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润滑科技

润滑科技2017；29:241-254

于2016年11月25日网上公布于Wiley Online Library (wileyonlinelibrary.com)。DOI:10.1002/ls.1366

h-BN纳米微粒润滑油添加剂对缸套-活塞环摩擦副的摩擦学性能影响

M. S. Charoo and M. F. Wani*

Centre for Tribology, Department of Mechanical Engineering, National Institute of Technology, Srinagar, Jammu and Kashmir India

摘要

研究在不同的载荷下，等级SAE 20W50的主机燃油中摩擦和不同浓度的六角氮化硼（h-BN）纳米颗粒的磨损状态。这些摩擦性能研究使用四球磨损试验机和一台万能销盘摩擦磨损试验机来完成。SAE 20W50 h-BN的抗磨损性能由ASTM D4172在四球磨损试验机上研究。SAE 20W50 h-BN的活塞环-缸套摩擦副的摩擦与耐磨性的研究则在万能销盘摩擦磨损试验机上完成。混合在滑油中的h-BN纳米微粒表现出了优异的摩擦性能。在大多数情况下，各个负载下的h-BN纳米微粒作为添加剂能减少30%-70%的摩擦损失。SAE 20W50 3wt%的h-BN在正常的100N负荷下被发现为摩擦系数的最小值（0.0401）。扫描电子显微镜和Raman光谱被用来描述h-BN和其磨痕。著作权 copy; 2016 John Wiley amp; Sons, Ltd.

接收日期2016年3月2日，修订日期2016年8月20日，发布日期2016年10月30日

关键词：摩擦；抗磨损；h-BN纳米微粒；添加剂

引言

由矿物油生产的润滑剂没有所有所需的摩擦学性能。它在已经拥有的成分中加入固体润滑剂颗粒，如石墨、MoS2、WS2和六角氮化硼（h-BN）到矿物油里来将滑油的摩擦性能提高一个程度^1-8。在这些研究中，已经被观察到是与基础油相比，根据接触条件，h-BN和其他纳米微粒与滑油混合会拥有更好的抗摩擦磨损性能^2-5。最近，研究人员报告说加入的不同尺寸的纳米微粒，将会以油膜的形式存在于摩擦元件的表面或是作为添加剂存在于不同浓度的传统滑油里，并表现出减少摩擦磨损的特点^9-14。

内燃（IC）机的活塞环-缸套组件作为发动机摩擦磨损的重要来源对研究人员来说是一项特别的挑战，降低功率损耗、低效率、高油耗、大磨损、高排放和有效冷却都与活塞环-缸套界面润滑有关。良好的润滑能使内燃机的磨损和摩擦损失减少，活塞环的润滑机理和摩擦现象的研究表明，总发动机的机械摩擦损失明显来自于活塞环-缸套组件¹⁵。一般来说，高强度的摩擦一般发生在边界润滑附近的死中心，即上止点或下止点。由于高温的存在，这种现象在上止点更加剧烈。从上述文献可以看出^1-8，在常规润滑剂中加入特定浓度的纳米颗粒可以降低摩擦系数并增加磨损抗性。研究人员使用不同形式的氮化硼作为润滑油添加剂，即微粒，纳米粒子和纳米管^2-6。然而，在实际应用中h-BN纳米微粒作为添加剂实施在润滑油添加剂中是非常少的。如内燃机的活塞环-缸套组件。

在本次研究中，研究在不同的载荷下不同浓度的h-BN作为润滑油添加剂对活塞环-缸套摩擦副造成的影响。在第一组实验中，在四球磨损试验机上研究h-BN作为添加剂的效果。在第二次实验中，在万能摩擦试验机上研究h-BN纳米微粒作为添加剂在实际摩擦副中的效果。

实验材料

润滑剂的制备

六方氮化硼是类似石墨的片状固体，具有很高的耐火性和润滑性。它的原子层是由二维的硼和氮原子阵列构成的。氮原子和硼原子之间的键是共价键，因此强度很高，而层间的键主要是范德瓦尔斯型键并且强度较弱。

在制备过程中，使用了一个直径为50 nm的h-BN纳米微粒，这微粒混合了不同浓度的汽车工程师协会（SAE）20W50机油。纳米微粒h-BN是从智能材料有限公司(Nanoshel LLC, USA)购买的，h-BN纳米微粒呈白色，添加在密度2.3g/cm^-1和熔点1200°C的不同浓度等级的SAE 20W50基础机油（重量% 1，2以及3）中。h-BN纳米微粒混合机油被保存在试管中并使用WENSAR超声发生器（班加罗尔、卡纳塔克邦、印度）在温度50°C和频率40 kHz的工况下搅拌4小时来使纳米微粒均匀分散如图1所示。SAE 20W50机油的性能如表1所示。加入1%重量，2%重量和3%重量的h-BN纳米微粒后，SAE 20W50润滑剂的性能在物理上和化学上没有明显可观测到的变化。

h-BN纳米微粒没有添加活性剂进行表面修饰，根据动力学基本关系，得到了颗粒稳态沉降速度（v）的表达式¹⁷:

(1)

以及

图1 全配方的汽车工程师协会（SAE）20W50机油与六角氮化硼(h-BN）微粒

[彩图出自wileyonlinelibrary.com]

表1 SAE 20W50润滑油的性质

滑油性能 温度（℃） 数值

40 120mm2/s-1 运动黏度 100 15 mm2/s-1 黏度指数 — 145 动态粘滞度 -10 2780 mPas 密度 15 890kg/m-3 闪点 — 250℃ 倾点 — -30℃

