電磁場(chǎng)作用下含三乙醇胺硼酸酯潤(rùn)滑油的摩擦學(xué)特性

方建華，王 鑫，姜自超，丁建華，馮彥寒

(陸軍勤務(wù)學(xué)院油料系，重慶 401311)

機(jī)械設(shè)備的電氣化及運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中由于摩擦產(chǎn)生自生電勢(shì)而激發(fā)電磁效應(yīng)，會(huì)使得許多摩擦部位都受到電磁環(huán)境的影響，從而產(chǎn)生特殊的摩擦磨損問(wèn)題[1-8]。傳統(tǒng)的研究認(rèn)為，潤(rùn)滑油極壓添加劑在摩擦過(guò)程中發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)，生成具有低剪切強(qiáng)度的摩擦化學(xué)反應(yīng)膜是其具有優(yōu)良抗磨減摩作用的主要原因。因此，目前學(xué)者們?cè)O(shè)計(jì)潤(rùn)滑添加劑時(shí)，主要從引入硫、磷、氯、硼等元素，以及能在摩擦過(guò)程中發(fā)生控制性腐蝕反應(yīng)的分子結(jié)構(gòu)入手，卻忽視了在電磁效應(yīng)影響下，潤(rùn)滑添加劑的作用行為和潤(rùn)滑方式會(huì)發(fā)生改變這一問(wèn)題。近年來(lái)，學(xué)者們?cè)跇?gòu)思新的摩擦學(xué)理論時(shí)，研究思路逐漸向電和電磁作用的范疇轉(zhuǎn)移。大量文獻(xiàn)報(bào)道證實(shí)，由界面電磁效應(yīng)引起的熱現(xiàn)象、吸附現(xiàn)象和與電磁作用有關(guān)的復(fù)雜物理或化學(xué)行為，勢(shì)必會(huì)影響摩擦副的摩擦、磨損及潤(rùn)滑方面的性能和機(jī)理[9-12]。

硼酸酯潤(rùn)滑油添加劑在摩擦過(guò)程中，分別能在摩擦副金屬表面上形成由吸附膜、聚合物膜及由于金屬局部高溫高壓而生成的FeB、Fe2B擴(kuò)散滲B、滲C層三者組成的復(fù)合保護(hù)膜，具有優(yōu)異的抗磨減摩性能，因此，是一種性能優(yōu)良的抗磨添加劑[13-18]。目前尚無(wú)電磁場(chǎng)中硼酸酯潤(rùn)滑油添加劑的摩擦學(xué)性能和機(jī)理的研究報(bào)道，而這種研究，對(duì)于解決電氣化機(jī)械設(shè)備潤(rùn)滑問(wèn)題，設(shè)計(jì)相關(guān)潤(rùn)滑油添加劑的分子結(jié)構(gòu)，具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

本研究使用自制通電線圈，使四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的四球接觸區(qū)處于外加電磁場(chǎng)內(nèi)，考察電磁場(chǎng)作用下含三乙醇胺硼酸酯(TBE)抗磨添加劑的潤(rùn)滑油的摩擦磨損性能，并使用掃描電鏡觀測(cè)鋼球磨痕表面形貌，使用X射線光電子能譜儀分析磨斑表面典型元素的化學(xué)狀態(tài)，并探討電磁作用下TBE的摩擦磨損機(jī)理。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 基礎(chǔ)油及添加劑

基礎(chǔ)油采用無(wú)極性石蠟基150SN基礎(chǔ)油，潤(rùn)滑油添加劑采用成都華夏化學(xué)試劑有限公司提供的TBE，其分子式為C6H12BNO3，其結(jié)構(gòu)式如圖1所示，其理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

圖1 TBE的結(jié)構(gòu)式

w(B),%w(N),%密度(20 ℃)∕(kg·m-3)外觀6.027.35≤867淺黃色透明油狀液體

1.2 摩擦磨損試驗(yàn)

采用濟(jì)南舜茂試驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)的MMW-1型立式四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦摩損試驗(yàn)，分析方法為SH/T 0189—1992，使用直徑為12.7 mm的GCr15標(biāo)準(zhǔn)鋼球，硬度(HRC)為58～62。將TBE按質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%，1.0%，2.0%，3.0%，4.0%的添加量分別加入150SN基礎(chǔ)油中，使用磁力攪拌器對(duì)油樣攪拌10 min，再在超聲波作用下對(duì)油樣進(jìn)行均勻分散。在載荷392 N、轉(zhuǎn)速1 200 r/min的工況條件下考察潤(rùn)滑油中添加劑含量不同時(shí)，摩擦因數(shù)和試驗(yàn)后鋼球的磨斑直徑隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的趨勢(shì)。

