一种润滑剂及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001]本发明提供一种镓基液态金属润滑剂的制备及应用方法，属于润滑技术领域。
【背景技术】
[0002]齿轮、轴承、内燃机活塞与缸膛、凸轮及其从动件等机械零部件常常在重载高速条件下工作。重载高速下摩擦界面容易发生胶合(也称烧结)。胶合是一种严重的粘着磨损，其发生伴随着摩擦界面的温度、摩擦系数以及磨损率的急剧升高，由此导致摩擦副在极短内完全失效。在摩擦副的实际运行中必须尽量避免胶合的发生。现有的极压润滑剂(如齿轮油，极压润滑脂)在高温、极压的工作条件下的抗胶合性能仍有待提高。例如，依据国标GB/T 12583-1998润滑剂极压性能测定法(四球法，又称10秒法)进行测定，齿轮油的烧结负荷(即Pd值)通常不高于3089N，而极压润滑脂的烧结负荷通常不高于6080N。因此，寻找和开发更耐高温、耐极压的润滑剂对于提高摩擦副的承载能力具有重要意义。
[0003]“液态金属”指的是一种不定型金属，熔点低，在常温下呈液态。最常见的液态金属是水银，但水银对人体及环境有严重危害，限制了其应用。镓基液态金属在常温下具有良好的流动性、优异的导热与导电性能，不易挥发，无毒，近年来获得了广泛应用。2000年，美国专利US6019509公布了一种镓铟锡液态金属的制备方法，并将其用于温度计中水银的替代品。镓基液态金属也在电气工程(Burton, et al.，Manuf.Technol.，1998)、计算机工程(Minre, et al.Appl.Phys.Lett.，2004)、制冷(Morley, et al., Fus1n Sc1.Technol.，2003)、医学(Jie Zhang, et al., physics, med-ph, 2014)等领域得到了应用。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种润滑剂及其制备方法和应用，尤其适用于耐极压、耐高温环境下的润滑剂及其应用。
[0005]本发明的技术方案如下:
[0006]—种润滑剂，其特征在于，该润滑剂采用纯液态金属镓。
[0007]—种润滑剂，其特征在于，该润滑剂采用镓基液态金属，其中含有质量分数为72% -78%的镓和22% -28%的铟。
[0008]—种润滑剂，其特征在于，该润滑剂采用镓基液态金属，其中含有质量分数为60% -70% 的镓、20% -30% 的铟和 8% -16% 的锡。
[0009]—种润滑剂，其特征在于，该润滑剂采用镓基液态金属，其中含有质量分数为60% -69%的镓，20% -29%的铟和8% -15%的锡和0.1% -3%的锌。
[0010]本发明所述的纯液态金属镓及镓基液态金属作为润滑剂的应用。
[0011]本发明提供的所述润滑剂的制备方法，其特征在于所述方法包括如下步骤:
[0012]I)将称量好的各组分金属放入同一容器中并加热，使各组分金属均恪化为液态；
[0013]2)在50°C -100°C水浴中超声混合I小时至1.5小时，使其均匀混合；
[0014]3)将NaOH溶液或HCl溶液注入装有液态金属的容器中，在50°C _100°C的水浴环境下使用磁力搅拌器搅拌10分钟?20分钟，使得液态金属表面的氧化物充分反应；所述NaOH溶液或HCl溶液的质量百分浓度为5% -8% ;
[0015]4)反应完全后，将溶液分离，即制备得到镓基液态金属润滑剂。
[0016]制备得到镓基液态金属润滑剂后，对其熔点、导热系数、比热容以及粘度等性质进行了测定，并在四球摩擦试验机(济南舜茂试验仪器有限公司生产)以及Plint TE-92摩擦磨损试验机上，对其摩擦磨损性能进行了系统的表征与测试。实验发现镓基液态金属润滑剂具有优异的极压润滑性能。依据国标GB/T 12583-1998润滑剂极压性能测定法进行测定，测试结果表明镓基液态金属润滑剂的烧结负荷远高于现有的极压润滑油与极压润滑月旨，适合于重载、高速及高温的工况下作为润滑剂使用。
【附图说明】
