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钨钼材料在汽车行业的延伸应用
发布日期:2018-06-12
分类:最新公告

 

是一年一度的高考季,今天,全国莘莘学子踏入准备了十几年的高考考场,为自己的梦想与前程扬帆起航。

 

直至今天小编仍旧记得高考那天,天下着小雨淅淅沥沥的,内心有点局促,手上紧握的签字笔便是掌握我们今后命运的”厉器“,新开封的高考考卷弥漫着一股印刷香味,监考老师逛来逛去游荡我的思绪有点混乱,小手有点微微颤抖,右手边的妹子长得好漂亮……

 

但却记不起为何突然脑子进水选择了材料专业……

 

哈哈~开个玩笑,今天是高考的最后一日,小编代表广大材料行业学者祝福每个考生都能考进自己理想中的学校,加油吧!小伙伴们!

 

言归正传,今天小编要给大家普及的还是老生常谈的钨钼材料。

 

随着科学技术的创新以及汽车行业的发展,汽车领域内的部件以及材料也得到了迅速的更新与优化。就刹车部件而言,人们并不局限于时下已有的性能突出的陶瓷及碳纤维刹车,而在不断寻求综合性能更加优异的材料,如钨涂层刹车盘。

 

钨涂层刹车盘即是指在刹车盘上涂抹钨硬质合金涂层,可以应用于普通铸铁刹车盘,使其产生与陶瓷刹车盘一样的刹车表现。此外,钨涂层刹车盘还具有非常好的耐用性,寿命可达一般刹车盘的2倍以上,而且不会像普通刹车盘一样出现锈蚀。

 

 陶瓷刹车片,顾名思义,内部材料自然少不了陶瓷纤维,但并非烧制的陶瓷。不同厂家的陶瓷刹车片原材料差异也导致了陶瓷刹车片巨大的价格差异,也间接决定了性能表现的优与劣,真正的陶瓷刹车片含有芳纶纤维,在性能和寿命方面优于普通刹车片,价格也相应较高。

 

 值得一提的是,钨涂层刹车盘不仅是在刹车性能上有很大的提升,在环保上也有巨大的贡献。汽车在进行刹车制动时,由刹车片和刹车盘摩擦而产生的大量粉状颗粒物,即制动粉尘,这种情况在每辆车中都会发生,且随着机动车数量的大幅度增加,轮毂的旋转会使这些粉尘大量会飞扬到空气中,最终成为了PM2.5上升的重要成因之一。而采用具有钨涂层的刹车盘,可以有效减少超过90%的制动粉尘。

 

 此外,新的钨涂层应用于铸铁刹车盘,可以使得后者在磨损时具有整洁的抛光外观。有消息称,钨涂层刹车盘或将率先应用于2019年的新款保时捷车型上,这一整套刹车系统被保时捷称为PSCB(Porsche Surface Coated Brakes)。其在高速行驶中能提升30%寿命,同时减少90%刹车粉尘。当新车行驶超过600km左右之后,碳化钨涂层的刹车盘会被磨得乌黑发亮,仿佛穿上一层发光的鞋子,这为新车在艺术表现力上加了不少分。

 

当然,欣赏优秀的设计时,总摆脱不了价格的苦恼。据了解,初期阶段采用该材质的刹车盘成本大约是普通刹车盘的3倍,且随着近年来钨价的飙升,成本压力为其生产增添了不少阻力,但相对于陶瓷及碳纤维刹车来说,性价比还是更为可观的。

 

 总体来说,在速度与激情之下,还能保留环保和艺术的理念,钨涂层刹车盘的面世还是值得期待的。

 

那么我们熟知的钼呢在汽车行业又有什么重大发现呢?

