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(wù)學(xué)院 油料系,重慶 401311;2.陸軍軍醫(yī)大學(xué) 藥學(xué)院,重慶 400038)

金屬摩擦副表面在相對運(yùn)動過程中會產(chǎn)生多種電磁效應(yīng)[1]，如摩擦自生電勢等。同時，隨著機(jī)械設(shè)備電氣化程度的提高，摩擦副也常常工作于電磁環(huán)境中。國內(nèi)外研究表明[2-7]，電磁場不僅對金屬表面的電子、金相結(jié)構(gòu)、空位運(yùn)動和表面能等產(chǎn)生影響，而且也會對磨屑和潤滑劑產(chǎn)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(rèn)識材料的摩擦磨損機(jī)理、潤滑劑的摩擦化學(xué)行為，及運(yùn)用磁場降低摩擦副的摩擦磨損、實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，形成較為穩(wěn)定的薄層。20世紀(jì)50年代，MoS2就作為第一代固體潤滑劑得到了廣泛應(yīng)用。近年來，將納米MoS2用作潤滑油添加劑得到了廣泛關(guān)注，Cizaire等[11]制備了納米MoS2并評價(jià)了其摩擦學(xué)特性，結(jié)果表明納米MoS2比普通MoS2具有更好的摩擦學(xué)特性。眾多學(xué)者[12-18]從不同方面對納米MoS2作為潤滑油添加劑進(jìn)行了研究，進(jìn)一步展現(xiàn)了其優(yōu)良的性能。

筆者通過在立式萬能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的摩擦副接觸區(qū)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(fā)的電磁效應(yīng)，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(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

基礎(chǔ)油：150SN石蠟基基礎(chǔ)油，深圳市潤滑油工業(yè)公司產(chǎn)品。添加劑：納米MoS2，蘇州恒球科技有限公司產(chǎn)品。

立式萬能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，MMW-1型，濟(jì)南舜茂試驗(yàn)儀器有限公司產(chǎn)品。試驗(yàn)鋼球?yàn)镚Cr15標(biāo)準(zhǔn)鋼球，直徑12.7 mm，洛氏硬度(HRC)58～62，中國石化石油化工科學(xué)研究院提供。試驗(yàn)在立式萬能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的摩擦副區(qū)域設(shè)置自制的磁場發(fā)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(qū)的工作示意圖，其磁感應(yīng)強(qiáng)度采用HT 201型手持式特斯拉計(jì)測量。掃描電子顯微鏡(SEM)，Quanta 250FEG型，美國FEI公司產(chǎn)品；X射線光電子能譜儀(XPS)，Escalab250型，美國ThermoFisher Scientific公司產(chǎn)品。

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

1.2 油樣穩(wěn)定性試驗(yàn)

按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的清凈分散劑T106的150SN潤滑油基礎(chǔ)油中，攪拌20 min，超聲分散30 min。

油樣穩(wěn)定性試驗(yàn)采用靜置沉降觀察和紫外-可見光譜分析方法進(jìn)行。對含2.0%納米MoS2、0.2% T106的油樣進(jìn)行穩(wěn)定性試驗(yàn)，并以未添加T106的油樣為對照。試驗(yàn)周期為1～7 d，每隔1 d對油樣進(jìn)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(yàn)條件為：載荷392 N、轉(zhuǎn)速1200 r/min、時間30 min，油溫(75±2)℃。試驗(yàn)分別在有磁場環(huán)境和無磁場環(huán)境下進(jìn)行。在有磁場條件下進(jìn)行試驗(yàn)時，摩擦副的磁感應(yīng)強(qiáng)度保持在0.1 T；每組試驗(yàn)結(jié)束后，摩擦副的磁感應(yīng)強(qiáng)度降為0 T。測定試驗(yàn)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(xué)狀態(tài)。

