專利名稱：中間相碳合金潤滑添加劑及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種中間相碳合金潤滑添加劑及其制備方法。該添加劑材料能夠在高溫邊界潤滑條件下，表現(xiàn)出優(yōu)異的減摩抗磨性能，有效延緩摩擦副的使用壽命，從而能夠為眾多在高溫邊界潤滑條件下工作的摩擦副，特別是先進車用發(fā)動機中的主要摩擦副(例如缸套/活塞環(huán)摩擦副)提供優(yōu)異的摩擦學保護作用。
背景技術：
二十世紀七十年代出現(xiàn)的世界能源危機和八十年代以來全球對環(huán)境保護的日益重視促使人們積極研究和開發(fā)高效能低排放的先進發(fā)動機，特別是車用發(fā)動機。其中低散熱(Low-Heat-Rejection，LHR)發(fā)動機已成為各工業(yè)發(fā)達國家的首選發(fā)展目標，可望在未來得到廣泛應用。
低散熱發(fā)動機的主要摩擦副均處于高溫邊界潤滑工作狀態(tài)。在邊界潤滑狀態(tài)下，磨損的保護是通過功能添加劑與摩擦副接觸表面形成摩擦化學膜來實現(xiàn)的。目前，在發(fā)動機油中，應用最廣泛是二烷基二硫代磷酸鋅(ZDDP)，它作為多功能添加劑，通過摩擦化學反應在接觸表面形成磷酸鹽類等抗磨物種，實現(xiàn)降低磨損的作用。另外，還有一類添加劑-油溶性有機鉬添加劑，例如，二烷基二硫代氨基甲酸鉬(MoDTC)和二烷基二硫代磷酸鉬(MoDTP)。近年來在汽車發(fā)動機領域倍受關注，它們主要通過摩擦化學反應，在接觸表面上原位形成二硫化鉬等物種，表現(xiàn)出顯著的減摩效果，故亦被稱為摩擦改進劑(Friction Modifier)。但是，上述典型添加劑存在如下主要問題(1)所形成的摩擦化學反應膜功能一般比較單一，例如，ZDDP類形成的表面膜主要作用是抗磨，而油溶性有機鉬類的表面膜主要起減摩作用；(2)所形成的表面膜保持時間較短，使用壽命比較有限；(3)所形成的化學反應膜只能在較低的溫度，一般低于200℃下有效發(fā)揮作用，溫度較高時抗磨或減摩作用迅速喪失；(4)上述添加劑的組成中元素磷、氯等元素，易增大污染排放，加劇環(huán)境污染，例如，ZDDP中的P會引起發(fā)動機三元催化系統(tǒng)中的催化劑Pt中毒，喪失催化凈化功能，進而增大污染排放。
顯然，目前使用的發(fā)動機添加劑無法滿足LHR發(fā)動機的苛刻工作環(huán)境。針對LHR發(fā)動機的高溫邊界潤滑問題，巴恩尼克等[(通過直接提供碳氫氣體對各種陶瓷和金屬合金進行高溫潤滑.磨損，1998年，第214卷，第1期，第131-138頁)，N.J.Bamick等(High temperature lubrication of variousceramics and metal alloys via directed hydrocarbon feed gases.Wear，1998，214(1)131-138)]，以及勞爾等[(采用有機蒸汽沉積物高溫潤滑陶瓷的機制.摩擦學快報，1995年，第1卷，第4期，第30-35頁)，J.L.Lauer等(Mechanism of high-temperature lubrication of ceramics by deposits fromorganic vapors.Tribology Letters，1995，1(4)30-36)]曾探索采用將含碳的氣相或液相有機物供給到摩擦副表面，在一定的溫度、壓力和催化條件下通過氧化解聚反應生成碳質表面膜(富碳結構轉化為石墨結構)產(chǎn)生高溫固體潤滑效應。這類方法需要苛刻的反應條件和含特定化學元素的催化表面。此外，氣相催化碳化需要復雜的氣源輔助裝置，不適用于車用發(fā)動機系統(tǒng)。
