CN104726169B

CN104726169B - 一种用于改善摩擦件表面抗磨性的润滑油及其制备方法

Info

Publication number: CN104726169B
Application number: CN201310703992.XA
Authority: CN
Inventors: 丁玉龙; 万庆明; 金翼; 孙鹏程
Original assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Priority date: 2013-12-19
Filing date: 2013-12-19
Publication date: 2017-09-26
Anticipated expiration: 2033-12-19
Also published as: WO2015089941A1; CN104726169A

Abstract

本发明公开了一种用于改善摩擦件表面抗磨性的润滑油，包括：基础油、蛇纹石矿粉以及纳米氮化硼颗粒，其中纳米氮化硼颗粒的重量百分含量为0.001～5%，蛇纹石颗粒的重量百分含量为0.01～15%。其制备方法包括步骤：（1）将蛇纹石矿粉、纳米氮化硼颗粒以及可选地分散剂混合后研磨；（2）向步骤（1）得到的研磨后的混合物中加入基础油，均质化处理，得到用于改善摩擦件表面抗磨性的润滑油。本发明的润滑油具有优异的稳定性和分散性，优异的抗磨减摩效果，使用一段时间后在摩擦件表面形成一层摩擦保护膜，该保护膜生成后，在后续的摩擦过程中将所用的此种润滑油更改为基础油，则减摩抗磨性能保持不变。

Description

一种用于改善摩擦件表面抗磨性的润滑油及其制备方法

技术领域

本发明属于润滑技术与润滑油添加剂领域，具体地，本发明涉及一种用于改善摩擦件表面抗磨性能润滑油及其制备方法。

背景技术

目前，针对润滑工艺的改善，较多以润滑油为主体，研究可用于提升其减摩抗磨性能的添加剂（以纳米功能材料为主）的制备方法。专利CN103013620A公布了一种节能环保润滑油用纳米功能材料的制备方法，专利CN103073060A公布了一种用作润滑油减摩添加剂的六方二硫化钼纳米片的制备方法。以上专利所公布的添加剂能明显提升润滑油的减摩抗磨性能，但是在规模化的润滑工艺中使用时容易受限，且长期使用含有颗粒状添加剂的润滑油，容易造成油路阻塞，对润滑工艺的持续进行有很大影响。

CN101260337A公开了一种金属表面改性材料及其制备方法，其是以基础油作为添加剂的主体，通过加入处理后的蛇纹石矿粉和滑石粉与氮化硼、硅胶、煤油及乙醇的混合物制备而成的，添加量低于1%便可以在金属表面形成金属陶瓷层，且更换润滑油无需重新添加。但是该发明属一种润滑油添加剂，使用前需要与润滑油按比例进行复配，增加了对金属表面进行改进的工序，同时该发明所涉及的润滑油没法实现润滑油的有效抗磨减磨。

CN103275788A公开了一种达到超润滑效果的纳米添加剂润滑油的制备方法，在PAO6油中加入占PAO6油质量百分比0.1-3%的纳米氮化硼，再加入占氮化硼质量百分比5%的分散剂，分散剂为硅烷偶联剂WD20，三者混合后使用超声波清洗器超声波振荡分散30-60min，功率在50-100W之间，震荡时间30-60min。本发明是选取纳米氮化硼添加到PAO6油来润滑机械零部件以达到超润滑效果，可降低润滑油成本，增加工程应用的可操作性，安全可靠，提高润滑性能达到超润滑效果，使机械零部件在油润滑下达到超低摩擦系数（10-3量级）和无磨损（磨损不可测）。该技术发明可以有效的降低摩擦，但是在摩擦件表面自修复方面并无明显作用。

发明内容

针对已有技术的缺点，本发明的目的之一在于提供一种用于改善摩擦件表面抗磨性的润滑油，所述润滑油包括：基础油、蛇纹石矿粉和纳米氮化硼颗粒，其中，蛇纹石矿粉占润滑油的重量百分含量为0.01～15%，纳米氮化硼颗粒占润滑油的重量百分含量为0.001～5%。

