纳米Fe2O3作为润滑油添加剂的摩擦磨损性能

，，，

(1.福建船政交通职业学院 安全技术与环境工程系， 福建 福州 350007； 2.福州大学 材料科学与工程学院，福建 福州 350108)

纳米Fe2O3作为润滑油添加剂的摩擦磨损性能

陈丽娟1，朱定一2，黄辉耀2，吴世杰2

(1.福建船政交通职业学院安全技术与环境工程系，福建福州350007；2.福州大学材料科学与工程学院，福建福州350108)

采用烧结方法制备得到纳米α-Fe2O3，利用X射线衍射仪(XRD)和透射电镜(TEM)对样品进行了表征，研究了纳米α-Fe2O3作为液体石蜡添加剂的摩擦磨损性能。结果表明，添加纳米添加剂后，润滑油摩擦系数改变不明显，但磨损率显著降低。磨损率与纳米α-Fe2O3添加剂的表面积和添加量密切相关，当纳米材料的表面积为47m2/g时磨损率最低，磨损率值降低为3.78×10-15m2/g；添加量为1.0wt%，润滑油磨损率最低。

纳米α-Fe2O3； 摩擦性质； 润滑油添加剂； 抗磨损

1 引 言

纳米材料由于许多特殊性质而倍受关注，如催化性能，电学性能，光学和磁学性能等[1-4]。近年来，纳米材料作为润滑油添加剂能够大大提高润滑油的润滑性能从而引起了许多研究者的兴趣。纳米材料添加到润滑油中能够表现出优良的抗摩擦磨损性能，大大降低摩擦系数、磨痕直径和磨损率。例如，Zhao等发现添加硼酸锌超细粉末能够提高液体石蜡的摩擦性能[5]。曹敬煜等发现添加纳米铜到甲基硅油中，极压性能PB值从196N 增加到294N[6]。离子液体修饰的多壁C纳米管作为润滑油添加剂能够表现出优良的抗摩擦磨损性能[7]。金属氧化物由于性质稳定也常用作润滑油添加剂，例如SiO2，CeO2，CuO 和ZnO等[8-12]，Hu等研究了无定形纳米Fe2O3(单一晶粒大小大约为20～50nm)作为润滑油添加剂的摩擦磨损性能[12]。 因为纳米添加剂的摩擦磨损性能与纳米材料的表面积或者晶粒尺寸密切相关[13-15]，所以研究纳米α-Fe2O3的表面积和添加量对摩擦性能的影响至关重要，这有助于研究纳米材料作为润滑油添加剂的润滑机理。

本文，通过不同温度烧结制备了不同比表面积的纳米α-Fe2O3，研究了纳米α-Fe2O3作为润滑油添加剂的摩擦磨损性能，研究结果表明纳米α-Fe2O3能够表现出优良的摩擦磨损性能。

2 实验部分

2.1试剂

Fe(NO3)3·9H2O，分散剂span-80，NH3·H2O(25%)和液体石蜡(LP)均是上海国药集团化学试剂有限公司的分析纯试剂。

2.2样品制备和表征

首先，在室温下将0.1mol的Fe(NO3)·9H2O溶于200ml水中，然后将NH3·H2O(25%)逐滴加入上述溶液中不断搅拌直至所获混合浑浊溶液pH值达到8，然后将溶液静置24h得到棕色沉淀。将沉淀离心并用蒸馏水充分清洗，最后分别在280， 350，550和700℃烧结2h，获得不同比表面积的纳米α-Fe2O3。

样品的相成分通过XRD粉末衍射确定，所用仪器为日本Rigaku公司的DMAX2500 X-射线衍射仪(Cu靶，Kα=0.15418nm)。样品的形态通过JEM2100 TEM观察，加速电压为200 kV。样品的比表面积用BET 技术测试，所用仪器为 BEL SORP max 全自动比表面孔径测定仪。

2.3摩擦实验

纳米材料作为润滑油添加剂的摩擦性能通过立式万能摩擦磨损试验机(MM-W1A)检测。每次实验前后，试样销和盘都用丙酮超声清洗5 min去除表面残留杂质，并且吹干。试样销的质量损失用万分之一天平称量。分别添加1wt%的不同比表面积纳米α-Fe2O3和1wt%分散剂span-80 于2 ml LP 中，然后混合溶液超声半小时以获得纳米添加剂均匀分散的润滑油。设定的实验参数为：载荷200N，转速300r/min，实验时间60min，滴加五滴上述润滑油在盘上，室温操作。实验所用试样生铁销硬度为25～30HRC，直径4.78mm，长度为12.56mm。不同添加量的纳米α-Fe2O3润滑油摩擦实验过程与上述过程相似。摩擦磨损的实验结果用摩擦系数和磨损率来表征。用MM-6 宽视场显微镜分析销的磨损表面形貌。

