環(huán)境真空度對不同含氟基礎(chǔ)油摩擦學(xué)性能的影響

黃志洋，張建榮，楊 鶴，彭 茜

(中國石化石油化工科學(xué)研究院，北京 100083)

環(huán)境真空度對不同含氟基礎(chǔ)油摩擦學(xué)性能的影響

黃志洋，張建榮，楊 鶴，彭 茜

(中國石化石油化工科學(xué)研究院，北京 100083)

通過真空四球摩擦試驗機開展不同含氟基礎(chǔ)油在不同環(huán)境壓力下的摩擦學(xué)試驗，采用掃描電子顯微鏡、X射線光電子能譜儀等分析手段對磨損表面進行分析，結(jié)果表明：相對于常壓條件，在真空條件下全氟聚醚油(PFPE)類基礎(chǔ)油的抗磨減摩性能均變差，而氟硅油類基礎(chǔ)油的抗磨能力變好，減摩能力變差，可能是由于在摩擦過程中，氟硅油與金屬表面生成了一種含有Fe—Si鍵的物質(zhì)，使得氟硅油在真空條件下抗磨能力提高。

氟硅油 潤滑機理 高真空 全氟聚醚油 抗磨減摩性能

Kannel[1]等研究發(fā)現(xiàn)，航天飛行器存在諸多摩擦學(xué)問題。以往的研究表明，在真空條件下，兩個潔凈的摩擦副表面在摩擦過程中非常容易發(fā)生黏著，這是由于在真空條件下，摩擦副表面在摩擦過程中無法形成足夠的氧化膜造成的[2-3]。含氟類潤滑油在摩擦過程中與摩擦副表面形成潤滑膜，可以有效地解決這一問題，因此自20世紀(jì)70年代以來國內(nèi)外對其進行了大量的研究[4-7]。氟硅油和全氟聚醚油(PFPE)是兩種常用的空間用液體潤滑劑，由于以往我國缺乏模擬太空機件工作條件的潤滑性能評定手段，對這兩類油在高真空條件下的基礎(chǔ)研究不多。因此，在高真空條件下開展模擬空間工況條件的摩擦模擬試驗，研究含氟類基礎(chǔ)油在常壓及真空條件下的摩擦機理具有極大的應(yīng)用價值和理論意義。

1 實 驗

1.1 實驗材料

選用2種氟硅油A-1、A-2和4種全氟聚醚油B-1，B-2，B-3，B-4作為基礎(chǔ)油進行試驗，樣品的性質(zhì)列于表1中。

表1 基礎(chǔ)油的性質(zhì)

1.2 實驗內(nèi)容

在Plint公司生產(chǎn)的TE 91型真空四球摩擦試驗機上進行常壓及真空條件下的摩擦試驗。試驗條件為：載荷200 N、轉(zhuǎn)速100 r/min、時間1 h和溫度為室溫。真空中的摩擦試驗則是當(dāng)實驗艙內(nèi)壓力不大于5.0×10-4Pa時，開始摩擦試驗。試驗件為符合GB 308、直徑為12.7 mm的10級GCr15軸承鋼球。試驗前，將鋼球和夾具在無水乙醇與石油醚組成的混合溶液中超聲清洗3次。試驗結(jié)束后，在金相顯微鏡下讀取底部3個鋼球的磨斑直徑，求平均值。同一樣品在同一條件下重復(fù)試驗3次，所有試驗結(jié)果為3次試驗平均值。

利用Quanta 200 FEG型掃描電子顯微鏡進行磨斑表面形貌和元素分析，實驗參數(shù)為：高真空模式下，分辨率為小于2.0 nm，加速電壓為20 kV；利用ESCALab 250型X射線光電子能譜儀分析磨斑表面元素化合態(tài)變化，激發(fā)源為單色化Al KαX射線，能量為1 486.6 eV，功率為150 W。窄掃描所用通透能為30 eV。分析時的基礎(chǔ)真空度約為6.5×10-8Pa。結(jié)合能用烷基碳或污染碳的C1s峰(284.8 eV)校正。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗磨減摩性能