使用自制通電線圈放置在試驗(yàn)機(jī)四球接觸區(qū)的外部，用以提供電磁場(chǎng)環(huán)境，磁感線方向大致垂直于摩擦副接觸界面，如圖2所示。試驗(yàn)時(shí)通過(guò)磁感應(yīng)線圈的電流強(qiáng)度為1 A，使用HT201型手持式數(shù)字特斯拉儀(上海亨通電磁科技有限公司生產(chǎn))測(cè)得四球接觸點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.1 T。試驗(yàn)時(shí)間均為30 min。試驗(yàn)結(jié)束后，測(cè)定鋼球3個(gè)底球的磨斑直徑算術(shù)平均值。

圖2 改進(jìn)后四球試驗(yàn)機(jī)工作示意

1.3 表面分析

在有、無(wú)電磁場(chǎng)作用兩種條件下，用不同TBE含量的潤(rùn)滑油進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，試驗(yàn)后用石油醚清洗鋼球，使用TESCAN VEGA 3 LMH型掃描電子顯微鏡觀察磨斑表面形貌，用Escalab250型X射線光電子能譜儀(XPS)和X射線能譜儀(EDS)分析磨痕表面典型元素的化學(xué)狀態(tài)。

2 結(jié)果與討論

2.1 摩擦磨損特性分析

圖3所示為載荷392 N、轉(zhuǎn)速1 200 r/min時(shí)，以150SN基礎(chǔ)油為潤(rùn)滑油時(shí)，在不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下鋼球磨斑直徑和摩擦因數(shù)。從圖3可以看出，在所考察的磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍內(nèi)，磨斑直徑隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而增大，摩擦因數(shù)隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大表現(xiàn)為先增大后減小，說(shuō)明電磁場(chǎng)的存在會(huì)削弱150SN基礎(chǔ)油的抗磨和減摩性能。圖4所示為在載荷392 N、轉(zhuǎn)速1 200 r/min、不同磁場(chǎng)強(qiáng)度條件下，150SN基礎(chǔ)油潤(rùn)滑下鋼球的摩擦因數(shù)隨時(shí)間變化關(guān)系曲線。從圖4可以看出，電磁場(chǎng)條件下鋼球的摩擦因數(shù)均要大于無(wú)電磁場(chǎng)環(huán)境時(shí)的摩擦因數(shù)，說(shuō)明電磁場(chǎng)存在不利于150SN基礎(chǔ)油的減摩性能。

圖3 鋼球的磨斑直徑和摩擦因數(shù)隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化●—摩擦因數(shù)； ■—磨斑直徑

圖4 不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下鋼球的摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化磁場(chǎng)強(qiáng)度： —0 T； —0.025 T； —0.050 T； —0.075 T

圖5給出了在有電磁場(chǎng)作用(磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.05 T)和無(wú)電磁場(chǎng)作用下，載荷392 N、轉(zhuǎn)速1 200 r/min時(shí)鋼球磨斑直徑和摩擦因數(shù)隨潤(rùn)滑油中TBE含量的變化情況。從圖5(a)可以看出：TBE的加入很好地改善了潤(rùn)滑油的抗磨性能；在含有TBE的油樣中，無(wú)論有、無(wú)電磁場(chǎng)的作用，鋼球磨斑直徑都是先減小后增大，當(dāng)TBE質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%時(shí)磨斑直徑最??；電磁場(chǎng)作用下含TBE的油樣潤(rùn)滑下鋼球磨斑直徑均小于無(wú)磁場(chǎng)作用時(shí)的磨斑直徑，說(shuō)明電磁場(chǎng)環(huán)境有利于增強(qiáng)含TBE潤(rùn)滑油的抗磨性能。從圖5(b)可以看出，摩擦因數(shù)隨TBE含量的增加表現(xiàn)為先增大再減小又增大，且電磁場(chǎng)作用下的摩擦因數(shù)均大于無(wú)電磁場(chǎng)作用時(shí)的摩擦因數(shù)，表明電磁場(chǎng)存在不利于含TBE潤(rùn)滑油的減摩性能。

圖5 在有、無(wú)電磁場(chǎng)作用下鋼球的磨斑直徑和摩擦因數(shù)隨TBE含量的變化■—無(wú)電磁場(chǎng)； ●—有電磁場(chǎng)