碳質中間相是具有較高有序態(tài)構造的石墨前軀體，崔小浩等[(中間相碳微球摩擦性能及摩擦誘發(fā)石墨化的研究.摩擦學快報，2003年，第14卷，第2期，第53-59頁)，Cui X H等(A study of tribological performances andtribo-induced graphitization of meso-carbon microbeads.Tribology Letters，2003，14(2)53-59)]曾將碳質中間相作為特種添加劑彌散在潤滑油中使用，發(fā)現(xiàn)在高溫下，碳質中間相能夠在摩擦副表面上生成有序態(tài)的固體石墨潤滑膜，表現(xiàn)出高溫邊界潤滑特性。但原位摩擦轉變成的固體石墨潤滑膜與摩擦副表面結合強度低，摩擦期間容易被磨掉，因此難于穩(wěn)定、有效地發(fā)揮其潤滑減摩功能。

發(fā)明內容
為了有效解決低散熱發(fā)動機等中的主要摩擦副的高溫邊界潤滑問題，本發(fā)明提供一種中間相碳合金潤滑添加劑，該潤滑添加劑能夠在高溫摩擦學體系所提供的能量條件和化學條件(催化作用)下更容易地在摩擦副表面上生成高度有序態(tài)的固體石墨潤滑膜，進而能夠產(chǎn)生最佳的高溫邊界潤滑特性。
本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是采用材料非平衡合成技術，制備中間相碳合金新材料。通過控制中間相碳合金的制備參量，調整和控制中間相的結構特征，緩解石墨化條件，縮短石墨化歷程，確保在摩擦副表面上生成高度有序態(tài)的固體石墨潤滑膜，進而能夠產(chǎn)生最佳的高溫邊界潤滑特性。此外，在中間相中有目的地添加合金(活性)元素，以便利用摩擦機械作用，使添加元素與摩擦副表面發(fā)生作用，改善石墨潤滑膜與摩擦副之間的結合性能，從而促進中間相穩(wěn)定持久地發(fā)揮其高溫邊界潤滑特性。
本發(fā)明的中間相碳合金潤滑添加劑，由碳質中間相微粉和摻雜活性元素等組成，所述中間相碳合金潤滑添加劑中，碳質中間相微粉含量為70-99wt％，摻雜活性元素含量為1-30wt％。所述摻雜活性元素選自于鐵、鎳、鈦、銅和鉬中之一種或者它們的組合，其中，鐵摻雜量為1-30wt％，鎳摻雜量為1-30wt％，鈦摻雜量為1-30wt％，銅摻雜量為1-30wt％，鉬摻雜量為1-30wt％，但各元素摻雜總量應不高于30wt％。所制備中間相碳合金潤滑添加劑為粉末狀產(chǎn)品。
本發(fā)明的中間相碳合金潤滑添加劑的制備方法是(1)采用碳質中間相微粉和摻雜活性元素為原材料，其中，碳質中間相微粉含量為70-99wt％，摻雜活性元素含量為1-30wt％，在高能球磨機中非平衡合成中間相碳合金；所述摻雜活性元素選自于鐵、鎳、鈦、銅和鉬中之一種或者它們的組合，其中，鐵摻雜量為1-30wt％，鎳摻雜量為1-30wt％，鈦摻雜量為1-30wt％，銅摻雜量為1-30wt％，鉬摻雜量為1-30wt％，但各元素摻雜總量應不高于30wt％。球磨時的研磨體為GCr15軸承鋼鋼球，鋼球與被研磨材料的質量比(即球料比)為4∶1-10∶1，中間相微粉與摻雜元素的質量比為10∶1-30∶1，球磨機的轉速為100-160轉/分，球磨時間為30-100小時。為防止球磨期間中間相微粉發(fā)生凝結，選用乙醇作為球磨介質；(2)高能球磨處理之后，對所獲產(chǎn)物進行高溫高壓處理，其中，溫度為600-1200℃，壓力2-6GPa，時間為5-20分鐘。
本發(fā)明的有益效果是，中間相碳合金潤滑添加劑能夠在高溫摩擦學體系所提供的能量條件和化學條件下更容易地在摩擦副表面上生成高度有序態(tài)的固體石墨潤滑膜，進而能夠產(chǎn)生最佳的高溫邊界潤滑特性，從而能夠為眾多在高溫邊界潤滑條件下工作的摩擦副，特別是先進車用發(fā)動機中的主要摩擦副(缸套/活塞環(huán)摩擦副)提供優(yōu)異的摩擦學保護作用。


圖1為添加中間相碳合金潤滑添加劑時的摩擦系數(shù)隨溫度變化關系圖。
具體實施例方式
下面通過實施例對本發(fā)明進行更詳細說明。
1.碳質中間相的機械合金化處理在實驗室條件下，采用碳質中間相微粉和摻雜活性元素為原材料，在高能球磨機中非平衡合成中間相碳合金。其中，所用原料是粒徑為8.7微米的煤焦油瀝青基碳質中間相以及平均粒度2.0-3.2μm的鎳微粉(純度99.8％，松裝密度0.50-0.75g/cm3)。所制備碳合金中，鎳微粉的摻雜量為5wt％。球磨時的研磨體為GCr15軸承鋼鋼球，鋼球與被研磨材料的質量比(即球料比)為5∶1，球磨機的轉速為120轉/分，球磨時間為50小時。為防止球磨期間中間相微粉發(fā)生凝結，選用乙醇作為球磨介質2.高溫高壓處理對高能球磨處理之后的產(chǎn)物進行高溫高壓處理，其中，溫度為800℃，壓力5GPa，時間為10分鐘。
