CN100387695C - 中间相碳合金润滑添加剂及其制备方法 - Google Patents
中间相碳合金润滑添加剂及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种中间相碳合金润滑添加剂及其制备方法。所述碳合金润滑添加剂采用材料非平衡合成技术，以碳质中间相微粉和掺杂活性元素为原材料制备而成。该材料能够在高温边界润滑条件下，表现出优异的减摩抗磨性能，有效延缓摩擦副的使用寿命，从而能够为众多在高温边界润滑条件下工作的摩擦副，特别是先进车用发动机中的主要摩擦副(例如缸套/活塞环摩擦副)提供优异的摩擦学保护作用。
Description
技术领域
本发明涉及一种中间相碳合金润滑添加剂及其制备方法。该添加剂材料能够在高温边界润滑条件下，表现出优异的减摩抗磨性能，有效延缓摩擦副的使用寿命，从而能够为众多在高温边界润滑条件下工作的摩擦副，特别是先进车用发动机中的主要摩擦副(例如缸套/活塞环摩擦副)提供优异的摩擦学保护作用。
背景技术
二十世纪七十年代出现的世界能源危机和八十年代以来全球对环境保护的日益重视促使人们积极研究和开发高效能低排放的先进发动机，特别是车用发动机。其中低散热(Low-Heat-Rejection，LHR)发动机已成为各工业发达国家的首选发展目标，可望在未来得到广泛应用。
低散热发动机的主要摩擦副均处于高温边界润滑工作状态。在边界润滑状态下，磨损的保护是通过功能添加剂与摩擦副接触表面形成摩擦化学膜来实现的。目前，在发动机油中，应用最广泛是二烷基二硫代磷酸锌(ZDDP)，它作为多功能添加剂，通过摩擦化学反应在接触表面形成磷酸盐类等抗磨物种，实现降低磨损的作用。另外，还有一类添加剂-油溶性有机钼添加剂，例如，二烷基二硫代氨基甲酸钼(MoDTC)和二烷基二硫代磷酸钼(MoDTP)。近年来在汽车发动机领域倍受关注，它们主要通过摩擦化学反应，在接触表面上原位形成二硫化钼等物种，表现出显著的减摩效果，故亦被称为摩擦改进剂(Friction Modifier)。但是，上述典型添加剂存在如下主要问题：(1)所形成的摩擦化学反应膜功能一般比较单一，例如，ZDDP类形成的表面膜主要作用是抗磨，而油溶性有机钼类的表面膜主要起减摩作用；(2)所形成的表面膜保持时间较短，使用寿命比较有限；
(3)所形成的化学反应膜只能在较低的温度，一般低于200℃下有效发挥作用，温度较高时抗磨或减摩作用迅速丧失；(4)上述添加剂的组成中元素磷、氯等元素，易增大污染排放，加剧环境污染，例如，ZDDP中的P会引起发动机三元催化系统中的催化剂Pt中毒，丧失催化净化功能，进而增大污染排放。
显然，目前使用的发动机添加剂无法满足LHR发动机的苛刻工作环境。针对LHR发动机的高温边界润滑问题，巴恩尼克等[(通过直接提供碳氢气体对各种陶瓷和金属合金进行高温润滑.磨损，1998年，第214卷，第1期，第131-138页)，N.J.Barnick等(High temperature lubrication of variousceramics and metal alloys via directed hydrocarbon feed gases.Wear，1998，214(1)：131-138)]，以及劳尔等[(采用有机蒸汽沉积物高温润滑陶瓷的机制.摩擦学快报，1995年，第1卷，第4期，第30-35页)，J.L.Lauer等(Mechanism of high-temperature lubrication of ceramics by deposits fromorganic vapors.Tribology Letters，1995，1(4)：30-36)]曾探索采用将含碳的气相或液相有机物供给到摩擦副表面，在一定的温度、压力和催化条件下通过氧化解聚反应生成碳质表面膜(富碳结构转化为石墨结构)产生高温固体润滑效应。这类方法需要苛刻的反应条件和含特定化学元素的催化表面。此外，气相催化碳化需要复杂的气源辅助装置，不适用于车用发动机系统。
