直流磁場作用下含納米MoS2潤滑油的摩擦磨損特性

姜自超，方建華，陳波水，江澤琦，王 鑫，馮彥寒

(1.陸軍勤務學院 油料系,重慶 401311;2.陸軍軍醫大學 藥學院,重慶 400038)

金屬摩擦副表面在相對運動過程中會產生多種電磁效應[1]，如摩擦自生電勢等。同時，隨著機械設備電氣化程度的提高，摩擦副也常常工作于電磁環境中。國內外研究表明[2-7]，電磁場不僅對金屬表面的電子、金相結構、空位運動和表面能等產生影響，而且也會對磨屑和潤滑劑產生作用。研究磁場條件下摩擦副材料及潤滑劑性能的變化特性，對深入認識材料的摩擦磨損機理、潤滑劑的摩擦化學行為，及運用磁場降低摩擦副的摩擦磨損、實現摩擦副摩擦磨損的主動控制等具有重要意義。

MoS2晶體屬于六方晶系，為典型三明治結構的層狀化合物，層間以微弱的范德華力維系[8-10]。因而MoS2易受外界影響破壞層間的堆垛結構，形成較為穩定的薄層。20世紀50年代，MoS2就作為第一代固體潤滑劑得到了廣泛應用。近年來，將納米MoS2用作潤滑油添加劑得到了廣泛關注，Cizaire等[11]制備了納米MoS2并評價了其摩擦學特性，結果表明納米MoS2比普通MoS2具有更好的摩擦學特性。眾多學者[12-18]從不同方面對納米MoS2作為潤滑油添加劑進行了研究，進一步展現了其優良的性能。

筆者通過在立式萬能摩擦磨損試驗機的摩擦副接觸區域外置磁場來模擬和放大摩擦副的電磁場工況，及摩擦過程中自激發的電磁效應，研究在直流磁場(DC)作用下，含納米MoS2潤滑油的摩擦磨損特性，并通過SEM電鏡和X射線光電子能譜分析其潤滑性能和機理。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

基礎油：150SN石蠟基基礎油，深圳市潤滑油工業公司產品。添加劑：納米MoS2，蘇州恒球科技有限公司產品。

立式萬能摩擦磨損試驗機，MMW-1型，濟南舜茂試驗儀器有限公司產品。試驗鋼球為GCr15標準鋼球，直徑12.7 mm，洛氏硬度(HRC)58～62，中國石化石油化工科學研究院提供。試驗在立式萬能摩擦磨損試驗機的摩擦副區域設置自制的磁場發生線圈，直流磁場磁感線的方向大致垂直于摩擦接觸界面。圖1為摩擦副接觸區的工作示意圖，其磁感應強度采用HT 201型手持式特斯拉計測量。掃描電子顯微鏡(SEM)，Quanta 250FEG型，美國FEI公司產品；X射線光電子能譜儀(XPS)，Escalab250型，美國ThermoFisher Scientific公司產品。

圖1 摩擦副接觸區的工作示意圖Fig.1 Schematic diagram of contact region of tribomates

1.2 油樣穩定性試驗

按照質量分數分別為0.5%、1.0%、1.5%和2.0%的比例，將納米MoS2加入到含有質量分數為0.2%的清凈分散劑T106的150SN潤滑油基礎油中，攪拌20 min，超聲分散30 min。

油樣穩定性試驗采用靜置沉降觀察和紫外-可見光譜分析方法進行。對含2.0%納米MoS2、0.2% T106的油樣進行穩定性試驗，并以未添加T106的油樣為對照。試驗周期為1～7 d，每隔1 d對油樣進行拍照，并測定油樣的透光率。

