硫酸鈣晶須作為潤滑脂添加劑的摩擦學性能

王祥洲，陳波水，何天稀，馬雪亮，何少煒

（中國人民解放軍后勤工程學院 軍事油料應用與管理工程系， 重慶 401331）

?

硫酸鈣晶須作為潤滑脂添加劑的摩擦學性能

王祥洲，陳波水，何天稀，馬雪亮，何少煒

（中國人民解放軍后勤工程學院 軍事油料應用與管理工程系， 重慶 401331）

摘 要：通過四球摩擦磨損實驗，考察了不同粒徑、不同添加量的硫酸鈣晶須在鋰基潤滑脂中的摩擦學性能，應用光學顯微鏡觀察鋼球磨斑表面。結果表明，在一定的摩擦學環境下，添加質量分數3%的球磨6 h的硫酸鈣晶須能夠顯著提高鋰基潤滑脂的抗磨減摩性能。

關 鍵 詞：硫酸鈣晶須；潤滑脂；抗磨減摩；四球試驗

硫酸鈣晶須是硫酸鈣的纖維狀晶體，具有強度高、韌性好、耐磨損、耐高溫等優良性能。在道路改性瀝青［1］、造紙［2］、復合增強材料［3-4］、水處理技術［5］、阻燃防火材料［6］、環境工程［7-8］、涂料［9］等方面都有較好的應用前景。硫酸鈣晶須在潤滑摩擦領域主要是作為填充材料改善摩擦材料的摩擦學性能［10-13］，作為潤滑脂添加劑的研究并不多。筆者考察了微米級的硫酸鈣晶須作為添加劑制備的鋰基潤滑脂的摩擦學性能。

1 實驗部分

1.1 試劑及儀器

硫酸鈣晶須（CSW）實驗室球磨自制。石油醚和油酸（OA）購自成都科龍化工試劑公司，均為分析純；基礎油（500SN）；十二羥基硬脂酸鋰；鋼球按照GB/T308制造，GCr15，二級鋼球，直徑12.7000 mm，硬度為64-66HRc（石油化工科學院）；行星式球磨機：德國Fritsch公司；DZF-6020型真空干燥箱（上海博訊實業有限公司醫療設備廠）；煉制釜、玻璃棒；溫度計：0～260 ℃；98-1-B型電子調溫加熱套（天津市泰斯特儀器有限公司）；三輪磨（重慶石油學院機械廠）；光學顯微鏡；EL系列電子天平（梅特勒-托利多儀器有限公司產品）；恒溫干燥箱（上?？莆鰧嶒瀮x器廠）；MMW-1P雙顯示立式萬能摩擦磨損試驗機（濟南試驗機廠）；MQ-800型四球摩擦試驗機（廈門試驗機廠）。

1.2 硫酸鈣晶須（CSW）的制備

將市場上購買的硫酸鈣晶須（CSW）放入真空干燥箱干燥4 h后用行星式球磨機進行研磨，研磨機轉數設定為300 r/min，每研磨1 h打開機蓋冷卻20 min，然后繼續研磨，記錄最終研磨時間，分別制取研磨2、4、6 h的CSW。

1.3 硫酸鈣晶須（CSW）粒徑的測量

采用激光粒度儀（中科院東方集成Microtrac公司生產）對硫酸鈣晶須（CSW）的粒徑進行測量。具體步驟如下：取0.5 g CSW加入到20 mL純水中，超聲分散10 min，將分散好的CSW純水溶液倒入激光粒度儀的取樣槽中，開始測量。電腦上自動記錄下粒徑分布圖和中位粒徑值。

1.4 潤滑脂樣品的制備

往煉制釜中加入1.2 kg基礎油（500 SN）和0.178 kg十二羥基硬脂酸鋰，攪拌升溫至195 ℃，此時基礎油和預制皂完全熔化，保持此溫度高溫膨化10 min后加入0.6 kg基礎油，將溫度保持在170 ℃左右繼續攪拌5 min，降溫至120 ℃后迅速分成5份，加入計量的CSW，冷卻到室溫，在三輥磨上碾磨6遍得潤滑脂到樣品。