將氟硅油和全氟聚醚油兩類基礎(chǔ)油在常壓和真空條件下進行摩擦試驗所得的磨斑直徑和摩擦因數(shù)進行對比，其結(jié)果分別如圖1和圖2所示。

從圖1可以看出，在試驗中涉及的含氟基礎(chǔ)油樣品中，以B-2試驗后具有相對較小的磨斑直徑，其中氟硅油類樣品在常壓下試驗后的磨斑直徑大于在真空條件下的磨斑直徑，而全氟聚醚類樣品在真空條件下試驗后造成較大的磨斑直徑。從圖2可以看出，氟硅油和全氟聚醚油樣品均是在真空條件下試驗的摩擦因數(shù)較大。

圖1 含氟系列基礎(chǔ)油試驗的磨斑直徑■—常壓； ■—真空。 圖2同

圖2 含氟系列基礎(chǔ)油試驗的摩擦因數(shù)

2.2 潤滑機理探討

對于全氟聚醚油，馮大鵬等[7]對其潤滑及失效機理做了較為詳細的介紹，并且PFPE的試驗結(jié)果與其相似，因此不再贅述。對于氟硅油，以A-1為代表，分析其潤滑機理。

2.2.1 顯微形貌分析 對A-1在常壓及真空條件下試驗得到的磨斑進行SEM掃描分析及EDS元素區(qū)域分布分析和點分析，結(jié)果如圖3及圖4所示。

圖3 A-1常壓磨斑的SEM照片

圖4 A-1真空磨斑的SEM照片

從圖3可以看出，A-1在常壓條件下試驗的磨斑表面有小裂紋，溝槽不明顯。而從圖4可以看出，A-1在真空條件下試驗的磨斑表面以溝槽為主，磨屑主要集中在磨斑邊界處。由此可以看出，在常壓條件下，A-1在摩擦過程中產(chǎn)生的表面相對于真空條件較為光滑，摩擦因數(shù)較?。欢谡婵諚l件下，摩擦過程中產(chǎn)生的磨屑隨摩擦試驗的進行逐漸堆積，產(chǎn)生的黏滯力較大，因此在真空條件下的摩擦因數(shù)大大增加。

對A-1在常壓和真空條件下試驗的磨斑進行EDS元素分布分析，所選區(qū)域為整個磨斑，點分析位置分別如圖3和圖4所示。

對A-1在常壓及真空條件下各元素含量進行計算，結(jié)果列于表2。

從表2可以看出：在常壓條件下，磨斑表面只有少量的F元素存在，Si元素含量極低，說明A-1在常壓摩擦試驗條件下，參與反應(yīng)較少；在真空條件下，F(xiàn)元素和Si元素的含量相對較高，說明在真空條件下A-1在摩擦試驗進行過程中，參與摩擦反應(yīng)的程度更高。

表2 A-1在常壓及真空條件下試驗的磨斑元素含量 w，%

2.2.2 XPS分析 分別對A-1在常壓及真空條件下試驗的磨斑進行XPS分析，并對真空條件下試驗的磨斑進行不同深度濺射處理，對比分析結(jié)果，結(jié)合A-1的分子結(jié)構(gòu)，探討其潤滑機理。文獻[8]中指出，A-1的分子結(jié)構(gòu)式如圖5所示。

圖5 A-1分子結(jié)構(gòu)

