海泡石作为润滑油添加剂的摩擦学性能

海泡石作为润滑油添加剂的摩擦学性能
黄海鹏;朱和菊;岳文;王成彪;刘家浚
【摘要】S oil sample was prepared with sepiolite powder as additive and 150SN as base oil and tested in pin-disk tester for 60 h to determine the friction coefficient and wearing capability, and compared with 150SN. After pin-disk test the disk and pin were investigated by Taylor test, SEM and XPS, and oil samples were determined by ferrogram machine and TEM. The results showed that S oil had excellent anti-friction and anti-wear characteristics, and an oxide layer with good wear resistance was formed by Fe2 O3, Fe3 C, FeOOH and C in the surface of friction pairs, wherein FeOOH might be very critical to the formation of the oxide layer. After pin-disk test the debris in S oil sample were less than those in 150SN oil, showing lower wear level when tested with S oil sample, and sepiolite powders were shattered and stripped into rod-like fiber forming a fiber net to actively protect the oil film between friction pairs.%用海泡石矿物微粉与150SN基础油调配成试验油样S,在销盘摩擦磨损试验机上测试60 h的摩擦系数和磨损量变化情况,并与150SN对比.销盘摩擦磨损试验后,采用Taylor形貌仪测试盘表面的形貌,采用SEM(扫描电子显微镜)观察销、盘试样表面形貌,并进行XPS分析,同时对试验后的油样进行铁谱和TEM分析.结果表明,S油样具有较好的减摩抗磨效果,摩擦副表面Fe2O3、Fe3C、FeOOH、单质C共同构建了耐磨性较好的氧化层,其中FeOOH的存在可能起到了关键的作用.销盘摩擦磨损试验后,S油样中的磨屑明显少于150SN油样中的,表明前者的磨损程度轻；海泡石被破碎、剥层,最终解束为纤维棒状,纤维棒搭织成纤维网,对摩擦副间油膜的保持起到积极作用.
【期刊名称】《石油学报（石油加工）》
【年(卷),期】2012(028)001
【总页数】6页(P143-148)
【关键词】海泡石;减摩抗磨;保护层;破碎解束
【作者】黄海鹏;朱和菊;岳文;王成彪;刘家浚
【作者单位】中国石化润滑油研发(北京)中心,北京 100085;中国石化润滑油研发(北京)中心,北京 100085;中国地质大学工程技术学院,北京 100083;中国地质大学工程技术学院,北京 100083;清华大学机械工程系,北京 100084
【正文语种】中文
【中图分类】TG356.16
前苏联的钻探工程师在钻探施工中发现钻头在经过某种矿物成分的地层时没有减重反而增重，这一有趣的现象引起了研究者的兴趣，随后广泛开展了对矿物质在摩擦副表面所起作用的研究。

硅酸盐润滑油添加剂的研究是在纳米润滑油添加剂的广泛研究之后蓬勃发展起来的，它不同于任何一种传统润滑油添加剂，其研究工作涉及摩擦学、机械工程、摩擦化学、矿物学、材料科学等诸多学科。

硅酸盐润滑油添加剂是由矿物成分粉粒、添加剂和催化剂组成的，比较有代表性的是羟基硅酸盐矿物微粉复合添加剂，如羟基硅酸铝、羟基硅酸镁矿物微粉复合添加剂，经试验它们具有良好的减摩抗磨和自修复功能［1－3］。