蛇纹石粉的化学成分为Mg₆[Si₄O₁₀](OH)₈，在摩擦过程中的高温高压环境下会发生分解，其中的MgO、SiO₂与摩擦时产生的磨屑发生复合反应，长时间的摩擦会在摩擦件表面上直接生成一层含Mg和Si元素的均匀保护层，从而改善材料表面质量，提升润滑油的摩擦性能。

纳米氮化硼颗粒本身是一种固体润滑剂，作为润滑油添加剂，主要是通过对摩擦件间的物理隔离作用，降低摩擦件间的直接接触，从而提升润滑油的摩擦学性能，改善润滑效果。

在摩擦过程中，当蛇纹石矿粉与纳米氮化硼颗粒同时存在时，在提高润滑油产品抗磨减摩性能的同时，一方面由于蛇纹石矿粉与磨屑的相互作用会在摩擦件表面形成保护层实现自修复，另一方面纳米氮化硼与蛇纹石矿粉的复合作用会加快摩擦件表面保护层的形成时间，提高保护层的自修复的速度。蛇纹石矿粉和纳米氮化硼颗粒的协同效应使得本发明的润滑油具有优异的润滑效果，改善材料表面质量，提升润滑油的摩擦性能。

所述蛇纹石矿粉占润滑油的重量百分含量例如为0.05%、0.2%、0.5%、1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%、9%、10%、11%、12%、13%或14%。

所述纳米氮化硼颗粒占润滑油的重量百分含量例如为0.05%、0.2%、0.5%、1%、2%、3%、4%或5%。

所述蛇纹石矿粉占润滑油的重量百分含量为0.1～12%，优选1～10%。

优选地，所述蛇纹石矿粉经过表面处理，所述表面处理采用的表面活性剂为油酸、司班80、吐温80、阿拉伯树胶或十二烷基苯磺酸钠中的任意一种或至少两种的混合物，优选为油酸。

优选地，所述表面活性剂的重量是蛇纹石矿粉的重量的0.1～8%，例如0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%、3.5%、4%、4.5%、5%、5.5%、6%、6.5%、7%或7.5%，优选0.5～6%。

优选地，所述蛇纹石矿粉为片层状粉末，其粒径为至少过100目筛。

优选地，所述纳米氮化硼颗粒为片层状六方晶型，片层直径小于100nm。

优选地，所述纳米氮化硼颗粒占润滑油的重量百分含量为0.01～2%，优选0.1～1%。

优选地，所述润滑油还包括分散剂，所述分散剂的添加量是纳米氮化硼颗粒重量的5～100%，例如10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%或95%，优选12～92%。