1.5 摩擦磨損試驗

使用MMW-1立式萬能摩擦磨損試驗機進行脂樣的長時磨損試驗。試驗條件為載荷392 N，轉速1 200 r/min，長磨時間為60 min，溫度（75±2）℃，所用鋼球為石油化工科學院提供。實驗完畢后用精度為0.01 mm的直讀試光學顯微鏡觀察并測定三個下球的磨斑直徑，取其平均值表示抗磨性；電腦自動記錄摩擦系數，以此表示減摩性。

使用濟南試驗機廠生產的四球機評定添加劑的極壓性能。按照標準載荷級進行一系列試驗，測定最大無卡咬負荷（PB）和燒結負荷（PD），以此來表示其極壓性。

2 結果與討論

2.1 球磨不同時間的硫酸鈣晶須（CSW）的摩擦學性能

圖1為加入球磨不同時間的CSW的潤滑脂和基礎脂的瞬時摩擦系數變化圖。

圖1 硫酸鈣晶須（CSW）作為潤滑脂添加劑的瞬時摩擦系數Fig.1 Transient friction coefficient of CSW as the grease additive

從圖中可以看出，未經球磨的CSW作為潤滑脂添加劑，減摩效果不明顯，CSW經球磨后，作為添加劑的減摩效果增強，并在一定范圍內，隨著研磨時間的增長，減摩效果增大。由圖可知，加入球磨4 h和6 h后CSW的潤滑脂實驗條件下摩擦系數大小相當，但加入球磨4 h的CSW的潤滑脂摩擦系數不穩定，幾處有大的跳動，說明球磨4 h后大部分CSW的粒徑已達到球磨可實現的最低值，但還存在一些大粒徑的顆粒，球磨6 h后，CSW的摩擦學性能達到最佳。

表1為基礎脂與加入不同球磨時間CSW潤滑脂的摩擦磨損試驗鋼球的平均磨斑直徑（WSD），由表1可知，基礎脂中加入CSW后，磨斑直徑都會減小，加入3%的研磨4 h或6 h的CSW后，平均磨斑直徑較基礎脂減小了22%，減磨效果顯著。這是由于硫酸鈣晶須CSW在經過球磨后，其粒徑減小，并在一定范圍內，隨著球磨時間增加，其粒徑減小，當粒徑達到一定值后，不會再隨球磨時間的增加而減小。

表1 基礎脂與加入不同球磨時間的硫酸該晶須（CSW）后的鋼球平均磨斑直徑Table 1 The wear scar diameter of CSW which was grinded with different time as grease additive

2.2 球磨6 h的硫酸鈣晶須（CSW）的粒度

由上可知，CSW球磨時間為6 h時，抗磨減摩效果達到最佳值，對其粒徑進行測量，圖2是球磨6 h的CSW的粒徑分布圖，實線代表累積分布，直方圖為各個粒徑所占比例。從圖2可見，CSW的粒度分布比較均勻，基本保持在一個穩定的數值附近，大約占總體的70%左右，其余粒徑顆粒占30%。根據測試結果，其中位直徑為4.64 μm。

圖2 硫酸鈣晶須（CSW）的粒徑分布Fig.2 Particle size distribution of CSW

2.3 硫酸鈣晶須（CSW）的加入對潤滑脂性能影響

在鋰基脂中按質量分數為1%、3%、5%、7%加入球磨6 h的CSW，對其理化性能和摩擦學性能進行測試。

2.3.1 對理化指標的影響

加有CSW的潤滑脂的理化指標列于表2，由表2可知，在一定范圍內，錐入度隨著CSW比例的增大而增大，當CSW占5%時，錐入度最大，比基礎脂增大16.3%。說明CSW的加入對脂的皂纖維產生一定的破壞。再繼續增大添加劑的比例，錐入度會有所減小。加入不同比例的添加劑，滴點相差不大，且都在要求范圍內（200 ℃以上），也就是說加入不同比例的添加劑對鋰基脂的膠體安定性影響不大。