海泡石属硅酸盐矿物，理想分子式为Mg4Si6O15（OH）2·6H2O，属于斜方晶系［4］。

作为润滑油添加剂，海泡石在摩擦磨损试验中表现出较好的减摩抗磨性能，对其的研究可以对其作用机理有更
充分的认识。

笔者利用销盘试验机，并结合摩擦件与油样的分析检测设备，考察了润滑油基础油加入海泡石后的摩擦学特性，并分析和探讨了海泡石在销盘试验中的作用机理。

1 实验部分
1.1 原料与试剂
润滑油基础油150SN由中国石化茂名石化炼油厂提供。

添加剂由原始海泡石矿物粉组成，将某公司500目粒度的海泡石粉在高能球磨机上自制而成，粒度为1500目。

基础油中加入质量分数0.8%的添加剂，调配成的测试油样代号为S。

参比油为150SN。

1.2 销盘摩擦磨损试验
采用自制的GWL－3000型销盘摩擦磨损试验机。

销尺寸为φ12.7mm×8mm，材料为45＃钢，850℃保温30min油淬处理，硬度HV400；盘尺寸为
φ70mm×3mm，表面磨削加工至Ra为0.8μm，材料为普通45＃钢，硬度
HV220。

实验时间总计60h，每30min记录一次摩擦系数；每5h停机清洗试盘，称量试盘的减重量。

每个5h的时间段都需要一定的磨合时间，实验过程采用阶梯加载方式。

初始载荷为117.6N，每级加载29.4N，每级载荷运行时间为10h，最高加载至264.6N。

销盘接触的内、外圈线速度分别为1.76和2.45m／s。

2 结果与讨论
2.1 销盘摩擦磨损试验结果
图1为S和150SN油样销盘摩擦磨损试验中摩擦系数和盘试样累积磨损量随时间的变化曲线。

由图1（a）可见，S润滑下摩擦系数在0.075以下，而150SN润滑下摩擦系数均在0.075以上，说明海泡石具有良好的减摩作用。

S润滑下的摩擦系数波动较大，这是由于每5h停机，继续试验时，摩擦副间由润滑油带入的海泡石
颗粒的粒径和状态不同引起的。

由图1（b）看到，150SN润滑下，盘试样的累积磨损量为23mg，20h前呈上升趋势，20～40h趋于平稳，40h之后又出现剧烈
上升趋势；S润滑下，盘试样的累积磨损量为6.3mg，40h前呈上升趋势，40～45h骤降，45h后又上升，整体磨损量维持在很低水平，表明海泡石具有明显的
抗磨作用。

图1 S和150SN油样销盘摩擦磨损试验中摩擦系数和盘试样累积磨损量随时间（t）和载荷的变化Fig.1 Friction coefficient and disk mass loss vs time（t）and load for pin－disk tribotest of S and 150SN samples（a）Friction coefficient；（b）Accumulated mass loss of disc sample by wear
2.2 销盘摩擦磨损试验后销盘的表面分析
2.2.1 Taylor形貌分析
图2为S和150SN油样销盘摩擦磨损试验后盘试样表面Taylor形貌。

从图2（a）看到，150SN销盘摩擦磨损试验后，盘试样表面Taylor形貌共有5处深度接近或超过5μm的犁沟，并且密集分布着尺寸稍小的犁沟，可见盘表面发生了严重磨损；与此相比，从图2（b）看到，S销盘摩擦磨损试验后，盘试样表面Taylor形貌较为平整，共有2处深度接近或超过5μm的犁沟，较小尺寸的犁沟零星分布，显
然盘表面的磨损程度比150SN试验低。

图2 S和150SN油样销盘摩擦磨损试验后盘试样表面Taylor形貌Fig.2 Taylor morphologies of disk sample surface after pin－disk tribotest of S and
150SN samples（a）150SN；（b）S
2.2.2 SEM形貌对比
为了更直观地比较摩擦副表面形貌，对试验后的销盘试样进行了SEM观察，结果示于图3。

由图3可见，150SN的销盘摩擦磨损试验后，盘表面出现了严重的疲
劳剥落及反复碾压的沟槽，销表面出现了点蚀坑和更深的犁沟；而S销盘摩擦磨
损试验后，盘和销表面都比前者要平缓或平整得多。

