基于正交試驗(yàn)的含氮硼酸酯鋁材軋制潤(rùn)滑油摩擦學(xué)性能研究*

趙永濤1, 孫建林1 王成龍1 張紅松 趙 玲

(1.北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 北京 100083；2.河南工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 河南鄭州451191)

鋁材軋制過(guò)程中，磷酸酯作為潤(rùn)滑油極壓抗磨添加劑很早就已廣泛使用。含磷添加劑會(huì)在摩擦表面形成一層由磷酸鹽組成的邊界潤(rùn)滑薄膜，從而具有良好的極壓抗磨性能，但酸性磷酸鹽易產(chǎn)生化學(xué)腐蝕，含磷化合物還對(duì)環(huán)境有一定的污染[1-3]。與此同時(shí)，新型鋁材軋制向高速、寬幅、大壓下率方向的發(fā)展，對(duì)鋁材軋制潤(rùn)滑油也提出了更高的要求。為開(kāi)發(fā)一種高效、環(huán)保的鋁材軋制潤(rùn)滑油添加劑，國(guó)內(nèi)外研究人員進(jìn)行了大量研究。研究發(fā)現(xiàn)，將極壓抗磨活性元素和雜環(huán)官能團(tuán)結(jié)合在同一分子內(nèi)的含N雜環(huán)衍生物[4-8]，是一種能夠替代現(xiàn)有極壓抗磨添加劑的新型添加劑。

有機(jī)硼酸酯作為一種綠色環(huán)保型的添加劑得到的廣泛關(guān)注，而將N元素引入到硼酸酯中，N原子可以和B原子可形成較穩(wěn)定的配位鍵，制成的含氮硼酸酯可在一定程度上提高軋制潤(rùn)滑油抗磨減摩的效果。本文作者合成了一種新型含氮硼酸酯，并將合成的含氮硼酸酯作為極壓劑添加到鋁材軋制基礎(chǔ)油中，考察其摩擦學(xué)特性，驗(yàn)證了合成的含氮硼酸酯作為鋁材軋制油添加劑的可行性。關(guān)于潤(rùn)滑油摩擦學(xué)性能方面的研究，前人已經(jīng)做了很多工作，但大多研究的是單一工藝參數(shù)對(duì)摩擦學(xué)性能的影響，而對(duì)摩擦學(xué)性能的多因素影響的研究很少[9-10]。四球試驗(yàn)后可以獲得油膜強(qiáng)度、摩擦因數(shù)和磨斑直徑等摩擦學(xué)性能參數(shù)，油膜強(qiáng)度值越大，說(shuō)明油樣的極壓性能越好，潤(rùn)滑性能越優(yōu)良[11-13]；摩擦因數(shù)越小，說(shuō)明減摩效果越好，越有利于邊界潤(rùn)滑條件的形成，容易提高潤(rùn)滑質(zhì)量[14-16]；磨斑直徑越小，說(shuō)明抗磨性能越好，越又有利于再摩擦副表面形成有效的潤(rùn)滑薄膜[17-19]。本文作者以油膜強(qiáng)度、摩擦因數(shù)和磨斑直徑為摩擦學(xué)性能指標(biāo)，采用正交試驗(yàn)法研究基礎(chǔ)油種類、極壓劑添加量、四球機(jī)載荷和轉(zhuǎn)速對(duì)油樣這三項(xiàng)指標(biāo)的綜合影響，優(yōu)選出含氮硼酸酯鋁材軋制潤(rùn)滑油制備及使用的最佳工藝參數(shù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

選用1100工業(yè)純鋁作為軋制試驗(yàn)材料，其化學(xué)成分如表1所示。試驗(yàn)用軋制基礎(chǔ)油選用商用鋁板軋制油，其主要理化性能指標(biāo)如表2所示。

表1 工業(yè)純鋁化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表2 基礎(chǔ)油主要理化性能指標(biāo)

