電磁效應對含SiO2/SnO2復合納米粒子潤滑油的摩擦自修復特性影響

方建華，江澤琦，鄭 哲，丁建華，姜自超

(后勤工程學院 軍事油料應用與管理工程系，重慶 401311)

隨著機械設備電氣化程度的不斷提高和電磁技術的廣泛應用，許多機械部件的關鍵運動部位都處在電磁場影響下的環(huán)境中工作，毋庸置疑，電磁環(huán)境對摩擦副的摩擦磨損性能會產生不同程度的影響。磁化切削、電動機電刷或勵磁電機中的碳刷、高速鐵路的接觸導線與滑板、大功率電力輸送中的開關接觸器等都涉及到電磁環(huán)境影響下的摩擦磨損問題。同時，摩擦副在發(fā)生相對運動時，表面微凸峰互相接觸會產生不斷變化的感應電動勢，從而激發(fā)摩擦表面產生電磁場。因此，從電磁學角度認識和研究摩擦磨損和潤滑機理，在實現(xiàn)外場對摩擦的主動調控、革新潤滑材料成分、創(chuàng)新添加劑分子結構設計等方面都將是一種有益的探索，同時對完善和發(fā)展摩擦學理論和實踐具有重要的意義[1-6]。

目前關于磁場干涉下材料摩擦學特性的研究方面，國內外研究較多，主要集中在磁場對干摩擦磨損特性的影響機制和規(guī)律方面，研究結果都表明，磁場對摩擦副和潤滑添加劑摩擦學性能都有不同程度的影響，但由于試驗的參數(shù)和工況復雜多樣，研究結論也不一致。大量的研究發(fā)現(xiàn)，納米潤滑添加劑具有軸承效應，是優(yōu)良的減摩抗磨添加劑，但在摩擦電磁效應對納米潤滑添加劑摩擦學性能的影響方面，尚未見報道。

董凌[7]的研究表明，表面油酸修飾的SiO2/SnO2復合納米添加劑在基礎油中不但具有優(yōu)良的分散性能，在一定負荷、轉速條件下也具有較好的抗磨自修復性能，研究電磁環(huán)境下復合納米添加劑的自修復性能，對于延長摩擦副的使用壽命具有重要的應用價值。筆者通過在四球摩擦磨損試驗機的四球接觸區(qū)域外加磁場來模擬和放大摩擦過程中自生電勢產生的電磁效應，考察電磁場環(huán)境中含SiO2/SnO2復合納米添加劑潤滑油潤滑下摩擦副的摩擦磨損和自修復特性，并通過掃描電鏡和X射線光電子能譜技術分析其摩擦學性能及抗磨自修復機理。

1 實驗部分

1.1 試劑、基礎油及添加劑

采用無極性石蠟基HVI150作為基礎油(中國石油重慶分公司提供)，添加劑為按照文獻[7]采用雙注控制沉積法制備的SiO2/SnO2復合納米材料，超聲分散，平均粒徑在100 nm以下。石油醚，化學純，重慶北碚化學試劑廠產品。

1.2 摩擦磨損試驗

采用廈門試驗機廠制造的四球長時抗磨損試驗機和濟南舜茂試驗儀器有限公司生產的MMW-1型立式萬能摩擦磨損試驗機，依據(jù)GB3142-82試驗方法，四球機轉速為1450 r/min，試驗時溫度約28℃，長磨時間為30 min，試驗載荷為392 N，所用鋼球為重慶鋼球廠生產的Φ12.7 mm二級GCr15標準鋼球，硬度HRC58-62鋼球。將SiO2/SnO2復合納米添加劑按2%、3%、4%、5%、6%的質量分數(shù)加入基礎油中，考察潤滑油磨斑直徑和摩擦系數(shù)隨時間的變化趨勢。將基礎油在載荷為392 N、有無電磁場環(huán)境下分別長磨30 min后，加入含4%SiO2/SnO2復合納米添加劑的潤滑油，在有無電磁場環(huán)境下繼續(xù)長磨30 min，并與相同條件下基礎油長磨時鋼球表面情況進行對比，測定鋼球表面的粗糙度，分析磨斑表面的修復情況。用HT201型手持式數(shù)字特斯拉計測得摩擦接觸區(qū)域的磁感應強度為0.01 T。

將自制通電線圈放置于四球接觸區(qū)外部，用于外加電磁場，使磁感線的方向垂直于摩擦接觸面，其工作原理如圖1所示。試驗時保持磁感應線圈的通電電流強度為1 A，使鋼球接觸點的實測磁場強度保持0.1 T。其他所有試驗參數(shù)與無場環(huán)境時相同，考慮到通電時線圈的發(fā)熱量較大，長磨試驗時間均設定為30 min。試驗結束后，測定底球的磨斑直徑，取其算術平均值作為鋼球的長磨磨斑直徑(WSD)。

圖1 外加通電線圈后四球試驗機的示意圖Fig.1 Illustration of four-ball machine after electrifyed loop installed

