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使用Al2O3、SiO2/齿轮油纳米润滑剂改善摩擦/磨损的机理
摘要：重型采矿机械的齿轮油是被设计用于在极端负荷条件下为机械提供抗磨损和抗摩擦保护。在目前的研究中，人们已经通过实验评估了具有纳米颗粒添加剂（Al2O3和SiO2）的工业齿轮油的热物理和摩擦学性质。在FE-SEM下显示两种干燥纳米颗粒的形态都是球形的。DLS测试显示在分散体中存在轻微的纳米颗粒团聚体。用不同的温度和颗粒体积分数测试纳米润滑剂的密度和粘度。Al2O3/齿轮油纳米润滑剂的测量粘度结果遵循现有的经验模型，并且已经提出了用于SiO2/齿轮油纳米润滑剂的新模型。在销盘试验装置上测试纳米润滑剂的抗摩擦和抗磨损性能。FE-SEM和能量色散谱（EDS）分析磨痕（针SS-304），明显产生滚珠轴承和表面抛光效应，这可能是齿轮油的先进摩擦学性能的原因。试验结果表明滚珠轴承在提高摩擦学性能方面具有主导作用。
关键词：齿轮油；采矿机械；抗磨；减摩；粘度
1.引言
润滑油在汽车的整体运转中发挥着重要作用，这可能是全球汽车润滑油市场增长的原因，该市场将从2015年的412.6亿美元到2022年达到789.6亿美元。齿轮油润滑油的配方可提供高速重载工况[1]时的最佳性能，这基本取决于它所含的添加剂。最近的研究揭示了纳米粒子添加剂在改善润滑性能方面的潜力[2，3]，含纳米粒子添加剂的润滑剂即纳米润滑剂[4，5]。
齿轮失效的磨损，划伤，微点蚀和点蚀模式显著地取决于润滑剂的粘度。这些齿轮失效的形式随着粘度的降低而增加[6]。纳米粒子在基础润滑剂中的分散使粘度增加[5，7]。Kole和Dey [8]发现，含有2％Cu纳米颗粒体积分数的齿轮油（IBP Haulic-68）的粘度增加了71％。Esfe等[9]分散在10W40发动机油中的ZnO-MWCNT纳米粒子能够观察到粘度的增加。Kotia和Ghosh [10]观察到齿轮油中因含有2％Al2O3纳米颗粒体积分数（SAE EP-90）使得纳米润滑剂粘度增加68％。Krantz和Kahraman[11]使用不同粘度的润滑剂在100摄氏度下进行齿轮的磨损试验，并观察到具有最高粘度的润滑剂可以造成最小磨损，而用粘度最小的润滑剂则观察到严重磨损。
基础润滑剂的摩擦学性能的提高取决于纳米粒子的体积分数，形状，尺寸等以及球轴承效应，修补效果，表面抛光效果等机制[12，13]。用CeF3纳米颗粒的分散体检测500SN基础油的摩擦学性能，观察到纳米润滑剂由于在接触表面之间形成摩擦层而表现出良好的承载和减摩性。然而，由于化学活性CeF3纳米粒子通过化学反应使表面劣化，因此观察到低抗磨损性能[14]。Battez等人[15]用CuO，ZnO和ZrO2纳米粒子的分散测试了聚alpha;烯烃（POA6）的摩擦学性能的变化，并发现了0.5％重量的ZnO和ZrO2在摩擦学性能方面与2％重量分数的 CuO纳米颗粒产生了类似的增强。Rajendhran等[1]据表明在齿轮油中存在的Ni-MoS2纳米片归因于线性摩擦膜，增强了承载能力和抗磨损能力。可以观察到，性质的改变显着地取决于纳米颗粒类型以及颗粒浓度，尺寸和形状。