圖6所示為潤(rùn)滑油中TBE質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.0%、載荷392 N、轉(zhuǎn)速1 200 r/min時(shí)，鋼球磨斑直徑和摩擦因數(shù)隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化。從圖6可以看出：在所考察的磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍內(nèi)，磨斑直徑隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而減小，最終趨于平穩(wěn)，說(shuō)明電磁場(chǎng)環(huán)境有利于含TBE潤(rùn)滑油的抗磨性能；摩擦因數(shù)在施加電磁場(chǎng)后急劇增大，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度增大，摩擦因數(shù)表現(xiàn)為先增大后減小，說(shuō)明電磁場(chǎng)存在會(huì)削弱潤(rùn)滑油的減摩性能。

圖6 摩擦因數(shù)和鋼球磨斑直徑隨電磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化■—摩擦因數(shù)； ●—磨斑直徑

2.2 SEM分析

圖7所示分別為在有、無(wú)電磁場(chǎng)作用時(shí)，在150 SN基礎(chǔ)油或在含1.0%(w)TBE潤(rùn)滑油潤(rùn)滑下鋼球的磨斑表面形貌放大100倍時(shí)的SEM照片。從圖7可看出：使用基礎(chǔ)油為潤(rùn)滑介質(zhì)時(shí)，有電磁場(chǎng)時(shí)的磨損明顯更劇烈，磨斑直徑稍大于無(wú)電磁時(shí)的磨斑直徑，且犁溝更深，擦傷較為嚴(yán)重；當(dāng)潤(rùn)滑介質(zhì)為含1.0%(w)TBE潤(rùn)滑油時(shí)，電磁場(chǎng)影響下的磨斑比無(wú)電磁場(chǎng)時(shí)明顯擦傷更輕，磨痕較淺，磨斑直徑較小，犁溝更淺；電磁場(chǎng)作用下鋼球表面的磨斑呈不規(guī)則的圓形，兩側(cè)幾乎沒(méi)有磨痕，這也說(shuō)明電磁場(chǎng)有利于鋼球表面摩擦化學(xué)反應(yīng)膜的生成從而減輕了摩擦磨損。

圖7 在有、無(wú)電磁場(chǎng)作用時(shí)兩種潤(rùn)滑油潤(rùn)滑下鋼球表面形貌的SEM照片

2.3 XPS分析

圖8所示是在有或無(wú)電磁場(chǎng)作用下、載荷392 N、轉(zhuǎn)速1 200 r/min時(shí)，含1.0%(w)TBE潤(rùn)滑油潤(rùn)滑下鋼球磨斑表面的XPS圖譜。從圖8可以看出：鋼球磨斑表面C1s軌道在電子結(jié)合能284.8 eV和288.3 eV處的雙峰對(duì)應(yīng)于C—C單鍵和C=O雙鍵，表明潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油分子在鋼球磨斑表面上發(fā)生了反應(yīng)與吸附；Fe2p軌道在電子結(jié)合能710.8 eV處的譜峰對(duì)應(yīng)于Fe2O3，表明在摩擦過(guò)程中有鐵的氧化物生成；O1s軌道在電子結(jié)合能530.25 eV附近的譜峰對(duì)應(yīng)于Fe的氧化物，這與Fe2p軌道的譜峰所顯示的化學(xué)狀態(tài)吻合；N1s軌道在電子結(jié)合能398.2 eV附近的譜峰對(duì)應(yīng)的是—C—(NH2)，N1s軌道在電子結(jié)合能400.1 eV附近的譜峰對(duì)應(yīng)的是=B—N=。說(shuō)明在有、無(wú)電磁場(chǎng)作用下，鋼球表面均生成了含F(xiàn)e氧化物、含N有機(jī)物以及含硼氮化合物的潤(rùn)滑膜；在對(duì)鋼球磨斑表面的元素含量分析中顯示有B元素存在，但在XPS分析中未檢測(cè)出B元素，可能是由于B含量較低、干擾太大、檢測(cè)靈敏度低所致。

圖8 在有、無(wú)電磁場(chǎng)作用下摩擦磨損試驗(yàn)后鋼球磨斑表面的XPS圖譜—無(wú)電磁場(chǎng); —有電磁場(chǎng)

2.4 EDS分析

表2所示為在磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為0 T和0.05 T、載荷392 N、轉(zhuǎn)速1 200 r/min時(shí)，含1.0%(w)TBE潤(rùn)滑油潤(rùn)滑下鋼球磨斑表面的EDS面掃描元素含量分析結(jié)果。從表2可知，無(wú)電磁場(chǎng)作用時(shí)鋼球表面的B，N，O元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.95%，0.58%，2.18%，有電磁場(chǎng)作用時(shí)鋼球表面的B，N，O元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.07%，0.60%，2.78%，說(shuō)明電磁場(chǎng)促進(jìn)了含TBE潤(rùn)滑油中B，N，O三種功能元素與摩擦表面的作用，從而有利于鋼球表面生成摩擦化學(xué)反應(yīng)膜以減輕摩擦表面的磨損。

