在 摩擦学的发展 1687 - 5923 1687 - 5915 Hindawi出版公司 10.1155 / 2016/1901493 1901493 研究文章 摩擦硅酸盐化合物的还原能力用于发动机润滑磨损表面 http://orcid.org/0000 - 0002 - 1935 - 6424 辛格 德文德拉 1 Thakre g D。 1 Konathala l . n . Sivakumar 1 普拉萨德 诉诉d . N。 1 金 拥有一系列 CSIR-Indian石油学会 Mohkampur 赫尔德路 248005年乌吉 印度 iip.res.in 2016年 29日 2 2016年 2016年 26 11 2015年 01 02 2016年 07年 02 2016年 2016年 版权©2016 Devendra Singh et al。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

硅酸镁和氧化铝分散在引擎润滑剂摩擦,磨损,tribosurface特征边界和混合润滑条件下进行了研究。硅酸镁和铝,从今以后称为摩擦减少化合物(FRC),分散在引擎润滑剂在非常低浓度的0.01%重量/体积。四球磨损试验台是用来评估球润滑的摩擦系数和磨损痕直径和没有FRC引擎润滑剂。扫描电子显微镜(SEM)配备能量色散x射线(EDX)被用来分析tribosurface属性和元素分布在磨损表面的球。测试结果显示,基于FRC引擎润滑剂摩擦系数增加但是略微减少疤痕直径磨损的新球,然而,测试的球运行基于FRC引擎润滑剂显示摩擦系数减少46%相比,新球上运行引擎没有FRC润滑剂。调查tribosurfaces对形貌和元素分布显示Si和O元素的存在在球的磨损表面作用,表明FRC在减少摩擦系数和磨损性能的作用。这些基于FRC的发动机润滑油可能会造成发动机中使用。

 1。介绍

在最近的过去的原始设备制造商(oem)推荐的低粘度等级引擎润滑剂来改善车辆的燃油经济性。发动机润滑油粘度对燃料消耗的影响被许多研究人员研究,据报道,低粘度级发动机润滑油导致降低发动机油耗( 1, 2]。但是有一些问题与使用低粘度级引擎润滑剂的特性和耐久性穿一个引擎。发动机最脆弱的部分容易磨损,降低粘度级引擎润滑剂、表面操作在边界润滑制度如凸轮和从动件的阀门铁路系统,顶死中心(TDC)和底部死点(BDC)气缸套。因此,这些低粘度级发动机润滑油需要某种形式的表面修饰符必须在边界润滑tribosurfaces操作政权通过物理或化学吸附和形成一个防护tribofilm,能够降低摩擦系数,防止过度磨损的发动机零件在发动机操作。

