含硫代磷酸銨鹽潤(rùn)滑油在電磁場(chǎng)作用下的摩擦學(xué)性能

江澤琦,馮彥寒，方建華,劉 坪,陳波水,谷科城,吳 江

(1 陸軍軍醫(yī)大學(xué) 藥學(xué)院，重慶 400038；2 陸軍勤務(wù)學(xué)院油料系，重慶 401311)

日益電氣化和現(xiàn)代化的機(jī)器設(shè)備使許多滑動(dòng)部位的服役條件變得多樣化和復(fù)雜化，電動(dòng)機(jī)電刷、高速鐵路的滑板、大功率電力輸送中的開關(guān)接觸器、太空設(shè)備中的滑動(dòng)部件等都涉及到電磁環(huán)境下的摩擦磨損問(wèn)題[1-5]。電磁場(chǎng)能夠在摩擦副表面激發(fā)電磁效應(yīng)，通過(guò)產(chǎn)生某些物理或化學(xué)效應(yīng)而影響摩擦磨損性能[6-9]。Abder-jaber等[6]發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)作用下植物油的摩擦系數(shù)比無(wú)電磁場(chǎng)作用時(shí)小，認(rèn)為這是電磁場(chǎng)促進(jìn)了長(zhǎng)鏈植物油分子在摩擦副表面的密集排列，從而增強(qiáng)了植物油分子的吸附性能；翟文杰等[7]發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)通過(guò)影響摩擦界面間的氧化物層的性質(zhì)和狀態(tài)而影響摩擦學(xué)性能；常秋英等[8]發(fā)現(xiàn)，酸性或堿性溶液在帶電的摩擦副表面會(huì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，生成的氫氣起到“氣墊”的作用使摩擦系數(shù)減小。

電磁場(chǎng)對(duì)摩擦磨損的影響已經(jīng)成為當(dāng)今摩擦學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題，在相關(guān)領(lǐng)域的研究中，鮮見(jiàn)從摩擦界面電磁效應(yīng)的角度解釋其對(duì)潤(rùn)滑油添加劑作用行為影響的相關(guān)報(bào)道。傳統(tǒng)潤(rùn)滑添加劑的分子設(shè)計(jì)僅僅考慮了摩擦化學(xué)的反應(yīng)特性，卻忽略了電磁場(chǎng)可能對(duì)其在形成潤(rùn)滑膜過(guò)程中的影響。因此，通過(guò)有、無(wú)電磁場(chǎng)作用下含不同添加劑潤(rùn)滑油的摩擦磨損性能的比較，對(duì)指導(dǎo)電磁工況下添加劑的選用、添加劑分子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面將會(huì)是一種有益的探索。在這方面，筆者[10-12]已經(jīng)研究了電磁場(chǎng)對(duì)磷酸三甲酚酯(TCP)和二烷基二硫代磷酸鋅(ZDDP)摩擦學(xué)性能的影響，并從添加劑所含活性元素和分子結(jié)構(gòu)特性的角度初步分析了影響機(jī)制。

1 試樣制備與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

采用無(wú)極性石蠟基150SN作為基礎(chǔ)油，其40℃時(shí)的運(yùn)動(dòng)黏度為31.85mm2·s-1。

添加劑采用硫代磷酸銨鹽(代號(hào)為T307)，其理化性質(zhì)見(jiàn)表1所示。

表1 T307極壓抗磨劑的理化性質(zhì)Table 1 Physicochemical indies of T307

進(jìn)行摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)前，將T307按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)0%，0.5%，1.0%，1.5%，2.0%的添加量加入基礎(chǔ)油中，配制5種潤(rùn)滑油樣。

1.2 摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)

使用筆者自行改進(jìn)的四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)[10-12]進(jìn)行摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)。其工作原理圖如圖1所示。

圖1 改進(jìn)后四球試驗(yàn)機(jī)工作示意圖Fig.1 Illustration of the four-ball tribo-testerafter modified