优选地，所述分散剂为油酸、司班80、吐温80、阿拉伯树胶或十二烷基苯磺酸钠中的任意一种或至少两种的混合物。根据所添加纳米氮化硼颗粒种类的不同，选择不同的分散剂。

所述基础油为已知材料，例如合成基础油，加氢基础油，溶剂精制矿物油以及不属于上述3种分类的其他基础油。

可选地，所述基础油也可以用市场所购买的各类传统润滑油来替代。

本发明的目的之二在于提供一种如上所述的用于改善摩擦件表面抗磨性的润滑油的制备方法，所述方法包括如下步骤：

（1）将蛇纹石矿粉、纳米氮化硼颗粒以及可选地分散剂混合后研磨；

（2）向步骤（1）得到的研磨后的混合物中加入基础油，均质化处理，得到用于改善摩擦件表面抗磨性的润滑油。

优选地，步骤（1）前进行如下步骤：

（1’）采用表面活性剂对蛇纹石矿粉进行表面处理。

优选地，步骤（1’）前进行如下步骤：

（1”）对蛇纹石矿粉进行预处理。

优选地，（1”）包括如下步骤：

1）对蛇纹石矿粉进行研磨和过筛；

2）用40～90℃的热水，对蛇纹石矿粉进行剪切分散和1～10次漂洗，以除去废油和有机杂质；

3）用水漂洗后真空烘干；

4）烘干后对蛇纹石矿粉进行研磨。

优选地，步骤1）中过筛以得到至少通过100目筛的蛇纹石矿粉。

优选地，步骤2）中所述剪切分散使用高速分散机，其以强力剪切分散蛇纹石矿粉，同时对蛇纹石矿粉进行漂洗，在分散和漂洗过程中，高速分散机的转速不低于2000r/min，使用热水漂洗次数不低于两次，每次漂洗时间不低于0.5min。

步骤3）可使用纯净水进行漂洗。

优选地，步骤（1）蛇纹石矿粉、纳米氮化硼颗粒以及分散剂的研磨时间均独立地不低于8min。

优选地，步骤（2）中所述均质化处理为通过高速分散机进行强力剪切分散；所述高速分散机的转速为2000～12000r/min，优选2500～12000r/min；所述分散时间为5～80min。

示例性的一种如上所述的用于改善摩擦件表面抗磨性的润滑油的制备方法，所述方法依次包括如下步骤：

（1”）对蛇纹石矿粉进行预处理；

（1’）采用表面活性剂对蛇纹石矿粉进行表面处理；

（1）将蛇纹石矿粉、纳米氮化硼颗粒以及分散剂混合后研磨；

上述制备方法是指将适量的蛇纹石矿粉，通过添加相应的表面活性剂对其进行表面处理，再加入适量的纳米氮化硼颗粒以及分散剂，利用高速分散机以强力剪切分散的方式使氮化硼纳米颗粒均匀分散到基础油中。所制备的润滑油可直接应用于润滑工艺。

与CN101260337A相比，除了润滑油具体组成不同外，制备过程也明显不同。本发明所述润滑油可用于减少摩擦和磨损。而且，本发明采用了干法混合，制备了纳米级的润滑油，不仅可以改善润滑油的摩擦学性能，同时也能在铁基摩擦件表面快速形成均匀的保护层，有效的改善材料的表面质量，提高摩擦学性能。

所述用于改善摩擦件表面抗磨性能的润滑油，具有优异的稳定性和分散性，并且具有优异的抗磨减磨效果。所述润滑油在摩擦件表面使用一段时间后，可形成一层坚固的摩擦保护膜，保护膜一旦形成，一方面可以降低摩擦件磨损程度，另一方面在后续的摩擦过程中可更换基础油，从而有效降低由于长期使用含固体颗粒的润滑油造成的油路阻塞。

附图说明

图1为实施例1与对比例中所采用的蛇纹石矿粉的TEM图片。

图2为实施例1中所采用的纳米氮化硼颗粒的TEM图片。

图3为实施例1试验过程中的摩擦系数对比情况。

图4为金相显微镜下实施例1中摩擦件磨痕截面图。

图5为对比例试验过程中的摩擦系数对比情况。

图6是本发明的一个实施方案的工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

实施例1

一种用于改善摩擦件表面抗磨性的润滑油，包括：基础油、蛇纹石矿粉、纳米氮化硼颗粒及分散剂司班80，其中基础油的质量为30kg，蛇纹石矿粉的质量为1.5kg，纳米氮化硼颗粒的质量为30g，司班80的质量为30g。

该润滑油的制备方法为：1)对蛇纹石矿粉进行预处理：对蛇纹石矿粉研磨，过100目筛，用90℃的热水，使用高速分散机以3000r/min的转速对蛇纹石矿粉进行剪切分散进行5次漂洗，每次漂洗时间为1min。之后真空烘干，重新研磨至粉状。2)采用50g的表面活性剂油酸对预处理后的蛇纹石矿粉进行表面处理。3）将经表面处理后的蛇纹石矿粉、纳米氮化硼颗粒及司班80混合后研磨。4）向上述步骤得到的研磨后的混合物中加入基础油，均质化处理，得到用于改善摩擦件表面抗磨性的润滑油。

