超细重质碳酸钙与纳米碳酸钙的摩擦性能对比研究

环保的无机化合物，被广泛应用于造纸、建材、日用化工、涂料、医药、化妆品、密封材料等各个行业[1]。原材料获取容易，主要来源于天然方解石、石灰石、白垩、大理石[2]。由于其绿色、环境友好和具有良好的承载能力的特点，逐渐被应用于润滑剂领域。通过机械方法直接破碎天然方解石、石灰石等矿石进行直接研磨得到所需要细度的粉体，称为重质碳酸钙，重质碳酸钙粉体细度在2～10 µm之间，称为超细碳酸钙（简称UGCC）。将石灰石等原材料经过煅烧成石灰，再由一系列化学方法生成碳酸钙沉淀，最后经脱水、粉碎制得所需的碳酸钙粉体称为轻质碳酸钙，经过化学方法制备的碳酸钙粒子粒径小于100 nm，称为纳米级碳酸钙（简称NPCC）。随着人们对环保问题的关注，润滑材料及其添加剂造成的环境污染问题受到高度重视[3， 4]，因此，未来的润滑技术一定兼顾着高效、绿色环保的多重要求[5]。由于碳酸钙原材料易得且成本低廉，在考虑到环境友好和制备成本的情况下，选用碳酸钙为原料作为环保润滑材料添加剂。自从纳米材料问世以来，因其独特的物理化学性能，被广泛关注并应用于各个领域[6]。近年来，大量的研究也已经表明，纳米材料作为润滑材料添加剂可以显著提高基础油的减摩抗磨性能[7]。NPCC作为润滑材料添加剂的研究也引起了大家的关注。MingZhang等[8]、Xianbing Ji等人[9]分别考察了NPCC粒子作为基础油添加剂时的摩擦学性能，结果表明，NPCC能够有效改善基础油的摩擦学性能。虽然碳酸钙作为润滑材料添加剂的研究不少，但是主要集中在NPCC的研究，而对UGCC添加剂摩擦学性能的研究基本空白。NPCC因具有特殊的物理结构以及比表面积大、表面活化能高的特点[10]，使其在分散稳定性和耐腐性等方面存在些许不足[11]。而UGCC粒子具有很好的稳定性、较低的硬度和很好的韧性，多种优良性能的组合可以展现更好地润滑效果[12]。

近年来，UGCC因其稳定性好、白度高、硬度低、分散性好等优点受到越来越多的关注。因此，本文选用UGCC作为基础油添加剂与NPCC进行实验对比，根据摩擦学实验对比，结果表明：UGCC具有比NPCC更优异的抗磨减摩性能。

1  实验部分

1.1  试验材料与仪器

BSM-220.4型号天平，上海卓精电子科技有限公司; FJ200-S实验室分散匀质机，上海昂尼仪器仪表有限公司; KQ-100KDE超声清洗器，昆山市超声仪器有限公司; 78-1A型磁力加热搅拌器，杭州仪表电机有限公司; MR-S10G型杠杆四球摩擦试验机，济南时代试金试验机厂; CCM-600E型光学显微镜，上海长方光学仪器有限公司;S-3400N型号扫描电子显微镜， 日本日立公司;石油醚，AR，广东光华科技股份有限公司;已改性NPCC与UGCC，广西华纳新材料科技有限公司;基础油（美孚PAO6），埃克森美孚公司。

1.2  油样的制备

本实验采用美孚公司生产的PAO6基础油作为试验用油，其基本性能参数如表1所示。取基础油（PAO6）40 g，分别加入不同添加量的UGCC粉体（质量分数分别为0.01%、0.03%、0.05%、0.1%），用FJ200-S实验室分散匀质机进行分散（转速为3 300 r/min，分散时间90 min）。待粉体分散后，用78-1A磁力加热搅拌器进行加热搅拌（加热温度70 ℃，加热时间60 min）。得到UGCC油样，立即进行实验测定。同理配制出不同质量分数的NPCC油样。

1.3  抗磨损性能实验

采用济南时代试金试验机厂生产的MR-S10G型杠杆四球摩擦试验机考察NPCC与UGCC的抗磨损性能（设置载荷为 392 N，转速为1 200 r/min， 温度75 ℃， 试验时间60 min。操作方法按SH/T0189- 1992进行）。试验所用钢球均为GCr15标准钢球（AISI-52100）， 直径为12.7 mm， 硬度为HRC64～66（钢球选用按GB/T 308标准实施）。试验结束后，用读数显微镜（精度±0.01 mm）测量3个试球的磨斑直径， 取平均值作为磨斑直径测定值。用CCM-600E型光学显微镜（SEM）观察试验钢球的磨斑形貌。

2  结果与分析

2.1  NPCC与UGCC形态与粒径观察

图1为NPCC 与UGCC在S-3400N型号扫描电子显微镜下的粉体形貌，图中可以看出：NPCC粉体基本呈球状，其粒径在80～90 nm左右;UGCC粉体粒径7～9μm左右，粉体呈不规则六面体，粉体大小基本均匀。

2.2  NPCC与UGCC摩擦学性能对比分析

图2示出了磨斑直径随着NPCC添加量的变化曲线。图2中可以看出：空白基础油磨斑直径均值为0.492 mm。NPCC质量分数为0.03%时，曲线达到了最低谷，此时磨斑直径为0.428，较空白基础油降低了13.0%。当NPCC添加量增加到0.05%时，曲线反而回升，磨斑直径又增大到0.492 mm，质量分数继续增大到0.1%时，磨斑直径已经达到0.496 mm，抗磨效果反而变差。因此，当NPCC质量分数为0.03% 时的基础油磨斑直径，较之其他几个含有不同质量分数NPCC的基础油最小。

