面接触条件下改性层状硅酸钠的摩擦学性能研究_层状硅酸钠

　　摘要：使用油酸作为改性剂对层状硅酸钠进行改性，得到改性层状硅酸钠。把改性层状硅酸钠作为润滑添加剂分散到500SN基础油中，考察了在面面接触条件下其在基础油中的摩擦学性能，用扫描电子显微镜观察了磨痕表面形貌，探讨了改性层状硅酸钠的减摩抗磨机理。结果表明：改性层状硅酸钠作为润滑添加剂可以显著提高500SN基础油的减摩抗磨性能，在高负荷下，减摩作用更明显；层状硅酸钠晶层之间的相互滑动有效降低了摩擦副的摩擦磨损。
　　关键词：层状硅酸钠；表面改性；润滑油添加剂；面接触；摩擦学性能
　　中图分类号：TE624.82 文献标识码：A[HK][HT7][HK]
　　
　　0 前言
　　
　　摩擦磨损普遍存在于自然界中，大约损失了世界一次性能源50%以上，每年因摩擦磨损给我国造成了数百亿元的经济损失［1］。使用润滑油添加剂则是降低摩擦和减少磨损的有效手段之一。研究表明，多种无机层状微粒作为润滑油添加剂可以起到减摩、抗磨和抗极压作用。其原因在于，层与层由范德华力结合，容易滑动，其特殊的结构使其具有较小的剪切应力，故表现出良好的减摩作用［2-3］。层状硅酸钠（简称层硅）也具有类似的结构。已经证明层硅用作润滑脂添加剂具有良好的润滑性能［4-5］，作者在前期的工作中分别在点接触和线接触条件下对层硅用作润滑油添加剂的摩擦学性能进行了考察，证明具有较好的抗磨减摩性能［6］。本文对面面接触条件下改性层硅的摩擦学性能进行了考察。
　　
　　1 试验部分
　　
　　1.1 层状硅酸钠的改性
　　表面改性剂选用油酸，按照文献［6］的方法进行改性。取一定量的层硅在研钵中充分研磨，置于120 ℃中烘箱中干燥2 h，取出，与油酸充分混合，采用机械力改性30 min，得到改性层硅。所得到的改性层硅由于表面包覆了有机物，在有机溶剂和基础油中有良好的分散稳定性，平均粒径约为31 μm。
　　1.2 摩擦学试验
　　试验所用仪器为济南宏试金试验仪器有限公司生产的MMW-1P双显示万能摩擦磨损试验机，选择小止推圈摩擦磨损试验，采用面面接触、旋转的方式进行摩擦学性能评价。所用小止推圈为其试验机自带的配件，材料为45号钢，硬度为45～50 HRc。试验原理图如图1所示，试验机上部旋转轴带动试样圆盘转动，试验机下部固定装卡一个小止推圈，小止推圈上面有三个固定试块，呈120°间距分布。施加负荷后，转动轴带动盘旋转，试样盘和试样块相对滑动，通过测量两者相对滑动所产生的扭矩，计算出运行过程中的摩擦因数。在试验前，试样圆盘和小止推圈均在石油醚中清洗三次，然后用吹风机吹干待用。
　　
　　油样配制：改性层硅按照质量分数分别为0.0％、0.2％、0.4％、0.6％、0.8％加入到500SN基础油中，超声分散30 min，得到待测润滑油样。
　　试验条件：试验在室温下进行，试验机速度定为恒速 1000r／min，载荷采用逐级加载，每次增加100 N，从100 N增加到800 N，每次增加载荷间隔30 min。取每个负荷下运行10 min后摩擦因数的平均值。
　　1.3 试块磨损分析
　　将500SN基础油润滑下和质量分数为0.8%改性层硅的油样润滑下的试块于石油醚中超声清洗10 min，用JSM-6460LV型低真空扫描电子显微镜观察磨斑形貌。
　　
　　2 结果与讨论
　　
　　2.1 添加剂质量分数对减摩性能的影响
　　图2为不同负荷下摩擦因数随质量分数的变化关系曲线。从图2可以看出，在不同负荷下，与500SN基础油相比，加入添加剂对基础油的摩擦因数均有影响。随着改性层硅质量分数的增加摩擦因数有一定的波动，除了低负荷100 N外，在其他负荷下，摩擦因数最小值均为添加剂质量分数为0.8％时，摩擦因数最大降低了47.8％。
　　
　　2.2 施加负荷对减摩性能的影响
　　图3为不同油样润滑下摩擦因数随施加负荷的变化关系曲线。由图3可以看出，在摩擦试验过程中，基础油润滑下，随着负荷的增大，导致了摩擦副之间真实接触面积的增大，从而表现出摩擦因数呈增大的趋势，当负荷增加到600 N时，基础油润滑下摩擦因数瞬时改变比较明显，特别是当负荷增加到800 N时，机器出现较大噪音，摩擦因数出现剧烈波动；在含有改性层硅的润滑油润滑下，摩擦因数相对于基础油不但有明显下降，而且变得也较平稳，特别是在高负荷条件下更明显。在低负荷下，改性层硅与500SN基础油的减摩性能相差不大，说明在高负荷下添加剂的减摩性能较好。
　　
　　表1为在施加不同负荷下质量分数为0.8％的油样润滑下相对于500SN基础油摩擦因数减少量。可以看出，随着施加负荷的增大，摩擦因数减少量先减小后增大，说明负荷较大时减摩性能较显著。
　　
　　层硅微粒添加剂对润滑剂体系的减摩性能产生两种相反的效应。一方面，层硅微粒通过在摩擦副接触表面沉积可起有效的承载作用，从而使摩擦因数降低；另一方面，层硅微粒进入润滑油膜可以破坏润滑油膜的完整性，引起油膜局部扰动，使摩擦因数增大［7］。在负荷较低时，处于液体动力润滑状态，主要是基础油和添加剂的有机脂肪链形成的物理吸附膜在起减摩作用，层硅颗粒对油膜扰动不明显，从而减轻了摩擦磨损，所以摩擦因数较低；而随着负荷的增大，物理吸附膜不能承受较高压力而破坏，层硅微粒对油膜的扰动更加明显，所以摩擦因数减少量减小；随着负荷进一步增大，润滑达到边界润滑状态，改性层硅起到了有效的承载作用，并在剪应力的作用下发生层与层之间的滑动。
　　2.3 试块磨损分析