[0017]图1为镓基液态金属润滑剂的摩擦系数随负荷与速度的变化曲线(实验条件:润滑剂为Ga64In24Sn12,四球长磨实验)。
【具体实施方式】
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[0018]本发明提供的润滑剂的基础成分与有效成分为金属镓。在镓中添加适量的铟、锡、锌等金属以形成共熔体，实现了两个目的:一是降低了镓基液态金属润滑剂的熔点，使其能在更低的温度使用；二是锡、锌等金属价格相对便宜，降低了该润滑剂的成本，其具体包括如下四类:
[0019]第一类:采用纯液态金属镓。
[0020]第二类:该润滑剂采用镓基液态金属，其中含有质量分数为72% -78%的镓和22% -28%的铟。
[0021]第三类:该润滑剂采用镓基液态金属，其中含有质量分数为60% -70%的镓、20% -30%的铟和8% -16%的锡。
[0022]第四类:该润滑剂采用镓基液态金属，其中含有质量分数为60% -69%的镓，20% -29%的铟和8% -15%的锡和0.1% -3%的锌。
[0023]本发明提供的所述润滑剂的制备方法，所述方法包括如下步骤:
[0024]I)将称量好的各组分金属放入同一容器中并加热，使各组分金属均恪化为液态；
[0025]2)在50°C -100°C水浴中超声混合I小时至1.5小时，使其均匀混合；
[0026]3)将NaOH溶液或HCl溶液注入装有液态金属的容器中，在50°C _100°C的水浴环境下使用磁力搅拌器搅拌10分钟?20分钟，使得液态金属表面的氧化物充分反应；所述NaOH溶液或HCl溶液的质量百分浓度为5% -8% ;
[0027]4)反应完全后，将溶液分离，即制备得到镓基液态金属润滑剂。
[0028]依据国标GB/T 12583-1998润滑剂极压性能测定法，对镓基液态金属润滑剂的极压性能进行了测试。为了更好地理解本发明，通过实施例说明这种润滑剂的物理性能以及润滑效果。
[0029]实施例1:
[0030]以纯液态金属镓做为润滑剂(纯镓的恪点为29.80C )。
[0031]依据国标GB/T 12583-1998润滑剂极压性能测定法，对镓润滑剂的极压性能进行了测试。测试发现，镓润滑剂的烧结负荷大于1000N(实验所使用的四球摩擦试验机最大负荷为10000N)。作为对比，依据国标GB/T 12583-1998对齿轮油GL-585W/90以及极压润滑脂Mobilith SHC lOOOSpecial进行了极压性能测试。测试表明采用齿轮油GL-585W/90的烧结负荷为 2452N，而 Mobilith SHC lOOOSpecial 的烧结负荷为 6080N。MobilithSHC lOOOSpecial在6080N的负荷下所对应的钢球平均磨痕直径为5.3mm。按照GB/T12583-1998的规定，未发生烧结但磨痕直径达到4mm时所加的负荷为烧结负荷。对比可见，镓润滑剂的极压性能远高于市场上现有的润滑剂。
[0032]实施例2:
[0033]按照
【发明内容】
中提出的方法，制备了 Ga、In、Sn的质量分数分别为64%、24%与12%的液态金属，记为Ga64In24Sn12。实验观察到Ga64In24Snli^ -10°C的低温仍未凝固(即其熔点低于-10°C )。在Hotdisc热常数分析仪上测得Ga64In24Sn12的导热系数为25.7W/m.K，测得某款齿轮油的导热系数为0.15ff/m.K。Ga64In24Sn1J^导热系数远高于普通的润滑剂。镓基液态金属润滑剂能快速地传导摩擦热，从而有效防止摩擦界面胶合的发生。
[0034]图1所示为在Plint TE-92摩擦磨损试验机进行长磨实验所测得的Ga64In24Sn1JE]滑剂的摩擦系数随速度与负荷的变化关系。可见，Ga64In24Sn1JE]滑剂的显著特征是在重载高速下具有低摩擦系数。
[0035]依据国标GB/T 12583-1998润滑剂极压性能测定法，对Ga64In24Sn1JE]滑剂的极压性能进行了评定。实验发现，Ga64In24Sn1^滑剂在10000N的负荷下仍未发生胶合，10000N的负荷下钢球的磨痕直径仅为2.3mm。
[0036]实施例3:
[0037]按照
【发明内容】
中提出的方法，制备了 Ga、In、Sn的质量分数分别为60%、30%、10 %的液态金属润滑剂。依据国标GB/T 12583-1998润滑剂极压性能测定法，测得其烧结负荷大于10000N。
[0038]实施例4:
[0039]按照
【发明内容】
中提出的方法，制备了 Ga、In、Sn的质量分数分别为60%、24%、16 %的液态金属润滑剂。依据国标GB/T 12583-1998润滑剂极压性能测定法，测得其烧结负荷大于10000N。
[0040]实施例5:
[0041]按照
【发明内容】
中提出的方法，制备了 Ga、In、Sn的质量分数分别为70%、20%、10 %的液态金属润滑剂。依据国标GB/T 12583-1998润滑剂极压性能测定法，测得其烧结负荷大于10000N。
[0042]实施例6:
[0043]按照
【发明内容】
中提出的方法，制备了 Ga、In的质量分数分别为72%、28%的液态金属润滑剂。依据国标GB/T 12583-1998润滑剂极压性能测定法，测得其烧结负荷大于1000No
[0044]实施例7:
[0045]按照
【发明内容】
中提出的方法，制备了 Ga、In的质量分数分别为78%、22%的液态金属润滑剂。依据国标GB/T 12583-1998润滑剂极压性能测定法，测得其烧结负荷大于1000No
[0046]实施例8:
[0047]按照
【发明内容】
中提出的方法，制备了 Ga、In、Sn、Zn的质量分数分别为61%、25%、13%、1%的液态金属润滑剂。依据国标GB/T 12583-1998润滑剂极压性能测定法，测得其烧结负荷大于10000N。
[0048]通过以上实施例可见，镓基液态金属润滑剂具有以下优点:熔点低，导热系数高，粘度高且粘度的高温稳定性好，在重载高速高温等苛刻工作条件下具有优异的抗胶合性能，其烧结负荷远高于市场上现有的极压润滑剂。
【主权项】
1.一种润滑剂，其特征在于，该润滑剂采用纯液态金属镓。2.—种润滑剂，其特征在于，该润滑剂采用镓基液态金属，其中含有质量分数为72% -78%的镓和22% -28%的铟。3.—种润滑剂，其特征在于，该润滑剂采用镓基液态金属，其中含有质量分数为60% -70% 的镓、20% -30% 的铟和 8% -16% 的锡。4.一种润滑剂，其特征在于，该润滑剂采用镓基液态金属，其中含有质量分数为60% -69%的镓，20% -29%的铟和8% -15%的锡和0.1% -3%的锌。5.如权利要求1所述的纯液态金属镓作为润滑剂的应用。6.如权利要求2?4任一权利要求所述的镓基液态金属作为润滑剂的应用。7.一种如权利要求2?4所述的润滑剂的制备方法，其特征在于所述方法包括如下步骤: 1)将称量好的各组分金属放入同一容器中并加热，使各组分金属均恪化为液态； 2)在50°C-100°C水浴中超声混合I小时至1.5小时，使其均匀混合； 3)将NaOH溶液或HCl溶液注入装有液态金属的容器中，在50°C?100°C的水浴环境下使用磁力搅拌器搅拌10分钟?20分钟，使得液态金属表面的氧化物充分反应；所述NaOH溶液或HCl溶液的质量百分浓度为5% -8% ; 4)反应完全后，将溶液分离，即制备得到镓基液态金属润滑剂。
【专利摘要】本发明提供了一种润滑剂及其制备方法和应用。本发明的润滑剂采用纯液态金属镓或镓基液态金属，其中镓基液态金属包括质量分数为72％-78％的镓和22％-28％的铟，或质量分数为60％-70％的镓、20％-30％的铟和8％-16％的锡，或质量分数为60％-69％的镓、20％-29％的铟、8％-15％的锡和0.1％-3％的锌。本发明的润滑剂在重载高速高温等苛刻工作条件下具有优异的润滑性能。依据国标GB/T？12583-1998润滑剂极压性能测定法测定，本发明的润滑剂的烧结负荷远高于市场上现有的极压润滑剂。
【IPC分类】C10M103/04
【公开号】CN105062613
【申请号】CN201510481143
【发明人】田煜, 李海江, 贾文鹏, 田朋溢
【申请人】清华大学
【公开日】2015年11月18日
【申请日】2015年8月3日