納米顆粒添加劑對切削油摩擦學性能的影響

馬尊嚴,馬利杰,毛信輝,李晨睿,馮翠婭,閆勇亮

1河南科技學院機電學院;2河南一工專用刀具有限公司

1 引言

在切削加工中,為保證加工質量并降低成本,采用切削潤滑液(油)進行減摩降溫是一種必要手段,常用的切削潤滑液(油)主要有乳化液、切削油、潤滑脂等[1]。但其應用存在諸多不足:效能得不到充分發揮,適用溫度范圍小(通常為-60℃～350℃),環境污染嚴重并危害人體健康等,往往難以滿足高速、精密和難加工材料切削的使用要求[2,3]。

隨著顆粒摩擦學的發展,納米顆粒作為切削液(油)添加劑的應用越來越廣泛。這些顆粒通常具有粒徑小、比表面積大、化學活性高的特點,作為添加劑能使切削液(油)的導熱率及減摩抗磨特性得到顯著提高[4,5]。相比傳統澆注潤滑,納米顆粒潤滑液具有潤滑性能好、適用范圍廣、綠色清潔的優點,在切削潤滑領域具有廣闊的應用前景[6]。

納米顆粒添加劑種類主要有金屬、金屬氧化物、硫化物、納米復合材料、碳納米顆粒和稀土化合物等,其中對金屬納米顆粒的研究最為廣泛[7]。于鶴龍等[8]研究發現,經表面修飾的納米銅顆粒作為650SN潤滑油的添加劑時,納米銅顆粒會在摩擦過程中熔化,從而潤濕摩擦副基體,并最終鋪展形成一層軟的銅保護膜,提高潤滑油的減摩抗磨性能。孫天華等[9]研究發現,花狀O-MoS2作為潤滑油添加劑可顯著改善PAO-8油的減摩抗磨性能,這是因為花狀O-MoS2因加入氧使晶面間距從6.15?增大至10.5?,膨脹的層間距有利于MoS2沿晶面發生滑移,降低剪切阻力。徐建林等[10]研究了銻顆粒對潤滑油摩擦學性能的影響,結果表明:粒徑為40nm的顆粒潤滑液表現出了最優異的抗磨減摩性能,小尺寸效應和高表面能是納米銻顆粒改善潤滑油摩擦學性能的主要原因。Singh Y.等[11]研究了不同濃度的SiO2納米顆粒潤滑液的摩擦學性能,結果顯示:添加適量的SiO2納米顆?？梢愿纳苹A油的潤滑性能,降低摩擦系數和磨損率,在濃度為0.6wt.%時效果最佳;而當濃度達1.2wt.%時,摩擦系數和磨損率都高于純油,磨損表面也出現了不規則的深溝槽。Sujan K.等[12]研究了Al2O3/WS2復合顆粒的摩擦學性能,發現外載荷能將硬度較高的Al2O3顆粒壓入摩擦副表面,降低磨損率,同時片狀WS2顆粒在外力和相對運動的作用下吸附在銅板表面形成固體潤滑膜,從而降低摩擦系數。Su Y.等[13]考察了直徑35nm和80nm的石墨顆粒對LB2000植物油摩擦學性能的影響,結果發現,納米石墨能在摩擦副表面形成物理沉積膜,從而提高了植物油的減摩抗磨性能,在相同的體積分數下,顆粒粒徑越小,摩擦系數和磨損率越小。

上述研究表明,選擇合適的納米顆粒介質作為添加劑可以顯著提高潤滑液(油)的減摩抗磨性能。然而,工程實踐中的摩擦副形式多樣,納米顆粒添加劑也種類繁多,從而給添加劑的選用帶來了很大困難,同時目前相關的研究還比較少,缺乏充分的實踐參考依據。為此,本文通過硬質合金和鎳基合金的摩擦學試驗,研究不同納米顆粒添加劑對切削油減摩抗磨性能的影響,并優選出適合硬質合金/鎳基合金摩擦副的顆粒潤滑介質。

2 試驗方法及過程

2.1 摩擦磨損試驗

如圖1所示,在MWF-500往復式摩擦試驗機上進行摩擦磨損試驗,上試樣固定于主軸,下試樣用石蠟固定于載物槽內。摩擦試樣如圖2所示,下試樣為15mm×15mm×3mm的Inconel 718矩形塊,其化學成分見表1。

表1 Inconel 718鎳基合金化學成分 (%)