研究人员广泛采用Al2O3[16，19]、SiO2[20，22]、TiO2[23]， 崔[24]和其他纳米粒子，这依赖于它们的化学稳定性和成本可行性。最近石墨烯，MWCNT，氧化石墨烯[25]和类似的其他碳基纳米颗粒正被使用。谢科莱沙米[19]对球形，片状，圆柱形和砖形Al2O3纳米颗粒进行了数值分析，观察到了较好的传热效果。黄等人[26]表明，纳米粒子的纤维形状具有更高的聚集倾向，这会导致高摩擦力和表面粗糙度。因此，纳米颗粒的分散并不总是有益于增强抗磨性能。
罗等人[27]观察到0.1％重量分数的改性Al2O3纳米颗粒能最大增强纳米润滑剂摩擦学性能，并发现滚珠效为其负责机制。同样，观察到SiO2纳米颗粒的重量分数值限制为0.5％时Al2O3可对500SN基础油的摩擦学性能最大提高[28]，Al2O3纳米颗粒有助于滚动效应，而SiO2纳米颗粒形成摩擦层以改善抗磨损特性。这表明纳米润滑剂行为取决于纳米颗粒类型。张等人[30]观察到在较高温度下（gt; 350 摄氏度）Ag整合到MoS2中形成Ag-MoS2纳米粒子的多组分体系，这有助于形成钼酸银摩擦层在高温（450摄氏度）下保持纳米润滑剂的良好摩擦学性能。他们分别观察到摩擦和磨损疤痕减少18％和37％，Ag纳米颗粒重量分数为2％。
值得一提的是，在以前的工作中只分析了Al2O3/齿轮油纳米润滑剂的流变性能[10]。本研究调查了用Al2O3和SiO2纳米粒子添加剂配制的工业齿轮油的流变学和摩擦学性能。在FESEM和EDS下进行磨痕分析以确定增强抗磨性能的贡献机制。
2.实验程序
2.1纳米润滑剂的制备
本研究中使用的润滑剂是齿轮油（SAE EP-90），它是一种商业润滑剂，由多种添加剂组成，如抗氧化剂，防锈剂和腐蚀抑制剂，粘性和抗磨添加剂[31]。SAE EP-90齿轮含有极压添加剂（硫，磷，氯），在高速和高负荷下可保护牙齿交配时承受高压状态的齿轮表面。它具有更高的粘度（413 cSt at25 摄氏度）和抗腐蚀性能[10]。为了进一步提高氧化铝（Al2O3）和硅的润滑性使用氧化物（SiO2）纳米颗粒添加剂。纳米粒子从市场上购买，直径为40纳米，并且纯度3.965g / cm3（Al2O3）和2.2g / cm3（SiO2）。图1和图2通过使用FESEM图像分别显示了Al2O3 和SiO2 纳米颗粒的形态。已经观察到两种纳米颗粒的形状都是球形的，但是Al2O3和SiO2 纳米颗粒分别具有结晶[32]和无定形[33]结构。从FESEM图像观察到的纳米颗粒的直径为40-46nm，这与供应商引用的尺寸（40nm）一致。
图1.Al2O3纳米颗粒的FESEM图像
图2. FESEM图像SiO2纳米颗粒
纳米粒子中的水分含量会影响它们在润滑剂中的混溶性，因此纳米粒子在80℃-100℃的烘箱中干燥半小时后称重并分散在基础油中。制备总共七个种类的一批样品，包括分别与Al2O3和SiO2纳米颗粒分散的普通齿轮油和齿轮油纳米润滑剂，其浓度为0.3％，0.6％和0.9％纳米颗粒体积分数。使用以下等式计算所需纳米颗粒体积分数4所需的纳米颗粒的合适重量：(1)，其中，rho;表示颗粒密度，下标rho;和 L分别用于纳米颗粒和基础润滑剂。通过使用数字称重天平（最少计数0。001mg）测量每个样品所需的适当量的纳米颗粒的重量。本研究中使用的基础油是商业润滑油，其含有一些分散剂，因此在本研究中，不添加额外的分散剂。通过磁力搅拌在500rpm下将基础润滑剂中的纳米颗粒均化1小时。然后将每个纳米润滑剂样品进行1小时超声波处理（20kHz）以减小纳米颗粒的尺寸凝聚。
