蛇纹石粉体的热处理及其对基础油摩擦学性能的影响

郑 威，张振忠，赵芳霞，徐丹丹

（南京工业大学材料科学与工程学院，南京210009）

蛇纹石是一种三八面体纳米层状结构材料，分子式为 Mg6［Si4O10］（OH）8，理想的结构单元层由“氢氧镁石”片与“硅氧四面体”片组成。蛇纹石中存在许多活性基团，其中O—Si—O键易发生断裂，产生出两种氧：O和O＊（＊表示一个未偶电子），能与金属形成共价形的高氧化态氧化物［1］，其热膨胀系数与黑色金属相近，沉积在金属摩擦副表面时具有超低的干摩擦因数和高硬度，从而大幅度提高摩擦副的抗磨、减摩性能［2］。研究结果表明，超细蛇纹石粉体是一种优质润滑油、脂自修复材料［3－6］。但由于天然蛇纹石中存在少量的吸附水及结构水，在摩擦过程中，吸附水及晶格破坏时溢出的层间水会影响蛇纹石作为润滑油添加剂的摩擦学性能及其与基体的结合强度。为此，本课题对超细蛇纹石粉体进行热处理，分别制备了脱去吸附水、结构水和层间水的3种超细蛇纹石粉体样品，并将其添加到润滑油基础油中，研究其作为润滑油添加剂的摩擦学性能。

1 实 验

1.1 原 料

天然蛇纹石（400目），出自东海蛇纹石矿，其化学组成 （w）为：MgO 39.60%，SiO238.20%，CaO 0.56%，Fe2O37.21%，Al2O31.20%，NiO 0.28%，H2O 12.95%；油酸。

1.2 仪 器

QM－1SP2行星式高能球磨机；KH－700DE型超声波清洗器；BS 224S型电子天平；80－2B型台式离心机；WMM－1万能摩擦磨损试验机及配套磨斑测量显微镜；JSM－5900扫描电子显微镜（SEM）；SFS－S实验室高速分散机；可编程气氛保护箱式炉；STA449C综热分析仪；Dmax/RBX射线衍射仪。

1.3 实验过程

先采用高能球磨法制备超细蛇纹石粉体（具体方法参见文献［7］），根据粉体的差热－热重（DSC－TG）曲线制定热处理工艺，将粉体由可编程气氛保护箱式炉加热3h，制备出经不同温度下热处理的超细粉体样品。对样品进行XRD分析，研究其组成及晶体结构的变化。

采用油酸作为分散剂，将制备出的蛇纹石粉体通过高速剪切分散机（转速4 000r/min，时间30min）分散到500SN基础油中，再超声分散30min，得到试验用油样。使用 MMW－1型摩擦磨损试验机，依据行业标准SH/T 0189—1992测试油样的摩擦学性能。试验结束后，用显微镜观察磨斑，用配套磨斑测量系统求得平均磨斑直径，并对磨斑表面进行能谱分析。

2 结果与讨论

2.1 热处理对超细蛇纹石粉体组成及晶体结构的影响

图1为经30h高能球磨制备的超细蛇纹石粉体的SEM照片。通过Simple－PCI分析软件得到粉体的平均直径为0.33μm，粉体粒径分布较窄，适合用作润滑油添加剂。

图1 超细蛇纹石粉体的SEM照片

图2为蛇纹石粉体的DSC－TG曲线。由图2可见，差热曲线在室温至200℃间有一段较窄的吸热谷，结合热重曲线，可以判定在此阶段蛇纹石迅速脱去吸附水；在200～500℃间热重曲线变化较平缓，说明残存的少量吸附水及层间水被脱去；在599.1℃时，差热曲线上出现一个大而深的吸热谷，且热重曲线变化较大，温度高于650℃后质量的下降重新趋于平缓，说明500～650℃之间为蛇纹石粉体结构水的主要脱除区间。结构水主要以羟基的形式存在于蛇纹石晶体结构中，随着结构水的脱去，晶体结构发生破坏重组，出现新的物相。

图2 蛇纹石粉体的DSC－TG曲线

图3为不同温度下热处理3h后制得的蛇纹石粉体的XRD图谱。由图3可见：与未经热处理的蛇纹石粉体相比，经200℃和500℃热处理粉体的衍射峰变化较小，其主要组成为 Mg3Si2O5（OH）4；经600℃热处理粉体的XRD图谱中只有少数镁橄榄石（Mg2SiO4）的衍射峰，且峰强度较弱，说明其晶体结构受到破坏，样品大部分处于非晶状态；经800℃热处理粉体的衍射图谱与镁橄榄石基本一致，含少量SiO2。说明随处理温度的升高，蛇纹石粉体先失去结晶水使晶格破坏变成非晶，然后粉体再次结晶生成镁橄榄石，其变化方程式为：2Mg3Si2O5（OH）4—→3Mg2SiO4＋4H2O＋SiO2。