表2 有、無(wú)電磁場(chǎng)作用下鋼球表面的元素含量

2.5 潤(rùn)滑機(jī)理分析

根據(jù)以上表面分析的結(jié)果，從電磁場(chǎng)的物理效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)兩個(gè)方面對(duì)TBE在電磁場(chǎng)作用下可能的摩擦學(xué)機(jī)理進(jìn)行分析。

2.5.1 電磁場(chǎng)的物理效應(yīng)[7，12]對(duì)鐵磁性金屬材料的摩擦副施加垂直于摩擦界面的電磁場(chǎng)時(shí)，摩擦界面微凸峰的間隙便會(huì)產(chǎn)生垂直的磁場(chǎng)。摩擦界面的電磁效應(yīng)對(duì)磨損微粒的作用如圖9所示。摩擦面上存在大量微凸體，使得摩擦界面上產(chǎn)生分布不均勻的電磁場(chǎng)，從而對(duì)磨損微屑(M1和M2)產(chǎn)生捕集作用力(F1和F2)，同時(shí)磨損微粒之間還會(huì)存在相互作用力Fa。在摩擦過(guò)程中，摩擦界面上會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)磁性或弱磁性的磨損微粒，如磨損過(guò)程中產(chǎn)生的Fe2O3反應(yīng)膜微粒、金屬Fe微粒等。在垂直于摩擦界面的電磁場(chǎng)的作用下，由于F1和F2的作用，這些微粒被捕集吸附在摩擦副表面，強(qiáng)磁性的金屬微粒先吸附，弱磁性的反應(yīng)膜微粒后吸附，逐漸形成一個(gè)保護(hù)膜層，從而達(dá)到減少摩擦磨損的效果，因此電磁場(chǎng)有利于含TBE潤(rùn)滑油的抗磨性能。

圖9 摩擦界面的電磁效應(yīng)對(duì)磨損微粒的作用

同時(shí)，由于這些微粒形成保護(hù)膜層是隨著摩擦不斷進(jìn)行的過(guò)程，這就導(dǎo)致在摩擦過(guò)程中(特別是在摩擦的初始階段)物理或化學(xué)吸附膜的形成不連續(xù)，對(duì)潤(rùn)滑油的減摩性能有不利的影響。另外，由于電磁場(chǎng)作用下摩擦接觸區(qū)溫度高于無(wú)電磁場(chǎng)作用時(shí)摩擦接觸區(qū)域的溫度，根據(jù)潤(rùn)滑油的黏溫特性，這會(huì)導(dǎo)致物理吸附膜變薄，從而不利于含TBE潤(rùn)滑油的減摩性能。

2.5.2 電磁場(chǎng)的化學(xué)效應(yīng)從上述EDS分析可以看出，電磁場(chǎng)作用下鋼球表面的B，N，O元素的相對(duì)含量高于無(wú)電磁場(chǎng)作用時(shí)的含量。這可能是因?yàn)榕鹚狨ブ蠦原子具有獨(dú)特的電子構(gòu)型(即sp2雜化，還存在一個(gè)空的p軌道)，電磁場(chǎng)作用下可能會(huì)激發(fā)空的p軌道，使其更容易接受類似于“親核試劑”的進(jìn)攻，即增強(qiáng)其與金屬表面的鍵合作用，從而促進(jìn)了含硼、氧、氮等元素的高強(qiáng)度聚合物膜生成，增強(qiáng)了油品的抗磨性能。

3 結(jié) 論

(1)電磁場(chǎng)不利于150SN基礎(chǔ)油的抗磨減摩性能，電磁場(chǎng)有利于改善TBE潤(rùn)滑添加劑的抗磨性能，但削弱了其減摩性能。

(2)XPS分析表明，在有、無(wú)電磁場(chǎng)作用時(shí)鋼球表面均生成了含F(xiàn)e氧化物、含N有機(jī)物以及含硼氮化合物的潤(rùn)滑膜。

(3)EDS分析表明，有電磁場(chǎng)作用時(shí)鋼球表面的B，N，O元素含量均高于無(wú)電磁場(chǎng)作用時(shí)的含量，說(shuō)明電磁場(chǎng)促進(jìn)了含F(xiàn)e和B元素的摩擦化學(xué)反應(yīng)膜及含有機(jī)氮化物的高強(qiáng)度聚合物膜的形成以減輕摩擦表面的摩擦、磨損。