圖1 摩擦磨損試驗

圖2 摩擦試樣

為了減小試驗誤差,試驗前對下試樣原始表面進行研磨處理,使表面粗糙度在同一水平,預處理后的粗糙度為150nm左右(見圖3)。上試樣為YG6硬質合金球,直徑為φ6.5mm,鈷含量為6%,硬度為HRA89.5。在此基礎上,開展純油和不同顆粒潤滑液下的摩擦學試驗,摩擦行程為6mm,往復運動速度為150r/min,其中單程滑動距離為6mm,滑動速度為30mm/s,法向載荷為80N,摩擦時長為60min。試驗過程中記錄摩擦系數的實時結果,每組試驗重復3次。

圖3 Inconel 718鎳基合金研磨預處理前后的表面形貌

2.2 顆粒潤滑液配制

試驗選用的納米顆粒潤滑介質包括SiO2,Al2O3,MoS2,WS2和石墨,顆粒粒徑均為30nm左右,納米顆粒濃度為5%,10%,15%和20%。切削油選用長城L-MH46抗磨潤滑油,其閃點為238℃,傾點為-12℃,40℃時的黏度為46×10-6m2/s。

由于納米材料本身具有較大的表面能和比表面積,極易造成納米粒子的團聚,限制了納米顆粒添加劑在潤滑油中的應用[14,15]。為此,本研究采用表面改性劑來提高納米顆粒在潤滑油中的分散性,試驗選用的表面改性劑如表2所示,添加量為納米顆粒含量的50%。在配制顆粒潤滑液時,將納米顆粒和表面活性劑以規定的質量比加入潤滑油中,磁力攪拌30min,超聲振蕩30min,得到如圖4所示的均勻分散的顆粒潤滑液。

表2 表面改性劑種類[16-20]

圖4 均勻分散的顆粒潤滑液

3 試驗結果與討論

3.1 不同納米顆粒添加劑的減摩性能分析

3.1.1 純油潤滑下的摩擦系數及磨痕特征

圖5為純油潤滑時的磨痕特征及摩擦系數?？梢钥吹?摩擦系數的變化反映了摩擦過程的三個不同的階段:初期磨損Ⅰ、中期磨損Ⅱ和后期磨損Ⅲ。

(a)初期磨損階段的磨痕特征

在初期磨損階段,摩擦副的接觸面積較小且存在油膜,主要表現為滑動摩擦,摩擦系數較低,此時磨痕的粗糙度為2800.76nm。在中期磨損階段,隨著摩擦區溫度的升高,摩擦副發生黏結磨損,出現表面粗糙度峰值,呈現邊界摩擦特征,摩擦系數瞬間上升達到最大值,此時的摩擦系數為f=0.178,磨痕的表面粗糙度也增大到3883.95nm。此后,隨著黏結點的相對運動及撕裂,摩擦副呈犁溝和凸峰接觸狀態,從而使潤滑油更容易進入摩擦區并再次發揮作用,因此摩擦系數呈逐漸下降趨勢。在后期磨損階段,隨著磨痕變寬、摩擦副接觸面積的增大,單位面積的正壓力變小,使潤滑油的作用效果能夠得到持續發揮,從而摩擦系數呈現平穩變化,同時磨痕表面在合金球的往復作用下被逐漸打磨平整,粗糙度下降為3191.64nm。

3.1.2 不同納米顆粒添加劑的減摩性能

圖6為不同顆粒潤滑液的摩擦系數變化曲線。由圖可知,顆粒潤滑液的摩擦系數變化曲線不具有類似于純油潤滑的三個階段,而是直接或經短時間衰減后進入平穩狀態,表明納米顆粒添加劑對于改善切削油性能、穩定摩擦狀態、減小摩擦力具有明顯的效果;不同的顆粒添加劑種類獲得最小摩擦系數的濃度值也不完全相同,這與不同顆粒介質的自身物理力學性能有關;在五種顆粒潤滑液中,硬質顆粒(Al2O3和SiO2)潤滑液的摩擦系數波動較小,具有更好的穩定性,這可能是硬質顆粒在摩擦界面間的滾滑運動作用的結果;相比之下,石墨顆粒對切削油減摩性能的提升最小,SiO2和MoS2顆粒的提升作用最顯著,SiO2顆粒潤滑液能得到更低且穩定的摩擦系數。

(a)石墨顆粒潤滑液

圖6a為石墨顆粒潤滑液下的摩擦系數變化曲線?？芍?石墨顆粒濃度為5%時對切削油的減摩性能提升較小,但隨著顆粒濃度增加,潤滑油的減摩性能逐漸得到提升,因此10%和15%石墨顆粒濃度的摩擦系數較5%濃度時有了明顯改善,并在15%石墨顆粒濃度潤滑時取得更小的摩擦系數。20%石墨顆粒濃度潤滑液下的摩擦系數在初期就達到了最大值,隨后迅速降低并保持穩定直至摩擦結束,且最大摩擦系數為0.152,低于純油潤滑時的最大摩擦系數0.178。這可能是因為:石墨顆粒濃度過大時無法在摩擦初期形成有效潤滑膜,不能起到良好的減摩效果,但當摩擦表面被破壞后,由于納米顆粒尺寸遠小于摩損缺陷尺寸,顆粒能夠進入到磨損區域,對磨損表面起到修補作用,所以摩擦系數相比純油潤滑能夠更快達到穩定階段。