1.2 氮硼酸酯的合成

將一定量的二羥乙基十八胺(化學(xué)純)與適量的固體硼酸(化學(xué)純)(按摩爾比1∶1)充分混合于三口瓶中，加入甲苯(化學(xué)純)溶液進(jìn)行加熱回流反應(yīng)；利用分水器除去所產(chǎn)生的水，待產(chǎn)生的水達(dá)到理論出水量時(shí)，停止反應(yīng)；干燥后旋蒸出甲苯溶劑，即可得到含氮硼酸酯。該化合物結(jié)構(gòu)式為C18H37-N-(CH2CH2OH)2-B-OH。采用紅外光譜分析儀(Nicolet 6700，美國(guó)Thermo Fisher生產(chǎn))對(duì)合成的含氮硼酸酯進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，分析結(jié)果如圖1所示?？梢?jiàn)，該化合物在1 310～1 380 cm-1處出現(xiàn)了吸收峰，說(shuō)明化合物中存在有機(jī)硼酸酯B-O鍵；在1 000～1 100 cm-1處出現(xiàn)了吸收峰，說(shuō)明該化合物中有C-N鍵存在。因此，證明合成的該化合物為含氮類硼酸酯。另外，圖中2 800～3 000 cm-1處的吸收峰說(shuō)明化合物中存在CH2、CH3，在3 300～3 400 cm-1處的吸收峰則說(shuō)明存在B-OH鍵，進(jìn)一步證明了該化合物為長(zhǎng)鏈含氮硼酸酯。

圖1 含氮硼酸酯的FTIR分析結(jié)果

1.3 摩擦學(xué)性能試驗(yàn)

將制備的含氮硼酸酯作為極壓劑按一定比例添加到基礎(chǔ)油中，得到系列鋁材軋制油油樣。采用MR-S10型四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，對(duì)軋制油進(jìn)行摩擦學(xué)性能試驗(yàn)，測(cè)試該軋制油的油膜強(qiáng)度(pB)值、摩擦因數(shù)(μ)，并通過(guò)帶讀數(shù)刻度的顯微鏡觀察測(cè)量四球試驗(yàn)后的磨斑直徑。

1.4 正交試驗(yàn)

采用正交試驗(yàn)方法對(duì)影響摩擦學(xué)性能的參數(shù)進(jìn)行分析。對(duì)摩擦學(xué)性能起主要作用的因素有基礎(chǔ)油種類、極壓添加劑含量、試驗(yàn)載荷、試驗(yàn)轉(zhuǎn)速，對(duì)各試驗(yàn)因素分別安排4個(gè)變量，選取正交表L16(44)，即4水平4因素正交表。最終確定的試驗(yàn)因素水平表如表3所示。

表3 因素水平表

2 結(jié)果與討論

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果及評(píng)價(jià)

正交試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。為了更好地表征油樣的摩擦學(xué)性能，文中采用多指標(biāo)公式評(píng)分法對(duì)油膜強(qiáng)度、摩擦因數(shù)和磨斑直徑進(jìn)行評(píng)估，綜合表征油樣的摩擦學(xué)性能。評(píng)分方法為：對(duì)于油膜強(qiáng)度值，15號(hào)油樣值為846 MPa，極壓效果最好，評(píng)分為10分，1號(hào)油樣為654 MPa，極壓效果最差，評(píng)分為1；對(duì)于摩擦因數(shù)，15號(hào)油樣值為0.822，減摩效果最好，評(píng)分為10分，5號(hào)油樣值為0.126，減摩效果最差，評(píng)分為1；對(duì)于磨斑直徑，14號(hào)油樣值為0.425 mm，抗磨效果最好，評(píng)分為10分，15號(hào)油樣值為0.578 mm，抗磨效果最差，評(píng)分為1。對(duì)于其余油樣的各項(xiàng)性能指標(biāo)的評(píng)分，由最優(yōu)和最差效果按照比例給定。最終多指標(biāo)公式評(píng)分法的評(píng)分方法為，總評(píng)分為油膜強(qiáng)度評(píng)分、摩擦因數(shù)評(píng)分、磨斑直徑評(píng)分的和。評(píng)分情況如表4所示。用總評(píng)分來(lái)表示各油樣的抗磨減摩效果，總評(píng)分越大，抗磨減摩效果越好，反之抗磨減摩效果越差。

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果及評(píng)價(jià)結(jié)果

2.2 極差分析

對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，如表5所示。表中Ki(i=1，2，3，4)為每一因素同一水平下的抗磨減摩效果值之和；Kij(i=1，2，3，4；j=A，B，C，D)為每一因素同一水平下的抗磨減摩效果結(jié)果的平均值，即kij=Kij/4，kij越大表示在這一水平下，該因素的抗磨減摩系數(shù)越大，摩擦學(xué)性能越好；Rj=(kij)max-(kij)min，Rj越大，表示這一因素對(duì)摩擦學(xué)性能影響越大。計(jì)算得到因素A(基礎(chǔ)油種類)、因素B(極壓劑添加量)、因素C(載荷)、因素D(轉(zhuǎn)速)的極差分別為4.700、5.875、2.475和2.500，如表5所示?？梢钥闯?，因素B(極壓劑添加量)和因素A(基礎(chǔ)油種類)對(duì)油樣的摩擦學(xué)性能影響較大，因素D(轉(zhuǎn)速)和因素C(載荷)對(duì)油樣的摩擦學(xué)性能影響較小。