對C，F(xiàn)，Si，F(xiàn)e等元素的峰進行擬合分析，結(jié)果如圖6及圖7所示。

從圖6(a)可以看出，在常壓條件下產(chǎn)生的磨斑表面，C元素在284.83，286.24，288.68 eV處的峰分別屬于C—Si鍵，C—O鍵，C—F鍵，這主要是屬于氟硅油分子本身中含有的與C元素相關(guān)的鍵。從圖6(b)可以看出，F(xiàn)元素在684.21 eV和687.94 eV處的峰分別屬于F元素與金屬形成的鍵和C—F鍵，其中以C—F鍵為主，說明在摩擦過程中氟硅油以吸附在鋼球表面為主，只有小部分F元素與鋼球表面的金屬元素發(fā)生了反應(yīng)。從圖6(c)可以看出，Si元素在102.49 eV處的峰為氟硅油分子本身中存在的含Si元素基團的峰，Si元素在摩擦過程中并未參與化學(xué)反應(yīng)。從圖6(d)可以看出，F(xiàn)e元素在709.44 eV處的峰為FexOy或FeFx的峰，這兩種化合物的鍵能基本一致，無法區(qū)分開來，但從圖6(b)得知，至少有FeFx存在。由以上分析可知，在常壓條件下，在摩擦過程中，氟硅油以吸附在鋼球表面為主，只有少量的F元素參與摩擦反應(yīng)生成FeFx。

—C1s; —C—Si; —C—O; —C—F

—F1s; —C—F; —M—F

圖6 A-1常壓磨斑XPS掃描分析結(jié)果

—C1s-10 s; —C—Si; —C—O; —C—F; —C1s-2 min; —C—O; —C—F

—F1s-10 s; —M—F; —C—F; —F1s-2 min

—Si2p-10 s; —Si—C; —Si—Fe; —Si2p-2 min

—Fe2p-10 s; —Fe2p-2 min圖7 A-1真空磨斑XPS掃描分析結(jié)果

從圖7(a)可以看出：在真空條件下產(chǎn)生的磨斑表面，濺射10 s后，C元素的峰與圖6(a)中的峰基本一致，都是氟硅油中與C元素相關(guān)的鍵；濺射2 min后，C—Si鍵的峰消失，C—F鍵和C—O鍵的信號非常弱，說明濺射2 min后，A-1在磨斑表面的吸附層基本上被除掉。從圖7(b)可以看出：濺射10 s后，F(xiàn)元素以在683.43 eV位置處的FeFx峰為主，而C—F鍵的峰信號較弱；濺射2 min后，C—F鍵的峰信號消失，只有FeFx的峰存在，說明在真空條件下，在摩擦過程中，F(xiàn)元素參與了化學(xué)反應(yīng)，形成了一層FeFx膜，起到了潤滑作用。從圖7(c)可以看出，濺射10 s后，在102.20 eV處的峰為氟硅油中Si元素的峰，在99.00 eV位置處的峰為Fe—Si鍵的峰，相比于圖6(c)，在99.00 eV位置處的峰為新出現(xiàn)的峰，說明Si在摩擦過程中也參與了反應(yīng)。從圖7(d)可以看出，濺射2 min后，F(xiàn)e元素的峰產(chǎn)生了一定的位移，在709.20 eV位置處的峰明顯變?nèi)酰?23.35 eV處的峰基本消失，這是由于濺射時間越長，磨斑表面剩余的FeFx等物質(zhì)就越少，信號就越弱，而FexOy基本上被除去。由以上分析可知，在真空條件下，在摩擦過程中，氟硅油會形成吸附膜和化學(xué)反應(yīng)膜共同起到潤滑保護作用，其中化學(xué)反應(yīng)膜是以FeFx為主的金屬氟化物膜和包含F(xiàn)e—Si鍵的物質(zhì)共同組成的。