1.3 油樣摩擦磨損性能的測試

按照潤滑油抗磨損性能測定法(四球法)測定油樣的摩擦磨損性能。試驗條件為：載荷392 N、轉速1200 r/min、時間30 min，油溫(75±2)℃。試驗分別在有磁場環境和無磁場環境下進行。在有磁場條件下進行試驗時，摩擦副的磁感應強度保持在0.1 T；每組試驗結束后，摩擦副的磁感應強度降為0 T。測定試驗鋼球的磨斑直徑，并通過SEM觀察磨痕的形貌，通過XPS分析磨痕表面元素的化學狀態。

2 結果與討論

2.1 油品穩定性分析

含2.0%納米MoS2潤滑油油樣的沉降試驗結果如圖2所示。從圖2可以看出：在整個試驗周期內，以T106分散的納米MoS2油樣均表現出良好的穩定性；而未添加T106的納米MoS2油樣在第2 d后出現明顯的沉降。未添加T106含2.0%納米MoS2油樣的紫外-可見光透過率(T)隨時間變化如圖3所示。從圖3中可見：未添加T106含2.0%納米MoS2油樣的透光率從第2 d開始不斷增加，7 d后達到70%左右；而添加0.2% T106含2.0%納米MoS2油樣在試驗周期內透光率始終為0。沉降試驗和紫外-可見光譜分析結果都表明以T106分散的納米MoS2在150SN基礎油中具有優異的穩定性。

2.2 摩擦磨損特性分析

圖4為在有磁場、無磁場存在時，鋼球磨斑直徑(D)與納米MoS2在潤滑油中質量分數的關系。從圖4中可以看出，隨潤滑油中納米MoS2質量分數的增加，鋼球的磨斑直徑減小。在無磁場條件下，當MoS2質量分數超過1.0%時，鋼球磨斑直徑的變化不明顯。因此，無磁場條件下納米MoS2添加的質量分數以1.0%為宜。在有磁場條件下，同一樣品試驗鋼球的磨斑直徑均比無磁場時小。含0.5%納米MoS2油樣的抗磨性能好于無磁場條件下含1.0%納米MoS2油樣的。這表明施加磁場有助于提高納米MoS2潤滑油的抗磨性能，降低了納米MoS2的添加量，因為在不均勻的直流磁場中，具有抗磁性的納米MoS2富集在鋼球表面，短時間內獲得了更好的抗磨效果。

圖2 含2.0%納米MoS2潤滑油在不同時間的數字圖像Fig.2 Images of oil containing 2.0% nano-MoS2 at different time(a)Containing 0.2% T106 dispersant；(b)Without dispersant

圖3 無T106含2.0%納米MoS2潤滑油在不同時間的紫外-可見光譜透過率Fig.3 The transmittance of oil containing 2.0% nano-MoS2 at different time recorded by UV-Visible spectroscopy

圖5為有磁場、無磁場條件下，油樣的摩擦系數(f)與納米MoS2在潤滑油中含量的關系。從圖5中可以看出：不含納米MoS2潤滑油基礎油的摩擦系數在有、無磁場時相近；添加納米MoS2潤滑油的摩擦系數在有磁場情況小于在無磁場的情況。同時，隨著MoS2含量的增加，潤滑油的摩擦系數降低。這也印證了磁場會改變納米MoS2在潤滑油中分布的推論。

圖6為在有磁場和無磁場條件下150SN基礎油和含2.0%納米MoS2潤滑油的摩擦系數隨試驗時間的變化情況。由圖6(a)可知，無論有無磁場，隨摩擦試驗時間的延長，150SN基礎油的摩擦系數逐漸降低；由圖6(b)可知，含2.0%納米MoS2潤滑油在有磁場時的摩擦系數小于無磁場時的摩擦系數，且摩擦系數隨著摩擦時間的延長均呈先增大后減小的趨勢。這可能是因為：在試驗初期，納米MoS2在摩擦副表面吸附量較多，起到了良好的減摩作用；隨著摩擦副的磨合，含納米MoS2的油膜不斷破裂重組造成油樣摩擦系數增大；當鋼球摩擦副的磨合完成時，界面膜的完整性提高，摩擦系數開始減小；結合圖6(a)、(b)還可以發現，有磁場工況下150SN基礎油和含2.0%納米MoS2潤滑油兩種油樣摩擦系數的波動性較大，可能是由于磁疇移動、位錯和能量變化對表面膜的完整性和致密程度產生影響造成的。

