含炭黑润滑脂的摩擦磨损性能与导电性研究

乔鹏，夏延秋，侯冲,周钊,张秋晨，吴浩

(华北电力大学能源动力与机械工程学院,北京市 102206)

含炭黑润滑脂的摩擦磨损性能与导电性研究

乔鹏，夏延秋，侯冲,周钊,张秋晨，吴浩

(华北电力大学能源动力与机械工程学院,北京市 102206)

以锂基润滑脂为基础脂，导电炭黑为填料，经分散、研磨等工艺制备了含导电炭黑的润滑脂，并对其进行了电导率、滴点、锥入度以及摩擦学性能的测试。试验结果表明，润滑脂中添加导电炭黑的含量和种类对含炭黑润滑脂的导电性、抗磨减摩性以及理化性能有很大影响。其中含5%的HD-2类炭黑的润滑脂具有最佳的综合性能，其电导率为374 μs/cm，平均摩擦系数为0.087。长时间暴露在实验室环境中，导电膏导电性能没有太大的改变，但老化现象依旧明显，其表现在热安定性及摩擦学性能方面的变化，导电膏A3滴点由227.7 ℃下降到207 ℃，B3滴点由301.6 ℃下降到260 ℃，摩擦系数也出现较大波动。

润滑脂；导电炭黑；导电性；摩擦学性能

0 引 言

输变电线路设备的安全稳定运行，是国民经济稳定发展的保障。随着电压等级的升高和输送电流的增大，电力金具与导线的连接处凸显薄弱环节。导电场所存在着的氧气、腐蚀性气体、灰尘以及水分等不利因素，导致电气连接表面形成一层氧化膜。这些氧化膜导电性差，且不易去除，长此以往，将逐渐增大接触区域的无机膜接触电阻，随着电流流过无机膜接触电阻产生热量，这种氧化将越来越严重，形成恶性循环，最终导致接触处大幅度的发热而烧毁电气连接头[1-4]。

导电膏又称电力复合脂，简称电力脂，具有良好的导电特性，涂覆于电接触表面可以有效地减少接触电阻，降低电接触点的温升，有效提高电连接的可靠性和稳定性[5-7]。调查显示，与传统的搭接面搪锡工艺比较，改用涂敷导电膏后，电气连接的接触电阻可以明显降低，同时该处的电能损耗也大幅降低，若合理地使用导电膏，则每年由使用导电膏而节省的资金是相当可观的。我国从20世纪80年代开始研制并生产导电膏，常见的导电膏基本性能相同，是以矿物油或合成油作基础油，用皂稠化后加入具有导电、抗氧化、抗腐蚀等性能的添加剂，经研磨、分散、改性等工艺，制得的软状膏体[8-9]。常用的导电填料有银、铜等金属粉末及炭黑。Marco Luniak等[10]对以金属银为填料的导电膏进行了研究，他们的研究显示，使用一定量的金属银作为填料的导电膏，可以大幅度增加金属导体之间的接触面积，能够减小接触表面温度70%左右，并且，可使连接的可靠性增强2～4倍。Osamu Ikeda等[11]对活性炭和金属银作为填料对导电膏性能的影响进行了研究，他们认为，以活性炭和金属银为填料的导电膏除了可以大幅度减小接触电阻外，还具有良好的抗腐蚀性能。然而银、铜等金属粉末易发生氧化，生成的氧化物电导率很差，影响导电膏的正常使用，且长期使用重金属会对环境产生污染，不利于环保。基于以上考虑，若以炭黑为导电填料，一方面解决了导电填料氧化的问题，另一方面炭黑对环境无污染，是一种很好的环保型的填料。本文即使用炭黑为导电填料制备导电膏。

1 导电膏研究内容

1.1 主要实验仪器及原料

设备与仪器:恒温加热器，电动搅拌机，三辊研磨机，电导率用DDSJ-308A型(上海雷磁)电导率仪测定，滴点和锥入度分别使用上海神开公司生产的SYP4110-I滴点试验器以及SYP4100-I锥入度试验器来测定。

