CN108410542B - 一种高速摩擦金属面纳米改性材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高速摩擦金属面纳米改性材料及其制备方法，包括纳米独居石13份～25份，纳米硫酸钡7份～15份、纳米氟碳铈13份～25份、纳米镧钒褐帘石21份～45份、纳米分散剂2份～6份、纳米表面改性剂2份～5份组成。本发明有益效果为将本品在润滑油(脂)生产的时候作为新型添加剂，既能立刻改善润滑油的自身性能，又能对金属摩擦面具有显著修复功能。

Description

一种高速摩擦金属面纳米改性材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高速摩擦金属面纳米改性材料，属于金属表面改性技术领域，特别是涉及一种高速摩擦金属面纳米改性材料及其制备方法。
背景技术
设备的转动摩擦装置尤其是以钢材为基材的转动摩擦装置在高速运行时，会产生强烈的摩擦，所以要采用润滑油(脂)等来减轻摩擦阻力，但是，必须定期更换润滑系物质，并且定期维修处于摩擦状态的部件，否则，装置运行时互相摩擦部位的部件所配合的活动间隙会越来越大，从而导致设备的运行安全问题、降低运行效率、增加耗能、增加噪音等一系列问题。
上述问题传统的解决方法，一是提升摩擦部件的基材性能，二是提升润滑油(脂)的润滑性能。
其中，传统的提升润滑油(脂)的润滑性能，包括两个部分技术：
一是在润滑油(脂)中添加增滑改性剂，此类技术的原理是在摩擦副之间的接触面上形成润滑膜，厚度是几纳米到几十纳米，可降低摩擦副之间的摩擦系数，减小摩擦阻力，其功效是等同于提升润滑油的润滑指数与润滑性能，延长润滑油的使用寿命，本质上是对润滑油自身的优化改性，但是对摩擦创面的修复功能比较弱。
二是在润滑油(脂)中添加无机修复材料(如蛇纹石，硼酸盐等)，此类技术的原理是通过摩擦副之间运行能量(闪温)使分散在润滑油(脂)中的上述物质与基面发生很缓慢的反应(一般需要几个月)，在接触面上形成类似陶瓷合金膜，厚度是几十纳米到几十微米不等，能不断的对摩擦创面进行修复，主要特点是长期修复功能比较强，但是功效比较缓慢，本质上是对摩擦基面的优化改性，对润滑油(脂)的优化比较弱，不能马上提升润滑油(脂)的润滑性能，在其合金膜生成的过程中，润滑油的运行状态改善不大，润滑性能会正常衰减，等到合金膜生成以后，由于摩擦系数的大大降低，摩擦能也随之减小，也会延长润滑油(脂)的使用寿命，但真正原因是摩擦运动的正常运行对润滑油的性能要求比合金膜生成前降低了，而不是润滑油的性能改善了。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高速摩擦金属面纳米改性材料及其制备方法，保证既能立刻改善润滑油的自身性能，又能具有显著修复功能的方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种高速摩擦金属面纳米改性材料及其制备方法，包括纳米独居石13份～25份，纳米硫酸钡7份～15份、纳米氟碳铈13份～25份、纳米镧钒褐帘石21份～45份、纳米分散剂2份～6份、纳米表面改性剂2份～5份。
所述纳米独居石为精选的纳米独居石粉体，粒径100nm～200nm。
所述纳米硫酸钡为表面硅烷改性纳米硫酸钡。
所述的纳米氟碳铈是粒径200nm～500nm的纳米氟碳铈抛光粉。
所述的纳米镧钒褐帘石是用醇水(去离子水)水洗的纳米镧钒褐帘石，粒径300nm～800nm。
所述的纳米分散剂是纳米氧化硅铝磁化晶高效无机粉末分散剂。
所述的纳米表面改性剂是十二烷基硫酸钠(SDS)。
一种高速摩擦金属面纳米改性材料的制备方法，所述制备方法包括有以下步骤：
步骤1：将独居石矿石进行浮选、磁选，三级破碎，研磨成5000目～8000目(1～3um)，然后进行超声波粉碎，成100nm粉体，备用；