為了研究添加劑含量、載荷和電磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)含硫代磷酸銨鹽(T307)潤(rùn)滑油的摩擦學(xué)性能的影響，實(shí)驗(yàn)分為以下3組進(jìn)行：

(1)通電線圈的電流強(qiáng)度為0A和1A的工況下，實(shí)驗(yàn)載荷392N，實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速1200r/min時(shí)，考察含不同添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)潤(rùn)滑油的摩擦學(xué)性能；

(2)選取含2.0%添加劑的潤(rùn)滑油，在通電線圈的電流強(qiáng)度為0A和1A的工況下，轉(zhuǎn)速1200r/min時(shí)，考察實(shí)驗(yàn)載荷分別為196，392N和490N下該潤(rùn)滑油樣的摩擦學(xué)性能；

(3)選取含2.0%添加劑的潤(rùn)滑油，在實(shí)驗(yàn)載荷392N，轉(zhuǎn)速1200r/min時(shí)，考察通電線圈的電流強(qiáng)度為0，0.5，1A和1.5A 3種工況下該油樣的摩擦學(xué)性能。

娟妹聽得心曠神怡：“淼哥，前幾天我腳扭了，站地疼得全身出冷汗，可還是走到醫(yī)院，一路上墻都沒(méi)扶，可是你，我不得不服！

根據(jù)SH/T0189-92，使用12.7mm GCr15標(biāo)準(zhǔn)鋼球，硬度HRC58～62，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為30min。設(shè)置磁感應(yīng)線圈的電流強(qiáng)度為0，0.5，1A和1.5A時(shí)，用HT201型手持式數(shù)字特斯拉計(jì)測(cè)得摩擦接觸區(qū)域的實(shí)測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為0，0.05，0.1T和0.12T。摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，使用光學(xué)顯微鏡測(cè)量3個(gè)底球的磨斑直徑(wear scar diameter, WSD)并將其平均值作為該輪實(shí)驗(yàn)鋼球的磨斑直徑，取摩擦因素的平均值作為該輪實(shí)驗(yàn)的摩擦因數(shù)。

1.3 表面分析

將0T和0.1T強(qiáng)度的電磁場(chǎng)作用下，經(jīng)含2% T307潤(rùn)滑油摩擦磨損實(shí)驗(yàn)后的鋼球用石油醚超聲清洗，然后用TESCAN VEGA 3 LMH型電子掃描顯微鏡(SEM)觀察鋼球表面形貌，并用X射線光電子能譜(XPS)檢測(cè)磨斑表面所含元素的化學(xué)狀態(tài)及其含量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 摩擦學(xué)性能

2.1.1 硫代磷酸銨鹽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)摩擦學(xué)性能的影響

圖2是有、無(wú)電磁場(chǎng)作用下(摩擦區(qū)域的電磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為0T和0.1T)，載荷392N，轉(zhuǎn)速1200r/min時(shí)鋼球表面磨斑直徑和摩擦因數(shù)(coefficient of friction, COF)隨T307在150SN礦物油中質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化關(guān)系曲線。從圖2中可以看出，T307的添加有效改善了150SN基礎(chǔ)油的抗磨性能，但卻削弱了基礎(chǔ)油的減摩性能。另外，在有、無(wú)電磁場(chǎng)工況中，隨著添加劑含量的增加，磨斑直徑和摩擦因數(shù)的變化趨勢(shì)大致一致；電磁場(chǎng)作用下，添加T307油樣中鋼球的磨斑直徑和摩擦因數(shù)均比無(wú)電磁場(chǎng)時(shí)大，說(shuō)明電磁場(chǎng)對(duì)含T307油樣的抗磨減摩性能有不利的影響。