SAE:汽车工程师协会

R 粒子半径

eta; 润滑剂的动态粘度

rho; 粒子密度

rho;^lsquo; 润滑剂密度

由方程1得到了BN纳米微粒的沉降距离为1s0.025nm，然而，所有实验都是一经用声波降解法来避免滑油中分散的纳米微粒成块之后进行的。

材料

在万能摩擦磨损试验机上进行实验研究，缸套和活塞环销如图2所示用作摩擦副，缸套的材料是用7.15gm/cm³密度，G-4000级的灰铸铁。气缸套取尺寸45mm x 25mm的矩形块，活塞环取3mm x 4mm其曲率沿长度。气缸套和活塞环的成分见表二。样品进行抛光，用轮廓曲线仪来测量平均粗糙度。平均每个样品测量粗糙度在四个不同的位置。缸套样品的平均粗糙度Ra值分别为0.1775,0.1905和0.1641mu;m。

图2 摩擦副使用（a）气缸套和（b）活塞环销 [彩图出自atwileyonlinelibrary.com]

摩擦磨损试验

图2所示的摩擦副的摩擦磨损试验需要的传统测试是润滑有SAE 20W50和h-BN纳米微粒使用ASTM d4172标准在四球磨损试验机上进行常规检测。活塞环和气缸套之间的几何形状的磨损没有标准的度量方法。润滑油SAE 20W50在不加入h-BN纳米微粒的情况下再四球磨损试验机上进行试验。此方法涵盖了评估流体润滑剂在滑动接触中抗磨损性能的过程。三个直径为12.7mm由AISI标准E-52100号钢制造的钢球相互夹紧如图三所示。第四个直径12.7mm的钢球用392N的压力压入油杯中的三夹球形成三点接触制造一个空腔。试验润滑剂的温度由加热元件调节在75℃，顶球转速为1200转每小时。四球磨损试验机上的测量用的显微镜能测量精度到0.01的三夹球表面的伤痕，这个显微镜是Ducom Instruments Pvt. Ltd. (印度)公司制作的。

表2 气缸套和活塞环销的材料组成

气缸套 活塞环销

材料成分 百分比% 材料成分 百分比%

碳 3.0-3.5 碳 0.8-0.95 硅 1.80-2.80 硅 0.35-0.50 锰 0.70-1.0 锰 0.25-0.55 铜 0.20-0.50 铜 17-18.50 硫磺 0.15 硫磺 0.04 磷 0.07 磷 0.04 钼 1.0-1.25 钒 0.08-0.15

图3 四球磨损试验示意图

摩擦磨损试验在有着高分辨率电压传感器的万能摩擦磨损试验机（Rrec. 美国）上进行的，我们使用销块实验，活塞环销为固定的上部的试样，作为下部试样的气缸套安装在往复式驱动上。万能摩擦磨损试验机示意图如图4所示。所有实验均在常温下进行。摩擦磨损试验在滑动速度为0.03m/s^-1通常载荷为50N,100N以及125N的接触表面上进行，在所有的实验中，冲程长度保持2mm，测试持续时间为10min。所有的摩擦磨损试验重复三次以检查其可能性。

气缸套活塞环销的表面形态用扫描电子显微镜Hitachi 3600（东京日立有限公司）研究。Invia Renishaw Raman式显微镜在波长532nm，激光功率50mv以及50倍物镜的情况下单一积累曝光时间为60s，用来分析h-BN纳米微粒以及气缸套上的磨损伤痕。

图4 万能摩擦磨损试验机示意图。[彩图出自wileyonlinelibrary com]

结果与讨论

在各种不同的负载以及滑动速度下使用了四球磨损试验机和万能摩擦磨损试验机进行了摩擦磨损试验。下面的环节我们将展开讨论。

膜参数

膜参数是一个表示润滑效果的重要的参数，这是由Charoo和Wani给出的¹⁸。

（2）

其中h_min表示最小油膜厚度，R_qa和R_qb为凹凸面的表面粗糙度，膜参数用于定义四个重要的润滑制度，其中包括（i）边界润滑，Lambda;＜1；（ii）部分的润滑，1le;Lambda;＜3；（iii）流体动力润滑，3le;Lambda;；及（iv）弹流润滑，3le;Lambda;＜10。这些数值只是近似值，但对润滑的重要性提供了有用的认知。

最小膜厚度用方程式3计算，如下所示：

（3）

其中；；以及eta;₀粘度（26.8times;103 Pas），alpha;p粘度压力系数3.4times;10^-8 Pa^-1，R为曲率半径减小量，E*为杨氏模量以及u_s为表面速度。P是通常载荷*（50N、100N和125N），以及k_e为椭圆参数。所有实验的计算都在统一的单位下用到方程2和3求出Lambda;的比率，这意味着润滑只发生在润滑边界状态。

润滑液的防磨损特性（四球试验）

磨损实验在磨损实验机上进行，它包括只用了SAE 20W50和加了ASTM d4172标准下的1.0重量%的h-BN的SAE 20W50两种工况。三文具球的磨痕直径（WSD）在四球磨损试验机上的显微设备上测量。其结果在表3列出。在只有SAE 20W50工况下的球的磨损直径比加了1.0重量%的h-BN的SAE 20W50的球的磨损直径要大。滑油中加了h-BN的球的磨损直径将会减少大约20%。或多或少，相同的结果也能在加入了2.0重量%和3.0重量%的h-BN纳米微粒的SAE 20W50中得到。然而，h-BN纳米颗粒4.0重量%的添加剂不会产生任何显著的效果，这可能是由于纳米粒子聚在一块而阻止了他们进入接触区。这些发现对在内燃机的活塞环和气缸套等实际应用中进行进一步的研究是非常有帮助的。这可能是由于通

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