步骤2：用KH-550硅烷偶联剂对纳米硫酸钡表面进行有机包覆，在反应釜中加入无水乙醇、纳米硫酸钡和相应比例的硅烷偶联剂，通入N2，在N2气流下升温至85℃并搅拌反应6h。反应结束后，产物趁热真空抽滤，经超声分散(超声介质为水、无水乙醇；时间为30min)、离心洗涤(介质：水、无水乙醇；时间：25min)后，于105℃干燥12h，冷却后待用；
步骤3：采购粒径200nm～500nm的纳米氟碳铈抛光粉；
步骤4：使用无水乙醇与去离子水(5∶1)混合，洗涤镧钒褐帘石矿粉，过滤，烘干，研磨成5000目～8000目(1～3um)，然后进行超声波粉碎，制成纳米级粉体，粒径300nm～800nm，备用；
步骤5：采购纳米氧化硅铝磁化晶粉末分散剂与十二烷基硫酸钠粉末；
步骤6：将上述纳米独居石粉末13份～25份，纳米硫酸钡7份～15份、纳米氟碳铈13份～25份、纳米镧钒褐帘石21份～45份、纳米分散剂2份～6份、纳米表面改性剂2份～5份用粉末混合机进行分散混合，即得所述高速摩擦金属面纳米改性材料。
本发明所采用的技术是将几种纳米材料组份按一定比例分散于原来的润滑体系中，利用这些纳米粒子在润滑系中的滚珠效应与螯合效应，在增加原润滑系的润滑效果、延长润滑油使用寿命的前提下，不断与金属摩擦表面发生渗入、螯合反应，使正在摩擦的表面缓慢的生成极度平滑、坚硬、耐腐的无机镀晶层，使得设备磨合间隙逐渐达到最精密的状态，随着摩擦面的摩擦系数越来越小，反应与增长逐渐停止，使设备的摩擦面达到最佳的运行状态，即使原来已经有磨损的地方，会和其他部位一样，逐渐增生到完全一致的摩擦间隙。
本发明与现有技术相比，其有益效果为：
将本品在润滑油(脂)生产的时候作为新型添加剂，既能立刻改善润滑油的自身性能，又能对金属摩擦面具有显著修复功能。
其原理在于：纳米独居石含Ce2O3 25％～30％，La2O3 20％～30％，同时，ThO2含量最多可达30％，这些铈族稀土元素比常规金属氧化物高一个能量级，纳米镧钒褐帘石含有大量的稀土镧和稀有金属钒，同时纳米级粉体又具有高活性，这些高活性的稀土纳米粒子在高速摩擦中，与金属表面极易发生渗入与螯合反应，这是个复杂的物理与化学过程，属于深度络合，这其中大部分成因是摩擦的闪能与稀土纳米粒子的高能量融合作用产生的，而纳米氟碳铈抛光粉在这里的作用不是简单的抛光作用，而是参与到上述螯合体系中，增加螯合层的硬度、光洁度、降低生成物的表面摩擦系数等作用。
纳米硫酸钡作为助剂会加速上述反应与沉积。
纳米氧化硅铝磁化晶粉末分散剂与十二烷基硫酸钠粉末是用来将整个粉体在应用时良好的分散于润滑体系中，是上述反应平衡而均匀。
更有利的是这些纳米粉体在螯合反应前，会在润滑油(脂)中呈现滚珠效应，增加了润滑指数，提高了润滑油(脂)的润滑性能，大大减轻了摩擦中对润滑油(脂)的污染与降效，从而延长了润滑油(脂)的使用寿命。
本发明实现了提升润滑与增膜修复双重功效的同期进行。
附图说明
图1为本发明的生产流程图；
图2为本发明的作用机理图；
图中：1、摩擦面；2、润滑油；3、纳米粒子
具体实施方式
如图1和2所示，本发明公开了一种高速摩擦金属面纳米改性材料的制备方法。
一种高速摩擦金属面纳米改性材料及其制备方法，包括纳米独居石13份～25份，纳米硫酸钡7份～15份、纳米氟碳铈13份～25份、纳米镧钒褐帘石21份～45份、纳米分散剂2份～6份、纳米表面改性剂2份～5份。
所述纳米独居石为精选的纳米独居石粉体，粒径100nm～200nm。
所述纳米硫酸钡为表面硅烷改性纳米硫酸钡。
所述的纳米氟碳铈是粒径200nm～500nm的纳米氟碳铈抛光粉。
所述的纳米镧钒褐帘石是用醇水(去离子水)水洗的纳米镧钒褐帘石，粒径300nm～800nm。
所述的纳米分散剂是纳米氧化硅铝磁化晶高效无机粉末分散剂。
所述的纳米表面改性剂是十二烷基硫酸钠(SDS)。
一种高速摩擦金属面纳米改性材料的制备方法，所述制备方法包括有以下步骤：
步骤1：将独居石矿石进行浮选、磁选，三级破碎，研磨成5000目～8000目(1～3um)，然后进行超声波粉碎，成100nm粉体，备用；