2.1.2 載荷對(duì)摩擦學(xué)性能的影響

圖3是有、無(wú)電磁場(chǎng)作用下(摩擦區(qū)域的電磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為0T和0.1T)，轉(zhuǎn)速1200r/min時(shí)載荷為196,392N和490N時(shí)含2%T307油樣中鋼球的磨斑直徑和摩擦因數(shù)。從圖3中可以看出，在有、無(wú)電磁場(chǎng)兩種工況下，磨斑直徑隨著載荷的增大而增大，摩擦因數(shù)隨著載荷的增大而減小。另外，電磁場(chǎng)作用下的磨斑直徑和摩擦因數(shù)均大于無(wú)電磁場(chǎng)作用時(shí)的數(shù)值，說(shuō)明在所考察的3種載荷下，摩擦副界面的電磁效應(yīng)對(duì)含T307油樣的抗磨減摩性能均有不利的影響。

圖2 有、無(wú)電磁場(chǎng)作用下磨斑直徑(a)和摩擦因數(shù)(b)隨T307質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化曲線Fig.2 Variation of WSD (a) and COF (b) with mass fraction of T307 under electromagnetic or non-electromagnetic field

圖3 有、無(wú)電磁場(chǎng)工況中磨斑直徑(a)和摩擦因數(shù)(b)隨載荷的變化關(guān)系Fig.3 Variation of WSD (a) and COF (b) with loads under electromagnetic or non-electromagnetic field

2.1.3 電磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)摩擦學(xué)性能的影響

圖4給出了載荷392N，轉(zhuǎn)速1200r/min時(shí)，不同電磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)(摩擦區(qū)域的電磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為0, 0.05, 0.1T和0.12T)含2%T307油樣的磨斑直徑(WSD)和摩擦因數(shù)(COF)的變化曲線。從圖4中可以看出，在所考察的電磁場(chǎng)強(qiáng)度下，摩擦界面的電磁效應(yīng)對(duì)含T307油樣的抗磨減摩性能均有不利的影響。

圖4 磨斑直徑和摩擦因數(shù)隨電磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化關(guān)系曲線Fig.4 Variation curves of WSD and COF with the intensityof electromagnetic field

2.2 磨斑表面形貌

圖5是有、無(wú)電磁場(chǎng)條件下，載荷392N，轉(zhuǎn)速1200r/min時(shí)，添加2%T307潤(rùn)滑油中鋼球表面磨斑的全貌圖(左側(cè))和細(xì)節(jié)圖(右側(cè))的SEM照片。從圖5中可以看出，在電磁場(chǎng)條件下，含T307油樣中鋼球的磨斑直徑比無(wú)電磁場(chǎng)作用時(shí)的磨斑直徑大，磨斑表面的犁溝也比無(wú)電磁場(chǎng)作用時(shí)更明顯。SEM分析說(shuō)明電磁場(chǎng)削弱了含T307油樣的潤(rùn)滑效果，這與上述摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一致的。

2.3 磨斑表面元素的XPS分析

圖6是在有、無(wú)電磁場(chǎng)條件下，載荷392N，轉(zhuǎn)速1200r/min時(shí)，含2%T307潤(rùn)滑油中鋼球磨斑表面典型元素的XPS圖譜。從C1s的XPS圖譜可以看出潤(rùn)滑油分子在磨斑表面發(fā)生了吸附；P2p在133.4eV處的電子結(jié)合能屬于FePO4；Fe2p的電子結(jié)合能710.5eV屬于Fe2O3，711.2eV處的吸收峰對(duì)應(yīng)于FeOOH，713.5eV處的吸收峰則對(duì)應(yīng)于FeSO4或FeS；N1s在399.8eV附近的電子結(jié)合能表明N以有機(jī)態(tài)的形式吸附于磨損表面。上述XPS分析結(jié)果表明，在有、無(wú)電磁場(chǎng)作用兩種工況下，含T307潤(rùn)滑油中鋼球的磨斑表面均有FeSO4,FeS以及含N有機(jī)物等物質(zhì)的摩擦化學(xué)反應(yīng)膜生成，有效改善了150SN礦物油的抗磨性能。