用MFT-R4000高速往复摩擦磨损实验仪器，测试制得的导电膏的摩擦学性能。

用美国FEI公司的Feature Max型扫描电子显微镜对试件磨斑进行分析。

原料：导电炭黑(HD-1和HD-2，以下简称1号，2号)，聚α烯烃(PAO4)，实验室自制锂基润滑脂等。主要原料的部分参数见表1、表2。

表1 2种导电炭黑部分重要参数

1.2 实验步骤

1.2.1 导电混料制备

试验中，采用1号、2号这2种导电炭黑作为导电物质，选择有机溶剂PAO4作为溶剂，PAO4能使适量的炭黑颗粒很好地分散于其中。由于混料中所使用的导电炭黑密度较小、量较大，极易聚团，若其在混料中所占比例过大，则导电炭黑在PAO4中达不到理想的分散效果；若所占比例过小，则制得的混料成液态，且导电性能不良，影响最终制得的导电膏的性能。经多次试验、比较，导电炭黑在混料中的质量分数为10%时最佳。

表2 锂基润滑脂主要性能参数

将导电炭黑与PAO4按1∶9(质量分数)的比例在140 ℃恒温条件下混合加热5 h，并做搅拌，使其充分混合，得到膏状混料。待其冷却后取出，备用。

1.2.2 混料与锂基润滑脂复配

将处理好的混料、锂基润滑脂按不同比例混合，用三辊研磨机研磨3次，得到导电膏样品。按照各成分比例的不同，配制以1号炭黑为导电物质的A类导电膏，及以2号炭黑为导电物质的B类导电膏，具体参数见表3。

表3 A、B两类导电膏的组分

2 试验结果讨论及分析

2.1 炭黑对导电膏导电性的影响

导电炭黑在导电膏中的含量是影响导电膏导电性的主要因素，只有当填料颗粒的浓度达到某一临界值时，分散于锂基润滑脂中的炭黑颗粒相互接触，形成较为理想的导电网络，电导率急剧上升[9]。可以通过分析导电膏的内部结构，建立导电膏导电机理的模型，使炭黑对导电膏导电性的影响更加直观，导电膏按其导电结构分为3种：

(1)一部分导电颗粒完全连续的相互接触形成电流通路，相当于电流流过一个电阻；

(2)一部分导电颗粒不完全相互连续接触，其中不相互接触的导电颗粒之间由于隧道效应而形成电流通路，相当于一个电阻与一个电容并联后再与电阻串联的情况；

(3)一部分导电粒子完全不连续，导电颗粒间的润滑脂隔离较厚，是点的绝缘层，相当于电容器的效应[12]。导电膏的导电机理模型如图1所示。

图1 导电机理模型

电导率测试试验温度为25 ℃(采用传感器温度补偿)。

如图2所示，曲线A、B分别为1号、2号导电炭黑含量与导电膏电导率的关系，当炭黑含量小于3%时，2种样品没有导电性能，即电阻接近无穷大。炭黑含量增加，导电膏的导电性能也随之增加。但由于2种炭黑在锂基润滑脂中的导电逾渗阈值不同，导致2种导电膏的导电性发生明显增长的点不同，当A类导电膏中炭黑的含量从3%增加到5%时，导电膏的导电性没有明显的提高，当炭黑含量超过5%时，其导电性才发生较明显的变化；相比而言，当B类导电膏中炭黑含量超过3%时，随着炭黑含量的逐步增加，导电膏的导电性增加显著。

图2 炭黑含量与电导率的关系

同样，试验也说明炭黑颗粒的粒子径、结构、表面粗糙度的差异也会影响导电膏的导电性。由于B类导电膏中所添加的2号导电炭黑，其粒子细、结构高、表面粗糙多孔，具有高度开放链枝结构，分散于锂基润滑脂中时更容易相互搭接形成导电网络。因此由图2可知，在炭黑含量大于3%时，相同条件下，B类导电膏的导电性能优于A类导电膏,以炭黑含量均为5%时为例：B类导电膏电导率为374 μs/cm，A类导电膏电导率为1.36 μs/cm。

2.2 炭黑对导电膏滴点及锥入度的影响

润滑脂的滴点是表示润滑脂热安定性能的指标，可以预测润滑脂的最高使用温度界限，滴点越高，表明该润滑脂的高温性能越好，润滑脂的滴点主要取决于稠化剂的类型[13]，同时，添加剂对润滑脂的滴点也会产生影响。试验参照标准GB/T 3498—83(91)《润滑脂宽温度范围滴点测定法》，具体的试验数据见表4。

