Fe3O4納米粒子添加劑對成形潤滑油摩擦性能的影響

朱禹川，張紅梅，姜正義，2

（1.遼寧科技大學 材料與冶金學院，遼寧 鞍山 114051；2.伍倫貢大學 機械、材料、機電與生物醫學工程學院，新南威爾士州 伍倫貢 2522）

近年來，隨著納米技術的發展，人們不斷嘗試利用納米技術提高潤滑油的潤滑性能［1］。當納米粒子被穩定地分散在基礎潤滑油中，將有效提高潤滑油摩擦磨損性能［2］。其中金屬顆粒［3-4］、金屬氧化物［5-6］、非金屬氧化物［7-8］、硫化物［9-10］以及其他復合材料［11-12］都被制備成納米粒子用以提高潤滑油的性能。

隨著納米粒子添加劑的廣泛應用，納米粒子在潤滑過程中的潤滑機理同樣受人關注。對于硬質納米粒子，其表面較高的硬度可對摩擦副表面起到拋光的作用。對于球型納米粒子可在摩擦副中間形成有效的滾動效應，從而降低摩擦系數。而有些納米添加劑還可以通過物理吸附形成潤滑保護膜對摩擦副進行保護。還有些納米粒子可以填補金屬表面的凹陷，對其表面缺陷進行相應的修復［13］。因此不同種類的納米粒子對不同工況下潤滑油的性能均有一定的提高。

納米粒子的尺寸、形狀以及濃度對潤滑劑的影響有著決定性的作用［14］。人們通常認為較小粒徑的納米粒子在摩擦副之間更能起到潤滑的作用；球型的納米粒子相比于其他形狀更具有良好的減阻耐磨效果；濃度較大的納米粒子，在潤滑油中容易團聚，從而降低潤滑效果。因此對于特定工況下，潤滑油納米添加劑的尺寸、形狀以及濃度對潤滑油摩擦磨損性能的研究就顯得尤為重要。本文采用不同直徑與濃度的Fe3O4球狀納米粒子作為潤滑油添加劑，利用四球摩擦磨損試驗機對混合Fe3O4納米粒子添加劑的成形潤滑油性能進行研究，分析納米粒子添加劑直徑與濃度對潤滑油摩擦磨損性能的影響。

1 樣品制備與實驗方法

1.1 樣品制備

納米粒子表面原子不像其內部原子受力均衡，處于穩定狀態，其外部原子擁有較大的比表面積，并且同時處于非熱力學穩定狀態，因此極易形成由多個納米粒子聚集在一起的較大尺度顆粒。

目前針對納米顆粒穩定分散的方法主要有兩種，一種是機械物理分散方法，另外一種是化學表面修飾分散方法。機械物理分散主要應用高速分散機、超聲分散機將顆粒在基液中分散。高速分散機利用強大的剪切力實現團聚粒子的破碎，超聲分散機基于空化效應產生的氣泡將團聚粒子充分分散。而化學表面修飾分散法主要利用相關的化學試劑對粒子的表面進行包覆，通過化學試劑攜帶的高分子長鏈將顆粒與顆粒間隔開，從而實現穩定的分散。

本文采用機械物理分散與化學表面修飾相結合的方式，針對Fe3O4納米粒子進行分散。首先將納米粒子通過超景深顯微鏡觀察其形貌，發現常溫狀態下，其發生團聚現象，如圖1 所示。利用超聲分散機將分散在基礎油中的原始納米粒子進行10 min 的初級分散，隨后加入一定量的油酸鈉放入65 ℃的水浴箱30 min，然后再次利用超聲分散機對溶液進行30 min 的攪拌，將溶液制備完成。制備完成后的溶液通過景深顯微鏡觀察，發現粒子得到了有效的分離，團聚情況降低，如圖2所示。

圖1 納米顆粒團聚形貌Fig.1 Agglomeration morphology of nanoparticles

圖2 分散后的納米顆粒形貌Fig.2 Morphology of dispersed nanoparticles

1.2 四球摩擦磨損實驗

四球摩擦磨損實驗可測量潤滑油最大無卡咬負荷值（PB），又稱油膜強度，也可以進行長磨實驗，分析潤滑介質減阻耐磨性能。四球試驗機中四枚鋼球成等邊四面體型排列，如圖3所示。主軸驅動頂端鋼球按設定轉速進行轉動，其余三枚鋼球平放在油盒中進行支撐。實驗時將潤滑介質足量地倒入油盒中，使上球與底部三球的接觸位置完全浸沒在潤滑介質中，在上球轉動的過程中使接觸位置有足量的潤滑介質進行潤滑。