图3 不同温度下热处理蛇纹石粉体的XRD图谱

2.2 含蛇纹石粉体基础油的摩擦学性能

表1为加入不同温度热处理蛇纹石粉体的基础油的摩擦学性能测试结果。为了确保实验数据的可靠性，每个样品进行了4次重复测定，取其平均值作为结果。由表1可见：基础油中加入超细蛇纹石粉后，其摩擦因数均明显减小，抗磨性能也有一定程度的改善；含200℃热处理蛇纹石粉体的基础油具有最低的摩擦因数，并且钢球磨斑直径最小；随着蛇纹石粉体处理温度的升高，基础油的摩擦因数及钢球磨斑直径均增大。产生以上实验结果的原因，一方面与蛇纹石粉体的晶体结构变化有关，另一方面则可能是因为高温处理使得超细粉体产生团聚，形成大颗粒，起到了磨损磨粒的作用。

表1 含蛇纹石粉体基础油的摩擦学性能

表1中对应试样的摩擦因数曲线如图4所示。由图4可见，除基础油的摩擦因数随着摩擦时间的延长不断增加外，含超细蛇纹石粉体基础油的摩擦因数均随时间的延长而下降，在摩擦进行到15min后保持相对稳定。说明含蛇纹石粉体的试样能够在摩擦副表面形成保护膜，起到隔绝摩擦表面相互接触、填补修复摩擦表面的作用。蛇纹石层状结构间有较弱的层间力，使其能够轻松地产生滑移，代替金属之间的直接接触，大大降低摩擦阻力。

图4 含蛇纹石粉体试样的摩擦因数曲线

图5为采用表1中试样润滑时在相同放大倍数下的钢球磨斑照片。由图5可见：1号磨斑的表面具有明显的金属光泽，磨痕较深，说明磨损较为严重；2～4号磨斑的表面呈现暗黑色，金属光泽几乎被掩盖，磨痕纹理细且浅，说明表面覆盖了一层减磨抗摩的自修复膜；5号、6号磨斑的中间部分有明显的磨痕，并且表面呈金属色，说明自修复膜没有完全覆盖磨斑表面，蛇纹石粉体与摩擦副之间的作用不足以使粉体形成牢固的自修复膜。这一方面可能是蛇纹石粉体经过高温处理后降低了其表面活性，另一方面可能是高温下粉体的晶体结构发生了变化，使其不容易与基体结合在一起。

图6为含200℃热处理超细蛇纹石粉体试样润滑下的钢球磨斑表面的能谱。由图6可见，磨斑表面出现了蛇纹石的特征元素Si，Mg，Ca，O，说明磨斑表面有超细蛇纹石粉添加剂的修复镀层。蛇纹石成膜机理为［8］：羟基硅酸镁属三八面体层状结构，片层之间易于滑动，可以在磨损的犁沟处沿金属表面铺展；羟基硅酸镁存在许多活性基团，可以在摩擦产生的金属表面发生反应，形成化学键合，从而在金属摩擦副表面生成金属陶瓷保护膜。

图5 在含蛇纹石粉体试样润滑下的钢球磨斑照片

图6 含200℃处理超细蛇纹石粉试样的磨斑表面能谱

3 结 论

（1）随热处理温度的升高，蛇纹石粉体会逐渐脱除吸附水、层间水和结构水。吸附水及层间水的脱除不改变蛇纹石的晶体结构，但伴随结构水的脱除，蛇纹石会分解生成镁橄榄石及二氧化硅。

（2）润滑油基础油中加入蛇纹石粉体有利于降低其摩擦因数，含1%（w）不同温度热处理蛇纹石粉体的基础油与基础油相比，其摩擦因数和钢球磨斑直径均明显降低，其中含200℃热处理蛇纹石粉体的基础油的摩擦因数最低，钢球磨斑直径最小。

（3）含蛇纹石粉体的基础油具有自修复作用，能够在摩擦表面形成一层金属陶瓷自修复膜。

［1］李学军，王丽娟，鲁安怀，等.天然蛇纹石活性机理初探［J］.岩石矿物学杂志，2003，22（4）：386－390

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