3 结果分析与讨论

3.1纳米α-Fe2O3表征

图1所示为280，350和700℃烧结制备的纳米α-Fe2O3XRD分析图谱，所有的谱图均与六方相的α-Fe2O3相符(JCPDS file， No. 33-0664)。随着温度的升高，样品的晶粒尺寸逐渐增大，比表面积逐渐减小。图1中的嵌入图为280℃制备的样品透射电镜图，形貌为不规则的球状形貌。所有样品的比表面积如表1所示，280℃烧结的样品比表面积最大，为136.5m2/g，随着烧结温度的升高，比表面积不断减小。随着烧结温度的升高，XRD峰越来越尖锐，样品的粒径逐渐增大，所以比表面积相应地减小。当烧结温度达到700℃时，比表面积只有2.1m2/g。

图1 不同温度烧结制备的纳米α-Fe2O3的XRD分析图谱，插图为280℃制备的α-Fe2O3透射电镜图Fig.1 XRD pattern of sample. Vertical bars represent the standard diffraction data of α-Fe2O3from JPCDS file (No. 33-0664). Inset shows the TEM of sample prepared at 280℃

Sinteringtemperature/℃Surfacearea/m2·g-1Addingpercent/wt%AveragefrictioncoefficientWearrate/m3·N-1·m-1Blank00.096.26×10-15280136.50.50.096.67×10-15280136.51.00.0913.95×10-15280136.51.50.0944.43×10-15280136.52.00.0967.73×10-1535047.01.00.0933.78×10-155509.51.00.0864.77×10-157002.11.00.0855.93×10-15

3.2摩擦磨损性能表征

图2 在添加了不同比表面积纳米α-Fe2O3的液体石蜡润滑后试验销的平均摩擦系数Fig.2 Average friction coefficient of pins lubricated by LP with addition of different surface areas of α-Fe2O3 nanocrystals

添加纳米α-Fe2O3的润滑油摩擦磨损性能通过摩擦系数和磨损率表征。图2和表1所示为添加不同比表面积纳米α-Fe2O3的液体石蜡润滑下摩擦销的平均摩擦系数。销的全部平均摩擦系数大约为0.09，不受添加剂的影响。图3和表1中所示为添加不同比表面积纳米α-Fe2O3的液体石蜡润滑下试验销的磨损率。未添加纳米添加剂润滑的销的磨损率值为6.26×10-15m3·N-1·m-1，远高于添加纳米添加剂润滑后的磨损率。随着比表面积从2.1 增大到47m2/g，磨损率从5.93×10-15降低到3.78×10-15m3·N-1·m-1。当纳米α-Fe2O3比表面积继续增大到136.5m2/g时，磨损率变化不大，为3.95×10-15m2/g，与比表面积为47m2/g的值相似。因为大的比表面积具有更高的活性以填充在摩擦表面凹坑处[16]。当表面积达到47m2/g时，效应已达到极限值，所以继续增大比表面积对磨损率的值影响不大。

图3 经添加不同比表面积纳米α-Fe2O3的液体石蜡润滑后销的磨损率Fig.3 Wear rate of pins lubricated by LP with addition of different surface areas of α-Fe2O3 nanocrystals

添加纳米添加剂后的液体石蜡摩擦磨损性能与添加量密切相关。图4所示为经添加不同含量的比表面积136.5m2/g纳米α-Fe2O3的液体石蜡润滑后销的平均摩擦系数。纳米α-Fe2O3的添加量对销的摩擦系数影响不大，大约均为0.09。图5所示为添加不同含量的比表面积为136.5m2/g的纳米α-Fe2O3的液体石蜡润滑后，销的磨损率。从图5中可以看出，当添加百分含量为0.5wt%时，磨损率为6.67×10-15m3·N-1·m-1，此值接近于未添加纳米添加剂的；当添加量增大到1.0wt%，磨损率的值降低为3.95×10-15m3·N-1·m-1；继续增大添加量，磨损率反而增大，与文献报道的Al2O3/TiO2纳米添加剂结果一致[17]，因为添加量太大，纳米添加剂有可能会破坏表面的润滑膜[16]。

图4 经添加不同含量的比表面积为136.5m2/g纳米α-Fe2O3的液体石蜡润滑后，试验销的摩擦系数Fig.4 Average friction coefficient of pins lubricated by LP with addition of different percent of α-Fe2O3 with surface area of 136.5m2/g

图5 经添加不同含量的比表面积为136.5m2/g的纳米α-Fe2O3的液体石蜡润滑后，试验销的磨损率Fig.5 Wear rate of pins lubricated by LP with addition of different percent of α-Fe2O3 with surface area of 136.5m2/g

