在磨损表面上用作发动机润滑剂的硅酸盐化合物的摩擦降低能力

摘要

在边界润滑和混合润滑条件下，研究了硅酸镁和氧化铝在发动机润滑油中分散对摩擦磨损和摩擦表面特性的影响。镁硅酸盐和氧化铝，从此被称为减摩化合物(FRC)，以0.01%重量/体积的极低浓度分散在发动机润滑油中。采用四球磨损试验台对含和不含FRC基发动机润滑油的球摩擦系数和磨痕直径进行了评估。采用扫描电子显微镜(SEM)和能量色散x射线(EDX)分析了球的摩擦表面性能和磨损表面的元素分布。测试结果表明，基于FRC的发动机润滑油增加了摩擦系数，但略微降低了新球的磨损疤痕直径，然而，对磨损球使用基于FRC的发动机润滑油进行的测试表明，与使用不使用FRC的发动机润滑油的新球相比，摩擦系数降低了46%。对摩擦表面形貌和元素分布的研究表明，Si和O元素存在于磨损表面的微孔中，表明FRC在降低摩擦系数和抗磨性能方面的作用。这些基于FRC的发动机润滑油可用于正在使用的发动机。

1.介绍

最近，一些原始设备制造商(oem)推荐较低粘度级别的发动机润滑剂，以提高其车辆的燃油经济性。许多研究人员研究了发动机润滑油粘度对油耗的影响，已有报道称较低粘度等级的发动机润滑油可以降低发动机油耗[1，2]．但在使用低粘度级别的发动机润滑油时，发动机的磨损特性和耐久性也存在一些问题。发动机中最容易磨损的部件是在边界润滑状态下工作的表面，如气门机构系统的凸轮和从动件，气缸套的上止点(上止点)和下止点(下止点)。因此，这些低粘度级别的发动机润滑油需要某种表面改性剂，这些表面改性剂必须通过物理或化学吸附作用于运行在边界润滑状态下的摩擦表面，并形成保护性的摩擦膜。能降低摩擦系数，防止发动机运行过程中发动机部件的过度磨损。

在过去十年中，许多研究人员研究了蛇纹石矿物质，与本研究中使用的FRC非常相似，作为具有优异的摩擦学特征的潜在表面改性剂。蛇形矿物，基本上是粘土材料，由氢氧化镁，Mg的硅酸镁化学式表示化学计量。₆如果₄O₁₀(哦)₈．蛇纹石族矿物由温石棉、蜥蜴石和反绿晶石组成，根据分析，这些矿物要么是一个复杂的固溶体系列的成员，要么是单独的化学物种，=，但不是简单的多晶[3.]．袁盛等[4使人们对Mg的基本结构有了一些了解₆如果₄O₁₀(哦)₈；结果表明，Si-O四面体和Mg-O /OH八面体通过交联形成层状结构。的概念原位在发动机油中加入5mg / ml的发动机油中加入蛇形粉末的机械化学性修复机车柴油机的磨损骨质敷料，粒径不大于2 μM也被解释了。形成的保护层的纳米硬度是基体的两倍，表面粗糙度为0.0694μ真实活塞环与气缸内径的摩擦系数M稳定在0.005。Yu等人[5研究了在磨损表面使用重量为1.5 %的蛇纹石粉末，平均尺寸为1μm，分散在SN 500矿物基础油中。研究表明，在磨损表面生成了厚度为500 ~ 600 nm的纳米晶摩擦膜，主要由Fe组成_3.O₄FeSi, SiO₂、AlFe和Fe - c化合物(Fe_3.C). Zhang et al. [6研究了平均直径为0.5左右的5%羟基镁硅酸盐(HMS)的摩擦学特性和自修复效果μM，分散在汽油发动机润滑剂SJ 10W40上，钢 - 钢摩擦对“平面上的平面”配置，具有各种表面粗糙度;据说HMS自修复材料的耐磨性与摩擦对的表面粗糙度和自修复材料颗粒的平均直径具有关系。当粉末平均直径接近摩擦对的表面粗糙度值时，HMS自修复材料显示摩擦减少，抗磨和自修复性能。南等人。[7在SRV振动摩擦磨损试验中，以0.5 wt%的超细镁铝硅酸盐粉体作为润滑添加剂，发现超细粉体在不同载荷(10 N - 100 N)下均能很好地降低摩擦磨损。在发动机油或基础油中使用的蛇纹石粉末的摩擦学特性与摩擦膜的形成、表面改性能力、降低摩擦系数和磨损等方面被许多其他研究人员广泛研究[8- - - - - -13]．Zhao等人也报道了与基础油相比，摩擦系数降低了24.63%，摩擦斑直径降低了41.88%的相似结果。[14]．Lyubimov等人。[15报道了高岭土基粉末在摩擦学特性方面优于蛇纹石粉末的优点。

