有機(jī)鉬添加劑對(duì)不同基底材料的摩擦學(xué)性能研究

凌燕麗,李小磊,2,3*,鄒 洋,戴媛靜,2

(1.清華大學(xué)天津高端裝備研究院 潤(rùn)滑技術(shù)研究所，天津 300300;2.清華大學(xué) 摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100084;3.季華實(shí)驗(yàn)室，廣東 佛山 528200)

提高燃油經(jīng)濟(jì)性和延長(zhǎng)換油期是內(nèi)燃機(jī)油發(fā)展的必然趨勢(shì)，因此，選擇性能優(yōu)異的添加劑提升現(xiàn)有潤(rùn)滑油在邊界潤(rùn)滑或混合潤(rùn)滑條件下的減摩抗磨性能變得至關(guān)重要[1].目前提高潤(rùn)滑油在混合尤其是邊界潤(rùn)滑狀態(tài)下抗磨損性能的辦法是加入傳統(tǒng)硫磷型抗磨添加劑如二烷基二硫代磷酸鋅(ZDDP)等[2-6]，其被廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油中[7-9].這些添加劑會(huì)與摩擦副表面發(fā)生反應(yīng)，生成剪切強(qiáng)度低于金屬本體的潤(rùn)滑膜，使摩擦磨損發(fā)生在反應(yīng)膜上，從而減少金屬本體的磨損.但是傳統(tǒng)硫磷型抗磨劑在低黏度潤(rùn)滑油中的應(yīng)用受到的限制越來越多，因?yàn)槠渫辛蚝土椎仍?，氣味大，?duì)皮膚有刺激，水存在的情況下易水解引起金屬腐蝕.并且磷對(duì)尾氣轉(zhuǎn)化器的催化劑有毒害，硫的氧化物將嚴(yán)重污染空氣.因此，許多石油添加劑公司都斥巨資研究和開發(fā)非硫磷型有機(jī)鉬添加劑.

另一方面，隨著加工技術(shù)的提高和加工成本的降低，各種新型材料紛紛被應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)中，相應(yīng)地，對(duì)其潤(rùn)滑性能和抗磨損性能的研究也很重要[10-11].比如鈦合金具有密度小、比強(qiáng)度高以及耐熱耐腐蝕等優(yōu)異的性能，現(xiàn)已將其應(yīng)用于某些高端轎車發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門、連桿和渦輪盤中[12-14]，然而鈦合金表面硬度低、抗塑性和抗剪切變形的能力差，導(dǎo)致其極易與對(duì)偶材料發(fā)生嚴(yán)重的黏著磨損[15-16].曹磊等[17]考察了熱氧化的TC4合金在商用5W30機(jī)油潤(rùn)滑下的摩擦學(xué)行為，證明了鈦合金表面氧化膜可明顯提高其摩擦學(xué)性能.鑄鐵作為傳統(tǒng)的缸套材料，其摩擦學(xué)性能直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力和排放性能[18].張瑞軍等[19]利用含有二烷基二硫代甲酸鉬(MoDTC)和二烷基二硫代磷酸鉬(MoDTP)的全配方礦物基SJ/5W-30型發(fā)動(dòng)機(jī)油作為潤(rùn)滑劑，考察了其對(duì)灰鑄鐵缸套摩擦學(xué)行為的影響，相對(duì)而言，MoDTC具有更好的減摩耐磨性能.鋁合金因其密度低、耐腐蝕、比強(qiáng)度高和韌性好等特點(diǎn)，已大量應(yīng)用于制造柴油機(jī)鋁合金活塞，其質(zhì)量要比常規(guī)活塞輕5%～10%[20-21].李欣等[22]發(fā)現(xiàn)加入潤(rùn)滑油添加劑可以明顯改善基礎(chǔ)油在鋁合金表面的潤(rùn)滑性能，且添加劑種類不同，作用效果不同.另外，銅材在汽車中主要應(yīng)用于散熱器、變速器同步齒輪和氣門嘴等部件，每年汽車用銅消耗量達(dá)十幾萬(wàn)噸[23].由于齒環(huán)在變速時(shí)要承受較大的沖擊與摩擦，所以對(duì)同步器齒環(huán)用銅材料耐磨性的研究也十分必要.隨著低黏度潤(rùn)滑油的推廣，鈦合金、鋁合金、鑄鐵、銅和軸承鋼材料在低黏度油潤(rùn)滑下的摩擦學(xué)性能必然影響到新型發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油利用率或者壽命等關(guān)鍵性能.因此，對(duì)添加有機(jī)鉬的潤(rùn)滑油在鈦合金和鋁合金等不同材料表面的摩擦學(xué)性能進(jìn)行系統(tǒng)性研究顯得至關(guān)重要.