2.2.3 XPS能谱分析
对S和150SN油样销盘摩擦磨损试验后销盘表层不同XPS溅射深度的Fe、O、C 元素进行扫描，结果列于表1。

由表1可知，S和150SN销盘摩擦磨损试验后，
二者的销盘表面层组成基本相同，只是各化合物出现的深度不同。

试样表面Fe与
O的结合方式与杨鹤等［5］的研究结果基本一致。

S销盘摩擦磨损试验后的销、
盘表层30nm处仍发现单质C，并且盘表层30nm处仍有FeOOH，可见单质C
和FeOOH的富集深度更深。

因此推测，Fe2O3、铁碳化合物、FeOOH、单质C
共同构建了耐磨性较好的氧化层，其中FeOOH的大量存在可能起到了关键的作用。

图3 S和150SN油样销盘摩擦磨损试验后试样的SEM照片Fig.3 SEM photos
of pin and disk after tribotests for S and 150SN samples（a）Disk for S tribotest；（b）Disk for 150SN tribotest；（c）Pin for S tribotest；（d）Pin for 150SN tribotest
2.3 销盘摩擦磨损试验后油样的变化
2.3.1 铁谱分析
将经销盘60h摩擦磨损试验的S与150SN油样进行直读式铁谱分析，结果列于
表2。

由表2可知，150SN油样中大小磨粒数量明显多于S油样，说明150SN
润滑下试件磨损的烈度远高于S润滑下的试件。

图4为销盘摩擦磨损试验后S和150SN油样的铁谱照片。

从图4看到，与150SN相比，S油样中的磨屑更小，氧化程度更弱，说明海泡石的加入显著减缓了试件摩擦磨损的剧烈程度，抗磨性更好。

笔者推测图4（c）和（d）中箭头所示物质为海泡石矿物的薄片。

表1 S和150SN油样销盘摩擦磨损试验后销盘不同深度表面层组成Table 1 Compositions of pin and disk surface with different depth after pin－disk
tribotests for S and 150SN samples150SN S Depth／nm Disk Pin 3.0 Fe2O3，FeOOH，C Fe2O3，FeO，FeOOH，C Fe2O3，FeOOH，C Fe2O3，FeO，FeOOH，C Disk Pin 16.5 Fe，Fe2O3，Fe3C Fe，FeO，Fe3O4，Fe2O3，
Fe3C Fe，Fe2O3，FeOOH，C，Fe3C Fe，FeO，Fe2O3，C，Fe3C 30.0 Fe，Fe2O3，Fe3C Fe，FeO，Fe2O3，Fe3C Fe，Fe2O3，FeOOH，C，Fe3C Fe，FeO，Fe2O3，C，Fe3C
图4 销盘摩擦磨损试验后S和150SN油样的铁谱照片Fig.4 Ferrography pictures of S and 150SN samples after pin－disk test（a）Big particles of 150SN tested oil；（b）Small particles of 150SN tested oil；（c）Big particles of S tested oil；（d）Small particles of S tested oil
表2 销盘摩擦磨损试验后S和150SN油样直读式铁谱分析结果Table 2 Direct reading ferrographie analysis results for S and 150SN samples after pin－disk tribotestDLand DSare the number of big and small particles，respectively.Is＝DL（DL－DS）Oil sample DL DS I s 150SN 56.4 45.7 603.48 S 5.5 4.6 4.95
图5 销盘摩擦磨损试验后S油样中颗粒的TEM形貌Fig.5 TEM morphologies of particles from S sample after pin－disk tribotest（a）Fiber net；（b）Rod
－like fiber
2.3.2 TEM分析
对销盘摩擦磨损试验后的S油样进行处理，分离其中的颗粒物，然后利用透射电
镜观察其形貌，结果如图5所示。

由图5看到，销盘试验过程中海泡石被破碎、
剥层，解束为不同直径的纤维棒状，纤维棒最小直径50nm左右（见图5（b）），大大小小的纤维棒搭织成纤维网，可能会对摩擦副起到一定的“隔离”作用，并可能会对摩擦副间油膜的保持起到积极作用。