在过去的十年里,许多研究人员研究了蜿蜒的矿物质,非常类似于使用的FRC在这项研究中,作为一个潜在的表面改性剂具有优良的摩擦学特性。粘土材料,蜿蜒的矿物,主要是化学计量的氢氧化由硅酸镁的化学公式,毫克6如果4O10(哦)8。Serpentine-group矿物是由温石棉、利蛇纹石和叶蛇纹石,和基于分析,这些复杂的固溶体系列的成员或单独的化学物种,=但不是简单的多晶型物( 3]。拥有一系列et al。 4把一些Mg的基本结构6如果4O10(哦)8;结果表明:Si-O四面体平面和Mg-O /哦,八面体平面形式的分层结构之间通过交联。的概念 原位机械化学的整理的穿tribosurfaces机车柴油机使用蛇纹石粉中添加机油的比率5毫克/毫升,粒度不大于2 μ米,还解释说。Nanohardness形成的保护层被报道的两倍的衬底和表面粗糙度为0.0694 μ米,真正的活塞环和缸孔之间的摩擦系数,是0.005的稳定。Yu et al。 5]研究了成分磨损表面上生成一层薄薄的tribofilm通过使用1.5重量%蛇纹石粉,平均大小为1 μ米,分散在500 SN矿物基础油。据报道,一个纳米晶体生成tribofilm磨损表面的厚度500 - 600 nm,主要是由铁组成的3O4FeSi, SiO2(Fe、AlFe Fe-C化合物3C)。Zhang et al。 6调查的摩擦学的特征和自我修复效果5% hydroxy-magnesium硅酸盐(HMS)平均直径约为0.5 μ米,分散在汽油发动机润滑油SJ 10 w40 steel-to-steel摩擦对“飞机飞机”配置各种表面粗糙度;这是说HMS自我修复材料的耐磨性有摩擦与表面粗糙度的关系对和自我修复材料粒子的平均直径。当粉末平均直径接近摩擦的表面粗糙度值对,HMS自我修复材料显示了减少摩擦,抗磨,自我修复特性。南et al。 7)也使用0.5 wt %,超细硅酸铝镁粉的最佳浓度,作为润滑油添加剂SRV摩擦磨损试验机振荡,发现超细粉是非常有效的减少摩擦磨损在不同负载(10 N - 100 N)。摩擦学的蛇纹石粉的特征用于机油或基础油对tribofilm的形成,表面修改功能,降低摩擦系数,和穿许多其他研究人员得到了广泛地研究。 8- - - - - - 13]。类似的结果在减少摩擦的摩擦系数24.63%,直径点41.88%比基础油为赵et al。 14]。中的军衔et al。 15]报道的优点基于高岭土粉在蛇纹石粉的摩擦学特性。

与其他研究人员,另一种机制的自我修复功能,研究了悦et al。 16]。根据他的工作,硅酸铝和硅元素粒子在修复层没有被发现,假设,硅酸盐粒子不参与修复层的形成,而它作为催化剂促进一系列复杂仪反应形成再生与非晶碳层结构磨损表面摩擦力大的温度和压力下的摩擦磨损过程。

Qi et al。 17, 18]提出代tribofilm机制形成的纳米级蛇纹石粉(平均大小< 100海里)的高温400°C。热激活对摩擦学的蛇纹石超细粉中添加液体石蜡的特点研究了余et al。 19];发现温度范围从300°C到600°C增加蛇形的成膜能力,在更高的温度超过850°C层结构破坏,加剧了摩擦和磨损。

基于文献综述可能推断,蜿蜒的矿物添加引擎润滑剂或基础油的浓度从0.025%到5%不等,研究人员正常负载应用于不同的摩擦计不同从50 N - 200 N,和实验,在非常高的温度从300°C到600°C或在房间的温度。摘要四球磨损试验台是用于调查基于FRC的发动机润滑油的润滑性能,应用负载球是大约490 N,和发动机润滑油温度控制在90°C,模拟一个典型的边界润滑条件凸轮和从动件的阀铁路系统的内燃机。极低浓度(0.01%)的重量/体积FRC(氢氧化镁硅酸盐的混合物和氧化铝)添加在一个引擎润滑剂SAE 5 w-30 API SL / CF。SEM-EDX被用来研究和分析FRC的作用影响表面磨损表面的性质。

 2。实验设置 2.1。发动机润滑油样品制备

摩擦减少复合被粉碎和混合合成镁硅酸盐,氧化铝,一些催化剂在杵臼。化学的主要成分FRC粉属于蛇形的家庭,这是化学计量的氢氧化由硅酸镁的化学公式,毫克6如果4O10(哦)8。FRC的平均粒径约为9 μm。发动机润滑油样品为实验准备通过添加1毫克的FRC在10毫升的引擎润滑剂,SAE 5 w-30 API CF / SL。发动机润滑油样品组成的准备首先使用磁搅拌器搅拌它在2000 rpm紧随其后的是一个超声波浴治疗一个小时,熔体温度保持在50°C。发动机润滑油后样本用于研究:

石油、SAE 5 w-30

石油A1, 0.1毫克的FRC在1毫升的SAE 5 w-30补充道。

也观察到,通过添加FRC在低浓度为0.1毫克/毫升,它不影响发动机润滑油的理化特性不利。

 2.2。滚动接触疲劳试验台四球

润滑剂的摩擦磨损性能进行了四球tribotester如图 1。梯形的tribotester利用四球几何形式。顶部固定轴,旋转球是预定义的速度,也就是说,1200 rpm。底部三个球被固定在一个球摇篮充满了润滑剂。四个球让三点接触。使用的测试条件表 1。这些操作条件略有不同,规定在ASTM D 4172,外加负载保持50公斤40公斤,和油温保持在90°C的54°C,能充分代表一个典型的边界润滑条件下凸轮和从动件的阀铁路系统的内燃机。中遇到的摩擦接触不断监测和记录使用数据采集软件。

测试四球试验装置的操作条件。

1 加载(kgf) 50
2 球试样直径(毫米) 12.7
3 速度(转速) 1200年
4 油温(°C) 90年
5 球类型 在31日钢
6 球粗糙度 R 一个 (微米) 0.6
7 在31日钢的成分 C: 1%, Mn: 0.50%, Cr: 1.40%, Si: 0.2%

四球tribotester。

 2.3。SEM-EDX

FESEM(场发射扫描电子显微镜)和EDX / EDS(能量色散x射线/光谱学)系统被用来检查和分析磨损表面的形貌和元素分布的球。

 3所示。矩阵和测试方法

比较发动机润滑油的性能没有FRC(石油)和FRC(石油A1)四球试验装置上进行了摩擦系数,穿疤痕直径和表面性质。实验研究的测试矩阵如表所示 2。总共5进行了测试,前两个测试进行新的球使用石油和石油A1每一个小时的时间,然后进行了两个测试新球两个小时每个研究延长持续时间对摩擦系数和磨损的影响,最后进行了测试在两个阶段,最初与石油(测试5号)一个小时,然后排水油一个没有干扰球的位置,给它注入石油A1进行相同测试5 b使用球直到摩擦系数稳定。

实验的测试矩阵。

测试数量 持续时间的分钟 类型的球 发动机润滑油
1 60 新 石油
2 60 新 石油A1
3 120年 新 石油
4 120年 新 石油A1
5 60 新 石油
5 b 75年 球用于测试5 石油A1

板凳标记试验装置的摩擦系数和磨损痕直径球是在测试1号使用石油的新球一小时的时间,其次是使用石油测试2号A1新球一小时。这些测试是为了检查FRC的功效,进行发动机润滑油中添加浓度很低,摩擦系数,穿疤痕直径,表面性质的新球标本。

为了调查测试时间对摩擦系数的影响,穿疤痕直径,和表面属性,两个实验(实验数字3和4)进行新球使用石油和石油A1的延长测试时间,每次2小时。

最后,测试5号进行新球使用石油一小时之后,测试数量5 b使用同一套球(旧球不改变交互的tribosurfaces球),进行使用石油A1直到稳定的摩擦系数。摩擦系数稳定了1小时15分钟内(4500秒)。这个测试进行了调查FRC引擎中添加润滑剂的作用,也就是说,石油A1,旧球对摩擦系数、穿疤痕,和表面属性。

摩擦系数为每个测试获得了摩擦力矩的测量值的球的接触表面几何数据记录系统。

穿疤痕(WSD)毫米直径,为每一个石油样本,通过计算平均磨损伤痕的所有三个静止的球。磨损表面的形貌和元素分析球是由随机选择一个球在三个静止的球之后,SEM和EDX分析,了解表面FRC的角色属性。

 4所示。结果和讨论 4.1。摩擦系数和磨损特征

球表面的摩擦系数随着标准差和穿疤痕直径(WSD)所有测试的结果在滚动接触疲劳四球试验设备如表所示 3。

稳定的摩擦系数和磨损痕直径。

测试数量 持续时间的分钟 类型的球 发动机润滑油 稳定的摩擦系数 标准差 穿疤痕直径(WSD)毫米
1 60 新 石油 0.109 0.015 0.525
2 60 新 石油A1 0.142 0.015 0.525
3 120年 新 石油 0.098 0.009 0.650
4 120年 新 石油A1 0.131 0.015 0.600
5 60 新 石油 0.109 0.012 0.660
5 b 75年 球用于测试5 石油A1 0.076 0.020
以下4.4.1。FRC对摩擦系数的影响和WSD新球