与其他研究人员相比，Yue等人研究了一种自我修复功能的替代机制[16]．根据他的工作，在修复层中没有发现硅酸盐颗粒中的铝和硅元素，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等[17，18]提出了在400℃高温下由平均粒径< 100 nm的纳米蛇纹石粉末形成摩擦膜的生成机理。Yu等研究了热活化对添加在液体石蜡中的蛇纹石超细粉体摩擦学特性的影响[19];研究发现，在300 ~ 600℃的温度范围内，蛇纹石的成膜能力提高，而在850℃以上的温度范围内，层状结构被破坏，加剧了摩擦磨损。

根据文献综述可以推断，研究人员在发动机润滑油或基础油中添加了0.025% ~ 5%的蛇纹石矿物，不同摩擦计施加的正常负荷在50 N ~ 200 N之间，并进行了实验。或者在300°C到600°C的高温下，或者在室温下。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。在SAE 5W-30、API SL/CF发动机润滑油中加入非常低浓度(0.01%)重量/体积的FRC(氢氧化镁和氧化铝的混合物)。采用SEM-EDX分析了FRC对磨损表面性能的影响。

2.实验设置

2．1．发动机润滑油样品制备

将硅酸镁、氧化铝和一些催化剂在杵臼中混合粉碎，合成了减摩剂。FRC粉的主要化学成分属于蛇纹石族，化学计量学上以氢硅酸镁的化学式Mg表示₆如果₄O₁₀(哦)₈．FRC的平均粒径约为9μm.实验用发动机润滑油样品是在10ml发动机润滑油中加入1mg FRC, SAE 5W-30, API CF/SL。由FRC组成的发动机润滑油样品，首先使用磁力搅拌器在2000 rpm下搅拌，然后超声浴处理1小时，保持浴温度在50°C。研究中使用了以下发动机润滑油样品:A油，SAE 5W-30，A1油，0.1 mg FRC加入1ml SAE 5W-30。还观察到，在0.1 mg/mL的低浓度中添加FRC，不会对发动机润滑油的物理化学特性产生不利影响。

2．2.滚动接触疲劳四球试验台

润滑油的摩擦学性能是在图中所示的四球德拉斯特1．该摩擦试验机采用梯形四球几何结构。顶球固定在主轴上，并以预定的速度旋转，即1200转/分。底部的三个球被固定在一个充满润滑剂的球托中。四球三分接触。所采用的试验条件如表所示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。使用数据采集软件对触点内遇到的摩擦进行连续监测和记录。

2．3.SEM-EDX

采用FESEM(场发射扫描电子显微镜)和EDX/EDS(能量色散x射线/能谱仪)系统对球的磨损表面形貌和元素分布进行了分析。

3.测试矩阵与方法

在四球试验台上，对比了不含FRC(油A)和含FRC(油A1)的发动机润滑油的摩擦系数、磨痕直径和表面性能。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,最后测试是在两个阶段进行,先加A油(试验编号5a) 1小时，然后在不干扰球位的情况下沥干A油，再加A1油，对同一用过的球进行5b试验，直至摩擦系数稳定。

试验1用A油涂抹新球1小时，试验2用A1油涂抹新球1小时，试验2用A1油涂抹新球1小时，试验2用A1油涂抹新球1小时，试验2用A1油涂抹新球1小时，试验2用A1油涂抹新球1小时，试验2用A1油涂抹新球1小时。这些试验是为了检验在发动机润滑油中添加极低浓度的FRC对新球试样的摩擦系数、磨痕直径和表面性能的影响。

