层状α-磷酸锆作为无水钙基润滑脂添加剂的摩擦学性能研究

发布时间：2020-06-04 12:13

【摘要】：为了克服机械设备摩擦磨损造成的大量能源损失,延长设备使用寿命以及各种复杂工况的需求,探索润滑性能优良、可长时间使用、价格合理的润滑剂一直是摩擦学研究的主要课题。润滑脂是工业上经常被应用的润滑剂产品,目前锂基润滑脂是润滑脂中用量最大的润滑脂,但锂元素是地球赋存相对稀少的金属元素。随着锂电池工业的迅猛发展,锂元素的匮乏日渐凸显,迫切需要寻找地球富存、经济环保的元素来替代锂元素用于润滑脂工业。钙元素是地球上储存丰富的元素,钙基润滑脂是润滑脂中一类价格适中且用途广泛的润滑脂。为了满足润滑脂的应用要求,需要在润滑脂中添加多种添加剂以改进润滑脂本身所具有的性能。固体润滑添加剂可以有效地改善润滑脂的承载力、抗磨和减摩性能,弥补润滑脂在苛刻工况下使用的缺陷。前期研究发现,层状磷酸锆材料作为锂基润滑脂添加剂具有优良的润滑性能,为了更加全面认识层状磷酸锆作为固体润滑剂的性能,进一步拓展其应用范围。本文以层状α-磷酸锆材料作为固体润滑添加剂,分别选用环烷基矿物油、合成油聚α-烯烃、植物油蓖麻油和椰子油作为基础油制备无水钙基润滑脂,采用SRV摩擦磨损试验机对α-ZrP在不同基础油无水钙基润滑脂中的润滑性能进行了研究,并在相同试验条件下与经典固体润滑添加剂二硫化钼和石墨进行对比研究,主要内容和结论如下:1.以α-ZrP作为环烷基矿物油无水钙基脂的固体润滑添加剂,3.0 wt%α-ZrP脂最大运行载荷和最大运行频率分别为900 N、70 Hz;3.0 wt%MoS_2脂和3.0 wt%石墨脂最大运行载荷和最大运行频率分别为700 N、40 Hz;在700 N-40 Hz-360 min高载高频长时间运行条件下,α-ZrP脂、MoS_2脂和石墨脂钢盘的体积磨损量(×10~(-4) mm~3)分别是44.45±3.37、44.59±4.30和62.49±6.19;磨斑宽度和磨斑深度分别是1.15 mm×12.39μm、1.22 mm×13.69μm和1.17 mm×15.13μm;与Mo S_2和石墨相比,α-ZrP脂的润滑性能受载荷、频率和温度变化影响微小,可长时间平稳运行,具有稳定且优异的减摩抗磨性能。2.以α-ZrP作为合成油PAO8无水钙基脂的固体润滑添加剂,3.0 wt%α-ZrP脂最大运行载荷和最大运行频率分别900 N、70 Hz;3.0 wt%MoS_2脂、3.0 wt%石墨脂最大运行载荷和最大运行频率分别为600 N、40 Hz。在600 N-40 Hz-360 min高载高频长时间运行条件下,α-ZrP脂、MoS_2脂和石墨脂钢盘的体积磨损量(×10~(-4) mm~3)分别是18.86±1.89、77.40±7.74和41.26±4.13;磨斑宽度和磨斑深度分别是0.75 mm×10.95μm、1.23 mm×18.51μm和0.98 mm×11.24μm。与MoS_2和石墨相比,α-ZrP脂的磨损量和摩擦系数是三种脂中最低的,且不受温度的影响,而MoS_2脂和石墨脂的磨损量随着温度的升高都有升高,MoS_2脂变化尤为明显。3.以α-ZrP作为蓖麻油无水钙基润滑脂的固体润滑添加剂,3.0 wt%α-ZrP脂、3.0 wt%MoS_2脂和3.0 wt%石墨脂最大运行载荷分别为1000 N、600 N和600 N;随着载荷的增加,α-ZrP脂润滑下的钢盘上的体积磨损量和对应的平均摩擦系数都是最小的。在运行载荷300 N下,MoS_2脂和石墨脂的磨损量随着频率的增大而增大,α-ZrP脂的磨损量在三种润滑脂最小。在300 N-30 Hz-360 min长时间条件下,α-ZrP脂、MoS_2脂和石墨脂钢盘的体积磨损量(×10~(-4) mm~3)分别是3.62±0.36、71.03±0.71和205.15±15.12;磨班宽度和磨斑深度分别是0.64 mm×1.00μm、1.03 mm×14.23μm和1.26mm×25.69μm。与MoS_2和石墨相比,α-ZrP脂在长时间运行过程中始终都保持了最低磨损量,具有稳定且优异的抗磨性能。4.以α-ZrP作为椰子油无水钙基润滑脂的固体润滑添加剂,3.0 wt%α-ZrP脂、3.0 wt%Mo S_2脂和3.0 wt%石墨脂最大运行载荷分别为1000 N、600 N和600 N;在运行载荷300 N,30 Hz~60 Hz条件下,α-ZrP脂具有最小的体积磨损量。在300 N-30 Hz-360 min长时间条件下,α-ZrP脂、MoS_2脂和石墨脂分别润滑下的钢盘磨损量(×10~(-4) mm~3)分别是3.29±0.33、56.40±5.64和288.95±28.90;磨斑宽度和磨斑深度分别是0.72 mm×0.59μm、1.08 mm×10.42μm和1.41 mm×42.67μm。与MoS_2和石墨相比,α-ZrP脂在长时间运行过程中始终都保持了最低磨损量,具有稳定且优异的抗磨性能。利用SEM、EDS以及3D白光干涉仪对钢盘磨痕表面分析发现:α-ZrP脂的钢盘磨痕表面犁沟少且浅,在摩擦副表面可以形成稳定且致密的固体保护膜。
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE624.83;TH117

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