表4 炭黑含量与导电膏滴点的关系

由表4得知，在一定范围内，随炭黑含量的增加，导电膏的滴点稳步增加，且高于锂基润滑脂的滴点200 ℃。国家电网公司推行的行业标准中规定，Ⅰ型导电膏滴点应大于等于200 ℃，本研究制得的A、B这2类导电膏滴点均满足要求。同时，添加的导电炭黑的种类对导电膏的滴点也有相应的影响，试验结果显示，当导电炭黑含量相同时，B类导电膏的滴点高于A类导电膏，这是由于B类导电膏中所添加的导电炭黑的空间结构更为开放、稳定，从而使该类别导电膏整体的胶体结构更加稳定，热稳定性能更好。

润滑脂锥入度测定法是测定润滑脂稠度的实验方法，润滑脂的稠度对润滑脂的实际使用具有很大的意义，不同稠度的润滑脂适用于不同的使用条件下。试验参照标准GB/T 269—91，具体的试验数据见表5。

表5 炭黑含量与导电膏锥入度的关系

按照国家电网公司的规定，导电膏锥入度(25 ℃、150 g、1/10 mm)为200～315。

由表5可知，制得的A、B这2类导电膏的锥入度均符合国家电网公司的企业标准。同时，2类导电膏的锥入度均是随着炭黑含量的增加而逐渐增加。这是因为由炭黑构成的三围骨架结构较稳定，与锂基润滑脂混合后，整体结构的稳定性随着炭黑含量的增加而增加，其结果表现为导电膏整体的稠度的稳定性更好。

2.3 导电膏的摩擦磨损性能研究

在实际工况下，许多电气元件连接的接触面之间会产生摩擦，如高压输变电隔离开关、低压开关、接触器等，长时间运动后，接触面磨损，当接触面磨损较严重后，会引起电器断路、甚至失火等一系列问题，影响系统正常工作。因此涂覆在接触面间的导电膏的润滑作用也尤为重要，其抗磨减摩性能与连接的可靠性和稳定性密切相关。

本研究考察了2类导电膏的摩擦学性能，试验使用MFT-R4000高速往复摩擦磨损试验仪来测定导电膏的抗磨减摩性能。试验具体参数如下:磨痕长度为5 mm，载荷为100 N，频率为5 Hz，试验时间为20 min，试验压头钢球采用AISI 52100钢(尺寸为φ4 mm，硬度为61～63HRC，表面粗糙度为0.08 μm)，试验试块采用AISI 52100钢(尺寸为φ24 mm×7.5 mm，硬度为754 HV，表面粗糙度为0.08 μm)。此次试验中A、B这2类导电膏各样品的平均摩擦系数及磨斑宽度见表6。

表6 2类导电膏样品平均摩擦系数及磨斑宽度

由表6得知，A类导电膏中样品A3的平均摩擦系数最小，磨斑宽度为0.28 mm，摩擦学性能最优。同理，B类导电膏中样品B3的摩擦学性能最为优异。针对这2种导电膏样品与一种商业用导电膏进行摩擦学性能的比较分析，样品A3、B3以及某商业用导电膏C的摩擦系数曲线如图3所示。

由图3可知曲线A3、B3、C分别为导电膏样品A3、B3和某商业用导电膏的摩擦系数曲线，可以看出，相比商业用导电膏，自制的B3导电膏显示出更加优异的摩擦学性能，A3导电膏次之。

为了更加清楚地比较出3种导电膏抗磨性能，使用SEM试验机对磨斑进行观察比较，如图4所示。样品A3磨斑表面局部有较明显的深沟，表面粗糙；样品B3磨斑表面较光滑，没有明显的沟纹。商用导电膏磨斑表面划痕相对较浅。由此可知，样品B3的抗磨性能最好，商用导电膏次之，样品A3的抗磨性能最差。

图3 3种导电膏的摩擦系数曲线

图4 3种导电膏样品磨斑SEM照片

这是由于添加的导电炭黑结构不同，因此A、B这2类导电膏摩擦学性能的稳定性不同，填料结构越完整，导电膏的摩擦学性能越稳定。1号导电炭黑结构不如2号导电炭黑完整，表面容易产生物理吸附物和化学吸附物，在摩擦的过程中这些吸附物分解，是B种导电膏摩擦性能优于A种导电膏的原因。