2.4 海泡石对润滑油理化指标的影响
2.4.1 氧化安定性
海泡石作为催化剂的载体，本身也有催化作用，为了考察其对润滑油的氧化安定性是否有负面影响，采用标准SH／T 0193－92旋转氧弹法［6］对150SN和S油样进行氧化安定性测试，结果列于表3。

在实际工况中，铜是与润滑油接触的常见金属中对润滑油氧化催化能力最强的金属，旋转氧弹试验模拟了非常苛刻的氧化条件，达到规定压力降的时间越长，油品的氧化安定性越好。

由表3可知，在相同
的试验条件下，150SN和S油样分别在31和33min达到规定的压力降，二者的氧化安定性试验结果相差无几。

笔者推测，这可能是因为海泡石催化作用的产生需要一定的介质条件，旋转氧弹模拟的试验工况没有提供这种条件。

表3 S和150SN油样试样氧化安定性试验结果Table 3 Results of oxidation stability test for S and 150SN samplesOil sample Initial pressure／kPa Highest pressure／kPa Test temperature／℃Test time／min 150SN 641 1308 150 31 S 638 1327 150 33
2.4.2 水分离性（抗乳化性）
海泡石结构中含有亲水基团（如—OH），为了考察其对润滑油水分离性能的影响，采用标准GB／T 7305－2003方法［7］对S油样进行水分离性测试；完全分离
时间越短，油品抗乳化性能越好。

150SN的试验结果为40－40－0（5），表示
5min内油、水完全分离，乳化层残留量为0；S油样的试验结果为40－40－0（5），表示5min内油、水完全分离，乳化层残留量为0，说明海泡石微粉的加
入对润滑油水分离性没有影响。

这可能是因为油样中微量的海泡石粉末与水结合的能力有限，不足以对油品的抗乳化性能产生明显影响。

2.5 海泡石的减摩抗磨作用机理
前人对硅酸盐矿物作为润滑油添加剂进行了研究，但是没有针对海泡石进行过研究。

从田斌、顾艳红等［3，8－9］的工作来看，实际发动机试验的试样能够形成自修复层的几率较大，因为发动机试验的工况比销盘试验更恶劣，运行时间更长，为自修复层的形成提供了必要条件。

岳文、田斌等［10－11］描述了试件上存在一层白亮色覆盖层，强调其中C元素的含量较高，这与本实验中XPS的结果相同，C 元素可能对保护层有积极作用。

齐浩等［12］也提到了硅酸盐矿物微粉加入润滑油中在摩擦副间有一定的隔离作用，但是并没有说明隔离作用的产生是因为矿物的破碎、剥层等过程使矿物微粒分布在摩擦副间，也没有给出有力的证据。

根据
Władyslaw［13］提到的磨损类型与磨损率关系图判断，本实验的销盘试验属于机械化学磨损并伴有氧化磨损；Quinn等［14］的研究认为，氧化层达到一定厚度就会被破坏进而产生磨屑，摩擦过程中的机械加工使表面形成坚硬的氧化层，随着硬度提高、疲劳缺陷的增多，表层的氧化层会脆裂、脱落。