圖4 有、無磁場條件下磨斑直徑(D)隨潤滑油中納米MoS2質量分數的變化曲線Fig.4 Variation of wear scar diameters (D)with the mass fraction of nano-MoS2 with and without magnetic fields

圖5 有、無磁場條件下油樣的摩擦系數(f)隨潤滑油中納米MoS2質量分數的變化曲線Fig.5 Variation of friction coefficients (f)with massfraction of nano-MoS2 with and without magnetic fields

圖6 有、無磁場條件下2種油樣的摩擦系數(f)隨試驗時間的變化Fig.6 Variation of friction coefficients (f)with test time of lubricants with and without magnetic fields(a)150SN base oil；(b)Oil containing 2.0% mass fraction of nano-MoS2

2.3 SEM和EDS分析

圖7為在有、無磁場條件下，基礎油150SN和含納米MoS2油樣進行摩擦試驗后鋼球表面磨斑區域的微觀形貌。由圖7(a)、(b)可知，150SN在有、無磁場條件下磨斑形貌相近，結合基礎油摩擦試驗鋼球的磨斑直徑和摩擦系數研究結果，可以說明直流磁場對150SN無明顯影響。圖7(c)、(d)中鋼球表面磨痕明顯比圖7(a)、(b)中淺，表明納米MoS2具有明顯的抗磨作用。比較圖7(c)、(d)還可發現，在直流磁場條件下，鋼球的犁溝比無磁場時稍淺，佐證了直流磁場對納米MoS2的抗磨增效作用。

圖7 在有、無磁場條件下150SN和含納米MoS2潤滑油中磨斑表面形貌的SEM照片Fig.7 SEM micrographs of worn surfaces lubricated with 150SN base oil and lubricating oil containing nano-MoS2 with and without magnetic field(a)Base oil in non-magnetic field；(b)Base oil in magnetic field；(c)Oil containing nano-MoS2 in non-magnetic field；(d)Oil containing nano-MoS2 in magnetic field

圖7(a)、(b)、(c)、(d)中的方框區域和未試驗鋼球表面的EDS能譜，分別記為a、b、c、d、e。EDS能譜中各種元素的質量分數組成如表1所示。從表1可知：150SN基礎油的試驗鋼球的磨斑區域幾乎沒有S元素，Mo元素含量與未試驗鋼球相近，為鋼球本身組成元素；含納米MoS2油樣的試驗鋼球的磨斑區域的S、Mo元素含量明顯增多，且在直流磁場條件下的鋼球中S、Mo元素含量明顯高于在無磁場條件下的鋼球。

表1 摩擦試驗鋼球磨斑表面和未試驗鋼球表面的元素含量Table 1 Elemental contents of the steel ball surface with and without friction test w/%