圖3 四球摩擦磨損試驗機結構示意圖Fig.3 Schematics of four-ball friction and wear testing machine structure

油膜強度實驗中，設定主軸轉速為1 450 r/min，將潤滑劑倒入油底盒使四球充分浸潤在潤滑油中，設定載荷為500 N，運行10 s。試驗機停止運行后，將油底盒取出，放置到光學顯微鏡下，對磨斑直徑進行觀測，當磨斑直徑大于已知數值時，認為油膜破裂，降低載荷重新測量，直至磨斑直徑小于已知數值。如觀測時磨斑直徑小于已知數值時，需提高載荷重新測量，直至尋找到臨界載荷數值。

長磨實驗中，主軸轉速設為1 200 r/min，將配制好的潤滑油倒入油底盒，使四球完全浸入，連接摩擦力測試器，設置恒定載荷為392 N，長磨時間設定為1 h。長磨結束后，將油盒取出，用脫脂棉擦去殘留在底部鋼球表面的潤滑油，利用光學顯微鏡觀測底部三球磨斑直徑，記錄分析求出平均值。

2 實驗結果與分析

分別將顆粒直徑為10、20、30 nm的Fe3O4顆粒作為納米添加劑，利用超聲分散機將其與基礎成型油進行混合，待混合完成在四球試驗機上檢測油膜強度，實驗結果如圖4 所示。加入納米顆粒后，潤滑油的油膜強度均有所提高。隨著顆粒質量分數在潤滑油中的增大，含有不同粒徑納米顆粒下的潤滑油油膜強度均呈現先增大后減小的趨勢。當顆粒質量分數低于2%時，10 nm 顆粒對油膜強度提高較為明顯；當顆粒質量分數超過3 %時，20 nm 顆粒對油膜強度的提高更顯著，在質量分數7%時達到最大值。因此，對粒徑20 nm 的不同顆粒質量分數潤滑油進行減阻耐磨性能研究。

圖4 不同粒徑及濃度納米添加潤滑油油膜強度Fig.4 Oil film strengths in different nanoparticle size and concentration

再次配制含有顆粒直徑為20 nm 不同質量分數的潤滑油溶液，利用四球摩擦磨損試驗機進行長磨實驗，摩擦系數檢測結果如圖5所示。隨實驗時間延長，摩擦系數均趨于穩定。當顆粒質量分數由1%增大至4%時，摩擦系數逐漸增大。因為顆粒質量分數較低且分散，不足以在摩擦副表面形成滾動效應。當質量分數增大至6%時，摩擦副表面滾動效應逐漸占據主導地位，摩擦系數略有降低。當顆粒質量分數增大至8%，摩擦系數降至最低。納米潤滑油在摩擦副表面形成保護膜，進一步減少摩擦磨損。繼續增大顆粒質量分數至10%時，摩擦系數開始回升。由于納米顆粒質量分數過大，在實驗過程中顆粒發生二次團聚，出現磨削現象，因此摩擦系數也隨之增加。

圖5 含有20 nm納米添加劑潤滑油的摩擦系數Fig.5 Friction coefficient of lubricant contained 20nm nano additive

通過光學顯微鏡觀察不同顆粒濃度潤滑油長磨實驗磨斑情況如圖6所示。8%質量分數的磨斑痕跡較淺，且磨斑直徑平均值較小。因此在基礎油中添加顆粒直徑為20 nm，質量分數為8%的Fe3O4能有效提高基礎油的摩擦磨損性能。

圖6 不同顆粒質量分數下的磨斑情況Fig.6 Wear tracks in lubricants with different concentrations

3 結 論

利用四球摩擦磨損試驗機分析Fe3O4納米添加劑對成形潤滑油性能的影響。研究發現，添加不同粒徑尺寸Fe3O4納米添加劑可以不同程度地提高基礎成形潤滑油的潤滑性能，其中粒徑為20 nm 的添加劑可有效提高成形潤滑劑的油膜強度。長磨實驗分析發現，含有質量分數8%納米添加劑的成形油摩擦系數有較大程度的降低，磨斑直徑減小，減阻耐磨性能最佳。通過超聲波分散與表面改性的Fe3O4納米添加劑可以有效提高成形潤滑油的潤滑效果。