表2 硫酸鈣晶須（CSW）的加入對潤滑脂理化指標的影響Table 2 The effects of the added CSW to physicochemical indexes of grease

2.3.2 對抗磨減摩和極壓性能的影響

圖3為不同添加量CSW的潤滑脂瞬時摩擦系數，由圖可見，不同添加量的CSW都在一定程度上改善了基礎脂的潤滑性能，其摩擦系數均小于基礎脂。添加劑量為3%時摩擦系數較小且較穩定，添加劑量為5%時，摩擦系數最小，但沒有3%時穩定。

圖3 硫酸鈣晶須（CSW）作為潤滑脂添加劑的瞬時摩擦系數變化圖Fig.3 Transient friction coefficient of CSW as the grease additive

圖4 不同添加量硫酸鈣晶須（CSW）作為潤滑脂添加劑的平均摩擦系數Fig.4 The average friction coefficient of different additions CSW as grease additive

圖4 為不同添加量CSW的潤滑脂平均摩擦系數，由圖可清晰的看到摩擦系數的變化趨勢，隨著CSW添加劑量的增大，平均摩擦系數先減小后增大。在5%添加量的情況下，其運行的摩擦系數最小。在不同的添加量下，摩擦系數，均低于基礎脂，在添加劑量為1%、3%、5%、7%時，平均摩擦系數相對基礎脂分別減少16.1%、23.4%、29.3%和15%，說明CSW的加入可明顯改善潤滑脂的減摩性能。

圖5是不同 CSW 添加量的潤滑脂摩擦磨損試驗鋼球的磨斑直徑（WSD）。由圖可見，在不同的添加量下，鋼球的磨斑直徑先降低后升高，其最佳添加量為3%，此時鋼球的磨斑直徑最小，其抗磨性能較其他添加量下最優，WSD較基礎脂減小了74.5%。

圖5 不同添加量的硫酸鈣晶須（CSW）作為潤滑脂添加劑的磨斑直徑Fig.5 The wear scar diameter of different additions CSW as grease additive

對長時磨損試驗結束后的試球，用石油醚超聲波清洗10 min，自然風干，再用光學顯微鏡對鋼球磨斑表面放大100倍觀察鋼球磨斑形貌，結果如圖6，可以看出在基礎脂潤滑下，鋼球磨斑具有較深的劃痕。而在3%添加量下，相比于其他鋼球，磨斑最小，說明在3%添加量下，較之其他添加量確實具有較好的抗磨效果。

圖7是潤滑脂PB和PD值隨其CSW添加量的變化圖，由圖可見，隨著CSW添加量的增加，PB先增加后減小，CSW添加量為1%、3%、5%、7%時最大無卡咬負荷分別相對基礎脂提高13.3%、13.3%、32.5%、26。7%，當添加劑量為5%時，效果最好。

圖6 不同CSW添加量的潤滑脂的鋼球表面磨斑形貌Fig.6 The morphologies of the wear scar of different additions of CSW powder w（CSW），%:（a）0； （b）1； （c）3； （d）5； （e）7

CSW的加入對鋰基脂的燒結負荷提高較明顯，添加劑加入量為1%、3%、5%、時燒結負荷分別相對基礎脂提高25%、150%、97%。試驗中，當添加劑量為7%時，加到實驗室四球機最大負荷4 500 N時仍未發生發生燒結。說明在潤滑脂中加入CSW能提高脂運行的極限負荷，改善惡劣環境下的工況。

圖7 不同CSW添加量下潤滑脂的極壓性能Fig.7 The extreme pressure properties of the grease ofdifferent additions of calcium sulfate whisker

3 結 論

（1）未經球磨的硫酸鈣晶須作為潤滑脂添加劑，減摩抗磨效果不明顯，硫酸鈣晶須經球磨后，添加劑減摩抗磨效果增強，并在一定范圍內，隨球研磨時間的增長，減摩抗磨效果增大，球磨時間為6 h時，抗磨減摩效果達到最佳。球磨6 h后的硫酸鈣晶須的中位直徑為4.64 μm。