作者所在課題組前期合成了非硫磷油溶性有機(jī)鉬(SPFMo)添加劑，同時(shí)研究了其在基礎(chǔ)油0W-20中的減摩抗磨效果和機(jī)理[24-25]，證明非硫磷油溶性有機(jī)鉬添加劑(SPFMo)具有優(yōu)異的減摩抗磨性能，摩擦過程中會(huì)生成包含MoS2和MoO3等物質(zhì)的摩擦化學(xué)反應(yīng)膜，從而實(shí)現(xiàn)減摩、抗磨和自修復(fù)[26-27]，同時(shí)確定了SPFMo在0W-20中最優(yōu)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和使用溫度區(qū)間分別為0.25%～0.5%和100～130 ℃.但前述研究所用基底材料均是軸承鋼，因此本文中利用實(shí)驗(yàn)室合成的非硫磷有機(jī)鉬添加劑(SPFMo)，重點(diǎn)考察其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)低黏度潤(rùn)滑油0W-20在不同材料表面摩擦學(xué)性能的影響，詳細(xì)分析了載荷、溫度和速度等不同因素的影響.研究結(jié)果可為節(jié)能減排新型發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)提供有力的技術(shù)支撐和理論參考.

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)試劑與材料

本試驗(yàn)中所用基礎(chǔ)油為市售的用作發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油的SN 0W-20，有機(jī)鉬添加劑為實(shí)驗(yàn)室自行合成的一種非硫磷油溶性有機(jī)鉬(SPFMo)，SPFMo的分子結(jié)構(gòu)如圖1所示[25]，制得的該有機(jī)鉬添加劑中鉬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為5.0%左右.然后將合成的有機(jī)鉬添加劑加入到基礎(chǔ)油0W-20中，其中添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%.摩擦試驗(yàn)中用基底為直徑24 mm的圓柱塊，材料分別為軸承鋼(GCr15)、鋁合金(7A60)、鈦合金(TC4)、紫銅(T2)和灰鑄鐵(HT300)，材料的主要成分和硬度列于表1中，硬度采用顯微硬度計(jì)(TUKON 2500-6)進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)樣測(cè)量3次取平均值.

表1 塊體材料的主要成分和硬度Table 1 The main composition and hardness of the materials

Fig.1 Proposed structure model of SPFMo圖1 非硫磷油溶性有機(jī)鉬分子結(jié)構(gòu)圖[25]

1.2 摩擦磨損性能測(cè)試

采用德國(guó)Optimol公司生產(chǎn)的SRV-5高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)評(píng)價(jià)潤(rùn)滑油的摩擦學(xué)性能，該測(cè)試系統(tǒng)示意圖如圖2所示.上試樣為GCr15標(biāo)準(zhǔn)鋼球，硬度為HRC59～61，直徑為10 mm.試驗(yàn)條件：往復(fù)頻率為10、15、20、25和30 Hz，換算成摩擦線速度分別為0.4、0.6、0.8、1.0和1.2 m/s，載荷分別為50、100、150、200和250 N，載荷分別換算為相應(yīng)材料的接觸應(yīng)力，并列于表2中，溫度分別為35、40、50、60、90和120 ℃，每次試驗(yàn)時(shí)間為20 min，行程為2 mm，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，計(jì)算各參數(shù)的平均值.

表2 不同基底材料在不同載荷下的接觸應(yīng)力Table 2 Contact stresses of different substrates under different loads

Fig.2 Schematic diagram of SRV test system圖2 SRV高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)示意圖

1.3 磨斑表面分析

摩擦磨損試驗(yàn)完成后，將試驗(yàn)基底材料和試驗(yàn)鋼球利用無(wú)水乙醇超聲清洗10 min，采用日本OLYMPUS公司生產(chǎn)的OLS5000 3D共聚焦顯微鏡觀察磨痕的形貌，并測(cè)量磨損體積；采用德國(guó)卡爾蔡司公司制造的ZEISS Sigma 300場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察磨斑表面形貌，并用附帶的能譜儀(EDS)進(jìn)行元素含量分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 有機(jī)鉬添加劑在不同基底上的抗磨減摩特性