2 結(jié)果與討論

2.1 油品穩(wěn)定性分析

含2.0%納米MoS2潤滑油油樣的沉降試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出：在整個試驗(yàn)周期內(nèi)，以T106分散的納米MoS2油樣均表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性；而未添加T106的納米MoS2油樣在第2 d后出現(xiàn)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(dá)到70%左右；而添加0.2% T106含2.0%納米MoS2油樣在試驗(yàn)周期內(nèi)透光率始終為0。沉降試驗(yàn)和紫外-可見光譜分析結(jié)果都表明以T106分散的納米MoS2在150SN基礎(chǔ)油中具有優(yōu)異的穩(wěn)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(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系。從圖4中可以看出，隨潤滑油中納米MoS2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，鋼球的磨斑直徑減小。在無磁場條件下，當(dāng)MoS2質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)以1.0%為宜。在有磁場條件下，同一樣品試驗(yàn)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?yàn)樵诓痪鶆虻闹绷鞔艌鲋?，具有抗磁性的納米MoS2富集在鋼球表面，短時間內(nèi)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(shù)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(shù)(f)與納米MoS2在潤滑油中含量的關(guān)系。從圖5中可以看出：不含納米MoS2潤滑油基礎(chǔ)油的摩擦系數(shù)在有、無磁場時相近；添加納米MoS2潤滑油的摩擦系數(shù)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(shù)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(chǔ)油和含2.0%納米MoS2潤滑油的摩擦系數(shù)隨試驗(yàn)時間的變化情況。由圖6(a)可知，無論有無磁場，隨摩擦試驗(yàn)時間的延長，150SN基礎(chǔ)油的摩擦系數(shù)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(shù)小于無磁場時的摩擦系數(shù)，且摩擦系數(shù)隨著摩擦?xí)r間的延長均呈先增大后減小的趨勢。這可能是因?yàn)椋涸谠囼?yàn)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(shù)增大；當(dāng)鋼球摩擦副的磨合完成時，界面膜的完整性提高，摩擦系數(shù)開始減小；結(jié)合圖6(a)、(b)還可以發(fā)現(xiàn)，有磁場工況下150SN基礎(chǔ)油和含2.0%納米MoS2潤滑油兩種油樣摩擦系數(shù)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(chǎn)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(zhì)量分?jǐn)?shù)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(shù)(f)隨潤滑油中納米MoS2質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(shù)(f)隨試驗(yàn)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(chǔ)油150SN和含納米MoS2油樣進(jìn)行摩擦試驗(yàn)后鋼球表面磨斑區(qū)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(jié)合基礎(chǔ)油摩擦試驗(yàn)鋼球的磨斑直徑和摩擦系數(shù)研究結(jié)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(fā)現(xiàn)，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F(xiàn)ig.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(qū)域和未試驗(yàn)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(zhì)量分?jǐn)?shù)組成如表1所示。從表1可知：150SN基礎(chǔ)油的試驗(yàn)鋼球的磨斑區(qū)域幾乎沒有S元素，Mo元素含量與未試驗(yàn)鋼球相近，為鋼球本身組成元素；含納米MoS2油樣的試驗(yàn)鋼球的磨斑區(qū)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(yàn)鋼球磨斑表面和未試驗(yàn)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(yīng)C-C單鍵和C=O雙鍵，且在有、無磁場條件下的峰強(qiáng)度基本一致，說明潤滑油分子在摩擦表面發(fā)生吸附，磁場對吸附影響很小。從圖8(b)的Mo 3d圖譜可以發(fā)現(xiàn)，在230.6 eV和229.2 eV處存在明顯特征峰，結(jié)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(fā)生吸附。這與EDS的測試結(jié)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(fā)生了摩擦化學(xué)反應(yīng)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(xué)反應(yīng)還生成了FeSO4[14]，但在有、無磁場條件下，168.9 eV處的峰強(qiáng)度差別較大，結(jié)合EDS中的S元素含量的分析結(jié)果，說明直流磁場對FeSO4的生成具有促進(jìn)作用。FeSO4的生成提高了潤滑油的抗磨減摩性能，說明促進(jìn)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(fā)現(xiàn)，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(xué)反應(yīng)或自然氧化[17-18]，此外Fe單質(zhì)的吸收峰(719.8 eV)強(qiáng)度很小，說明界面膜完整性很好。

XPS分析說明，直流磁場促進(jìn)含納米MoS2的潤滑油發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)生成了Fe2O3、FeSO4和MoO3，增強(qiáng)了邊界潤滑油膜強(qiáng)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(jī)理分析

MoS2是具有抗磁性的半導(dǎo)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(dāng)受到外加磁場作用時，MoS2分子中原子的外層電子軌道運(yùn)動會發(fā)生變化，并在與外加磁場的相反方向產(chǎn)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(chǎn)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(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)的一種可能路徑。摩擦副在摩擦過程中生熱，會出現(xiàn)瞬時高溫及粒子發(fā)射現(xiàn)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(fā)生化學(xué)鍵的斷裂與重組，在摩擦表面形成具有保護(hù)作用的化學(xué)反應(yīng)膜。研究表明外加磁場會促進(jìn)摩擦外激電子、降低材料表面氧化活化能[1,19-20]，進(jìn)而增加摩擦化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生率，增強(qiáng)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(xué)反應(yīng)的機(jī)理示意圖Fig.10 Schematic representation of tribo-chemical reactions of MoS2 on the steel surface

3 結(jié) 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(shù)和磨斑直徑均小于基礎(chǔ)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(yàn)鋼球的磨斑直徑和摩擦系數(shù)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(yàn)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(xué)反應(yīng)膜的生成具有促進(jìn)作用。