摩擦件的主要成分为Fe，此外，还含有0.42～0.50%的C、0.17～0.37%的Si、0.50～0.80%的Mn、≤0.25%的Cr、≤0.30%的Ni以及≤0.25%的Cu。试验条件为上试样转速300rpm，试验负荷500N，试验温度从室温起，实时监测摩擦过程中摩擦系数的变化，试验时间依摩擦系数的变化而定。当摩擦系数稳定且不再降低时，改用基础润滑油继续试验10h左右，观察比较摩擦系数的变化情况。图3所示为使用该实施例1所制备的润滑油与基础油在同样试验条件下摩擦系数系数变化情况对比。可以看到，使用实施例1所制备的润滑油试验10h后便出现了摩擦系数急剧降低的现象，且改用基础油继续试验的过程，摩擦系数始终保持在0.01以下。金相显微镜下观察磨痕截面，如图4所示。试验结果可以证实，所述润滑油可以有效提高基础油的减摩抗磨性能，且在较短时间内便可在摩擦件表面形成一层厚度约为50～80μm的坚固的摩擦保护膜，这层摩擦保护膜比较牢固，且一旦形成之后，便可改用基础油继续进行试验，这样可降低在实际工程使用过程中由于添加固体颗粒而造成的油路堵塞程度。

实施例2

一种用于改善摩擦件表面抗磨性的润滑油，包括：基础油、蛇纹石矿粉、纳米氮化硼颗粒及分散剂司班80，其中基础油的质量为30kg，蛇纹石矿粉的质量为3g，纳米氮化硼颗粒的质量为0.3g，司班80的质量为0.015g。

该润滑油的制备方法为：1)对蛇纹石矿粉进行预处理：对蛇纹石矿粉研磨，过100目筛，用90℃的热水，使用高速分散机以2000r/min的转速对蛇纹石矿粉进行剪切分散进行5次漂洗，每次漂洗时间为1min。之后真空烘干，重新研磨至粉状。2)采用0.003g的表面活性剂油酸对预处理后的蛇纹石矿粉进行表面处理。3）将经表面处理后的蛇纹石矿粉、纳米氮化硼颗粒及司班80混合后研磨。4）向上述步骤得到的研磨后的混合物中加入基础油，均质化处理，得到用于改善摩擦件表面抗磨性的润滑油。

摩擦件的主要成分为Fe，此外，还含有0.42～0.50%的C、0.17～0.37%的Si、0.50～0.80%的Mn、≤0.25%的Cr、≤0.30%的Ni以及≤0.25%的Cu。试验条件为上试样转速300rpm，试验负荷500N，试验温度从室温起，实时监测摩擦过程中摩擦系数的变化，试验时间依摩擦系数的变化而定。当摩擦系数稳定且不再降低时，改用基础润滑油继续试验10h左右，观察比较摩擦系数的变化情况。对比实施例2所制备的润滑油与基础油在同样试验条件下摩擦系数系数变化情况，使用实施例2所制备的润滑油试验55h后便出现了摩擦系数急剧降低的现象，且改用基础油继续试验的过程，摩擦系数始终保持在0.01以下，试验结果可以证实，所述润滑油可以有效提高基础油的减摩抗磨性能，且在较短时间内便可在摩擦件表面形成一层厚度约为20～40μm的坚固的摩擦保护膜，这层摩擦保护膜比较牢固，且一旦形成之后，便可改用基础油继续进行试验，这样可降低在实际工程使用过程中由于添加固体颗粒而造成的油路堵塞程度。

实施例3

一种用于改善摩擦件表面抗磨性的润滑油，包括：基础油、蛇纹石矿粉、纳米氮化硼颗粒及分散剂司班80，其中基础油的质量为30kg，蛇纹石矿粉的质量为4.5kg，纳米氮化硼颗粒的质量为1.5kg，司班80的质量为1.5kg。