3.3摩擦磨损表面形貌分析

图6所示为经过摩擦磨损后试验销的表面形貌，图6(a)所示为未添加纳米添加剂润滑的销的表面形貌，从图中可以看出表面磨痕较深、较宽，表现出比较明显的犁沟和黏着磨损。添加1wt%纳米α-Fe2O3到液体石蜡中，犁沟和刮痕变浅、变窄，如图6(b)和图6(c)所示。添加比表面积为136.5m2/g的纳米Fe2O3要比2.1m2/g的更加光滑。这说明添加一定量的纳米α-Fe2O3于润滑油中能够提高抗摩擦磨损性能。纳米材料比表面积越大，抗摩擦磨损性能越好。

3.4抗摩擦磨损机理

图6 摩擦实验后的销的表面形貌 (a) 未添加纳米材料； (b) 添加表面积为2.1m2/g的α-Fe2O3； (c) 添加表面积为136.5m2/g的α-Fe2O3Fig.6 Image of wear surface of pins after the friction test (a) no addition of nanocrystals; (b) addition of α-Fe2O3 with surface area of 2.1m2/g; (c) addition of α-Fe2O3 with surface area of 136.5m2/g

添加纳米α-Fe2O3于润滑油中能够起到抗摩擦磨损作用，原因在于，纳米晶粒尺寸小，比较容易进入摩擦接触表面从而形成一层保护膜[16-18]，这层膜对摩擦表面起到微抛光和自润滑作用。在摩擦磨损实验过程中，纳米材料能够沉积和填充到摩擦的犁沟中[17]。因此，添加一定量纳米α-Fe2O3的表面更光滑、划痕更浅，如图6所示。抗摩擦磨损效应随着纳米材料的比表面积增大而提高，这个效应和报道的纳米铜是一致的[16]，因为大比表面积的纳米材料有利于填补微凹坑和形成摩擦表面的保护膜。在摩擦表面能够形成物理吸附和摩擦化学反应，起到抗摩擦抗磨损作用[16]。

在摩擦磨损实验中，添加适量的纳米添加剂到润滑油中对摩擦磨损实验是很重要的。一定量的纳米α-Fe2O3能够避免摩擦副之间的直接接触，纳米材料能够起到滚动摩擦机理从而起到抗摩擦磨损作用。但是，当纳米α-Fe2O3添加量增大到1.0wt%时，出现了结块和化学固化作用[17]，这时候，纳米添加剂反而起到异质点的作用(如图5所示)，使磨损率反而增加。

4 结 论

研究了纳米α-Fe2O3作为液体石蜡添加剂的抗摩擦磨损性能。研究结果表明，在室温环境下，载荷200N，转速300r/min时，添加剂对摩擦系数没有明显影响，但是，一定量的添加剂能够明显降低磨损率。纳米材料的抗摩擦磨损性能和其比表面积以及添加量密切相关，随着纳米材料的比表面积的增加，磨损率逐渐降低，当添加量达到1.0wt%时，磨损率值最低。由于添加纳米α-Fe2O3后在摩擦过程中形成了一层保护膜，所以添加纳米α-Fe2O3后能够提高润滑性能。

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TribologicalPropertiesofα-Fe2O3NanocrystalsasLubricatingOilAdditives

CHENLijuan1,ZHUDingyi2,HUANGHuiyao2,WUShijie2

(1.DepartmentofSafetyTechnologyandEnvironmentalEngineering,FujianChuanzhengCommunicationsCollege,Fuzhou350007,China;2.SchoolofMaterialsScienceandEngineering,FuzhouUniversity,Fuzhou350108,China)

α-Fe2O3nanocrystals were prepared by annealing method. Prepared α-Fe2O3nanocrystals were characterized by X-ray diffraction (XRD) and transition electron microscope (TEM). Tribological properties of α-Fe2O3nanocrystals as additives in the liquid paraffin were investigated. It was found that the addition of α-Fe2O3nanocrystals influenced not much the friction coefficient, but greatly reduced the wear rate. Wear rate was relative with the surface area and addition percentage of the α-Fe2O3nanocrystals additives. 47m2/g nanocrystals showed the lowest wear rate with the value of 3.78×10-15m2/g. When the addition concentration reached 1.0wt%, the wear rate was the smallest.

α-Fe2O3nanocrystals; tribological properties; lubricating oil additive; anti wear

TH117.2

：ADOI:10.14136/j.cnki.issn1673-2812.2017.04.027

2016-02-02；

：2016-05-23

福建省交通厅资助项目(201411)， 福建省教育厅科技资助项目(JAT160703)， 福建省高校产学合作科技重大资助项目(2011H6012)

陈丽娟(1978-)，副教授，博士，研究方向：纳米功能材料，E-mail：clj790115@163.com。

1673-2812(2017)04-0655-04