圖6b和6c為Al2O3與WS2顆粒潤滑液的摩擦系數變化曲線,兩者變化趨勢類似。在摩擦初期,兩者的摩擦系數波動較大,而在中后期,摩擦系數都隨著顆粒濃度的增加而下降。其原因在于:在摩擦初期,摩擦副的接觸面積小,接觸壓力大,顆粒潤滑液難以在接觸區形成均勻潤滑膜。而在中后期,隨著摩擦過程進行,摩擦區的溫度升高,從而使顆粒潤滑液的黏度降低,流動性更好,同時納米顆粒的布朗運動更加劇烈,在磨損表面成膜速度加快,因此摩擦系數隨顆粒濃度的增幅變小。

圖6d為MoS2顆粒潤滑液的摩擦系數變化曲線?？芍?采用MoS2顆粒潤滑液進行潤滑時,各濃度下的摩擦系數都是先升高后降低,但在15%和20%MoS2顆粒濃度下,摩擦系數上升之后快速開始下降并趨于穩定。這是因為顆粒潤滑液中MoS2濃度增大后,潤滑膜形成速度更快,從而表明較高的MoS2顆粒濃度對潤滑油減摩性能的提升作用更好。

圖6e為SiO2顆粒潤滑液下摩擦系數變化曲線?？芍?采用SiO2顆粒潤滑液進行潤滑時,5%SiO2顆粒濃度取得了較低的摩擦系數,但摩擦系數曲線整體波動較大。10%和15%SiO2顆粒濃度的摩擦系數隨時間幾乎沒有變化,且在SiO2顆粒為10%濃度時獲得了最小的摩擦系數(f=0.052),這說明當潤滑油中的SiO2顆粒濃度為10%時減摩性能最好。當SiO2顆粒濃度升高到15%時,顆粒潤滑液黏度增大,摩擦過程中需要克服的顆粒潤滑液自身阻力增大,從而導致整體摩擦力增大,進而引起摩擦系數升高[21]。當SiO2顆粒濃度為20%時,顆粒潤滑液黏度更大,幾乎喪失了流動性,顆粒潤滑液不能夠充分覆蓋于磨損表面上,部分區域的摩擦狀態為干摩擦或半干摩擦,摩擦副直接接觸導致摩擦力瞬間增大,同時還會劃傷基體。

3.2 不同納米顆粒添加劑的抗磨性能分析

3.2.1 磨痕形貌

圖7為純油潤滑下的磨痕形貌?？芍?純油潤滑下磨痕邊緣處發生了嚴重的塑性變形,磨損表面有明顯的裂紋及基體脫落。這是由于油膜被破壞后,硬質合金球直接作用在下試樣表面,導致摩擦力增大,工件表面發生塑性形變;隨著摩擦的長時間進行,磨損表面在循環應力的作用下形成了疲勞裂紋,潤滑油被擠入裂紋中產生高壓,使裂紋加速擴展,當裂紋擴展到一定深度時,基體底部發生斷裂,導致材料脫落,在磨損表面形成剝落坑。

(a)裂紋及基體剝落 (b)磨痕整體形貌 (c)塑性變形

圖8為石墨顆粒潤滑液下的磨痕形貌?？梢?由于5%石墨顆粒濃度下的減摩效果差,因此磨痕形貌與純油類似,出現了疲勞裂紋及大面積的基體剝落現象;隨著顆粒濃度增加,潤滑油的抗磨效果有所提升,在10%和15%石墨顆粒濃度下的磨損表面僅出現犁溝及少量剝落坑;在20%石墨顆粒濃度下,由于摩擦系數快速降至最小值,因此在中后期磨損程度較小,磨損表面并未出現犁溝和基體脫落現象,相比其他三種濃度顆粒潤滑液的磨損形貌有明顯的改善。

圖8 石墨顆粒潤滑液的磨痕形貌

圖9和圖10分別為Al2O3和WS2顆粒潤滑液的磨痕形貌?？梢?兩種潤滑條件下的磨損表面都有明顯的擦傷及犁溝,說明磨擦過程中有大量的磨屑進入摩擦表面,產生了較為嚴重的磨粒磨損。因磨粒磨損犁出溝槽后,犁出材料沿溝槽兩側堆積,隨后的摩擦又將堆積的部分壓平,一部分重新回到犁溝內,另一部分被涂抹到摩擦副表面(見圖10),這種材料涂抹現象在其他潤滑條件下也有發生。另外,磨損表面還出現了因黏著磨損導致的輕微基體剝落現象。隨著濃度增加,兩種潤滑液潤滑下的摩擦副表面犁溝數量和深度降低,說明隨著顆粒濃度增加,潤滑油的抗磨效果有所提升。