 

都曾注视过路上飞奔的Tesla全电动汽车,好奇不用加油是何等的感受?燃油经济性——是当你在测试最新型SUV或皮卡车、购买另一桶汽油或研制轿车发动机油时潜伏在你内心深处的忧虑。

 

 

汽车制造商一直在对发动机部件公差进行调整以提升燃油经济性,而轿车发动机油配方设计师则通过将粘度由SAE 10W-30降至SAE 5W-X和0W-X作出应对。

 

然而,配方设计师和工程师意识到降低石油粘度的同时润滑膜会变薄。更薄的润滑膜会造成轴承、齿轮、活塞和汽缸金属表面粗糙峰(细微凹凸)间的缓冲层更薄。当两个表面做相对运动时粗糙峰相互接触,会产生摩擦和磨损。

 

添加剂制造商是否能够为新一代低粘度轿车发动机油提供摩擦改进剂而不会损害燃油经济性、磨损防护或其他性能特征?在亚特兰大举行的摩擦学者和润滑工程师学会年会上,两名发言人就研发新型钼基添加剂的过程进行讨论,指出这些化学成份的确切类型和相互反应有望制备出更优良的石油。

 

高效

用钼

 

 

总部设在康涅狄格州诺沃克的Vanderbilt Chemicals的高级研究员布莱恩•M•凯西告知与会者,钼是许多有机金属摩擦改进剂的主要成份。辉钼矿石可加工制成三氧化钼,用于合成二烷基二硫代氨基甲酸钼(MoDTC)和钼酸酯摩擦改进剂。每种添加剂都具备特定摩擦控制属性以及限制性。

 

 

凯西概述了提升摩擦改进剂性能的两种策略:分子细化,提升各种添加剂的化学成份;“互补”方法,使用添加剂时考虑辅助功能特性。例如,有些添加剂在更高或更低的温度下或在老化石油或新鲜石油中更有效。

 

他的一般做法是采用MTM (PCS工具,微牵引力测定仪)评估0W-20轿车发动机油中的添加剂。MTM在钢片上使用钢珠制作摩擦系数的Stribeck曲线。他在165摄氏度下人工加热石油样品48小时使其老化,以模拟序列VID发动机试验(Sequence VID engine test)中100小时的老化过程,该测试用于衡量发动机油燃油经济性表现。

 

凯西引用先前MoDTC的研究举例证明提升轿车发动机油摩擦性能的两种策略。当金属表面吸附MoDTC分子时,最初表现稳定,但施加额外摩擦会导致它们分解并释放二硫化钼分子。这些二硫化钼分子会在金属表面形成低摩擦膜。

 

首先,Vanderbilt的研究人员使用分子细化策略,改变新鲜石油中的硫含量和碳氢化合物组合更改两种MoDTC,并发现实验MoDTC和商用MoDTC的摩擦数据具有可比性。但在老化石油中,更改后的MoDTC的摩擦系数比商用MoDTC低得多。这个改进意义重大,因为按照惯例,MoDTC在新鲜轿车发动机油中的性能是比老化石油要好的。

 

其次,研究人员尝试使用不含钼但与MoDTC相结合的有机摩擦改进剂(互补策略)。有机摩擦改进剂包括脂肪酸单甘脂、烷基胺、多元醇、烷基醚胺和若干聚合物。在某个实验中,有机摩擦改进剂将新鲜石油中MoDTC的摩擦系数提升0.02,而使得老化石油中的摩擦系数降低0.04.

 

 

 

 

 

 

第三,凯西评估了实验钼酯(含钼但不含硫)。钼酯分子中必须去除硫(从二烷基二硫代磷酸锌或硫化异丁烯等来源被添加至轿车发动机油)以形成低摩擦MoS2膜。凯西指出,钼酯一般在老化石油中比在新鲜石油中更有效。此外,由于分解,有机摩擦改进剂在老化石油中的性能通常都会降低。为了弥补不足和提升在新鲜石油中的性能,凯西测试了钼酯和有机摩擦改进剂的混合物。通过分子细化,凯西制备了新型有机摩擦改进剂,化学改性后将氧化和水解不稳定性的程度降到最低。