为了探讨测试持续时间对摩擦系数，磨损瘢痕直径和表面性质的影响，使用油A和油A1在新的球上进行两次更高的实验（实验编号3和4），以进行两个小时的延长测试持续时间．

最后，使用油A在新的球上进行测试号5A，然后在同一组使用的球（不改变使用互动球的摩擦球的磨损球上的测试号5B上，直到稳定摩擦系数。在1小时内达到摩擦系数稳定，15分钟（4500秒）达到。进行该试验以研究FrC在发动机润滑剂中添加的效果，即油A1在磨损的球上相对于摩擦系数，磨损瘢痕和表面性质。

每次试验的摩擦系数由数据记录系统测量的球的接触面几何形状的摩擦扭矩值得出。

通过采用所有三个固定球的平均磨损的伤疤来计算佩戴疤痕直径（WSD）以mm为单mM。通过在随机的三个固定球中选择球，随机选择球形和EDX分析来完成球的形态和元素分析，以了解FRC对表面性质的作用。

4.结果和讨论

4．1.摩擦系数和磨损特性

滚动接触疲劳四球试验台各项试验的球面摩擦系数及标准差、磨痕直径(WSD)结果见表3.．

以下4.4.1。FRC对新球摩擦系数和WSD的影响

从表中可以看出3.在发动机润滑油中添加FRC，即使浓度很低(0.01%)，也会影响摩擦表面的摩擦系数。在一小时的测试中，在两种发动机润滑油(机油A和机油A1)上运行的球的磨损疤直径几乎是相似的。

数字2展示了在油A和油A1上运行的新球摩擦系数的比较结果，每一个小时持续时间。比较试验结果表明，基于FLC的发动机润滑剂是油A1加剧了相互作用球之间的摩擦，从而与油A相比，摩擦系数的摩擦系数较高，这在整个试验过程中显示出较低的摩擦系数值。这可以用以下事实解释，因为Mg硅酸盐颗粒可以充当磨料在具有表面粗糙度值的新球的光滑表面上μm，远低于FRC颗粒的平均粒径9μm.较大直径的FRC颗粒在试验过程中会产生一定程度的颗粒磨损，增大了球间相互作用表面的摩擦力，导致摩擦系数增大。因此，表面粗糙度和颗粒尺寸对摩擦起着至关重要的作用;这一发现与Zhang等人的研究一致[6]．油A1和油A的摩擦系数值从0.082到0.142不等;它的变化范围为0.065到0.109，根据Stribeck曲线[20.，有摩擦系数的摩擦副是在边界润滑条件下运行的，在假设在混合润滑状态下运行。由此可以推断，由于FRC的存在，A1油相互作用球的润滑状态由混合状态转变为边界状态，而试验1中A油的润滑状态主要保持为混合状态。

4.1.2。延长试验时间对新球摩擦系数和WSD的影响

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。从图中可以看出3.油A1的摩擦系数值从0.076不断增大到0.131，在整个试验过程中，摩擦系数稳定在0.131，与A1油在1小时试验(试验号2)中获得的稳定值0.142非常接近。摩擦系数值的上升趋势否定了FRC减摩能力的想法。相反，从图中所示的第2和第4次试验的结果可以推断出这一点2和3.，基于FRC的发动机润滑剂在规定的操作条件下提高了新球的摩擦系数，而不考虑测试时间。从磨痕直径(WSD)来看，FRC的磨损性能显示WSD值略有下降，即A油的0.650降至A1油的0.600，见表3.．

4.1.3。FRC对废旧钢球摩擦系数及WSD的影响

试验5分5a和5b两个阶段进行;第一阶段，A油的摩擦系数值为0.082 ~ 0.109，如图所示4在第二阶段试验中，在同一套使用过的球(磨损面)上使用A1油时，摩擦系数值从0.131不断下降到0.076,75分钟后稳定在0.076。通过该测试，可以证明基于FRC的发动机润滑油，即A1油，对磨损表面具有良好的减摩性能。润滑状态也由边界条件转变为混合润滑状态。从这些结果可以看出，当在磨损表面使用时，FRC可以作为减少摩擦的化合物，并显著降低摩擦系数。进一步假设，在磨损表面，FRC颗粒可能被吸附并嵌入到微坑或沟槽中，并在相互作用的表面上表现出一定的反应活性，最终使表面更加光滑，最终有助于减少摩擦。假设在相互作用的球表面形成某种减摩膜，有助于降低摩擦系数。