它是观察从表 3的FRC在发动机润滑油,即使在非常低的浓度(0.01%),可以影响tribosurfaces的摩擦系数。穿疤痕直径球运行在两个引擎润滑剂(油和石油A1)几乎是类似在一个小时的测试。

图 2比较的结果显示了摩擦系数的新球运行在石油和石油A1每一个小时的时间。比较测试结果显示,基于FRC引擎润滑剂是石油A1加剧交互之间的摩擦球,导致更高的摩擦系数值与石油相比,表现出较低的摩擦系数值,整个测试。这可能是解释与Mg硅酸盐粒子可以作为磨料磨具在光滑的表面的新球的表面粗糙度值 R 一个 = 0.6 μ米,远低于FRC粒子的平均尺寸,也就是说,9 μm。大直径FRC粒子可能会带来一定程度的颗粒磨损测试期间,增强了相互作用的表面之间的摩擦力的球导致摩擦系数的增加。因此,表面粗糙度和FRC粒径影响摩擦中发挥至关重要的作用;这一发现是一致的研究由Zhang et al。 6]。摩擦系数值变化从0.082到0.142石油A1和石油;从0.065到0.109,根据不同Stribeck曲线( 20.),摩擦副摩擦系数 μ ≥ 0.10 被认为是操作在边界润滑条件下,那些吗 0.001 < μ < 0.10 被认为在混合润滑机制。推断可能从这些结果,球从交互的润滑机制混合边界石油A1由于FRC的存在,而油润滑制度主要在测试1只留在混合润滑。

摩擦系数随时间变化使用新球(测试1和2)。

 4.1.2。延长测试时间对摩擦系数的影响和WSD新球

另一组测试新球进行长时间的两个小时,润滑和油和石油A1(测试数字3和4)。这些测试的角色进行了调查FRC在tribosurfaces是否有保护膜的形成,降低了摩擦系数。它是观察从图 3的摩擦系数值石油A1继续增加从0.076到0.131,在整个测试和稳定在0.131是非常接近0.142的稳定价值获得石油A1在一小时的测试(测试2号)。这个摩擦系数的增加趋势值否定的想法减少摩擦FRC的功能。相反可能推断出测试结果的数字2和4,如图 2和 3,FRC基础引擎润滑剂提高新球的摩擦系数在规定的操作条件下不考虑测试时间。穿性能FRC的穿疤痕直径(WSD)显示减少边际WSD值,也就是说,对石油的石油从0.650到0.600 A1,如表示 3。

摩擦系数随时间变化使用新球(测试3和4)。

 4.1.3。FRC对摩擦系数的影响和WSD使用球

测试5进行了两个阶段,5 a和5 b;在第一阶段,摩擦系数值从0.082变化到0.109石油如图 4当石油A1在第二阶段的测试使用的同一组球(磨损表面),和摩擦系数值是不断从0.131减少到0.076和0.076稳定在75分钟。通过这个测试表明基于FRC的发动机润滑油,即石油A1,表现优秀的摩擦减少磨损表面的化合物。润滑制度也从边界条件转化为混合润滑状态。它可能从这些结果描述,FRC可能充当摩擦减少磨损表面复合使用时,显著降低了摩擦系数。进一步推测,在磨损表面,FRC粒子可能会吸附和嵌入到micropits或犁沟和显示一些反应活动相互作用表面最终为光滑表面,最终有助于减少摩擦。假设某种摩擦减少电影可能形成互动球表面上帮助降低摩擦系数。