步骤2：用KH-550硅烷偶联剂对纳米硫酸钡表面进行有机包覆，在反应釜中加入无水乙醇、纳米硫酸钡和相应比例的硅烷偶联剂，通入N2，在N2气流下升温至85℃并搅拌反应6h。反应结束后，产物趁热真空抽滤，经超声分散(超声介质为水、无水乙醇；时间为30min)、离心洗涤(介质：水、无水乙醇；时间：25min)后，于105℃干燥12h，冷却后待用。
步骤3：采购粒径200nm～500nm的纳米氟碳铈抛光粉；
步骤4：使用无水乙醇与去离子水(5∶1)混合，洗涤镧钒褐帘石矿粉，过滤，烘干，研磨成5000目～8000目(1～3um)，然后进行超声波粉碎，制成纳米级粉体，粒径300nm～800nm，备用。
步骤5：采购纳米氧化硅铝磁化晶粉末分散剂与十二烷基硫酸钠粉末。
步骤6：将上述纳米独居石粉末13份～25份，纳米硫酸钡7份～15份、纳米氟碳铈13份～25份、纳米镧钒褐帘石21份～45份、纳米分散剂2份～6份、纳米表面改性剂2份～5份用粉末混合机进行分散混合，即得所述高速摩擦金属面纳米改性材料。
下面通过具体实施例对以上技术方案进行详细介绍。
实施例1：
步骤1：将独居石矿粉250克进行浮选、磁选，三级破碎，研磨成5000目～8000目(1～3um)，然后进行超声波粉碎，成100nm粉体，备用；
步骤2：用KH-550硅烷偶联剂对纳米硫酸钡表面进行有机包覆，在反应釜中加入无水乙醇100克、纳米硫酸钡100克和硅烷偶联剂10，通入N2，在N2气流下升温至85℃并搅拌反应6h。反应结束后，产物趁热真空抽滤，经超声分散(超声介质为无水乙醇；时间为30min)、离心洗涤(介质：无水乙醇；时间：25min)后，于105℃干燥12h，冷却后待用。
步骤3：准备粒径200nm～500nm的纳米氟碳铈抛光粉(广东东纳)180克；
步骤4：使用无水乙醇与去离子水(100克∶20克)混合，镧钒褐帘石矿粉300克，洗涤1小时，过滤，105摄氏度烘干，研磨成5000目～8000目(1～3um)，然后进行超声波粉碎，制成纳米级粉体，粒径300nm～800nm，备用。
步骤5：准备纳米氧化硅铝磁化晶粉末分散剂5克与十二烷基硫酸钠粉末4克。
步骤6：将上述纳米独居石粉末250克，纳米硫酸钡100克、纳米氟碳铈抛光粉180克、纳米镧钒褐帘石300克、纳米氧化硅铝磁化晶粉末分散剂5克、十二烷基硫酸钠粉末4克用粉末混合机进行分散混合，即得所述高速摩擦金属面纳米改性材料。
将该纳米改性材料，分散于汽油机润滑机油中，得到性能如下：
机油摩擦系数为：0.065
摩擦面增膜摩擦系数：0.0059
摩擦面运行20小时，增膜厚度11um
润滑油使用寿命：延长1倍
实施例2：
步骤1：将独居石矿粉180克进行浮选、磁选，三级破碎，研磨成5000目～8000目(1～3um)，然后进行超声波粉碎，成100nm粉体，备用；
步骤2：用KH-550硅烷偶联剂对纳米硫酸钡表面进行有机包覆，在反应釜中加入无水乙醇100克、纳米硫酸钡80克和硅烷偶联剂10，通入N2，在N2气流下升温至85℃并搅拌反应6h。反应结束后，产物趁热真空抽滤，经超声分散(超声介质为无水乙醇；时间为30min)、离心洗涤(介质：无水乙醇；时间：25min)后，于105℃干燥12h，冷却后待用。
步骤3：准备粒径200nm～500nm的纳米氟碳铈抛光粉(广东东纳)150克；
步骤4：使用无水乙醇与去离子水(100克∶20克)混合，镧钒褐帘石矿粉450克，洗涤1小时，过滤，105摄氏度烘干，研磨成5000目～8000目(1～3um)，然后进行超声波粉碎，制成纳米级粉体，粒径300nm～800nm，备用。
步骤5：准备纳米氧化硅铝磁化晶粉末分散剂3克与十二烷基硫酸钠粉末5克。
步骤6：将上述纳米独居石粉末180克，纳米硫酸钡80克、纳米氟碳铈抛光粉150克、纳米镧钒褐帘石450克、纳米氧化硅铝磁化晶粉末分散剂3克、十二烷基硫酸钠粉末5克用粉末混合机进行分散混合，即得所述高速摩擦金属面纳米改性材料。
将该纳米改性材料，分散于汽油机润滑机油中，得到性能如下：
机油摩擦系数为：0.075
摩擦面增膜摩擦系数：0.008
摩擦面运行20小时，增膜厚度18um
润滑油使用寿命：延长1倍
实施例3：