4．2．表面形貌与元素组成

4.2.1。FRC对表面形态的影响

图中为在A油和A1油上运行的球的磨损表面的SEM图像5（a）和5 (b)．在摩擦方向上观察到一定程度的摩擦痕，但当球在A1油上运行时，这些摩擦痕更加明显和突出。这可能是因为在490 N的高载荷下，以硅酸盐为主的FRC颗粒在EN31钢球光滑表面作为磨料，导致摩擦系数较高，产生大量的典型晶粒磨损和疲劳磨损。

图中突出显示的表面的元素组成6(一)和6 (b)表明EN31合金钢球中存在各种基本元素，如Fe、C、S、P和Cr，而球磨损表面存在的Ca、O和Zn可能来自发动机润滑油添加剂(抗氧化剂、洗涤剂)。数字6(一)显示了在A油上运行的球的元素组成，磨损表面没有硅，表明球是在没有FRC的发动机润滑油(A油)上运行的。Si, O元素存在于磨损表面的球运行在油A1，如图所示6 (b)，确认了FRC在影响新球表面性能方面的作用，包括光滑表面的恶化和磨损。

4.2.2。延长小时试验中FRC对表面形貌的影响

数据7(一)和7 (b)显示分别在A油和A1油上运行两个小时的磨损表面的显微照片。油A1在钢球磨损表面观察到许多深划痕和粘接现象，表明磨损机理主要为磨粒磨损和粘接磨损。相反，如图所示，在A油上运行的球表面的显微照片中观察到较少的划痕7 (b)．这可能是因为A油中没有FRC，导致磨损表面的磨料磨损较小。

4.2.3。用于试验编号5a和5b的球的表面形貌

数字8磨损表面的显微照片，首先用新球用油A润滑1小时，然后用A1油对同一组球(磨损的球，没有改变相互作用的球的摩擦面)进行测试，直到摩擦系数稳定。表面形貌光滑，但磨损表面也有大量的微坑。

数字9说明了磨损表面上的一种微型种族素的典型元素组成。在微米的情况下，SI和O的存在，证实了FRC在相互作用表面的摩擦减少中的作用，与先前的研究一致，突出了这些微型种子对表面纹理的摩擦减少机制的益处[19，21]．摩擦表面的微凹坑可以吸附磨粒粉尘，从而抑制颗粒的磨损和粘附。此外，很明显，微坑可以作为油藏，运输或保留石油，以便在紧急情况下释放。在磨损表面的滑动和剪切过程中，微坑捕获了从磨损表面去除的外来颗粒在摩擦表面之间的磨削作用，从而降低了接触表面的磨粒磨损。

数据10 ()和10（b）描述用于试车5a和5b的球以及在A1油上试车1小时的球的磨损表面的元素分布。在两个球的磨损表面存在Fe、Si和O，说明了在摩擦表面存在某种硅酸铁层的可能性，这可能有助于降低摩擦。

5.结论

这项研究揭示了基于FRC的发动机润滑油在摩擦、磨损和表面性能方面的一些重要事实，使用了四球摩擦计。可以总结以下几点:(我)发动机润滑剂在很低浓度时对摩擦系数有影响。(2)在试验过程中，基于FRC的发动机润滑油加剧了新球相互作用表面之间的摩擦，润滑状态由混合状态转变为边界状态。扫描电镜照片显示，当使用FRC基发动机润滑剂时，摩擦方向有很深的划痕。(3)基于FRC的发动机润滑油在磨损表面的减摩性能显著，在磨损表面试验过程中，润滑状态由边界条件向混合润滑状态转变。(iv)磨损表面Fe、Si和O的存在可能是摩擦表面硅酸铁层的原因。

利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

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