摩擦系数随时间变化使用的球(测试5 a和5 b)。

 4.2。表面形貌和元素组成 4.2.1。准备FRC在表面形态的影响

磨损表面的扫描电镜图像的球运行在石油和石油A1数据所示 5(一个)和 5 (b)。一定程度的皱纹摩擦方向观察,但这些摩擦痕迹更为明显,突出的球运行在石油A1。这可能是解释与事实FRC粒子,主要是硅酸盐,可能作为磨料表面光滑的EN31钢球490 N的高负载下导致更高价值的摩擦系数和大量的典型谷物磨损和疲劳磨损。

SEM图像的球后1小时测试(a)球运行在石油和石油A1 (b)球上运行。

石油

石油A1

突出表面的元素组成如图 6(一)和 6 (b)演示了各种基本元素的存在EN31合金钢球像铁一样,C, S, P,和Cr,而Ca, O,锌球的磨损表面上可能源于发动机润滑油添加剂(抗氧化剂、洗涤剂)。图 6(一)显示球运行对石油的元素组成和缺乏Si表明球是在引擎运行磨损表面没有FRC润滑剂(油)。如果,O元素球的磨损表面上运行油A1,如图 6 (b)确认FRC在影响的作用,新球表面性质的恶化和光滑表面的磨损。

球表面的元素组成上运行石油(a)和(b)石油A1。

 4.2.2。延长小时测试期间FRC对表面形态的影响

数据 7(一)和 7 (b)显示了测试运行的磨损表面的显微图对石油和石油A1,分别了两个小时。许多深划痕和磨损表面粘附现象初露头角的钢球观察石油A1,指示的磨损机制主要是磨料磨损和粘着磨损。相反,小划痕被观察到在球表面上运行油的显微照片,如图 7 (b)。这可能解释,FRC没有石油,导致磨损表面的磨损较小。

扫描电镜图像的球后2小时测试(a)球运行在石油和石油A1 (b)球上运行。

 4.2.3。球的表面形态测试中使用数字5 a和5 b

图 8磨损表面的显微图显示,最初与油润滑使用新球一小时之后,测试相同的球(旧球不改变交互的tribosurfaces球)使用石油A1直到稳定的摩擦系数。表面展示更为顺畅形态但大量micropits也看到磨损表面。

SEM图像的一个球最初运行油60分钟,然后在A1在不改变75分钟的表面接触。

图 9说明了一个典型的元素组成的一个micropits磨损表面。Si和O,在micropits,印证了FRC在减少摩擦的作用——互动的表面,与先前的研究一致,突出的好处这些micropits表面纹理的摩擦减少机制( 19, 21]。Micropits摩擦表面可以通过诱骗他们解除砂粉尘,从而抑制颗粒磨损和附着力。此外,很明显,micropits可以作为油藏,运输或保留油是在紧急情况下发布。研磨行动tribosurface之间由于外国粒子从磨损的表面被micropits在滑动和剪切的磨损表面,导致减少接触表面的磨损。

SEM图像和表面元素组成一个球开始运行在石油一个60分钟,然后对石油A1为75分钟使用相同的球。

数据 10 ()和 10 (b)描述球的磨损表面的元素分布用于测试运行5 a和5 b和球在石油A1一小时的测试运行。菲斯和两球的磨损表面的阿占一些tribosurfaces ferrosilicate层的可能性,可以帮助减少摩擦。

磨损表面映射中使用的球(一)测试数字5,2号5 b和(b)测试表明铁的存在,如果和O。

 5。结论

本研究揭示了一些重要的事实FRC基础引擎润滑剂的性能对摩擦,磨损和表面属性使用四球摩擦计。以下几点可能会得出结论:

发动机润滑油与浓度很低的摩擦系数的影响。

FRC基础引擎润滑剂加剧新球的相互作用表面之间的摩擦和润滑的政权在测试期间从混合转化为边界条件。SEM显微图显示它与深划痕方向摩擦FRC基础引擎润滑剂时使用。

摩擦减少发动机润滑油性能的基于磨损的表面现象,在测试期间在磨损表面,润滑政权从边界条件转化为混合润滑状态。

铁的存在,如果和O的磨损表面使用球可能占tribosurfaces ferrosilicate层。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

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