磁場作用下基礎油和含硫代磷酸銨鹽潤滑油的摩擦學特性

江澤琦，方建華，鄭 哲，陳波水

(中國人民解放軍后勤工程學院軍事油料應用與管理工程系，重慶 401311)

磁場作用下基礎油和含硫代磷酸銨鹽潤滑油的摩擦學特性

江澤琦，方建華，鄭 哲，陳波水

(中國人民解放軍后勤工程學院軍事油料應用與管理工程系，重慶 401311)

采用改進后的四球試驗機考察在有、無磁場作用下150SN基礎油和含硫代磷酸銨鹽(T307)抗磨添加劑潤滑油的摩擦磨損性能，并用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察磨斑的表面形貌，分析磁場、載荷和T307的添加量對潤滑油摩擦學特性的影響。結果表明：以150SN基礎油為潤滑介質時，與無磁場作用時相比，磁場作用下的鋼球磨斑直徑較小、摩擦因數較大，即磁場作用可增強150SN基礎油的抗磨性能、削弱其減摩性能；以含T307潤滑油為潤滑介質時，磁場作用下的鋼球磨斑直徑和摩擦因數均大于無磁場作用時的磨斑直徑和摩擦因數，即磁場作用對含T307潤滑油的抗磨性能和減摩性能都有不利影響；磁場作用會影響鋼球表面膜的性質和狀態，不利于T307與金屬表面發生摩擦化學反應形成潤滑膜。

磁場 硫代磷酸銨鹽 潤滑油 摩擦 磨損

日益電氣化和現代化的機器設備使許多滑動部位的服役條件變得多樣化和復雜化，這對潤滑油的性能提出了更高的要求。電動機電刷、高速鐵路的滑板、大功率電力輸送中的開關接觸器、太空設備中的滑動部件等都涉及到電磁環境下的摩擦磨損問題[1-5]，另外，摩擦副在發生相對運動的過程中，會由于摩擦自生電勢激發磁場，而磁場作為物質存在的一種形式，與實物物質一樣有著能量、動量等屬性，它勢必會影響物質的結構、性質，從而影響摩擦、磨損和潤滑性能以及作用機理[6-11]。

國內外許多學者開展了磁場條件下的摩擦學研究，Sato等[12]通過實驗發現，摩擦不僅可以誘發磁場的產生，還可以改變摩擦副材料的摩擦學特性；Muju 等[4]認為，磁場會影響金屬的內應力而使其硬度發生改變。在對潤滑添加劑摩擦學性能的研究中，研究者主要考慮摩擦化學的反應特性，而很少從電磁效應的角度解釋其作用行為。因此，通過比較有、無磁場作用下潤滑油的抗磨、減摩性能，探究磁場、載荷等因素對摩擦學特性的影響，對指導不同工況下添加劑種類的選用、添加劑分子的結構設計等將會有所裨益。

硫代磷酸銨鹽(T307)因其優異的抗磨性能和良好的極壓能力而廣泛應用于眾多工業領域[13]。本課題通過在摩擦磨損試驗機的四球摩擦接觸區域外加通電線圈產生磁場來模擬和放大摩擦自生電勢激發的電磁效應，考察不同工況下基礎油和含T307潤滑油的抗磨、減摩性能，并結合掃描電子顯微鏡(SEM)的分析結果，探討磁場作用對油品抗摩、減磨性能影響的機理。

1 實 驗

1.1 潤滑油樣品的配制

采用無極性石蠟基150SN作為基礎油，添加劑采用北京苯環精細化工有限公司生產的T307極壓抗磨添加劑，其結構式如下(R表示烷基)：

將T307按0，0.5%，1.0%，1.5%，2.0%的添加量(w)加入基礎油中配制5種潤滑油樣品，基礎油和T307的理化性質分別見表1和表2。

1.2 摩擦磨損試驗

在MMW-1型立式萬能摩擦磨損試驗機(濟南舜茂試驗儀器有限公司生產)上，采用四球摩擦的方式評價摩擦副在不同工況下的摩擦磨損性能。在摩擦接觸區外置一個通電線圈產生磁場來模擬和放大摩擦副摩擦過程中激發的摩擦電磁效應，線圈匝數為800匝，其工作原理如圖1所示。

表1 150SN基礎油的理化性質

表2 T307極壓抗磨劑的理化性質

圖1 改進后四球試驗機的工作原理示意

1.3 表面形貌分析

分別將有、無磁場作用條件下經150SN基礎油和含2%T307潤滑油摩擦磨損試驗后的鋼球用石油醚清洗，用TESCAN VEGA 3 LMH型電子掃描顯微鏡觀察鋼球磨痕的表面形貌。

2 結果與討論

2.1 抗磨性能

不同試驗條件下鋼球磨斑直徑隨T307添加量的變化見圖2。由圖2可以看出：以150SN基礎油為潤滑介質時，在磁場作用下不同載荷時鋼球磨斑直徑均比無磁場作用時的磨斑直徑小，說明磁場作用有利于提高150SN基礎油的抗磨性能；150SN基礎油中加入T307后，在所考察的工況下，油樣的抗磨性能均不同程度地得到改善，這是因為T307分子與摩擦副表面發生了復雜的摩擦化學反應，生成了含有S，P，N等元素的邊界潤滑膜，增強了其抗磨性能[13]；隨著T307添加量的增加，鋼球磨斑直徑呈先降低后略有升高的變化趨勢，3種載荷下的抗磨性能均在T307添加量(w)為0.5%時最好；以含T307的潤滑油為潤滑介質時，在磁場作用下不同載荷時鋼球的磨斑直徑均大于無磁場作用時的磨斑直徑，說明磁場作用對含T307潤滑油的抗磨性能有不利影響；當載荷為196 N時，磁場作用對油樣抗磨性能的影響程度隨T307添加量的增大而減小；當載荷為392 N和490 N時，磁場作用對油樣抗磨性能的影響程度隨T307添加量的增大而增大。