笔者推测，FeOOH 和C元素的存在可能使氧化层较为坚韧，不宜被破坏，从而较好地保护了金属表面，减少了磨损。

3 结论
（1）海泡石矿物微粉作为润滑油添加剂具有显著的减摩抗磨效果。

（2）含海泡石添加剂的润滑油销盘摩擦磨损试验后盘表面形成的富含FeOOH的氧化保护层具有很好的减摩抗磨作用。

（3）海泡石微粉在摩擦磨损过程中破碎、解束成纤维棒，纤维棒搭织成纤维网，可能在摩擦副之间起到“隔离”作用，并对摩擦副间油膜的保持起到积极作用。

参考文献
［1］刘家浚，郭凤炜.一种摩擦表面自修复技术的应用效果及分析［J］.中国表面工程，2004，11（3）：42－45.（LIU Jiajun，GUO Fengwei.The application and analysis of a new self－repairing technology on frictional surface ［J］.China Surface Engineering，2004，11（3）：42－45.）
［2］JIN Yuansheng，LI Shenghua，ZHANG Zhengye，et al.In situ mechanochemical reconditioning of worn ferrous surface［J］.Tribology International，2004，37（7）：561－567.
［3］田斌，王成彪，岳文，等.陶瓷润滑油添加剂对镀铬缸套磨损自修复特性的影响［J］.摩擦学学报，2006，26（6）：574－578.（TIAN Bin，WANG Chengbiao，YUE Wen，et al.Influence of the wear－self－repairing effect on the Cr－plated cylinder liner by a cermet additive in lubricating oil ［J］.Tribology，2006，26（6）：574－578.）
［4］潘兆撸.结晶学与矿物学［M］.北京：地质出版社，1988（第3版）.
［5］杨鹤，张正业，金元生，等.金属磨损自修复层的X光电子能谱研究［J］.光谱学与光谱分析，2005，25（6）：945－948.（YANG He，ZHANG Zhengye，JIN Yuansheng，et al.XPS characterization of autoreconditioning layer on worn metal surfaces［J］.Spectroscopy and Spectral Analysis，2005，25（6）：945－948.）
［6］SH／T 0193－92，润滑油氧化安定性测定法（旋转氧弹法）［S］.
［7］GB／T 7305－2003，石油和合成液水分离性测定法［S］.
［8］顾艳红，田斌，岳文，等.金属陶瓷润滑油添加剂对钢－钢摩擦副磨损行为的影响及其铁谱验证［J］.中国表面工程，2005，12（1）：16－23.（GU Yanhong，TIAN Bin，YUE Wen，et al.Effect of a cermet additive on the wear behavior of steel－on－steel friction pair and ferrographic verification ［J］.Chinese Surface Engineering，2005，12（1）：16－23.）
［9］田斌，岳文，郑鲜，等.陶瓷润滑油添加剂对渗氮和镀铬缸套作用效果的研究［J］.润滑与密封，2006，30（6）：74－77.（TIAN Bin，YUE Wen，ZHENG Xian，et al.The effect of cermet additive on nitriding and chromeplating
cylinder liners［J］.Lubrication and Engineering，2006，30（6）：74－77.）［10］岳文，王成彪，田斌，等.陶瓷润滑油添加剂对钢－钢接触疲劳及磨损性能
的影响［J］.材料热处理学报，2006，27（6）：118－123.（YUE Wen，WANG Chengbiao，TIAN Bin，et al.Effects of lubrication additive on contact fatigue life of steel bearing rolling element［J］.Transaction of Material and Heat Treatment，2006，27（6）：118－123.）
［11］田斌，王成彪，顾艳红，等.陶瓷润滑油添加剂对钢／钢摩擦副摩擦学性能
的影响［J］.材料热处理学报，2006，27（3）：132－136.（TIAN Bin，WANG Chengbiao，GU Yanhong，et al.Effects of lubrication additive on tribology characteristic of steel－on－steel pair［J］.Transaction of Material and Heat Treatment，2006，27（3）：132－136.）
［12］齐浩，韦淡平，范静云.含纳米级有机改性膨润土润滑液的极压性能［J］.
石油炼制与化工，2004，35（6）：17－20.（QI Hao，WEI Danping，FAN Jingyun.Extreme pressure performance of lubricant with modified organo
－bentonite having nano particles［J］.Petroleum Processing and Petrochemicals，2004，35（6）：17－20.）
［13］WŁADYSLAW C.F rictional transfer of iron in oxidative wear conditions during lubricated sliding［J］.Wear，2000，237（2）：288－294.
［14］QUINN T F J，SULLIVAN J L，ROWSON D M.Origins and development of oxidational wear at low ambient temperatures［J］.Wear，1984，94（2）：175－ 191.。