潤(rùn)滑油0W-20及添加SPFMo的潤(rùn)滑油在不同基底材料上的摩擦系數(shù)隨溫度的變化曲線如圖3所示，試驗(yàn)條件為載荷100 N，頻率20 Hz，時(shí)間20 min.在添加了SPFMo后，在五種基底上潤(rùn)滑油的摩擦系數(shù)均明顯降低，其中在GCr15表面上0W-20的摩擦系數(shù)最高可降低23%左右.隨著溫度的升高，在7A60鋁合金表面潤(rùn)滑油的摩擦系數(shù)先升高后降低，在HT300、T2、GCr15和TC4表面的摩擦系數(shù)均逐漸升高.除Ti合金外，隨著溫度的升高，添加了SPFMo潤(rùn)滑油的摩擦系數(shù)降低的幅度增大.在溫度為120 ℃時(shí)，四種材料的摩擦系數(shù)可降低17.8%～23.3%.可見在這個(gè)溫度范圍內(nèi)，溫度越高，有機(jī)鉬添加劑的效果越明顯.對(duì)于TC4鈦合金，不同溫度下0W-20的摩擦系數(shù)基本不變，均在0.8～0.9之間，SPFMo在溫度不高于40 ℃時(shí)有明顯的減摩效果，當(dāng)溫度高于40 ℃時(shí)，失去減摩效果.這是由于鈦合金在空氣中易被氧化而表面形成1層氧化薄膜，該氧化薄膜一定程度上可減輕磨損，但其易于被破壞[28-29]，同時(shí)有機(jī)鉬添加劑能在摩擦表面產(chǎn)生含Mo潤(rùn)滑膜[25]，因此可以推測(cè)在SPFMo在常溫下能夠保護(hù)鈦合金表面的氧化薄膜不被破壞，從而有效減少磨損，但當(dāng)溫度較高時(shí)，有機(jī)鉬失去作用，氧化薄膜被破壞，鈦合金基底直接與摩擦副接觸，因此產(chǎn)生嚴(yán)重磨損，針對(duì)這一問題，下文中通過對(duì)不同溫度下摩擦表面的EDS結(jié)果分析進(jìn)行進(jìn)一步研究.

Fig.3 Influence of temperature on friction coefficient of lubricating oil on different materials: (a)HT300;(b)GCr15; (c)7A60; (d)T2; (e)TC4圖3 溫度對(duì)潤(rùn)滑油在不同材料表面摩擦系數(shù)的影響：(a)HT300；(b)GCr15；(c)7A60；(d)T2；(e)TC4

不同材料的磨損率隨溫度的變化如圖4所示，試驗(yàn)條件為載荷100 N，頻率20 Hz，時(shí)間20 min.在添加了SPFMo后，五種材料的磨損率均下降，磨損率最高下降91%.隨著溫度的升高，幾種基底材料的磨損率均增大，且溫度越高，添加SPFMo后的磨損率下降幅度越大，這表明有機(jī)鉬更有可能在溫度較高的情況下產(chǎn)生效果，這與前期的研究結(jié)果一致[25].對(duì)于Ti合金基底，磨損率變化情況與摩擦系數(shù)一致，當(dāng)溫度高至50 ℃時(shí)，產(chǎn)生嚴(yán)重磨損，其磨損率增大了103倍，此時(shí)，隨著溫度的升高，材料始終保持較高的磨損率，且有機(jī)鉬的抗磨作用效果甚微，即只在常溫下，有機(jī)鉬在鈦合金基底上具有抗磨作用.