图3为磨斑直径随着UGCC添加量的变化曲线。空白基础油的磨斑直径为0.492 mm。基础油中UGCC的质量分数为0.03%时，磨斑直径为0.420，较之空白基础油磨斑直径降低了14.6%。UGCC质量分数为0.05%时，磨斑直径又增大到0.458 mm，UGCC质量分数为0.1%时，磨斑直径已经达到0.493 mm。因此，实验说明：基础油中UGCC质量分数为0.03%时，具有更好的抗磨性能。

图4示出NPCC摩擦系数随时间变化的曲线。

如图4所示：空白基础油摩擦系数约为0.046。含有0.01%NPCC的基础油，摩擦系数降低但不明显，NPCC质量分数为0.03%时，摩擦曲线波动较平缓，摩擦系数约为0.031，较之空白基础油有明显的下降。NPCC粒子质量分数为0.05%的基础油，摩擦曲线波动剧烈，摩擦系数反而增大。结果说明：当基础油中NPCC质量分数为0.03%时，具有很好的减摩效果。

图5示出UGCC摩擦系数随时间变化的曲线，如图所示：空白基础油摩擦系数约为0.046，摩擦曲线波动范围大，加入0.01%UGCC的基础油较之空白基础油摩擦系数有所降低，但不明显。加入0.03%UGCC的基础油摩擦曲线变平缓，摩擦系数明显降低，约为0.027。加入0.05%UGCC的基础油，摩擦系数对比之前反而增大，当基础油含有的UGCC质量分数为0.1%时，摩擦曲线波动剧烈，摩擦系数明显增大。结果表明： UGCC的质量分数为0.03%时，达到优良的减摩效果。

2.3  最大无卡咬负荷的测定

图6为空白基础油与各种添加剂百分含量为0.03%时的最大无卡咬负荷（PB值）（实验方法按照国家标准GB/T12583-1998实施）。如图所示：空白基础油的PB值为667 N，NPCC与UGCC含量为0.03%时，PB值均为726 N。由此可以看出，NPCC与UGCC作为基础油添加剂均具有更好的极压性能。

2.4  结果对比分析

根据实验结果对比分析：加入NPCC与UGCC质量分数为0.03%时，均具有良好的抗磨减摩性能，此时通过对二者磨斑直径、摩擦系数和PB值的对比，可以看出： UGCC具有更优异的的摩擦学性能。为探究其二者的摩擦学性能的差异，通过CCM-600E型光学显微镜对磨斑表面进行了观察，图7为空白基础油和添加量0.03%的NPCC与UGCC的磨斑形貌。

从图7（a）可以看出，钢球磨斑表面有较严重的划伤，磨痕明显且有很深的犁沟。比较图（a），图（b）钢球磨斑表面划伤减缓，磨痕也变浅。图（c）对比图（a）与图（b），磨斑表面光滑，基本无划伤，磨痕也更浅，抗磨减摩效果显著。说明UGCC粉体具有更加优异的摩擦学性能。

NPCC粉体的粒径在80～90 nm之间，呈球状。摩擦進行时，NPCC粉体进入摩擦区域，沉积在钢球表面，并形成一层润滑膜，该润滑膜可以减少摩擦副直接的接触，由此起到抗磨减摩的作用。因为NPCC具有较高表面活化能，使其粉体易团聚，所以随着添加量的增加，过多的粉体在钢球表面沉积，团聚在一起形成大颗粒，造成润滑膜的连续性减弱，使摩擦学性能降低。太少量的NPCC不足以在钢球表面形成润滑膜，因此，不能够达不到好的抗磨减摩效果。

UGCC粉体粒径在7～9μm左右，粉体呈不规则的六面体，UGCC亦能在钢球表面形成较好的保护膜，降低摩擦副之间的摩擦损耗，从而达到良好的抗磨减摩作用。UGCC较之NPCC粒径大且具有较低的硬度，具有更好的韧性，形成的保护膜从而具有更好的抗磨减摩能力。UGCC较之NPCC有更好的热稳定性和耐腐蚀性，使在复杂的摩擦环境以及摩擦过程中产生的热量等作用下，仍具有较好的耐腐蚀性和抗磨减摩能力。二者润滑效果与其粉体形状有关，在润滑过程中， NPCC与UGCC均起到类似轴承滚珠的作用，降低了摩擦副之间的摩擦磨损。呈球状的NPCC硬度较高，且球状粒径相对于钢球表面摩擦小，不能很好的对其表面凹处进行修复，而UGCC硬度相对较低，粉体呈不规则六面体，能够更加有效地对钢球表面沟壑进行填补和修复，协同其更好的韧性，能够更加有效发挥其抗磨减摩性。UGCC粉体粒径达到微米级别，同样具备微观粒子的物理特性，具备更加优异的抗磨减摩性能。

3  结 论

（1）分别配制出的含有NPCC的基础油和含有UGCC的基础油均具有很好的抗磨减摩性能，且UGCC的抗磨性能较之NPCC的抗磨减摩性能更好。

（2）配制的基础油中的UGCC的质量分数为0.03%时，磨斑直径从0.492 mm降到0.420 mm，降低了14.6%。摩擦系数从0.046左右降到0.027。

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