碳质中间相是具有较高有序态构造的石墨前躯体，崔小浩等[(中间相碳微球摩擦性能及摩擦诱发石墨化的研究.摩擦学快报，2003年，第14卷，第2期，第53-59页)，Cui X H等(A study of tribological performances andtribo-induced graphitization of meso-carbon microbeads.Tribology Letters，2003，14(2)：53-59)]曾将碳质中间相作为特种添加剂弥散在润滑油中使用，发现在高温下，碳质中间相能够在摩擦副表面上生成有序态的固体石墨润滑膜，表现出高温边界润滑特性。但原位摩擦转变成的固体石墨润滑膜与摩擦副表面结合强度低，摩擦期间容易被磨掉，因此难于稳定、有效地发挥其润滑减摩功能。
发明内容
为了有效解决低散热发动机等中的主要摩擦副的高温边界润滑问题，本发明提供一种中间相碳合金润滑添加剂，该润滑添加剂能够在高温摩擦学体系所提供的能量条件和化学条件(催化作用)下更容易地在摩擦副表面上生成高度有序态的固体石墨润滑膜，进而能够产生最佳的高温边界润滑特性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：采用材料非平衡合成技术，制备中间相碳合金新材料。通过控制中间相碳合金的制备参量，调整和控制中间相的结构特征，缓解石墨化条件，缩短石墨化历程，确保在摩擦副表面上生成高度有序态的固体石墨润滑膜，进而能够产生最佳的高温边界润滑特性。此外，在中间相中有目的地添加合金(活性)元素，以便利用摩擦机械作用，使添加元素与摩擦副表面发生作用，改善石墨润滑膜与摩擦副之间的结合性能，从而促进中间相稳定持久地发挥其高温边界润滑特性。
本发明的中间相碳合金润滑添加剂，由碳质中间相微粉和掺杂活性元素等组成，所述中间相碳合金润滑添加剂中，碳质中间相微粉含量为70-99wt％，掺杂活性元素含量为1-30wt％。所述掺杂活性元素选自于铁、镍、钛、铜和钼中之一种或者它们的组合，其中，铁掺杂量为1-30wt％，镍掺杂量为1-30wt％，钛掺杂量为1-30wt％，铜掺杂量为1-30wt％，钼掺杂量为1-30wt％，但各元素掺杂总量应不高于30wt％。所制备中间相碳合金润滑添加剂为粉末状产品。
本发明的中间相碳合金润滑添加剂的制备方法是：
(1)采用碳质中间相微粉和掺杂活性元素为原材料，其中，碳质中间相微粉含量为70-99wt％，掺杂活性元素含量为1-30wt％，在高能球磨机中非平衡合成中间相碳合金；所述掺杂活性元素选自于铁、镍、钛、铜和钼中之一种或者它们的组合，其中，铁掺杂量为1-30wt％，镍掺杂量为1-30wt％，钛掺杂量为1-30wt％，铜掺杂量为1-30wt％，钼掺杂量为1-30wt％，但各元素掺杂总量应不高于30wt％。球磨时的研磨体为GCr15轴承钢钢球，钢球与被研磨材料的质量比(即球料比)为4∶1-10∶1，中间相微粉与掺杂元素的质量比为10∶1-30∶1，球磨机的转速为100-160转/分，球磨时间为30-100小时。为防止球磨期间中间相微粉发生凝结，选用乙醇作为球磨介质；
(2)高能球磨处理之后，对所获产物进行高温高压处理，其中，温度为600-1200℃，压力2-6GPa，时间为5-20分钟。
本发明的有益效果是，中间相碳合金润滑添加剂能够在高温摩擦学体系所提供的能量条件和化学条件下更容易地在摩擦副表面上生成高度有序态的固体石墨润滑膜，进而能够产生最佳的高温边界润滑特性，从而能够为众多在高温边界润滑条件下工作的摩擦副，特别是先进车用发动机中的主要摩擦副(缸套/活塞环摩擦副)提供优异的摩擦学保护作用。
附图说明
图1为添加中间相碳合金润滑添加剂时的摩擦系数随温度变化关系图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行更详细说明。
1.碳质中间相的机械合金化处理：在实验室条件下，采用碳质中间相微粉和掺杂活性元素为原材料，在高能球磨机中非平衡合成中间相碳合金。其中，所用原料是粒径为8.7微米的煤焦油沥青基碳质中间相以及平均粒度2.0-3.2μm的镍微粉(纯度99.8％，松装密度0.50-0.75g/cm3)。所制备碳合金中，镍微粉的掺杂量为5wt％。球磨时的研磨体为GCr15轴承钢钢球，钢球与被研磨材料的质量比(即球料比)为5∶1，球磨机的转速为120转/分，球磨时间为50小时。为防止球磨期间中间相微粉发生凝结，选用乙醇作为球磨介质
