Page 95 - 摩擦学学报2025年第4期
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第 4 期                         张亚江, 等: 油溶性纳米LaF 3 的抗微点蚀性能研究                                   583

                 surface  were  analyzed  by  scanning  electron  microscopy  and  energy  spectrometry,  which  further  revealed  the
                 micropitting  resistance  mechanism  of  nano  LaF 3 .  The  simulated  contact  fatigue  experiments  and  three-dimensional
                 characterization results showed that the bis(2-ethylhexyl)phosphoric acid (D2EHPA)-modified LaF 3  nanoparticles had
                 excellent resistance to micropitting. The surface analysis results showed that with the increase of load and the extension
                 of experimental time, the micropitting damage on the surface of the gear oil lubricated steel disk became more and more
                 serious, while the addition of LaF 3  nanoparticles made the wear surface smoother and flatter, and the roughness was
                 reduced significantly, effectively inhibiting the emergence and development of micropitting, but the deposition of La and
                 F  elements  was  not  detected  on  the  wear  surface.  Under  the  action  of  contact  pressure  in  the  friction  process,  LaF 3
                 nanoparticles  entered  the  contact  surface,  and  with  the  action  of  shear  force,  the  large  particle  size  nano  LaF 3
                 dynamically  polished  the  friction  surface,  eliminates  the  roughness  peaks  on  the  friction  surface,  made  the  surface
                 smooth,  weakened  the  stress  concentration,  and  reduced  the  shear  force  in  the  friction  process,  thus  inhibiting  the
                 emergence of micropitting on the friction surface.
                 Key words: lanthanum trifluoride; nano additive; boundary lubrication; micro pitting; rolling contact fatigue


                微点蚀俗称“灰斑”,多发生于处在边界或混合润                         磨剂多通过S、P和Cl等元素发挥作用,虽具有较好的
            滑状态下的硬质齿轮、轴承等滑滚接触零部件中,是                            经济价值,但随着环保法规的日趋严格以及腐蚀性元
            1种因润滑不良引起的微观尺度上的表面疲劳损伤现                            素对钢表面的腐蚀和微点蚀的潜在影响,寻找环保的
                                                                               [12]
              [1]
            象 . 初期萌生的微点蚀尺寸一般在30 μm以下,深度                        替代品是大势所趋 .
                                             [2]
            一般不超过10 μm,多成“V”字形分布 . 微点蚀的出                           纳米微粒因其机械强度高、比表面积大以及抗磨性
            现不仅会影响传动系统的精度,还会引起噪声和震动                            能优异早已被广泛用于润滑油添加剂的应用研究                     [13-16] .
            问题,同时微点蚀进一步演化还会引起点蚀、擦伤等                            本课题中利用表面修饰技术克服了无机纳米微粒在
                                      [3]
            严重失效形式,甚至导致断齿 . 上世纪已有学者证实                          润滑油中由于范德华力易团聚的问题,成功制备了多
            微点蚀已成为制约齿轮性能和寿命的关键因素. 近年                           种油溶性纳米微粒,并具有良好的减摩抗磨性能                  [17-19] . 但
            来随着风电行业的快速发展,低速重载带来的微点蚀                            纳米微粒用于改善微点蚀问题的报道较少. Sougata等                [20]
            问题已不容忽视       [4-6] .                              利用微点蚀试验台(MPR)研究了CuO和WC在改善钢
                由于相关影响因素过多,如摩擦副材料、表面硬                          表面微点蚀和磨损的潜力,结果表明,CuO在摩擦表
            度和粗糙度、润滑油(添加剂)、载荷、温度和滑滚比                           面填补了磨损和微点蚀引起的凹坑,而WC则倾向于
                                                                                  [21]
            等,导致形成机理过于复杂,目前关于微点蚀的形成                            形成摩擦膜. Lahouij等 发现ZrO 通过磨合阶段的加
                                                                                            2
            机制仍未完全清楚        [1, 7] . 通常认为是在齿轮啮合过程中             速抛光和稳态阶段的ZrO 摩擦膜保护摩擦表面,延缓
                                                                                     2
            局部温度升高使得油膜或者化学反应膜破裂,表面的                            裂纹的萌生和发展. 可见纳米微粒对于改善齿轮表面
            粗糙峰直接接触导致局部发生塑性变形,造成表面材                            微点蚀具有巨大潜力,但针对此抗微点蚀纳米微粒的
            料剥落    [5, 8] . 齿轮油(添加剂)润滑直接影响齿轮和轴承                研究过少且内在机理尚不清楚,因此需要更为深入的
            等部件的润滑,与其使用寿命也密切相关,因此研究                            研究. 此外目前关于微点蚀研究所用仪器均为FZG (齿
            齿轮油(添加剂)对微点蚀损伤的影响最直接有效. 极                          轮试验机)、MTM (微牵引力试验机)和MPR (微点蚀
            压抗磨剂作为齿轮油中重要的添加剂,受到了国内外研                           测定仪)等试验台,虽具有较好的试验效果,但长耗时
            究者的广泛研究. 二烷基二硫代磷酸锌(ZDDP)具有优异                       和高费用的试验成本极大限制了微点蚀的相关研究,
            的抗磨效果,被广泛用作齿轮油添加剂,然而大多数研                           这一问题亟待解决. 齿轮常工作于重载和滑滚接触的
            究表明ZDDP会导致严重的微点蚀风险                [9-11] . Lainé等 [11]  运行工况下,接触压力和滑滚比(SRR)势必会影响齿
            发现摩擦改进剂二烷基二硫代氨基甲酸钼(M DTC)                          轮表面微点蚀乃至宏观点蚀的萌生和发展,甚至影响
                                                    O
                                                                             [22]
            的引入显著改善了矿物油由于ZDDP引起的微点蚀损                           齿轮的疲劳寿命 . 整体来说,高的接触压力和滑滚
            伤,分析结果表明M DTC通过在粗糙表面局部沉积                           比均会促使接触表面微点蚀的提前出现或增大微点
                              O
                                                                                       [25]
            了易剪切的M S ,大幅降低了摩擦系数. 可见合适的                         蚀损伤程度     [23-24] . Moallem等 利用Zaretsky方程预估
                        O 2
            齿轮油(添加剂)是目前已知抑制微点蚀现象最经济有                           了外加载荷与微点蚀寿命的相关性,结果表明接触压
            效的方法,研究发现兼具极压、减摩抗磨和抗腐蚀性                            力每增加4倍,微点蚀寿命预计下降一半,Webster等                 [26]
                                             [1]
            能的添加剂对于抑制微点蚀较为有效 . 不过极压抗                           借助双盘式摩擦试验机发现较大的接触压力更容易
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