添加剂的锂基润滑脂的摩擦系数和磨斑直径分别为0.084 3和0.67 mm。可见，添加铋粉的润滑脂摩擦系数和磨斑直径均比基础脂的小，说明添加铋粉可提高锂基润滑脂的抗磨减摩性能。而且随着铋粉平均粒径的减小，润滑脂的摩擦系数和磨斑直径均减小，即其抗磨减摩性能有所提高。

图2 铋粉粒径对锂基润滑脂摩擦系数和磨斑直径的影响

由图3可以看出，铋粉平均粒径为180 nm试样的磨斑表面(图3f)存在大而深的犁沟，随着平均粒径的减小，磨痕表面的犁沟逐渐变细(图3b～f)。当平均粒径为45 nm时，磨斑表面的犁沟最细，此时润滑脂的抗磨能力最强。分析认为，随着铋粉粒径的减小，粉体表面的悬空键越多，表面活性越大，越易于沉积在摩擦副表面，在较低的载荷下就能形成金属润滑膜，隔开微凸体间的接触，有效减小摩擦副的磨损。另外，由于纳米铋粉体粒径越小，特别是当其粒径小于20 nm时产量很低，生产成本会大大增加，因此确定合适的铋粉平均粒径为45 nm。

图3 铋粉粒径对钢球磨斑形貌的影响

2.2 铋粉加入方式和加入量对锂基润滑脂摩擦学性能的影响

纳米粉体比表面积大，表面能高，粉体间存在各种吸附力，极易产生团聚，生成粒径较大的二次颗粒，从而失去超细粉体本身具有的优异性能。当润滑脂中的纳米粉体处于团聚状态时，粒径过大的团聚体可能引起磨粒磨损，反而加速摩擦表面的磨损[5-6]。为更好地发挥纳米铋粉的性能，研究了两种粉体加入方式对润滑脂摩擦学性能的影响。一种方法是将铋粉直接加入到锂基润滑脂中(简称直接加入)，其方法是先手工搅拌，再用三辊辗磨机挤压搅拌30 min；另一种方法是先用分散效果优秀的油酸将铋粉分散[7]，在锂基润滑脂制备过程中将分散后的铋粉加入(简称分散加入)，然后均化。

图4为两种加入方式下纳米铋粉加入量对润滑脂摩擦系数和磨斑直径的影响曲线，图5为不同含量铋粉直接加入和分散加入时摩擦系数随时间的变化；图6为图4中各试验钢球磨斑表面形貌。由图可见：(1)采用直接加入方式，随着铋粉含量的增加，锂基脂的摩擦系数先减小后增大，当其含量为3%时，摩擦系数最低为0.065 7，比锂基脂降低了近22%，减摩性能有了很大的提高。随着粉体含量的增加，磨斑直径呈现先减小后增大再减小的变化规律，当加入量为2%时磨斑表面沟槽浅而窄，且直径最小为0.58 mm，比基础脂减小了13.4%。(2)采用分散加入，随着铋粉含量的增加，锂基脂的摩擦系数先减小后增大，当其含量为2%时，摩擦系数最低为0.070 7，比锂基脂降低了近16.1%，减摩性能有了较大提高。随着粉体含量的增加，磨斑直径变化不大。其最佳浓度为2%，此时磨斑直径为0.58 mm，比基础脂减小了13.4%。根据对含铋粉润滑脂摩擦磨损试验钢球磨斑表面的扫描电镜、能谱及其表面元素的分析可知：纳米铋粉在磨斑表面起填充和焊合作用，铋粉含量太少难以填满沟槽，也难以发挥焊合作用，磨斑直径较大；铋粉含量增加到2 %时，磨斑表面的沟槽被填满，也有足够的铋粉发挥焊合作用；而超过2%时，磨斑表面的沟槽被填满，多余的铋粉不再起填充和焊合作用，因此磨斑直径变化不大[8]。总之，对于两种加入方式，当纳米铋粉加入量为2%时润滑脂的抗磨减摩性能较好。