Fig.4 Influence of temperature on wear rate of lubricating oil on different materials: (a)HT300;(b)GCr15; (c)7A60; (d)T2; (e)TC4圖4 不同材料磨損率隨溫度的變化情況：(a)HT300；(b)GCr15；(c)7A60；(d)T2；(e)TC4

不同材料表面磨痕形貌的SEM照片如圖5所示，磨痕區(qū)域元素EDS分析結(jié)果列于表3中.圖5(a～c)所示為灰鑄鐵HT300表面的磨痕形貌照片，圖5(a)所示為90 ℃未添加有機(jī)鉬的潤(rùn)滑油摩擦下的磨痕形貌照片，磨痕表面可見大量明顯細(xì)長(zhǎng)條狀犁溝，表面有少量的黏著現(xiàn)象，這主要是摩擦副表面的微凸體對(duì)基底的磨粒磨損.圖5(b)所示為90 ℃添加SPFMo的磨痕形貌照片，添加有機(jī)鉬后，條狀犁溝數(shù)量明顯減少.圖5(c)所示為120 ℃添加有機(jī)鉬后的磨痕形貌照片，表面呈現(xiàn)明顯的黏著和剝落特征，同時(shí)有少量的長(zhǎng)條狀犁溝，EDS結(jié)果(表3)顯示90和120 ℃的磨痕表面均有少量Mo、S和P等元素，同時(shí)有較多O元素，即在摩擦表面可能有含Mo的潤(rùn)滑膜的產(chǎn)生，在溫度較高時(shí)，基底表面被氧化而產(chǎn)生氧化鐵.

Fig.5 SEM micrographs of worn surfaces of HT300: (a)HT300-0W-20-90 ℃,(b)HT300-SPFMo-90 ℃,(c)HT300-SPFMo-120 ℃; SEM micrographs of worn surfaces on GCr15: (d)GCr15-0W-20-90 ℃,(e)GCr15-SPFMo-90 ℃,(f)GCr15-SPFMo-120 ℃; SEM micrographs of worn surfaces on 7A60: (g)7A60-0W-20-120 ℃,(h)7A60-SPFMo-60 ℃,(i)7A60-SPFMo-120 ℃; SEM micrographs of worn surfaces on T2: (j)T2-0W-20-120 ℃,(k)T2-SPFMo-120 ℃圖5 基底HT300上磨痕形貌的SEM照片：(a)HT300-0W-20-90 ℃，(b)HT300-SPFMo-90 ℃，(c)HT300-SPFMo-120 ℃；基底GCr15上磨痕形貌的SEM照片：(d)GCr15-0W-20-90 ℃，(e)GCr15-SPFMo-90 ℃，(f)GCr15-SPFMo-120 ℃；基底7A60合金上磨痕形貌的SEM照片：(g)7A60-0W-20-120 ℃，(h)7A60-SPFMo-60 ℃，(i)7A60-SPFMo-120 ℃；基底T2上磨痕形貌的SEM照片：(j)T2-0W-20-120 ℃，(k)T2-SPFMo-120 ℃

表3 圖5中磨痕表面各點(diǎn)處不同元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 3 Mass fraction of different elements on worn surface in Fig.5

圖5(d～f)所示為軸承鋼GCr15表面磨痕形貌的SEM照片，在磨痕表面均有沿摩擦方向的條狀凹陷或凸起，且隨著溫度的升高，這種痕跡變深，即溫度升高后，由于潤(rùn)滑油黏度的降低，使基礎(chǔ)油的承載能力變差，使材料磨損加重.但是添加有機(jī)鉬后，磨痕表面可見明顯的P、S和Mo元素(表3)，且溫度升高，Mo元素含量有增大的趨勢(shì)，即較高溫度更可能產(chǎn)生更多的含Mo潤(rùn)滑膜.同時(shí)溫度高時(shí)，表面產(chǎn)生更多O元素，即基底表面在高溫被氧化而產(chǎn)生氧化鐵.

圖5(g～i)所示為7A60鋁合金表面的磨痕形貌的SEM照片，相較HT300和GCr15，鋁合金磨痕表面更加平滑，圖5(h)所示為60 ℃添加有機(jī)鉬的磨痕，其表面分布有均勻而細(xì)小的犁溝，圖5(g)和5(i)分別為120 ℃未添加和添加有機(jī)鉬的磨痕，即溫度較高時(shí)，基底材料上可見沉積物，但添加有機(jī)鉬后[圖4(i)]沉積物的尺寸和數(shù)量均有所減少，結(jié)合EDS結(jié)果(表3)，溫度較高時(shí)，Mo元素含量有增加的趨勢(shì)，這也是隨著溫度的升高，含SPFMo的0W-20的摩擦系數(shù)降低更明顯的原因.