1.3 表面分析

有無電磁場環(huán)境下，在HVI150SN基礎油和含4%SiO2/SnO2復合納米添加劑的潤滑油潤滑作用下進行摩擦磨損試驗，將試驗后的下試球用石油醚清洗干凈，采用Quant200型掃描電子顯微鏡(美國FEI公司產品)觀察鋼球磨斑表面形貌，采用ESCALAB250型X-射線光電子能譜儀(XPS)(美國賽默飛公司產品)分析磨斑表面典型元素的化學狀態(tài)，并在Zygo粗糙度測量儀上(瑞士丹青公司產品)測定修復前后鋼球表面的粗糙度。

2 結果與討論

2.1 含SiO2/SnO2復合納米添加劑潤滑油的摩擦磨損特性

圖2為有無電磁場工況條件下，在載荷為392 N、長磨時間為30 min時，鋼球表面磨斑直徑(WSD)和摩擦系數(shù)(f)隨SiO2/SnO2復合納米添加劑在潤滑油中質量分數(shù)的變化關系曲線。由圖2可以看出，在有磁場的環(huán)境下，基礎油和含SiO2/SnO2復合納米添加劑潤滑油潤滑時的磨斑直徑均比無磁場環(huán)境時小，兩種工況下的磨斑直徑隨納米添加劑質量分數(shù)的增加而表現(xiàn)為先減小后增大的趨勢，且均在添加質量分數(shù)為3%時磨斑直徑達到最小。與無磁場環(huán)境相比，在磁場環(huán)境下，添加劑質量分數(shù)為4%時的磨斑直徑減小最大，減小了17.6%；兩種不同工況下，隨添加劑質量分數(shù)的增加，摩擦系數(shù)先增大后減小，除添加劑質量分數(shù)為5%外，其他均表現(xiàn)為在有電磁場條件下的摩擦系數(shù)比無電磁場條件下大。實驗結果表明，磁場能提高鋼球的抗擦傷性能，但會減弱減摩效果。

圖2 有無電磁場條件下鋼球表面磨斑直徑(WSD)和摩擦系數(shù)(f)隨添加劑質量分數(shù)(w)的變化Fig.2 Wear scar diameter (WSD) and friction coefficient (f) vs additive’s mass fraction (w) in magnetic or non-magnetic fieldLoad of 392 N; Grinding time of 30 min(a) WSD; (b) f

圖3為HVI 150基礎油和含4%SiO2/SnO2復合納米添加劑潤滑油在有無電磁場條件下，摩擦載荷為392 N時的摩擦系數(shù)隨試驗時間的變化情況。從圖3可以看出，在磁場環(huán)境下的摩擦系數(shù)波動幅度大于無磁場環(huán)境，這可能是因為變化電磁場的動態(tài)磁化作用引起了磁疇的移動、位錯和能量的變化，從而影響摩擦副的摩擦學特性。從圖3還可看出，在基礎油潤滑下，隨著試驗時間的延長，摩擦系數(shù)降低；而在含4%SiO2/SnO2復合納米添加劑的潤滑油潤滑下，摩擦系數(shù)在前500 s的趨勢是逐漸增大，這可能是因為在摩擦初始階段，由于化學反應膜沒有完全形成，摩擦磨損相對劇烈；隨著試驗時間的延長，摩擦系數(shù)波動趨于穩(wěn)定，這是因為在摩擦熱的作用下，復合納米添加劑在摩擦表面熔融鋪展，且摩擦副微凸體接觸區(qū)相對運動產生的摩擦感應電勢以及外置線圈施加產生的磁效應促進了該區(qū)域表面氧化膜的形成，使摩擦副表面生成了均勻和完整的摩擦化學反應膜和沉積物膜，從而有效減小了摩擦磨損。

圖3 有無電磁場環(huán)境下兩種潤滑油的摩擦系數(shù)(f)隨試驗時間(t)的變化情況Fig.3 Variation of friction coefficient (f) with test time (t) of two lubricants in magnetic and non-magnetic fieldsLoad of 392 N; Grinding time of 30 min(a) HVI150 base oil; (b) Lubricanting oil containing 4%SiO2/SnO2 composite nanoparticles

2.2 電磁效應對含SiO2/SnO2復合納米粒子潤滑油的摩擦自修復特性

在載荷392 N下，分別在有無磁場情況下測定鋼球表面的粗糙度，結果如圖4和圖5所示。

圖4 無電磁場條件下兩種潤滑油潤滑下的鋼球表面粗糙度(Ra)Fig.4 The steel ball surface roughness (Ra) of two lubricant in non-magnetic fieldLoad of 392 N; Grinding time of 30 min(a) Base oil; (b) Lubricating oil containing 4%SiO2/SnO2 composite nanoparticles

圖5 有電磁場條件下兩種潤滑油潤滑下的鋼球表面粗糙度(Ra)Fig.5 The steel ball surface roughness (Ra) of two lubricant in magnetic fieldLoad of 392 N; Grinding time of 30 min(a) Base oil; (b) Lubricating oil containing 4%SiO2/SnO2 composite nanoparticles