2.高温高压处理：对高能球磨处理之后的产物进行高温高压处理，其中，温度为800℃，压力5GPa，时间为10分钟。
3.碳合金润滑添加剂粉末的制备：将高温高压处理后的碳合金产物充分研磨至粒度10微米左右，获得中间相碳合金粉末。
4.润滑剂配制：在汽油发动机用全配方矿物基SJ/5W-30型汽油机润滑油中添加3％(以质量分数计)的中间相碳合金润滑添加剂微粉，调配成润滑剂。为确保中间相碳合金添加剂在润滑油中充分分散，实验开始前，先进行5分钟的摇摆振荡，然后进行10分钟超声分散。
摩擦学性能评价：采用Optimol SRV型高温摩擦磨损试验机上进行摩擦学试验。其中，摩擦副上试样为喷Mo合金涂层，下试样材质为45#钢。试验过程中，摩擦系数μ由SRV试验机全程自动纪录。摩擦系数试验结果见图1所示。
实验结果表明：与原始态碳质中间相相比，润滑油中添加本发明的中间相碳合金润滑添加剂时，高温润滑效应更为明显且持续时间更长。
Claims (3)
1.一种中间相碳合金润滑添加剂，其由碳质中间相微粉和掺杂活性元素构成，其特征是：
所述中间相碳合金润滑添加剂中，碳质中间相微粉含量为70-99wt％，掺杂活性元素含量为1-3Cwt％；所述掺杂性元选自于铁、镍、钛、铜和钼中之一种或者它们的组合，其中，铁掺杂量为1-30wt％，镍掺杂量为1-30wt％，钛掺杂量为1-30wt％，铜掺杂量为1-30wt％，钼掺杂量为1-30wt％，但各元素掺杂总量应不高于30wt％；所制备中间相碳合金润滑添加剂为粉末状产品
所述中间相碳合金润滑添加剂制备方法是：
(a)采用碳质中间相微粉和掺杂活性元素为原材料，其中，碳质中间相微粉含量为70-99wt％，掺杂活性元素含量为1-30wt％，所述掺杂活性元素选自于铁、镍、钛、铜和钼中之一种或者它们的组合，其中，铁掺杂量为1-30wt％，镍掺杂量为1-30wt％，钛掺杂量为1-30wt％，铜掺杂量为1-30wt％，钼掺杂量为1-30wt％，但各元素掺杂总量应不高于30wt％；在高能球磨机中非平衡合成中间相碳合金；
(b)球磨时的研磨体为GCr15轴承钢钢球，钢球与被研磨材料的质量比(即球料比)为4∶1-10∶1，中间相微粉与掺杂元素的质量比为10∶1-30∶1，球磨机的转速为100-160转/分，球磨时间为30-100小时；
(c)为防止球磨期间中间相微粉发生凝结，选用乙醇作为球磨介质；
(d)高能球磨处理之后，对所获产物进行高温高压处理，其中，温度为600-1200℃，压力2-6GPa，时间为5-20分钟。
2.一种制备权利要求1所述的中间相碳合金润滑添加剂的方法，其特征是：
(1)采用碳质中间相微粉和掺杂活性元素为原材料，其中，碳质中间相微粉含量为70-99wt％，掺杂活性元素含量为1-30wt％，所述掺杂活性元素选自于铁、镍、钛、铜和钼中之一种或者它们的组合，其中，铁掺杂量为1-30wt％，镍掺杂量为1-30wt％，钛掺杂量为1-30wt％，铜掺杂量为1-30wt％，钼掺杂量为1-30wt％，但各元素掺杂总量应不高于30wt％；在高能球磨机中非平衡合成中间相碳合金；
(2)球磨时的研磨体为GCr15轴承钢钢球，钢球与被研磨材料的质量比(即球料比)为4∶1-10∶1，中间相微粉与掺杂元素的质量比为10∶1-30∶1，球磨机的转速为100-160转/分，球磨时间为30-100小时；
(3)为防止球磨期间中间相微粉发生凝结，选用乙醇作为球磨介质；
(4)高能球磨处理之后，对所获产物进行高温高压处理，其中，温度为600-1200℃，压力2-6GPa，时间为5-20分钟。
3.根据权利要求2所述的中间相碳合金润滑添加剂的制备方法，其特征是：碳质中间相微粉含量为70-99wt％，掺杂活性元素含量为1-30wt％；所述掺杂活性元素选自于铁、镍、钛、铜和钼中之一种；其中，铁掺杂量为1-30wt％，镍掺杂量为1-30wt％，钛掺杂量为1-30wt％，铜掺杂量为1-30wt％，钼掺杂量为1-30wt％，但各元素掺杂量应不高于30wt％。
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