表5 極差分析

通過(guò)正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得到的各因素對(duì)摩擦學(xué)性能影響效果的曲線圖，如圖2所示。根據(jù)正交試驗(yàn)的特性，每個(gè)水平的試驗(yàn)條件都是一樣的。由圖2可以看出各因素的水平變動(dòng)對(duì)摩擦學(xué)性能的強(qiáng)化效果，如因素B(極壓劑添加量)隨著其值的增加，強(qiáng)化效果明顯急劇增大，當(dāng)極壓劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大到1.0%后，強(qiáng)化效果趨于平穩(wěn)；隨著基礎(chǔ)油牌號(hào)增大，因素A(基礎(chǔ)油種類)的強(qiáng)化效果也呈現(xiàn)出先急劇增大后趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)；因素C(載荷)和因素D(轉(zhuǎn)速)的強(qiáng)化效果雖然也隨著載荷和轉(zhuǎn)速的變化而變化，總體上數(shù)值變化不大，因素C(載荷)和因素D(轉(zhuǎn)速)影響效果均值落差分別為2.475和2.500。這一結(jié)果同樣也說(shuō)明，因素B(極壓劑添加量)和因素A(基礎(chǔ)油種類)對(duì)油樣的摩擦學(xué)性能影響較大，因素D(轉(zhuǎn)速)和因素C(載荷)對(duì)油樣的摩擦學(xué)性能影響較小。分析得到的最優(yōu)強(qiáng)化效果組合為：極壓劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%，基礎(chǔ)油種類為D100，載荷為294 N，轉(zhuǎn)速為1 200 r/min。

圖2 各因素對(duì)摩擦學(xué)性能影響效果圖

2.3 方差分析

極差分析法雖然得到了一些結(jié)果，但是并不能判斷是水平不同還是試驗(yàn)誤差導(dǎo)致的試驗(yàn)結(jié)果的差異[20]。為了確定各因素的顯著性，有必要進(jìn)一步作方差分析。方差分析結(jié)果如表6所示。第j列因素的水平變化引起的平均偏差平方和(MSj)與誤差(e)波動(dòng)引起的平均偏差平方和(MSe)之比記為Fj，具體公式如下：

Fj=MSjMSj=SSj/fjSSe/fe

SSj=1rΣmi=1K2ij-(Σni=1xi)2/n,(j=1,2,3,4)

式中：SSj為第j列因素因?yàn)樗阶兓玫降钠钇椒胶?；fj為j列的自由度；SSe為誤差列因素因?yàn)樗阶兓玫降钠钇椒胶?；fe為誤差列的自由度；r為每個(gè)水平重復(fù)的次數(shù)；n為試驗(yàn)總次數(shù)；m為每個(gè)因素的水平數(shù)；Kij為各因素各水平對(duì)應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果之和；xi為每組試驗(yàn)的結(jié)果值。

Fj值越大說(shuō)明對(duì)應(yīng)因素對(duì)油樣摩擦學(xué)性能影響程度越大?；A(chǔ)油種類、極壓劑添加量、載荷和轉(zhuǎn)速的F值分別為F1、F2、F3、F4。參考F分布表的臨界值，當(dāng)F>F0.05(3,6)=4.757時(shí)，表明該因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果具有高度顯著影響；當(dāng)F0.05(3,6)=4.757>F>F0.1(3,6)=3.289時(shí)，表明該因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果具有顯著影響；當(dāng)FF0.05(3,6)=4.757，F(xiàn)1=4.82>F0.05(3,6)=4.757，說(shuō)明極壓劑添加量和基礎(chǔ)油種類對(duì)摩擦學(xué)性能影響顯著；F4=1.54

表6 方差分析

3 結(jié)論

(1)通過(guò)正交試驗(yàn)分析，各工藝參數(shù)對(duì)油樣的摩擦學(xué)性能影響顯著性由大到小依次為極壓劑添加量、基礎(chǔ)油種類、轉(zhuǎn)速和載荷。

(2)從強(qiáng)化效果圖可以看出，各因素對(duì)油樣的摩擦學(xué)性能影響并非線性，各因素中極壓劑添加量和基礎(chǔ)油種類對(duì)油樣的摩擦學(xué)性能具有顯著影響。

(3)在文中研究的范圍內(nèi)，最優(yōu)工藝參數(shù)組合為：極壓劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%，基礎(chǔ)油種類為D100，載荷為294 N，轉(zhuǎn)速為1 200 r/min。