该润滑油的制备方法为：1)对蛇纹石矿粉进行预处理：对蛇纹石矿粉研磨，过100目筛，用90℃的热水，使用高速分散机以12000r/min的转速对蛇纹石矿粉进行剪切分散进行5次漂洗，每次漂洗时间为1min。之后真空烘干，重新研磨至粉状。2)采用360g的表面活性剂油酸对预处理后的蛇纹石矿粉进行表面处理。3）将经表面处理后的蛇纹石矿粉、纳米氮化硼颗粒及司班80混合后研磨。4）向上述步骤得到的研磨后的混合物中加入基础油，均质化处理，得到用于改善摩擦件表面抗磨性的润滑油。

摩擦件的主要成分为Fe，此外，还含有0.42～0.50%的C、0.17～0.37%的Si、0.50～0.80%的Mn、≤0.25%的Cr、≤0.30%的Ni以及≤0.25%的Cu。试验条件为上试样转速300rpm，试验负荷500N，试验温度从室温起，实时监测摩擦过程中摩擦系数的变化，试验时间依摩擦系数的变化而定。当摩擦系数稳定且不再降低时，改用基础润滑油继续试验10h左右，观察比较摩擦系数的变化情况。对比实施例3所制备的润滑油与基础油在同样试验条件下摩擦系数系数变化情况，使用实施例3所制备的润滑油试验10h后便出现了摩擦系数急剧降低的现象，且改用基础油继续试验的过程，摩擦系数始终保持在0.01以下，试验结果可以证实，所述润滑油可以有效提高基础油的减摩抗磨性能，且在较短时间内便可在摩擦件表面形成一层厚度约为80～90μm的坚固的摩擦保护膜，这层摩擦保护膜比较牢固，且一旦形成之后，便可改用基础油继续进行试验，这样可降低在实际工程使用过程中由于添加固体颗粒而造成的油路堵塞程度。

对比例

所用润滑油不含纳米氮化硼颗粒，包括：基础油、蛇纹石矿粉及分散剂司班80，其中基础油的质量为30kg，蛇纹石矿粉的质量为1.5kg，司班80的质量为30g。

该润滑油的制备方法为：1)对蛇纹石矿粉研磨，过100目筛，用90℃的热水，使用高速分散机以3000r/min的转速对蛇纹石矿粉进行剪切分散进行5次漂洗，每次漂洗时间为1min。之后真空烘干，重新研磨至粉状。2)采用50g的表面活性剂油酸对预处理后的蛇纹石矿粉进行表面处理。3）将经表面处理后的蛇纹石矿粉及司班80混合后研磨。4）向上述步骤得到的研磨后的混合物中加入基础油，均质化处理，得到不含纳米氮化硼的润滑油。

对其进行摩擦学性能测试，所用摩擦件其主要成分为Fe，此外，还含有0.42～0.50%的C、0.17～0.37%的Si、0.50～0.80%的Mn、≤0.25%的Cr、≤0.30%的Ni以及≤0.25%的Cu。试验条件为上试样转速300rpm，试验负荷500N，试验温度从室温起，实时监测摩擦过程中摩擦系数的变化，试验时间依摩擦系数的变化而定。当摩擦系数稳定且不再降低时，改用基础油继续试验10h左右，观察比较摩擦系数的变化情况。图5所示为使用该对比例所制备的润滑油与实施例1所制备的润滑油在同样试验条件下摩擦系数系数变化情况对比。可以看到，使用对比例所制备的润滑油在试验55h后，才出现摩擦系数急剧降低，且连续9小时保持较低的摩擦系数状态，之后改用基础油继续试验11h，摩擦系数始终保持在0.01以下。