圖2 不同工況下鋼球磨斑直徑隨T307添加量的變化■—無磁場，196 N； ▲—有磁場，196 N； —無磁場，392 N； —有磁場，392 N； ◆—無磁場，490 N； ●—有磁場，490 N。圖3同

2.2 減摩性能

不同試驗條件下摩擦因數隨T307添加量的變化見圖3。由圖3可以看出，以150SN基礎油或含T307的潤滑油為潤滑介質時，在所考察的3種載荷條件下，磁場作用下的摩擦因數均大于無磁場作用時的摩擦因數。說明磁場作用削弱了150SN基礎油和含T307潤滑油的減摩性能。

圖3 不同工況下摩擦因數隨T307添加量的變化

以含2%T307的潤滑油為潤滑介質，在有、無磁場作用下摩擦因數隨試驗時間的變化見圖4。從圖4可以看出，磁場作用下的摩擦因數大于無磁場作用時的摩擦因數，且波動幅度更大。說明磁場作用在不斷影響著表面膜的性質和狀態，且不利于T307與金屬表面發生摩擦化學反應形成潤滑膜。

圖4 在有、無磁場作用下摩擦因數隨試驗時間的變化

2.3 鋼球的磨斑表面形貌

以150SN基礎油和含2%T307潤滑油為潤滑介質，在有、無磁場作用下，載荷為392 N時鋼球磨斑的SEM照片(放大200倍)見圖5。由圖5(a)和圖5(c)可以看出，在無磁場作用時，150SN基礎油潤滑下鋼球的磨斑直徑大于含2%T307潤滑油作用下的磨斑直徑，說明T307在摩擦過程中生成的化學反應膜對鋼球表面起到了一定的保護作用。由圖5(a)和圖5(b)可以看出，以150SN基礎油為潤滑介質時，在磁場作用下鋼球的磨斑直徑小于無磁場作用時的磨斑直徑，這可能是因為磁場通過電物理效應促進了無極性潤滑油中摩擦副表面膜的物理或化學吸附[14]，增強了其抗磨性能。由圖5(c)和圖5(d)可以看出，以含2%T307的潤滑油為潤滑介質時，在磁場作用下鋼球的磨斑直徑大于無磁場作用時的磨斑直徑，說明磁場作用對含T307潤滑油的抗磨性能有不利的影響，這可能與磁場對含活性添加劑潤滑介質的摩擦電化學效應有關[15]。T307分子中的N能提供未共用電子對，是一種較強的Lewis堿[16]，并且N能夠提供電子，其周圍的電子云密度較大，構成了吸附活性中心，因此推測磁場影響了T307分子間存在的偶極間的極化作用，從而增大了分子間的距離，降低了其在鋼球表面的吸附活性，不利于含T307潤滑油抗磨性能的保持和實現。

圖5 在有、無磁場作用下鋼球磨斑的SEM照片

3 結 論

(1) 以150SN基礎油為潤滑介質時，與無磁場作用時相比，磁場作用下的鋼球磨斑直徑較小、摩擦因數較大，即磁場作用可增強150SN基礎油的抗磨性能、削弱其減摩性能；以含T307的潤滑油為潤滑介質時，磁場作用下的鋼球磨斑直徑和摩擦因數均大于無磁場作用時的磨斑直徑和摩擦因數，即磁場作用對含T307潤滑油的抗磨性能和減摩性能都有不利影響。

(2) 磁場作用會影響鋼球表面膜的性質和狀態，不利于T307與金屬表面發生摩擦化學反應形成潤滑膜。

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TRIBOLOGICAL PROPERTIES OF BASE OIL AND LUBRICANTS WITH AMMONIUM THIOPHOSPHATE IN MAGNETIC FIELD

Jiang Zeqi， Fang Jianhua， Zheng Zhe， Chen Boshui

(DepartmentofOilApplication&ManagementEngineering，LogisticalEngineeringUniversityofPLA，Chongqing401311)

Friction and wear characteristics of 150SN base oil and oils containing ammonium thiophosphate (T307) were evaluated by an improved four-ball tester with or without magnetic fields. The morphologies of worn surfaces lubricated with tested oils were observed by scanning electron microscope (SEM)， and the effect of the magnetic field， loading and T307 dosage on tribological properties of the oils was analyzed. The results indicate that the wear scar diameters in the magnetic field lubricated with the blank oil are smaller than those in non-magnetic field，the friction coefficients in magnetic field are larger than those without magnetic impact. Furthermore， the wear scar diameters and friction coefficients lubricated with T307-doped oils under the magnetic conditions are larger， indicating the negative effect of magnetic field on tribological performance of formulated oils. The magnetic field has an unfavorable effect for the formation of lubrication film on the metal surface through tribochemical reactions between T307 and metal surface.

magnetic field； ammonium thiophosphate； lubricants； friction； wear

2016-05-06；修改稿收到日期：2016-07-13。

江澤琦，碩士研究生，主要從事環境友好潤滑油添加劑的研究工作。

方建華，E-mail：fangjianhua71225@sina.com。

國家自然科學基金項目(51375491)、重慶自然科學基金項目(CSTC2014JCYJAA50021)和后勤工程學院創新基金項目(YZ13-43703)。