步骤1：将独居石矿粉200克进行浮选、磁选，三级破碎，研磨成5000目～8000目(1～3um)，然后进行超声波粉碎，成100nm粉体，备用；
步骤2：用KH-550硅烷偶联剂对纳米硫酸钡表面进行有机包覆，在反应釜中加入无水乙醇100克、纳米硫酸钡90克和硅烷偶联剂10，通入N2，在N2气流下升温至85℃并搅拌反应6h。反应结束后，产物趁热真空抽滤，经超声分散(超声介质为无水乙醇；时间为30min)、离心洗涤(介质：无水乙醇；时间：25min)后，于105℃干燥12h，冷却后待用。
步骤3：准备粒径200nm～500nm的纳米氟碳铈抛光粉(广东东纳)200克；
步骤4：使用无水乙醇与去离子水(100克∶20克)混合，镧钒褐帘石矿粉250克，洗涤1小时，过滤，105摄氏度烘干，研磨成5000目～8000目(1～3um)，然后进行超声波粉碎，制成纳米级粉体，粒径300nm～800nm，备用。
步骤5：准备纳米氧化硅铝磁化晶粉末分散剂4克与十二烷基硫酸钠粉末6克。
步骤6：将上述纳米独居石粉末200克，纳米硫酸钡90克、纳米氟碳铈抛光粉200克、纳米镧钒褐帘石250克、纳米氧化硅铝磁化晶粉末分散剂4克、十二烷基硫酸钠粉末6克用粉末混合机进行分散混合，即得所述高速摩擦金属面纳米改性材料。
将该纳米改性材料，分散于汽油机润滑机油中，得到性能如下：
机油摩擦系数为：0.061
摩擦面增膜摩擦系数：0.0063
摩擦面运行20小时，增膜厚度15um
润滑油使用寿命：延长1倍
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种高速摩擦金属面纳米改性材料，其特征在于，包括纳米独居石13份～25份，表面硅烷改性纳米硫酸钡7份～15份、纳米氟碳铈13份～25份、纳米镧钒褐帘石21份～45份、纳米氧化硅铝磁化晶高效无机粉末分散剂2份～6份、十二烷基硫酸钠2份～5份。
2.根据权利要求1所述的高速摩擦金属面纳米改性材料，其特征在于，所述纳米独居石为精选的纳米独居石粉体，粒径100nm～200nm。
3.根据权利要求1所述的高速摩擦金属面纳米改性材料，其特征在于，所述的纳米氟碳铈是粒径200nm～500nm的纳米氟碳铈抛光粉。
4.根据权利要求1所述的高速摩擦金属面纳米改性材料，其特征在于，所述的纳米镧钒褐帘石是用质量比为5:1的无水乙醇与去离子水的混合溶液水洗的纳米镧钒褐帘石，粒径300nm～800nm。
5.根据权利要求1所述的高速摩擦金属面纳米改性材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括有以下步骤：
步骤1：将独居石矿石进行浮选、磁选，三级破碎，研磨成5000目～8000目，然后进行超声波粉碎，成100nm粉体，备用；
步骤2：用KH-550硅烷偶联剂对纳米硫酸钡表面进行有机包覆，在反应釜中加入无水乙醇、纳米硫酸钡和相应比例的硅烷偶联剂，通入N2，在N2气流下升温至85℃并搅拌反应6h；反应结束后，产物趁热真空抽滤，经超声分散、离心洗涤后，于105℃干燥12h，冷却后待用，所述超声分散的实验条件为：超声介质为水、无水乙醇，超声时间为30min，所述离心洗涤的实验条件为：介质为水、无水乙醇，时间为25min；
步骤3：采购粒径200nm～500nm的纳米氟碳铈抛光粉；
步骤4：使用质量比为5:1的无水乙醇与去离子水混合，洗涤镧钒褐帘石矿粉，过滤，烘干，研磨成5000目～8000目，然后进行超声波粉碎，制成纳米级粉体，粒径300nm～800nm，备用；
步骤5：采购纳米氧化硅铝磁化晶粉末分散剂与十二烷基硫酸钠粉末；
步骤6：将上述纳米独居石粉末13份～25份，表面硅烷改性纳米硫酸钡7份～15份、纳米氟碳铈13份～25份、纳米镧钒褐帘石21份～45份、纳米氧化硅铝磁化晶高效无机粉末分散剂2份～6份、十二烷基硫酸钠2份～5份用粉末混合机进行分散混合，即得所述高速摩擦金属面纳米改性材料。
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