圖5(j～k)所示為紫銅表面磨痕形貌的SEM照片，120 ℃時(shí)紫銅基底上未添加有機(jī)鉬的磨痕表面磨損嚴(yán)重，產(chǎn)生明顯的塑性變形，有很深的犁溝.添加有機(jī)鉬后磨痕表面變平滑，結(jié)合EDS結(jié)果(表3)，磨痕表面存在少量Mo和S元素，即磨痕表面形成了MoS2化學(xué)潤(rùn)滑膜，可起到減摩作用.

綜上，在HT、GCr15、Al合金和T2四種基底上，在添加有機(jī)鉬后，其基底材料的磨損狀況均得以改善，且表面均可見不同含量的Mo和S等元素.即這幾種材料均可在摩擦表面產(chǎn)生MoS2等化學(xué)潤(rùn)滑膜來達(dá)到減摩的作用.同時(shí)，在幾種基底表面均可發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，Mo元素含量有增大的趨勢(shì)，即試驗(yàn)范圍內(nèi)(35～120 ℃)，溫度越高，更有利于生成含Mo潤(rùn)滑膜.

圖6所示為Ti合金表面磨痕形貌的SEM照片，在常溫狀態(tài)下(35 ℃)，未添加SPFMo時(shí)，磨損十分嚴(yán)重，產(chǎn)生了非常嚴(yán)重的塑性變形，磨痕表面凹凸不平，有明顯的基底材料的脫落和黏著的現(xiàn)象.添加有機(jī)鉬后，表面未產(chǎn)生嚴(yán)重的磨損，磨痕表面較為平滑，結(jié)合EDS結(jié)果(表4)，含有機(jī)鉬的磨痕表面，有較多的O元素，同時(shí)有少量的Mo元素，這意味著鈦合金表面有1層鈦氧化層.當(dāng)溫度為90 ℃時(shí)，即使添加了有機(jī)鉬，其表面依然產(chǎn)生了嚴(yán)重磨損，且表面的元素成分也基本與未添加時(shí)相同，即此時(shí)有機(jī)鉬并未發(fā)揮作用.文獻(xiàn)[30]中研究表明鈦合金在空氣中會(huì)迅速與氧發(fā)生反應(yīng)，使得鈦表面形成1層致密的氧化薄膜.該氧化層薄膜在一定程度上可減輕磨損，但是摩擦過程中的閃溫致使氧化膜脆弱易脫落[28-29].在常溫狀態(tài)下，添加有機(jī)鉬后表面可見Ti、O與少量Mo和S等元素的存在，未添加有機(jī)鉬的表面產(chǎn)生了嚴(yán)重的磨損，且未見O、Mo和S元素，眾所周知，鈦合金極易與其他材料產(chǎn)生嚴(yán)重黏著磨損，因此可以推斷有機(jī)鉬產(chǎn)生的潤(rùn)滑膜保護(hù)了氧化膜不被破壞，鈦氧化膜的存在使鈦合金基底免于直接與摩擦副接觸，從而未造成嚴(yán)重磨損.但是隨著溫度的升高，潤(rùn)滑油黏度下降，油膜強(qiáng)度降低，耐磨性能變差[31]，鈦氧化膜易被破壞，使摩擦副直接與鈦合金基底接觸而產(chǎn)生嚴(yán)重的黏著磨損，因此溫度高時(shí)有機(jī)鉬會(huì)失去作用效果，此結(jié)果也與圖3(e)中鈦合金在40 ℃以上時(shí)摩擦系數(shù)陡升的現(xiàn)象相吻合.

Fig.6 SEM micrographs of worn surface on substrate TC4: (a)35 ℃-0W-20,(b)35 ℃-SPFMo,(c)90 ℃-SPFMo圖6 基底TC4合金上磨痕的SEM照片：(a)35 ℃-0W-20，(b)35 ℃-SPFMo，(c)90 ℃-SPFMo

表4 圖6中磨痕表面各點(diǎn)處元素EDS分析結(jié)果Table 4 EDS analysis results of elements on worn surface in Fig.6