图3.纳米润滑剂中分散的纳米颗粒的尺寸分布
图3使用Zetasizer（Nano ZS，Malvern）显示纳米润滑剂样品中分散的纳米颗粒的尺寸分布。已经观察到纳米润滑剂中Al2O3 和SiO2 纳米颗粒的平均尺寸分别为219nm和224nm，这比原始尺寸高约4倍。纳米颗粒分散后尺寸的这种增加是由于轻微的纳米粒子的团聚。已经注意到，与团聚的Al2O3纳米颗粒相比，团聚的SiO2纳米颗粒的尺寸更高，这可能是由于SiO2纳米颗粒的无定形形态[34]，如图4所示。
图4. Al2O3和SiO2齿轮油纳米润滑剂的分散稳定性
为了评价纳米润滑剂的分散稳定性，使用老化方法。在这里，用不同的沉降时间测量样品的密度。图3表明在50天的跨度下，Al2O3 和SiO2齿轮油纳米润滑剂在静止状态下的密度变化。如所观察到的，与初始浓度相比，样品的相对浓度保持稳定在95％以上。可能的原因是纳米润滑剂的上清液和非牛顿行为，这可以防止颗粒沉淀[1]。可以观察到具有较低纳米颗粒体积分数的纳米润滑剂更稳定。
2.2流变性质
使用Stabinger粘度计（SVM 3000，Anton Paar）测试制备的纳米润滑剂的流变性质（运动粘度）。表格1列出了不同润滑剂的流变特性。润滑剂的粘度取决于温度以及颗粒体积分数。可以观察到粘度指数随着纳米颗粒的分散而增加。粘度指数的增加确认了在不同温度下粘度的最小变化。结果表明，基于SiO2的纳米润滑剂的粘度指数增加较多。
图5显示对于不同的纳米润滑剂样品粘度随温度的变化（20 -100摄氏度）。已观察到粘度随着所有样品的温度升高以对数方式降低[35]，这是由于颗粒间和分子间粘附力的减弱[8，12]。值得注意的是，样品在较高温度（gt; 80oC）下几乎达到恒定的粘度值，这显示出Anoop等人观察到的类似趋势。[36]然而，在较低温度下，纳米粒子体积分数观察到粘度的非线性增量[37]，这可能是由于内部剪切应力的增加[8，12]，并且纳米颗粒的附聚可能限制润滑剂层的流动，有助于增加粘度。已经注意到，0.9％体积分数的Al2O3纳米颗粒产生22％的粘度增加，而相同体积分数的SiO2 纳米颗粒产生15％的增量。这种粘度增加可能有助于提高润滑性能[38]。Al2O3-齿轮油纳米润滑剂的现有相关性令人满意地预测了粘度变化。方程(2)显示了Al2O3- 凝胶油纳米润滑剂的粘度变化的相关性[10]:
mu;nl=mu;bf（1 12.8 (32)2） (2)
通过使用MATLAB（2014）并表达为：
mu;nl=0.991mu;bf(1 6.26 (8.48)2) (3)
图5.纳米润滑剂的运动粘度随温度的变化
图6.纳米润滑剂的密度随温度的变化
图6中显示了基于齿轮油的纳米润滑剂的密度随温度的变化（15-80摄氏度），可以观察到密度随温度线性减小。此外，基础润滑剂的密度随纳米粒子体积分数的增加而均匀增加，这证实了方程(1) 用于预测不同纳米颗粒体积分数所需的纳米颗粒的合适重量W的准确性。值得注意的是，0.9％Al2O3 - 齿轮油纳米润滑剂的密度
资料编号：[4467]
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