2.4 XPS分析

圖8為含2.0%納米MoS2潤滑油的鋼球磨斑表面的XPS圖譜。圖8(a)的C 1s圖譜的特征峰對應C-C單鍵和C=O雙鍵，且在有、無磁場條件下的峰強度基本一致，說明潤滑油分子在摩擦表面發生吸附，磁場對吸附影響很小。從圖8(b)的Mo 3d圖譜可以發現，在230.6 eV和229.2 eV處存在明顯特征峰，結合圖8(c)的S 2p圖譜中在161.9 eV和163.2 eV處的特征峰，可以確定納米MoS2在磨斑表面發生吸附。這與EDS的測試結果一致。此外，圖8(b)中233.7 eV和232.4 eV處的特征峰為MoO3[16]，說明在摩擦過程中部分納米MoS2發生了摩擦化學反應生成MoO3。圖8(c)的S 2p譜圖中168.9 eV處的特征峰表明，摩擦化學反應還生成了FeSO4[14]，但在有、無磁場條件下，168.9 eV處的峰強度差別較大，結合EDS中的S元素含量的分析結果，說明直流磁場對FeSO4的生成具有促進作用。FeSO4的生成提高了潤滑油的抗磨減摩性能，說明促進FeSO4的生成是直流磁場的增效作用之一。圖8(d)為Fe 2p圖譜，從中可以發現，在711.0 eV和724.8 eV處存在明顯的特征峰，分別來自于Fe2O3和FeSO4，其中Fe2O3可能來自摩擦化學反應或自然氧化[17-18]，此外Fe單質的吸收峰(719.8 eV)強度很小，說明界面膜完整性很好。

XPS分析說明，直流磁場促進含納米MoS2的潤滑油發生摩擦化學反應生成了Fe2O3、FeSO4和MoO3，增強了邊界潤滑油膜強度，提高了油樣的抗磨減摩性能。

圖8 有、無磁場條件下含2.0%納米MoS2潤滑油中磨斑表面典型元素的XPS圖譜Fig.8 XPS spectra of typical elements on the worn surfaces lubricated by 2.0% of nano-MoS2 contained oil doped with and without magnetic fields(a)C 1s；(b)Mo 3d；(c)S 2p；(d)Fe 2p

2.5 直流磁場對納米MoS2作用機理分析

MoS2是具有抗磁性的半導體化合物，其分子中電子成對存在，電子磁矩互相抵消，合磁矩為零。當受到外加磁場作用時，MoS2分子中原子的外層電子軌道運動會發生變化，并在與外加磁場的相反方向產生合磁矩。若磁場不均勻，MoS2受力方向指向磁場減弱的方向，潤滑油中的納米MoS2會在磁力的作用下緩慢移動，如圖10所示。由圖10可知，直流磁場對納米MoS2在潤滑油中的空間分布產生了影響，使其在摩擦表面富集，減少了摩擦過程中鋼球表面的直接接觸。

圖10為納米MoS2發生摩擦化學反應的一種可能路徑。摩擦副在摩擦過程中生熱，會出現瞬時高溫及粒子發射現象(外激電子、帶電粒子、電磁波等)。在高溫和電磁作用下，MoS2、O2和Fe會發生化學鍵的斷裂與重組，在摩擦表面形成具有保護作用的化學反應膜。研究表明外加磁場會促進摩擦外激電子、降低材料表面氧化活化能[1,19-20]，進而增加摩擦化學反應的發生率，增強納米MoS2的潤滑性能。

圖9 有、無磁場條件下納米MoS2在潤滑油中的空間分布示意圖Fig.9 Schematic representation of the space distributions of MoS2 nanoparticles with and without magnetic fields Steel ball Base oil Nano-MoS2 Tribo-film(a)Non-magnetic field；(b)DC magnetic field

圖10 MoS2在鋼表面摩擦化學反應的機理示意圖Fig.10 Schematic representation of tribo-chemical reactions of MoS2 on the steel surface

3 結 論

(1)在有、無磁場的不同條件下，含納米MoS2潤滑油的摩擦系數和磨斑直徑均小于基礎油的，納米MoS2的抗磨減摩性能良好。

(2)在直流磁場條件下，含納米MoS2潤滑油的試驗鋼球的磨斑直徑和摩擦系數均比無磁場時小。不均勻的直流磁場可以使納米MoS2向摩擦表面富集，短時提高含納米MoS2潤滑油的抗磨減摩性能。

(3)在有、無磁場條件下，納米MoS2潤滑油試驗鋼球的磨斑表面均生成了含有Fe2O3、FeSO4和MoO3等化合物組成的邊界潤滑膜。直流磁場對摩擦副表面摩擦化學反應膜的生成具有促進作用。