2.2 試驗(yàn)條件對(duì)不同基底材料抗磨減摩特性的影響

圖7(a)所示為含SPFMo潤(rùn)滑油在除鈦合金外四種材料表面的摩擦系數(shù)，可見隨著載荷的增大，摩擦系數(shù)均增大，尤其在T2材料表面的摩擦系數(shù)增大最明顯.圖7(b)所示為鈦合金表面含Mo與不含Mo潤(rùn)滑油的摩擦系數(shù)，對(duì)于0W-20潤(rùn)滑油而言，試驗(yàn)載荷約高于50 N (接觸應(yīng)力為866 MPa)時(shí)，摩擦系數(shù)會(huì)急劇升高；添加SPFMo后，載荷高于100 N (接觸應(yīng)力為1 091 MPa)時(shí)，摩擦系數(shù)才會(huì)急劇升高.這在一定程度上說明SPFMo具備一定的抗磨損能力.圖7(c)所示為五種材料在含SPFMo潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑下的磨損率對(duì)比圖，隨著試驗(yàn)載荷的提高，幾種材料的磨損率均升高，鈦合金在高于100 N后磨損率突變，升高了約104倍，這也與鈦氧化層的破壞有關(guān).

Fig.7 Influence of load on wear resistance and friction coefficient (test condition: 0.8 m /s,35 ℃,20 min): (a)friction coefficient of HT300,7A60,T2 and GCr15 with SPFMo; (b)friction coefficient of TC4; (c)wear rate of five materials with SPFMo圖7 載荷對(duì)抗磨減摩性能的影響(試驗(yàn)條件：0.8 m/s，35 ℃，20 min)：(a)含SPFMo時(shí)HT300、7A60、T2和GCr15表面的摩擦系數(shù)；(b)含SPFMo和不含SPSPFMo時(shí)TC4表面的摩擦系數(shù)；(c)含SPFMo時(shí)五種材料的磨損率

HT300、7A60、T2和GCr15四種基底材料在含SPFMo潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑下摩擦系數(shù)隨摩擦速度的變化如圖8(a)所示.隨著摩擦速度的升高，7A60鋁合金的摩擦系數(shù)逐漸下降，在測(cè)量范圍內(nèi)最高下降了32%.隨著摩擦速度的升高其減摩性變好，GCr15的摩擦系數(shù)先下降后升高，其他材料的摩擦系數(shù)均逐漸升高.圖8(b)所示為TC4合金表面摩擦系數(shù)隨摩擦速度的變化，在此試驗(yàn)條件下，0W-20在任何摩擦速度下始終保持較高的摩擦系數(shù)，摩擦速度小于0.8 m/s時(shí)，含SPFMo潤(rùn)滑油在鈦合金基底上的摩擦系數(shù)較小，即在低速摩擦?xí)r，有機(jī)鉬添加劑能夠起到較好的減摩作用.圖8(c)所示為在含SPFMo潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑下五種材料的磨損率，鈦合金磨損率變化規(guī)律跟摩擦系數(shù)一致.T2的磨損率隨著摩擦速度的升高先降低后升高，其他材料的磨損率均隨著摩擦速度的升高而降低.低速摩擦?xí)r，磨損機(jī)制一般為黏著磨損，高速摩擦?xí)r，磨損機(jī)制變?yōu)槟チＤp和疲勞磨損.

Fig.8 Influence of friction velocity on wear resistance and friction coefficient (test condition: 100 N,35 ℃,20 min): (a)friction coefficient of HT300,7A60,T2 and GCr15 with SPFMo; (b)friction coefficient of TC4; (c)wear rate of five materials with SPFMo圖8 摩擦速度對(duì)抗磨減摩性能的影響(試驗(yàn)條件：100 N，35 ℃，20 min)：(a)含SPFMo時(shí)HT300、7A60、T2和GCr15的摩擦系數(shù)；(b)含SPMo和不含SPFMo時(shí) TC4合金的摩擦系數(shù)；(c)含SPFMo時(shí) 五種基底上的磨損率

3 摩擦磨損機(jī)理

五種不同材料的摩擦對(duì)偶GCr15鋼球磨損表面形貌的SEM照片如圖9所示，結(jié)合EDS結(jié)果(表5)可知，與HT300、GCr15、T2和7A60摩擦后的鋼球表面均有不同量的Mo元素存在，即不同基底材料和摩擦對(duì)偶由于材料性質(zhì)的不同，導(dǎo)致其對(duì)Mo的吸附能力不同，即摩擦界面產(chǎn)生的含Mo潤(rùn)滑膜的量不同，這也導(dǎo)致了不同基底材料在相同潤(rùn)滑介質(zhì)上不同的摩擦磨損性能.對(duì)于鈦合金而言，含Mo潤(rùn)滑膜可在一定條件下使鈦氧化層不被破壞，一旦氧化層破壞，有機(jī)鉬的作用也就微乎其微了.