圖5 有、無(wú)電磁場(chǎng)條件下含2%T307油樣中鋼球表面磨斑的SEM照片 (a)0T;(b)0.1T;(1)全貌圖;(2)細(xì)節(jié)圖Fig.5 SEM morphologies of worn surface lubricated by oil with 2.0% of T307 under electromagnetic and non-electromagnetic field(a)0T;(b)0.1T;(1)overall view;(2)detailed view

表2列出了有、無(wú)電磁場(chǎng)時(shí)含2%T307潤(rùn)滑油中鋼球磨斑表面典型元素的相對(duì)原子分?jǐn)?shù)。從表2可以看出，電磁場(chǎng)作用下，含T307潤(rùn)滑油中鋼球表面的功能元素(N，S，O和P)的相對(duì)原子分?jǐn)?shù)比無(wú)電磁磁場(chǎng)時(shí)低，說(shuō)明電磁場(chǎng)不利于這些功能元素與鋼球表面結(jié)合，從而不利于鋼球表面化學(xué)反應(yīng)膜的生成；濺射5min后，N，S，O，P元素的相對(duì)原子分?jǐn)?shù)比無(wú)電磁場(chǎng)時(shí)高，說(shuō)明電磁場(chǎng)促進(jìn)了這4種元素向金屬基體擴(kuò)散。因此，從上述分析中推測(cè)，由電磁場(chǎng)引起的功能元素向金屬基體的擴(kuò)散現(xiàn)象可能是電磁場(chǎng)削弱含T307油樣潤(rùn)滑性能的原因。

圖6 有、無(wú)電磁場(chǎng)條件下含2%T307油樣中磨斑表面典型元素的XPS圖譜(a)Cls;(b)Fe2p;(c)P2p;(d)O1s;(e)S2p;(f)N1sFig.6 XPS spectra of worn surfaces lubricated with lubricants containing 2% of T307 under electromagnetic andnon-electromagnetic field (a)Cls;(b)Fe2p;(c)P2p;(d)O1s;(e)S2p;(f)N1s

Sputteringtime/minIntensity/TAtom fraction/%CNSFeOP0074.612.570.531.6218.242.430.178.331.520.341.3817.790.645018.461.761.665.3411.211.630.111.312.462.1968.2113.522.31

2.4 機(jī)理分析

同時(shí)，將本工作的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)[10-12]進(jìn)行對(duì)比分析，電磁場(chǎng)并非對(duì)所有的潤(rùn)滑油添加劑都有潤(rùn)滑增效的作用，添加劑在電磁場(chǎng)作用下的摩擦學(xué)性能與添加劑的分子結(jié)構(gòu)、所含的活性元素有關(guān)。摩擦界面的電磁效應(yīng)通過(guò)影響添加劑分子的吸附特性、摩擦化學(xué)反應(yīng)膜的吸附特性和摩擦化學(xué)反應(yīng)特性從而影響添加劑的摩擦學(xué)性能。

3 結(jié)論

(1)電磁場(chǎng)作用下，含T307油樣中鋼球的磨斑直徑和摩擦因數(shù)均比無(wú)電磁場(chǎng)作用時(shí)大，說(shuō)明電磁場(chǎng)對(duì)含T307潤(rùn)滑油的抗磨減摩性能有不利的影響。

(2)XPS分析表明，電磁場(chǎng)不利于含T307油樣中P，S，O，N元素與金屬表面結(jié)合而不利于摩擦化學(xué)反應(yīng)膜的生成，還有可能影響含N有機(jī)物的吸附而削弱了油樣的抗磨減摩性能。電磁場(chǎng)引起的T307中功能元素向金屬基體內(nèi)部擴(kuò)散可能是對(duì)含T307油樣的潤(rùn)滑性能有不利影響的原因。

(3)電磁場(chǎng)并非對(duì)所有的潤(rùn)滑油添加劑都有潤(rùn)滑增效的作用，添加劑在電磁場(chǎng)作用下的摩擦學(xué)性能與添加劑的分子結(jié)構(gòu)和所含的活性元素有關(guān)。