2.2.3 潤滑機理分析 綜上分析可知，在常壓摩擦過程中氟硅油A-1在摩擦表面以吸附為主，參與化學(xué)反應(yīng)為輔。機理是源于空氣中的O元素在摩擦過程中與氟硅油中的F元素在摩擦表面競爭吸附且O元素更易與金屬發(fā)生反應(yīng)，阻礙了氟硅油與摩擦表面的金屬元素形成化學(xué)反應(yīng)膜。同時，O元素會與Fe元素形成FexOy，從而起到一定的抗磨作用。而在真空條件下，由于缺乏O元素來源，因此在摩擦過程中，更多的氟硅油會參與化學(xué)反應(yīng)，生成具有更好的抗磨性能的FeFx和FeSix，因此在真空條件下得到的磨斑小一些。文獻[7]指出，F(xiàn)eFx是一種脆性物質(zhì)，在摩擦過程中不斷被清除，產(chǎn)生大量磨屑并堆積，因此在真空摩擦過程中摩擦阻力較大，摩擦因數(shù)相比于常壓條件下更大。

3 結(jié) 論

(1) 不同的含氟基礎(chǔ)油在環(huán)境真空度發(fā)生變化時，其摩擦學(xué)性能變化規(guī)律不同。真空中全氟聚醚油的抗磨減摩性能，比常壓條件下差；而氟硅油，相對于常壓條件，真空條件下的抗磨性能變好，減摩性能變差。

(2) 在真空條件下氟硅油會在摩擦過程中與金屬表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成含有Fe—Si鍵的物質(zhì)，使其在真空條件下的抗磨性能提高。

[1] Kannel J W，Dufrane K F.Rolling element bearings in space[C].Twentieth Aerospace Mechanisms Symposium，NASA CP-2423，1986：121-132

[2] 張松偉，胡麗天，王海忠，等.兩種含氟空間潤滑油的真空摩擦磨損行為研究[J].摩擦學(xué)學(xué)報，2012，32(6)：619-625

[3] 王澤愛，陳國需.液體潤滑劑在航天上的應(yīng)用[J].潤滑油，2007(6)：37-42

[4] Jr Jones W R.The preliminary evaluation of liquid lubricants for space applications by vacuum tribometry[C].28th Aerospace Mechanisms Symposium，1994

[5] Jr Jones W R，Poslowski A K，Shogrin B A，et al.Evaluation of several space lubricants using a vacuum four-ball tribometer[J].Tribology Transactions.1999(2)：317-323

[6] Jr Jones W R.Properties of perfluoropolyethers for space applications[R].NASATM-106616，1994

[7] 馮大鵬，翁立軍，劉維民.全氟聚醚潤滑油的摩擦學(xué)研究進展[J].摩擦學(xué)學(xué)報，2005，25(6)：597-602

[8] Yang Jiedan，Yang He，Xu Jing，et al.Structure characterization of fluorosilicone oils[J].China Petroleum Processing & Petrochemical Technology，2011，13(4)：53-57

TRIBOLOGICAL BEHAVIOR OF FLUORIDE BASE OILS IN ATMOSPHERE AND VACUUM ENVIRONMENT

Huang Zhiyang， Zhang Jianrong， Yang He， Peng Qian

(SINOPECResearchInstituteofPetroleumProcessing，Beijing， 100083)

By use of vacuum four-ball tribometer， the tribological behaviors of a series of base oils with fluorine were evaluated in air and vacuum environment， respectively. The worn surface was analyzed by scanning electron microscopy， X-ray photoelectron spectroscopy. The results show that relative to the atmospheric pressure condition， the anti-wear and friction reduction properties of perfluoropolyether oils (PFPE) are all degraded in vacuum， while the anti-wear properties of the fluorosilicone oils is improved and the friction reduction ability becomes poor in the same environment. This is due to the formation of new substance with Fe—Si bond during the friction process.

fluorosilicone oil； lubrication mechanism； high vacuum； perfluoropolyether； anti-wear and friction reduction properties

2015-06-25。

黃志洋，碩士研究生，主要研究方向為高真空條件下摩擦學(xué)行為。

張建榮，E-mail：zhangjr.ripp@sinopec.com。

中國石油化工股份有限公司合同項目(st13145-19)。