Fig.9 SEM micrographs of dual steel ball surface on different materials: (a)HT300-SPFMo-120 ℃; (b)GCr15-SPFMo-120 ℃;(c)T2-SPFMo-120 ℃; (d)7A60-SPFMo-120 ℃; (e)TC4-SPFMo-35 ℃; (f)TC4-0W-20-35 ℃圖9 不同材料的摩擦對(duì)偶鋼球表面形貌的SEM照片：(a)HT300-SPFMo-120 ℃，(b)GCr15-SPFMo-120 ℃，(c)T2-SPFMo-120 ℃，(d)7A60-SPFMo-120 ℃，(e)TC4-SPFMo-35 ℃，(f)TC4-0W-20-35 ℃

表5 圖9中磨痕表面元素EDS分析結(jié)果Table 5 EDS analysis results of elements on worn sunface in Fig.9

雖然本試驗(yàn)中的有機(jī)鉬添加劑不含P和S等元素，但所用潤(rùn)滑油0W-20中含有少量P和S等元素(硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.318%，含磷量為916 mg/kg)，對(duì)于含磷的情況，高活性的P元素摩擦分解并與表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后，除了生成少量的MoS2和MoO3外，更易形成以磷酸鹽和偏磷酸鹽為主的復(fù)合物表面膜[32].對(duì)于基體含鐵的摩擦副，能夠生成FePO4、FeS和FeO等物質(zhì)，并在基體摩擦面吸附成膜.因此，在本試驗(yàn)中有機(jī)鉬在含鐵的基底上如GCr15和鑄鐵上效果更好些.另外，這種無(wú)硫磷有機(jī)鉬中的氮在摩擦表面也可能形成有機(jī)氮，吸附在表面上[4].這些物質(zhì)在摩擦表面上可成為化學(xué)反應(yīng)膜，避免產(chǎn)生較高的磨損.

SPFMo中的極性物質(zhì)在向基體表面吸附過程中，能夠填充表面的凹谷，從而起到降低表面粗糙度的目的.同時(shí)有機(jī)碳鏈能整齊排列，形成物理吸附潤(rùn)滑膜.當(dāng)摩擦產(chǎn)生的局部高溫和壓強(qiáng)達(dá)到使SPFMo分解的條件時(shí)，SPFMo能夠與表面的凸起反應(yīng)，產(chǎn)生塑性變形，使表面光滑，反應(yīng)生成MoS2和MoO3等，前者由于結(jié)構(gòu)性質(zhì)能夠進(jìn)一步降低摩擦系數(shù)，后者及其他生成的物質(zhì)吸附在表面上也起到抗磨作用[4].

4 結(jié)論

a.添加非硫磷有機(jī)鉬添加劑后，所有基底材料上的摩擦系數(shù)和磨損率均下降.7A60合金的摩擦系數(shù)隨著溫度的升高先上升后下降，磨損率隨著溫度的升高而升高；其他材料的磨損率和摩擦系數(shù)均隨著溫度的升高而升高.同時(shí)，隨著溫度的升高，有機(jī)鉬在抗磨減摩方面的作用效果越明顯；在Ti合金表面，SPFMo只有在溫度較低時(shí)(≤40 ℃)才具有較好的減摩抗磨效果.

b.隨著試驗(yàn)載荷的增大，所有材料表面的摩擦系數(shù)和磨損率均增大.隨著摩擦速度的升高，7A60表面的摩擦系數(shù)逐漸減小，GCr15表面摩擦系數(shù)先減小后增大，其他材料表面摩擦系數(shù)逐漸增大；除Cu的磨損率先減小后增大外，其他材料的磨損率均隨著摩擦速度的升高而增大.在鈦合金表面，SPFMo在低速下(≤0.8 m/s)有較好的減摩抗磨效果.

c.SPFMo中的極性基團(tuán)在向基體表面吸附過程中，能夠行成整齊排列的物理吸附膜，摩擦過程中產(chǎn)生的高溫和高壓環(huán)境能夠迫使SPFMo與潤(rùn)滑油中的其他添加劑以及材料表面發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)，生成含MoS2、MoO3、FePO4和FeS等物質(zhì)中的一種或多種的摩擦化學(xué)反應(yīng)膜，這是SPFMo能夠具有減摩抗磨效果的主要原因.