從圖4和圖5可以看出，無論在有電磁場和無電磁場環(huán)境下，加有SiO2/SnO2復合納米添加劑的潤滑油均表現(xiàn)出優(yōu)異的自修復性能，且在相同載荷下，有磁場環(huán)境下的抗磨自修復性能優(yōu)于無磁場環(huán)境。

2.3 電磁環(huán)境下含SiO2/SnO2復合納米粒子潤滑油的潤滑機理分析

圖6分別為有無磁場作用時、在基礎油和含4%SiO2/SnO2復合納米添加劑的潤滑油潤滑下，鋼球摩擦磨損試驗后磨斑表面形貌放大200倍和500倍后的SEM照片。由圖6可以發(fā)現(xiàn)，在基礎油潤滑和無磁場環(huán)境下，鋼球表面磨斑直徑稍大，但表面擦傷較為輕微；而在有磁場條件下，其磨斑直徑稍小但磨痕表面黏著的金屬磨屑較多，犁溝變深，磨損變大。在含4%SiO2/SnO2復合納米添加劑的潤滑油潤滑下，有磁場時的磨斑表面直徑比無磁場時更小且磨痕犁溝較淺，擦傷明顯輕微。這可能是由于電磁場有利于金屬表面氧化鐵膜生成和SiO2/SnO2復合納米添加劑在摩擦副表面的沉積，沉積物在摩擦載荷和摩擦熱作用下快速熔融鋪展，形成了具有良好抗磨減摩和修復性能的沉積物膜，有效控制了摩擦過程中的磨損。

圖6 有無磁場環(huán)境下4種潤滑油潤滑下摩擦副表面形貌的SEM照片F(xiàn)ig.6 SEM images of worn surface in different lubricating oils in magnetic and non-magnetic fields(a)，(a′) Base oil in non-magnetic field (×200)/(×500); (b)，(b′) Base oil in magnetic field (×200)/(×500);(c)，(c′) Lubricating oil containing 4%SiO2/SnO2 composite nanoparticles in non-magnetic field (×200)/(×500);(d)，(d′) Lubricating oil containing 4%SiO2/SnO2 composite nanoparticles in magnetic field (×200)/(×500)

圖7是在含4%SiO2/SnO2復合納米潤滑添加劑潤滑油潤滑作用下試球磨斑表面的XPS分析結果。從圖7可見，試球磨斑表面中的Sn3d5標準電子結合能為486.65 eV(圖7(a))，該峰對應于SnO2中的Sn。這表明在摩擦副表面形成了含有SnO2的沉積膜，沉積膜有效改善了潤滑油的摩擦磨損和自修復性能。鋼球磨斑表面未檢測到Si(圖7(b))，可能是由于Si信號偏弱的原因。在鋼球磨斑表面也未檢測到Fe(圖7(c))，表明摩擦副表面被修復劑致密覆蓋，形成了良好的修復層。鋼球表面元素O主要有3種不同的化學狀態(tài)，電子結合能在532.6 eV 和530.5 eV處O1s(圖7(d))的吸收峰分別歸屬于添加劑SiO2和SnO2中的氧;而電子結合能530.2 eV 處的O1s吸收峰歸屬于Fe2O3中的氧，表明復合納米添加劑分子中的氧和空氣中的氧在摩擦過程中發(fā)生了摩擦化學反應。試球磨痕表面C1s(圖7(e))電子結合能位于284.5、286.3及288.7 eV處，分別歸屬于污染物中的碳、有機酯化合物中的碳和基礎油中的碳，表明基礎油和空氣中各種污染物在摩擦副表面發(fā)生了吸附，并形成了復雜的吸附膜或摩擦化學反應膜[8]。

圖7 磁場環(huán)境下含4%SiO2/SnO2添加劑潤滑油潤滑下鋼球磨斑表面的XPS圖譜Fig.7 XPS spectras of worn surfaces after wear test of lubricants containing 4%SiO2/SnO2 composite nanoparticles in magnetic field(a) Sn3d5; (b) Si2p; (c) Fe2p; (d) O1s; (f) C1s

3 結 論

(1)在電磁場作用環(huán)境下，基礎油和含SiO2/SnO2復合納米添加劑的潤滑油潤滑下磨斑表面磨痕直徑均比無磁場作用時小，而摩擦系數(shù)比無磁場作用時大(添加質量分數(shù)5%除外)。隨著SiO2/SnO2復合納米添加劑質量分數(shù)的增大，有無電磁場環(huán)境工況下，磨斑直徑均表現(xiàn)為先減小后增大，而摩擦系數(shù)均表現(xiàn)為先增大后減小。

(2)電磁場能改善基礎油和含SiO2/SnO2復合納米添加劑潤滑油的抗磨損性能，但弱化了減摩能力。

(3)在電磁場環(huán)境下，SiO2/SnO2復合納米添加劑的作用機理是由于電磁場環(huán)境下有利于SiO2/SnO2復合納米添加劑在摩擦副表面沉積，沉積物在摩擦載荷和摩擦熱作用下快速熔融鋪展,形成具有良好抗磨減摩和修復性能的沉積物膜。

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