 

凯西的实验设计包括七种化学物质:三种有机摩擦改进剂(质量百分比0.8,两种为实验性质,一种商用性质)和钼酯和有机摩擦改进剂两种比率的混合物(百万分之180钼混合低比率和高比率的有机摩擦改进剂)。MTM测试在40、60、80、100、120和140度下进行。为了简化分析,凯西根据各Stribeck曲线和温度绘制面积积分。就摩擦而言,在新鲜和老化石油中最佳的添加剂组合是商用有机摩擦改进剂(甘油单油酯酸,不含钼酯)以及混合高比例实验有机摩擦改进剂的钼酯。

 

凯西也汇报了磨损情况的数据:使用SRV测试仪在80度和200牛顿负荷下进行的ASTM D5707测试中存在大量磨痕。就有机摩擦改进剂而言,平均摩擦系数具可比性,而在老化石油中磨损要比在新鲜石油中高出40%至140%。

 

凯西表明通过氧化或水解作用的有机摩擦改进剂热分解可能会产生不利影响。相比甘油单油酸酯,实验有机摩擦改进剂产生较少磨痕。相反,就有机摩擦改进剂和钼酯的混合物而言,其在老化石油中的平均摩擦系数和磨痕数量比在新鲜石油中要少很多。

 

四球摩擦测试(ASTM D4172)在75度下进行。与SRV测试不同,在每种情况下,随着石油老化,磨痕直径增加。摩擦系数随着老化而逐渐增加,混合了两种高比率有机摩擦改进剂的钼酯混合物除外。新鲜石油和老化石油之间不存在明显区别。

 

凯西指出,在这项研究中,混合了高比率有机摩擦改进剂的钼酯性能远超过混合了低比率有机复合物的性能。

 

在MTM、SRV和四球摩擦测试中,混合了某一高比率特定有机摩擦改进剂的钼酯在新鲜和老化轿车发动机油中整体呈现最佳性能(小磨痕直径和低摩擦系数)。

 

这项研究说明了评估老化和新鲜模型润滑油中的添加剂和利用多种台架试验的摩擦和磨损数据进行整体性能分析的潜在重要性。

 

 

 

扩展
MoDTC

 

 

根据日本Adeka Corp.的Kenji Yamam表示,MoDTC中钼和硫原子的组合主要用于减少摩擦特性。但不清楚扩展碳氢链对MoDTC性能的潜在影响。Yamamoto测试了五种实验MoDTC添加剂,每种添加剂均附带四条扩展碳氢链,八个或13个碳原子。这些添加剂包含不同C8和C13链组合,即0%、25%、50%、75%和100%C8(无C8/四个C13;一个C8/三个C13;两个C8/两个C13;三个C8/一个C13;四个C8/无C13)。

 

Yamamoto在商用SAE 0W-16日本轿车发动机油中分别加入各种MoDTC以及低比率钼。他在实验室中使用摩擦计评估这五种试液。

 

五种MoDTC拥有可比较性能,都降低了摩擦系数,相对于所提供的轿车发动机油,其表现为在纯滑动测试下降55%而在滚动滑动测试中下降45%。

 

随后进行发动机测试。Yamamoto在测试中使用1.4/2.0升的发动机比较五种实验MoDTC配方,该发动机与商业可用汽车所用发动机相同。SAE 0W-16石油中的五种实验MoDTC减少了发动机内部的摩擦。

 

与台架试验不同,他在发动机测试中观察到五种实验MoDTC配方的摩擦改进剂性能等级不同。随着较短C8链的比例从0增加至100%,摩擦减少,而摩擦减少与SAE 0W-16轿车发动机油在三种发动机速度下增加有关(每分钟700、1,200和2,000转)——通常用于实际车辆行驶和燃油经济性测试。

 

Yamamoto同样测试了中等汽车发动机中SAE 0W-20轿车发动机油的MoDTC。测试使用底盘测功器在受控条件下进行,类似于汽车跑台,这样便可衡量传送到后轮的扭矩和功率输出。