　　图4为基础油和添加质量分数为0.8％改性层硅添加剂的油样润滑条件下小止推圈磨斑形貌的SEM照片。可以看出，在基础油润滑下，摩擦面粗糙，存在很深很宽的犁沟，粘着和擦伤现象很严重，如图4（a）、（b）；加入质量分数为0.8％添加剂的油样润滑下，犁沟明显变浅变窄，表面比较光滑平整， 粘着和擦伤现象比较轻微，并有一定程度上的抛光现象，如图4（c）、（d）。
　　
　　2.4 抗磨减摩机理分析
　　Jacobsen指出δ相层状硅酸钠的晶体结构为硅氧四面体晶层叠合而成，层与层之间由钠离子相连接，硅氧四面体组成的晶层与［010］面垂直，晶层面呈波浪状起伏，其结构如图5（a）、（b）［8-9］。层状硅酸钠晶体结构具有力学各向异性，在外力作用下将沿不同面发生完全解理；当硅氧四面体片层平行叠加时，上一层下部氧原子的孤对电子，恰好伸进了由下一层上部氧原子孤对电子组成的负电空穴区，由于电子间静电斥力，使层与层之间结合不牢，所以在切向力的作用下，容易沿片层滑动。层状硅酸钠的力学各向异性及片层间极弱的分子间作用力使它在外力作用下极易沿［001］面滑动，这是其具有润滑性的主要原因。
　　推测摩擦机理如下：在负荷很大时，层硅颗粒可以更好的填补在摩擦副表面的微坑和损伤部位，使接触表面粗糙度减小；同时在正压力的作用下层硅发生形变，呈波浪状起伏的晶面趋于变成水平面，使片层之间更容易相互滑动，在摩擦剪切力及法向载荷作用下层与层之间发生解离，并沿着解理平面滑动，摩擦因数变小。
　　
　　3 结论
　　
　　用油酸作为改性剂，采用机械改性的方式得到了改性层硅。改性层硅用作润滑油添加剂可以显著提高500SN基础油的抗磨减摩性能，在较高负荷时500SN基础油中质量分数0.8 %时抗磨减摩性能最优。改性层硅具有良好减摩性能的主要原因是片层间极弱的分子间作用力使其在切向力作用下容易发生相对滑动。
　　
　　参考文献：
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　　［3］ 侯越峰，干路平，黄海栋，等．含片状纳米石墨粒子润滑油的制备及其摩擦学行为［J］．华东理工大学学报（自然科学版），2005，31（6）：743-746．
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　　［9］ Jacobsen H．Neue Untersuchungen an Natriumdisilikat(Na�2SiO�5)［D］． University of Hannover，1991．
　　
　　RESEARCH ON TRIBOLOGICAL BEHAVIORS OF MODIFIED LAYERED SODIUM SILICATE UNDER SURFACE CONTACT CONDITION
　　SHAN Chang-bing1，CHEN Guo-xu1，LI Hua-feng1，DONG Jin-xiang2
　　(1.Department of Oil Application & Management Engineering, Logistical Engineering University, Chongqing400016, China; 2. Research Institute of Special Chemicals, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China)
　　Abstract:Delta phase layered sodium silicate was modified by using oleic acid as modifier. The modified layered sodium silicate as lubricating oil additive was added into 500SN basestock and its tribological behaviors were evaluated under surface contact condition. The morphologies of worn steel surfaces lubricated with different lubricants were observed by a scanning electron microscope. And friction-reducing and anti-wear mechanism of this additive was also discussed. The results indicated that friction-reducing and anti-wear abilities of 500SN basestock can be improved significantly by modified layered sodium silicate. And the reciprocal rubbing between crystal layers decreases effectively friction and wear between friction pairs.
　　Key Words:layered sodium silicate; surface modification; lubricating oil additive; surface contact; tribological behavior