（2）硫酸鈣晶須作為潤滑脂添加劑，能起到減摩抗磨的效果。在一定的摩擦學環境下，潤滑脂加入質量分數3%的硫酸鈣晶須綜合摩擦學性能最佳，摩擦系數較基礎脂降低了23.4%，磨斑直徑降低了74.5%，PB提高了13.3%，PD提高了150%，極壓性能較好。

參考文獻：

［1］李軍代. 硫酸鈣晶須在瀝青路面應用的系統性研究［J］. 華東交通大學學報， 2013（06）：72-77

［2］Feng X， Zhang Y， Wang G， et al. Dual-surface modification of calcium sulfate whisker with sodium hexametaphosphate/silica and use as new water-resistant reinforcing fillers in papermaking［J］. Powder Technology，2015， 271：1-6.

［3］Liu J Y. Fabrication and characterization of polycaprolactone/calcium sulfate whisker composites［J］. Express Polymer Letters， 2011，5（8）：742-752.

［4］王振杰， 聶登攀， 田浩，等. 硫酸鈣晶須增強增韌LLDPE薄膜的研究［J］. 現代塑料加工應用， 2012， 04（4）：39-41.

［5］姚京君. 硫酸鈣處理含磷廢水特性研究及機理探討［D］. 南京：南京航空航天大學， 2010

［6］高軍. 不同結構硼酸鋅與半水硫酸鈣阻燃劑的制備及其阻燃性能的研究［D］.鎮江：江蘇大學， 2014.

［7］Zhang H， Chen J， Liang P， et al. Research Progress on the Preparation Mechanism and Technology of Calcium Sulfate Whisker［J］. Materials Review， 2011， 25（6）：46-45.

［8］Pengfei L， Fei D， Dang Y. Preparation of calcium sulfate whisker from phosphogypsum and its application［J］. Chemical Industry & Engineering Progress， 2013， 32（4）：842-1308.

［9］溫紹國， 宋詩高， 王繼虎，等. 硫酸鈣晶須在聚酯粉末涂料中的應用［J］. 上海工程技術大學學報， 2012， 04（4）：289-29.

［10］Zhu Z， Xu L， Chen G. Effect of different whiskers on the physical and tribological properties of non-metallic friction materials［J］. Materials & Design， 2011， 32（1）：54-61.

［11］牛永平， 甘立慧， 杜三明，等. 硫酸鈣晶須填充UHMWPE復合材料的摩擦磨損性能［J］. 潤滑與密封， 2010， 35（2）：11-14.

［12］張軍凱， 王鵬超， 王亮，等. 硫酸鈣晶須填充PTFE復合材料的摩擦學性能研究［J］. 潤滑與密封， 2011（10）：13-15.

［13］何福善， 高誠輝， 林有希，等. 無水硫酸鈣晶須含量對其增強樹脂基制動復合材料摩擦學性能的影響［C］. 第十一屆摩擦學大會，2013 （6）：2128-2137.

Tribological Properties of Calcium Sulfate Whisker as Additives in Lithium Grease

WANG Xiang-zhou，CHEN Bo-shui，HE Tian-xi，MA Xue-liang，HE Shao-wei
（Department of Military Oil Aplication & Management Engineering， Logistical Engineering University of PLA，Chongqing 401331，China）

Abstract:The tribological properties of calcium sulfate whisker （CSW） with different size and addition dosage in lithium grease were investigated by using four-ball test. The morphologies of the worn surface of the tested balls were observed with the optical microscope. And the elements of the ball’s surface were detected by EDX（Energy dispersive X-ray detector）.The results show that the anti wear&friction properties of lithium grease can be improved by adding 3% CSW grinded in the ball mill for 6 h under a certain tribological condition.

Key words:Calcium sulfate whisker； Grease； Friction-reducing and anti-wear； Full-ball test

中圖分類號：TE 624

文獻標識碼：A

文章編號：1671-0460（2016）02-0225-04

基金項目：重慶市科委基金，項目號：cstc2014jcyjA0595。

收稿日期：2015-11-13

作者簡介：王祥洲（1990-），男，湖南邵陽人，碩士，研究方向：從事軍用油料應用研究。E-mail：394870944@qq.com。