2.4 长期老化后导电膏性能变化

导电膏在加工、储存和应用中，会接触到空气、阳光等外界环境，导电膏的性能易受这些因素的影响而发生老化。导电膏老化之后其使用性能会出现不同程度的下降，甚至影响正常使用，因此，研究导电膏长期老化后的性能变化就显得十分重要。

光、热和氧是影响导电膏老化的主要因素，本小节将以综合使用性能较好的A3、B3这2种导电膏为例，研究其暴露在实验室环境中15天内热稳定性及摩擦学性能的变化。本次试验数据采集以3天为1个周期，得到的导电膏滴点变化如图5所示。

由图5可知，随着导电膏在实验室环境中暴露时间的增长，滴点明显下降，第9天时，导电膏A3的滴点由227.7 ℃迅速下降到210 ℃，之后逐渐趋于稳定，第15天时稳定到207 ℃。第12天时，导电膏B3的滴点由301.6 ℃下降到260 ℃，到第15天时，稳定到255 ℃，测试周期内导电膏B3滴点下降明显较导电膏A3迅速。

图5 15天内导电膏滴点变化示意图

图6所示为导电膏长期老化后与老化前的摩擦系数曲线图，可以清楚的看出A3、B3这2种导电膏在放置15天后，相同试验条件下，摩擦系数及其平稳度都出现了不同程度的波动，这可能是因为久置于暴露的环境中，导电膏中的基础脂或导电填料与空气中的氧气等成分发生复杂的反应，引起导电膏成分的变化，从而降低了导电膏的热稳定性和摩擦学性能。

3 结 论

含炭黑的锂基润滑脂的电导率随导电炭黑含量的增加而增加，同时，电导率也受到填料的粒子径、结构、表面粗糙度的影响。填料的种类对导电膏的摩擦学性能和理化性能也有一定影响，填料结构越稳定，导电膏的摩擦学性能和理化性能越稳定。本研究中以2号导电炭黑为填料的B类导电膏在所测试的几个方面都展现出了较为突出的性能。导电膏各组分(导电炭黑、PAO4、锂基润滑脂)之间的比例关系直接影响到导电膏各方面的性能，较为适宜的配方：ω(导电炭黑)为5%，ω(PAO4)为45%，ω(锂基润滑脂)为50%时，其导电性、滴点、锥入度以及摩擦学等几方面的综合性能最佳。

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(编辑：张媛媛)

TribologicalPropertiesandConductivityofLubricatingGreaseContainingCarbonBlack

QIAO Peng, XIA Yanqiu, HOU Chong, ZHOU Zhao, ZHANG Qiuchen, WU Hao

(School of Energy and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

The carbon black was used as conductive additive in lithium base grease through dispersing, grinding and other processes. And the conductivity, drop point, penetration, tribological properties of this grease was tested. The results show that the content and type of carbon black has a great impact on the conductive, wear resistance and friction reduction, physical and chemical properties of grease. The grease containing 5% of HD-2 carbon black has the best performance, whose conductivity is 374 μs/cm, average friction coefficient is 0.087. When the grease was prolonged exposed in laboratory environment for a long time, the conductivity of conductive paste had not fluctuated seriously, but its aging was still evident, which reflected in the changes of thermal stability and tribological properties; the drop point of A3 decreased from 227.7 ℃ to 207 ℃, and the drop point of B3 decreased from 301.6 ℃ to 260 ℃; the average friction coefficient fluctuated violently as well.

grease; conductive carbon black; conductivity; tribological properties

中国科学院“百人计划”支持项目。

TM 75； TH 117.1

： A

： 1000-7229(2014)06-0112-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.06.021

2013-12-29

：2014-03-20

乔鹏(1988)，男，工学硕士，主要从事电力复合脂的制备及性能方面研究工作，Email：idoqiaopeng@gmail.com；

夏延秋(1964)，男，博士，教授，博士生导师，主要从事机械设备的润滑原理和润滑技术研究、设备的润滑与检测研究工作；

侯冲(1988)，男，工学硕士，主要从事高性能润滑脂的制备及性能方面研究工作；

周钊(1988)，男，工学硕士，主要从事纳米添加润滑剂的研究工作；

张秋晨(1988)，男，工学硕士，主要从事凹凸棒土润滑脂的性能研究工作；

吴浩(1987)，女，工学硕士，主要从事机械设备的微量润滑方面的研究工作。