圖9 Al2O3顆粒潤滑液的磨痕形貌

圖10 WS2顆粒潤滑液的磨痕形貌

圖11為MoS2顆粒潤滑液條件下的磨痕形貌?？梢钥吹?5%MoS2顆粒濃度下的磨痕發生了磨粒磨損和輕微的黏著磨損,出現了不同程度的犁溝及剝落坑;10%MoS2顆粒濃度下磨痕的表面犁溝及剝落坑數量有所減小;當MoS2顆粒濃度為15%時,幾乎看不到明顯的剝落坑,而且犁溝數量及深度也明顯降低,說明在此范圍內,潤滑油抗磨性能隨顆粒濃度增加而上升;當MoS2顆粒濃度提升至20%時,犁溝寬度有所增大,且重新產生了剝落坑,表明此時的顆粒濃度過大,抗磨性能有所下降。

圖11 MoS2顆粒潤滑液的磨痕形貌

圖12為SiO2顆粒潤滑液的磨痕形貌。采用SiO2顆粒潤滑液時,5%SiO2顆粒濃度下發生了較為嚴重磨粒磨損及輕微的黏著磨損,磨損表面有明顯的犁溝和剝落坑;10%和15%SiO2顆粒濃度潤滑下的磨損表面光滑且平整,尤其是15%SiO2顆粒濃度潤滑時,幾乎沒有產生明顯磨損痕跡,表現出優異的抗磨性能;由于20%SiO2顆粒濃度下的顆粒潤滑液黏度過大,在進行摩擦試驗時顆粒潤滑液不能夠充分覆蓋于磨損表面上,因此會出現上下試樣直接摩擦的情況,導致磨損表面出現了嚴重的塑性變形。

圖12 SiO2顆粒潤滑液的磨痕形貌

3.2.2 磨痕寬度

圖13為不同潤滑條件下的下試樣磨痕寬度?？梢钥吹?純油潤滑下的磨痕寬度為1208.43μm。由于Al2O3和WS2添加劑顆粒濃度越大,潤滑油抗磨性能越好,因此磨痕寬度也隨著濃度增加而降低,但都明顯高于純油潤滑。5%和20%石墨顆粒濃度的潤滑液在摩擦中后期磨損程度較小,因此磨痕寬度明顯低于10%和15%石墨顆粒濃度,也略低于純油潤滑。對于MoS2顆粒潤滑液,除10%MoS2顆粒濃度外,其他濃度下的磨痕寬度均小于純油潤滑,并在20%MoS2顆粒濃度潤滑下取得最小的磨痕寬度888.27μm,相較于純油潤滑降低了26.49%。SiO2顆粒潤滑液在各濃度下都得到了低于純油潤滑的磨痕寬度,其中10%和15%SiO2顆粒濃度下得到的磨痕寬度較小,分別為619.5μm和585.44μm,相比純油潤滑降低了48.74%和51.55%,因此15%的SiO2顆粒添加劑對潤滑油的抗磨性能提升最為顯著。

圖13 Inconel 718鎳基合金在不同潤滑條件的磨痕寬度

4 結語

(1)向潤滑油中加入納米顆粒添加劑可以降低摩擦系數或使摩擦系數長時間保持穩定,同時能夠降低磨損程度,改善磨損表面形貌。但納米顆粒潤滑液的減摩抗磨性能與添加納米顆粒的種類和濃度密切相關。

(2)對于硬質合金/鎳基合金摩擦副,除5%石墨顆粒濃度潤滑液外,其他顆粒潤滑液均具有優于原潤滑油的減摩性能,且Al2O3,WS2和SiO2顆粒潤滑液還能使摩擦系數長時間保持穩定。其中,MoS2顆粒15%濃度的潤滑液具有最好的減摩效果,摩擦系數f可降至0.043,10%SiO2顆粒濃度的潤滑液使摩擦系數保持長時間穩定的同時還可以獲得較低的摩擦系數,f=0.052。

(3)除5%石墨顆粒濃度外,加入其他顆粒添加劑均可以改善磨痕表面形貌,提升摩擦表面質量。但Al2O3,WS2,10%MoS2顆粒濃度以及10%,15%石墨顆粒濃度潤滑液增大了磨痕寬度,相比之下,15%SiO2顆粒濃度的添加劑對潤滑油的抗磨性能提升最為顯著,得到了最優的磨損表面形貌及最小的磨痕寬度585.44μm。