进一步分析图4、图5和图6可以看出，在加入量相同的条件下，直接加入铋粉的润滑脂的摩擦系数和磨斑直径均小于分散加入的润滑脂。由图5可知，随着时间的延长，直接加入铋粉的润滑脂具有更低的摩擦系数，减摩抗磨效果更好。而分散后的粉体反而摩擦学性能变差，出现这种现象的原因可能是未经分散的粉体，因表面活性高，更易于在摩擦机械能的作用下物理焊合在摩擦表面上(铋的熔点为271.3 ℃)，形成有效的液体金属膜，阻止摩擦表面微凸体的接触；而经分散剂分散的粉体因表面包覆有分散剂，降低了铋粉的表面活性[3,9]，反而使其不易于沉积在摩擦表面上，因此，其减摩效果比直接加入铋粉的润滑脂差。

图4 两种加入方式下纳米铋粉加入量对润滑脂摩擦系数和磨斑直径的影响

图5 铋粉加入量及加入方式对润滑脂摩擦系数曲线的影响

图6 铋粉加入量及加入方式对锂基润滑脂磨斑形貌的影响

综上所述，纳米铋粉采用直接加入的方式，且加入量为2%时，润滑脂具有较低的摩擦系数和较小的磨斑直径，具有良好的抗磨减摩性能。

2.3 载荷的影响

为了探讨含纳米铋粉锂基润滑脂在不同载荷下的摩擦学性能，并且考虑到与通用锂基润滑脂相似的应用场合，仅研究载荷为196，294，392和490 N时对锂基润滑脂和含2%纳米铋粉锂基润滑脂的摩擦系数和磨斑直径的影响规律，其结果如图7所示。图8为钢球表面的磨斑形貌图。

图7 载荷对锂基润滑脂和含纳米铋粉润滑脂摩擦系数和磨斑直径的影响

图8 不同载荷下锂基润滑脂和含纳米铋粉润滑脂的磨斑形貌

由图可见，锂基润滑脂的摩擦系数在载荷为196，294和392 N时相近，在490 N时增大。含纳米铋粉的润滑脂，其摩擦系数随载荷的增大呈下降趋势，并在392 N时达到最小值，比同载荷下基础脂的摩擦系数减小了19.2%；当载荷为490 N时摩擦系数略有增大，但仍比同载荷下基础脂的摩擦系数降低了21.5%，说明随着载荷的增加含铋粉的润滑脂减摩能力在增加。对于磨斑直径，锂基润滑脂随载荷的增大而增大，且犁沟变粗变深，在196 N时为0.54 mm，在490 N时为0.72 mm，增幅为33.3%。而含纳米铋粉润滑脂的磨斑直径随载荷的增大开始变化不大，在载荷392和490 N时有减小的趋势，尤其在490 N时的磨斑直径远远小于基础脂在294 N时的磨斑直径，且其犁沟随载荷的增大变细、变浅，这说明纳米铋粉在较高载荷下具有很好的抗磨性能。这与文献[8]研究的纳米锡粉相类似，其原因是：在低载荷时，铋纳米颗粒可能大部分以微粒形式存在于摩擦对偶面，而在较高载荷(490 N)时，铋纳米微粒有可能发生熔化，形成液态金属膜。由于液态金属膜具有很好的弹性，所以在摩擦表面滑动摩擦时对摩擦副表面造成的磨损远远小于固体微粒所引起的磨损，表现出在392 N和490 N较高载荷下时的抗磨性能好于196和294 N较低载荷下的性能。

3 结论

(1) 纳米铋粉粒径大小对锂基润滑脂的摩擦学性能有影响，合适的纳米铋粉平均粒径为45 nm。

(2) 纳米铋粉的加入方式和加入量对锂基润滑脂的摩擦学性能均有影响，铋粉采用直接加入且加入量为2%时，润滑脂具有良好的抗磨减摩性能。

(3) 在392 N和490 N载荷时含纳米铋粉锂基润滑脂比基础锂基脂具有更好的抗磨减摩性能。