3.碳合金潤滑添加劑粉末的制備將高溫高壓處理后的碳合金產(chǎn)物充分研磨至粒度10微米左右，獲得中間相碳合金粉末。
4.潤滑劑配制在汽油發(fā)動機用全配方礦物基SJ/5W-30型汽油機潤滑油中添加3％(以質量分數(shù)計)的中間相碳合金潤滑添加劑微粉，調配成潤滑劑。為確保中間相碳合金添加劑在潤滑油中充分分散，實驗開始前，先進行5分鐘的搖擺振蕩，然后進行10分鐘超聲分散。
摩擦學性能評價采用Optimol SRV型高溫摩擦磨損試驗機上進行摩擦學試驗。其中，摩擦副上試樣為噴Mo合金涂層，下試樣材質為45#鋼。試驗過程中，摩擦系數(shù)μ由SRV試驗機全程自動紀錄。摩擦系數(shù)試驗結果見圖1所示。
實驗結果表明與原始態(tài)碳質中間相相比，潤滑油中添加本發(fā)明的中間相碳合金潤滑添加劑時，高溫潤滑效應更為明顯且持續(xù)時間更長。
權利要求
1.一種中間相碳合金潤滑添加劑，其由碳質中間相微粉和摻雜活性元素等構成，其特征是所述中間相碳合金潤滑添加劑中，碳質中間相微粉含量為70-99wt％，摻雜活性元素含量為1-30wt％；所述摻雜活性元素選自于鐵、鎳、鈦、銅和鉬中之一種或者它們的組合，其中，鐵摻雜量為1-30wt％，鎳摻雜量為1-30wt％，鈦摻雜量為1-30wt％，銅摻雜量為1-30wt％，鉬摻雜量為1-30wt％，但各元素摻雜總量應不高于30wt％；所制備中間相碳合金潤滑添加劑為粉末狀產(chǎn)品。
2.一種制備權利要求1所述的中間相碳合金潤滑添加劑的方法，其特征是(1)采用碳質中間相微粉和摻雜活性元素為原材料，其中，碳質中間相微粉含量為70-99wt％，摻雜活性元素含量為1-30wt％，在高能球磨機中非平衡合成中間相碳合金；(2)球磨時的研磨體為GCr15軸承鋼鋼球，鋼球與被研磨材料的質量比(即球料比)為4∶1-10∶1，中間相微粉與摻雜元素的質量比為10∶1-30∶1，球磨機的轉速為100-160轉/分，球磨時間為30-100小時；(3)為防止球磨期間中間相微粉發(fā)生凝結，選用乙醇作為球磨介質；(4)高能球磨處理之后，對所獲產(chǎn)物進行高溫高壓處理，其中，溫度為600-1200℃，壓力2-6GPa，時間為5-20分鐘。
3.根據(jù)權利要求2所述的中間相碳合金潤滑添加劑的制備方法，其特征是碳質中間相微粉含量為70-99wt％，摻雜活性元素含量為1-30wt％；所述摻雜活性元素選自于鐵、鎳、鈦、銅和鉬中之一種；其中，鐵摻雜量為1-30wt％，鎳摻雜量為1-30wt％，鈦摻雜量為1-30wt％，銅摻雜量為1-30wt％，鉬摻雜量為1-30wt％，但各元素摻雜量應不高于30wt％。
4.根據(jù)權利要求2所述的中間相碳合金潤滑添加劑的制備方法，其特征是碳質中間相微粉含量為70-99wt％，摻雜活性元素含量為1-30wt％；所述摻雜活性元素選自于鐵、鎳、鈦、銅、鉬和它們的組合；其中，鐵摻雜量為1-30wt％，鎳摻雜量為1-30wt％，鈦摻雜量為1-30wt％，銅摻雜量為1-30wt％，鉬摻雜量為1-30wt％，但各元素摻雜總量應不高于30wt％。
全文摘要
一種中間相碳合金潤滑添加劑及其制備方法。所述碳合金潤滑添加劑采用材料非平衡合成技術，以碳質中間相微粉和摻雜活性元素為原材料制備而成。該材料能夠在高溫邊界潤滑條件下，表現(xiàn)出優(yōu)異的減摩抗磨性能，有效延緩摩擦副的使用壽命，從而能夠為眾多在高溫邊界潤滑條件下工作的摩擦副，特別是先進車用發(fā)動機中的主要摩擦副(例如缸套/活塞環(huán)摩擦副)提供優(yōu)異的摩擦學保護作用。
文檔編號C10M125/04GK1775932SQ20051004811
公開日2006年5月24日 申請日期2005年11月19日 優(yōu)先權日2005年11月19日
發(fā)明者張瑞軍, 楊育林 申請人:燕山大學