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车用润滑油中的纳米铜添加剂

来源:国际汽车设计及制造 发布时间:2022-05-23 1122
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润滑油被称之为制造业的血液。以汽车为例,因为发动机或变速箱由金属制成,在工作时其内部零件间会产生大量摩擦,这时就需要用到润滑油。在发动机高速运转下,润滑油不会损失黏度,使发动机的保护更全面。润滑油的作用,就是附着在发动机内部的摩擦部件表层部位进行润滑,减少零部件磨损。


汽车使用的润滑油大致有三类:


发动机用润滑油。我们通常称之为“机油”,一般车辆每行驶约5000~10,000公里就要进行发动机保养,其中最重要的一项就是更换机油。


齿轮油。主要用于减少变速箱齿轮之间摩擦磨损。我们一般很少察觉到齿轮油的存在,因为它是添加到变速箱中,每5~6万公里方才更换一次,也就是我们去4S进行大修维保。


润滑脂。一种膏状的润滑油,主要涂抹在如轴承之间,减少其摩擦。


这对以上三种不同类型的润滑油,添加纳米铜后均会有一些变化:
(1)发动机用润滑油添加剂。发动机用润滑油具有润滑、散热、清洗、密封及防锈这五大功能。由于发动机用润滑油具有严格的标准,现有的润滑油均可达到所要求的上述功能。车辆发动机最大的故障来自于以下三方面:


车辆冷启动时,因气缸表面缺润滑而产生的低温磨损现象。
长期汽柴油燃烧不充分,导致气缸积碳,产生油耗高、尾气排放不正常的现象。
气缸长时间工作所产生的气缸壁微磨损、微划痕的产生,导致气缸密封性下降的现象。


对于发动机可能出现的以上三种情况,纳米铜显示出其独有的优越性。


图片1.jpg

三种转速下两种机油的尾气中颗粒物质量浓度对比曲线


纳米铜由于具有超高的比表面积、强大的燃烧催化能力和优异的自修复性能,其不但极大降低了车辆冷启动的低温磨损,还可随着含有极少量纳米铜颗粒的润滑油通过气缸壁进入到气缸内,极大降低了气缸中燃油的完全燃烧温度,并可将气缸中残存积碳完全燃烧,从而达到节能减排、消除积碳的目的。


据在专业机构的柴油机台架试验检测发现,由于纳米铜可将燃油的完全燃烧温度降低约60℃左右,由此可节省燃油10%以上,使柴油机排放的尾气中的颗粒物(PM)、CO和HC的排放量分别减少了99.0%、81.3%、33.3%左右。纳米铜的自修复功能又可在工作过程中填塞微划痕处,自动修复气缸表面的微小缺陷,维持缸体表面光洁。


另外,由于发动机用润滑油添加剂是添加在发动机润滑油中,只要润滑油存在,纳米铜颗粒就会大量存在。发动机润滑油的更换周期一般为10,000公里以上,因此按照百公里性价比来计算,发动机用润滑油添加剂是性价比较高的一种发动机护理添加剂。


(2)对于变速箱用齿轮油强调的是其抗磨性和摩擦系数。不同的齿轮油对其承载能力均有不同的指标要求。国内外对纳米铜的添加效果均进行了大量的研究:纳米铜颗粒越小,强度越高。因此,润滑油中小颗粒纳米铜就相当于滚珠,其不但可极大减少摩擦副表面润滑油隔离层的摩擦系数,还会极大提高油膜的强度。而较大颗粒纳米铜又相当于面团,其对摩擦副表面的微小凹处产生填补修复作用。


本作者仅以自制的纳米铜添加到460#齿轮油中的研究结果为例,结果表明添加0.3wt%纳米铜后的460#润滑油不但完全符合国家规定的460#润滑油润滑油指标,其摩擦系数相较于原润滑油下降约41%,四球机实验的综合磨损指数(ZMZ)上升34%,磨斑直径(WSD)下降7%。这说明纳米铜添加到齿轮油中不但不会影响现有的齿轮油国家指标标准,还极大地降低了其摩擦系数、提高了其抗磨能力。


(3)润滑脂油添加剂。将1%的纳米铜添加到昆仑牌通用锂基2号润滑脂中进行摩擦磨损实验对比发现,其摩擦系数下降约25%。以上实验结果充分说明了纳米铜对润滑脂的巨大减摩效果。另外,由于纳米铜还具有对缺陷和划痕的自修复功能,因此,纳米铜润滑脂可极大降低能耗、减小摩擦磨损,提高机械零件的使用寿命。

为何纳米铜有如此效果?


纯铜材质较软、导电和导热性良好,因此被广泛应用于导线和各种导热设备中。此外,铜还具有非常良好的化学反应催化性能,其是石油化工行业中不可缺少的催化材料之一。


纳米材料又是什么?纳米是一个长度单位,如果能将大块材料制备成颗粒直径约小于100纳米的材料,就称之为纳米材料。


当普通金属铜制备成纳米铜将会出现什么情况呢?我们列举其中的主要几项特性如下:
当金属铜的尺寸达到纳米量级时,其熔点显著降低,会从正常块体铜的熔点(1083℃)降低至200~400℃,且纳米铜晶体自扩散是传统铜的1014~1024倍。


纳米铜的强度比普通铜高5倍,在室温轧制过程中会出现超塑性延展性,其延伸率可超过5100%,且不出现加工硬化现象,其硬度和屈服强度分别比常规材料高50倍和12倍。


纳米铜具有非常好的燃烧催化效果,采用热重质谱(TG-MS)联合技术检测发现,纳米铜可将积碳的完全燃烧温度从580℃降低到520℃。


纳米铜具有非常大的比表面积,其可以协助润滑油在工件表面附着更长时间,防止由于车辆因隔夜放置,导致零件表面润滑油流失而产生车辆冷启动时的低温磨损现象。


金属铜具有良好的导热性,并与大多数金属摩擦副具有相近的热膨胀系数。当它沉积或附着在高速运转的摩擦副表面时,不会因温度升高而引起结合强度降低、摩擦副公差变化和局部过热而产生烧烛等现象。


纳米铜具有自修复功能,也就是说在使用过程中可自动修复摩擦产生的微小划痕,延长机器零件的使用寿命。


总之,由于纳米铜具有优良的热传导性、催化性、延展性、抗腐烛性和自修复性,作为一种软金属还具有剪切强度低、能发生晶界滑移、优异的性能价格比等特点,使其在摩擦学领域有着良好的应用前景。

方震,西安纳米科技学会;孟昭,西安科技大学


来源:荣格-《国际汽车设计及制造》

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