结合对比例与实施例试验过程中的摩擦系数的变化情况，可以看到，纳米氮化硼颗粒添加后与添加前相比，摩擦系数出现急剧降低的时间明显提前，可以证实，纳米氮化硼与蛇纹石矿粉的复合作用加快了摩擦件表面保护层的形成时间，从而提高保护层的自修复的速度。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims

1.一种润滑油，其特征在于，所述润滑油包括：基础油、蛇纹石矿粉和纳米氮化硼颗粒，其中，蛇纹石矿粉占润滑油的重量百分含量为0.01～15％，纳米氮化硼颗粒占润滑油的重量百分含量为0.001～5％；

所述润滑油还包括分散剂，所述分散剂的添加量是纳米氮化硼颗粒重量的5～100％；

所述分散剂为司班80、吐温80或阿拉伯树胶中的任意一种或至少两种的混合物。

2.如权利要求1所述的润滑油，其特征在于，所述蛇纹石矿粉占润滑油的重量百分含量为0.1～12％。

3.如权利要求1或2所述的润滑油，其特征在于，所述蛇纹石矿粉占润滑油的重量百分含量为1～10％。

4.如权利要求1所述的润滑油，其特征在于，所述蛇纹石矿粉经过表面处理，所述表面处理采用的表面活性剂为油酸、司班80、吐温80、阿拉伯树胶或十二烷基苯磺酸钠中的任意一种或至少两种的混合物。

5.如权利要求4所述的润滑油，其特征在于，所述表面处理采用的表面活性剂为油酸。

6.如权利要求4所述的润滑油，其特征在于，所述表面活性剂的重量是蛇纹石矿粉的重量的0.1～8％。

7.如权利要求6所述的润滑油，其特征在于，所述表面活性剂的重量是蛇纹石矿粉的重量的0.5～6％。

8.如权利要求1所述的润滑油，其特征在于，所述蛇纹石矿粉为片层状粉末，其粒径为至少过100目筛。

9.如权利要求1或2所述的润滑油，其特征在于，所述纳米氮化硼颗粒占润滑油的重量百分含量为0.01～2％。

10.如权利要求9所述的润滑油，其特征在于，所述纳米氮化硼颗粒占润滑油的重量百分含量为0.1～1％。

11.如权利要求1所述的润滑油，其特征在于，所述纳米氮化硼颗粒为片层状六方晶型，片层直径小于100nm。

12.如权利要求1所述的润滑油，其特征在于，所述分散剂的添加量是纳米氮化硼颗粒重量的12～92％。

13.一种如权利要求1-12之一所述的润滑油的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)将蛇纹石矿粉、纳米氮化硼颗粒以及分散剂混合后研磨；

(2)向步骤(1)得到的研磨后的混合物中加入基础油，均质化处理，得到用于改善摩擦件表面抗磨性的润滑油。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，步骤(1)前进行如下步骤：

(1’)采用表面活性剂对蛇纹石矿粉进行表面处理。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，步骤(1’)前进行如下步骤：

(1”)对蛇纹石矿粉进行预处理。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，步骤(1”)包括如下步骤：

1)对蛇纹石矿粉进行研磨和过筛；

2)用40～90℃的热水，对蛇纹石矿粉进行剪切分散和1～10次漂洗；

3)用水漂洗后真空烘干；

4)烘干后对蛇纹石矿粉进行研磨。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，步骤1)中过筛以得到至少通过100目筛的蛇纹石矿粉。

18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，步骤2)中所述剪切分散使用高速分散机，高速分散机的转速不低于2000r/min，漂洗次数不低于两次，每次漂洗时间不低于0.5min。

19.如权利要求13所述的方法，其特征在于，步骤(1)蛇纹石矿粉、纳米氮化硼颗粒以及分散剂的研磨时间均独立地不低于8min。

20.如权利要求13所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述均质化处理为通过高速分散机进行强力剪切分散；所述高速分散机的转速为2000～12000r/min；所述分散时间为5～80min。

21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述高速分散机的转速为2500～12000r/min。