 

Yamamoto报告称,SAE 0W-20石油中的MoDTC混合物稍微提升了与所提供SAE 0W-20石油(在每分钟介乎3,500转和7,000转的速度下)有关的发动机扭矩和功率输出。

 

 

溶解度添加剂必须为可溶,这样才能在润滑油中溶解。但Yamamoto指出,在轿车发动机油中,较低的溶解度可能有利于金属对MoDTC的吸附,从而可以形成摩擦膜并减少摩擦。MoDTC溶解度与摩擦减少的平衡解释了发动机测试的结果。

 

Yamamoto表示,在SAE 0W-16轿车发动机油中,MoDTC的溶解度降低,因为C8支链增加的比例超过C13链。他说,提升MoDTC与石油兼容性的C13碳氢化合物组合越大,倾向于吸附和形成摩擦膜的C8组合越短。

 

在他的台架试验中,不管MoDTC在SAE 0W-16轿车发动机油中的溶解性如何,摩擦可能非常严重以至五种MoDTC都分解并形成了类似的低摩擦膜。

 

燃油经济性测试MoDTC的化学性能可以影响摩擦控制性能,但什么是燃油经济性?Yamamoto提醒与会者轿车发动机油主要通过两个相反的效果影响燃油经济性。石油在温度从40度增加至100度时会变薄。较薄的石油对运动部件的阻力更小,虽有利于燃油经济性,但对金属表面的摩擦提供较少的保护作用,不利于燃油经济性和磨损保护。Yamamoto根据New European Driving Cycle和其后续the Worldwide Harmonized Light Vehicle Test Procedure测试SAE 0W-16发动机油的燃油经济性。在两个试验中,商用车辆通过一系列模拟驾驶条件在测力器上操作。燃油效率的提高是通过使用参考油的性能来计算的。他使用的是SAE 0W-20参考油。Yamamoto的测试中,MoDTC的燃油效率提升结果与NEDC和WLTP测试截然不同。例如,在NEDC中,MoDTC使SAE 0W-16轿车发动机油提升0.23%效率,相对于参考石油,这相当于石油总燃料效率的10%。在WLTP中,同样的MoDTC使0W-16轿车发动机油提升0.62%效率,相对于参考石油,这相当于石油总燃料效率的65%。

 

Yamamoto了解到当发动机油发热且车辆和发动机速度快或处于动态时MoDTC效用最高。相比NEDC,这类相对严格的操作条件在WLTP中获得更广泛的使用。

 

虽然MoDTC的燃油效率指数少于1%且几乎可以忽略不计,但它对商用SAE 0W-16轿车发动机油而言是重大的改善——是对燃油经济性的重要贡献。

是一年一度的高考季,今天,全国莘莘学子踏入准备了十几年的高考考场,为自己的梦想与前程扬帆起航。

 

直至今天小编仍旧记得高考那天,天下着小雨淅淅沥沥的,内心有点局促,手上紧握的签字笔便是掌握我们今后命运的”厉器“,新开封的高考考卷弥漫着一股印刷香味,监考老师逛来逛去游荡我的思绪有点混乱,小手有点微微颤抖,右手边的妹子长得好漂亮……

 

但却记不起为何突然脑子进水选择了材料专业……

 

哈哈~开个玩笑,今天是高考的最后一日,小编代表广大材料行业学者祝福每个考生都能考进自己理想中的学校,加油吧!小伙伴们!

 

言归正传,今天小编要给大家普及的还是老生常谈的钨钼材料。

 

随着科学技术的创新以及汽车行业的发展,汽车领域内的部件以及材料也得到了迅速的更新与优化。就刹车部件而言,人们并不局限于时下已有的性能突出的陶瓷及碳纤维刹车,而在不断寻求综合性能更加优异的材料,如钨涂层刹车盘。

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